國內早期光伏電站的系統效率及系統效率損失分析

劉家鼎

(中國電力國際發展有限公司，北京 100080)

0 引言

系統效率(performance ratio，PR)是評估光伏電站經濟效益的重要指標。國際能源署(IEA)光伏發電項目(PVPS)任務組13(Task 13)針對并網光伏發電系統的研究顯示，全球于2000～2010年投產的光伏電站的年均PR范圍集中在74%～84%之間。其中，法國、比利時、德國和中國臺灣地區于2000～2010年投產的光伏電站的年均PR分別為76%、78%、84%和74%，具體如表1所示[1]。

表1 全球于2000～2010年投產的部分光伏電站的PRTable 1 PR of some PV power stations put into operation in 2000～2010 in the world

由于我國早期建成的光伏電站在數據采集監控(SCADA)系統應用方面相對薄弱，傳感器精度較低且數量往往無法完整覆蓋整個光伏陣列的直流側，造成光伏陣列的局部數據缺失，導致電站運維人員無法科學、準確地判斷光伏電站的系統效率及電站的健康運行情況。基于此，本文采用便攜式檢測儀器，對全國各地于2010～2015年投產的15座裝機規模在10 MWp以上的光伏電站進行了大規模實地檢測，研究了早期光伏電站的PR和PR損失的構成，并提出了運用缺陷指標科學評估光伏電站缺陷率的方法。

1 實地檢測

1.1 檢測方法

對我國2010～2015年投產的15座裝機規模在10 MWp以上的光伏電站進行大規模實地檢測，電站所在區域覆蓋了華北、華東、華南、西北4個地區，電站類型包括平原光伏電站、山地光伏電站、鹽堿地光伏電站及屋頂光伏電站。根據這15座早期光伏電站自投產至今的全歷史發電量數據，分別從每座光伏電站中抽取歷史發電量為高、中、低的光伏陣列各1個，采用便攜式檢測儀器檢測并采集這些光伏陣列的直流側數據；光伏電站總發電量取關口表發電量數據。

1.2 檢測儀器

對光伏電站進行大規模實地檢測時使用的便攜式檢測儀器信息如表2所示。

表2 檢測儀器的信息Table 2 Information of testing instruments

1.3 PR的計算方法

光伏電站的PR依據IEC 61724-1:2017[2]中的公式進行計算。1)記錄光伏電站關口表當日發電量及日太陽輻照度；2)根據日太陽輻照度計算光伏電站理論日發電量；3)根據光伏電站實際裝機容量計算其當日的PR，并進行光伏組件工作溫度修正，可得到STC條件下光伏電站當日的PR。

PR的計算公式為：

式中，Psys為光伏電站關口表的瞬時輸出功率；τ為測量時間；PA為光伏電站實際裝機容量；k為累計測試天數；Gi,k為光伏陣列傾斜面接收的太陽輻照度；Gi,ref為STC條件下光伏陣列傾斜面接收的太陽輻照度，取1000 W/m2；Ck為溫度修正系數。

其中，Ck的計算公式為：

式中，γ為光伏組件功率溫度系數；Tmod,k為光伏組件瞬時背板溫度。

2 PR分析

2.1 總體檢測結果

將15座早期光伏電站按照華北、華南、西北、華東4個地區進行劃分，利用式(1)～式(2)得到每個光伏電站的實測PR及4個地區的PR平均值如表3所示。

表3 不同光伏電站的實測PR及4個地區PR平均值統計Table 3 Statistics of measured PR of different PV power stations and average PR of four regions

2.2 不同地區光伏電站的PR分布情況

從表3的數據可以看出，華北、華南、西北、華東4個地區光伏電站的PR平均值依次為84.96%、82.69%、80.59%和76.97%；其中，華北地區光伏電站的PR平均值相對較高；全樣本的PR平均值為81.60%。

不同地區光伏電站的PR平均值情況如圖1所示。

圖1 不同地區光伏電站的PR平均值情況Fig. 1 Average PR of PV power stations in different regions

2.3 不同類型光伏電站的PR分布情況

檢測的15座早期光伏電站中，平原光伏電站為8座，鹽堿地光伏電站為3座，屋頂光伏電站為2座，山地光伏電站為2座。這4種不同類型光伏電站的PR平均值情況如圖2所示。

圖2 不同類型光伏電站的PR平均值情況Fig. 2 Average PR of PV power stations in different types

從圖2可以看出，平原光伏電站、鹽堿地光伏電站、山地光伏電站的PR相差不大；平原光伏電站的PR平均值最高，屋頂光伏電站的PR平均值最低，平原光伏電站的PR平均值較屋頂光伏電站的PR平均值高出近7.52%。

3 缺陷指標分析

對上述15座早期光伏電站按不同地區光伏電站和不同類型光伏電站分別進行PR損失分布情況及光伏電站缺陷率的分析。

3.1 不同地區光伏電站的PR損失分布情況

PR損失主要包括變壓器損耗、逆變器效率損失、光伏組件串并聯失配損失、直流線損、光伏組件溫升損失、灰塵遮擋損失和其他損失。不同地區光伏電站的PR損失分布情況如圖3所示。

由圖3可知，在4個地區的光伏電站中，華東地區光伏電站的PR損失相對較高。在華東地區光伏電站PR損失的構成中，其他損失的占比最大，約為7.97%；其次為光伏組件溫升損失，占比約為5.19%。由于各地區的氣候環境不同，因此不同地區光伏電站的灰塵遮擋損失數據各異；其中，華北地區、華南地區、西北地區和華東地區的灰塵遮擋損失分別為 0.87%、1.25%、0.89%和1.35%。但從光伏電站運維角度來看，灰塵遮擋損失可以通過人為干預解決。

圖3 不同地區光伏電站的PR損失分布情況Fig. 3 Distribution of PR loss of PV power stations in different regions

3.2 不同類型光伏電站的PR損失分布情況

不同類型光伏電站的PR損失分布情況如圖4所示。

圖4 不同類型光伏電站的PR損失分布情況Fig. 4 Distribution of PR loss of PV power stations in different types

從圖4可以看出，在4種光伏電站類型中，屋頂光伏電站的PR損失相對較高。在屋頂光伏電站PR損失的構成中，其他損失的占比最大，約為8.62%；其次為光伏組件溫升損失，占比約為5.77%。由于不同類型光伏電站所在地區的氣候環境不同，因此不同類型光伏電站的灰塵遮擋損失數據各異，平原光伏電站、鹽堿地光伏電站、山地光伏電站、屋頂光伏電站的灰塵遮擋損失分別為1.07%、0.81%、0.31%和1.90%。

3.3 光伏電站的缺陷率統計

根據不同地區和不同類型光伏電站的PR損失分布情況可以看出，華東地區屋頂光伏電站的其他損失較高。這類損失主要由運維失效造成，原因主要包括電氣設備失效故障，光伏組件破損造成的短路、斷路故障，以及局部線纜、電纜頭斷路故障等。

為了進一步分析光伏電站是否存在由運維失效引起的PR損失，針對各光伏電站的光伏陣列進行了隨機缺陷排查，并對光伏電站的缺陷率分布情況進行了統計。缺陷率采用缺陷指標進行分析，缺陷指標主要包括未達標光伏組串的比率、光伏組件的熱斑率及光伏組件的破碎率。

3.3.1 未達標光伏組串的比率

光伏組串的系統效率PRstring是指光伏組串的實際發電量和其理論發電量的比值，一般來說，PRstring應高于光伏電站的整體PR。在本次實地檢測中，未達標光伏組串是指PRstring＜80%的光伏組串。

PRstring的計算式為：

式中，Estring-act為光伏組串的實際發電量；Estring-ideal為光伏組串的理論發電量。

運維失效會導致未達標光伏組串的數量增加，并拉低光伏電站的整體PR。未達標光伏組串的比率是指匯流箱中未達標光伏組串的數量占光伏組串總數的比例，通過統計未達標光伏組串的比率，可在一定程度上揭示該光伏電站的“受災”范圍，即了解該光伏電站中故障光伏組件的大致比例。

3.3.2 光伏組件的熱斑率

光伏組件的玻璃表面存在點狀高溫區域，且高于周邊溫度4 ℃以上的光伏組件被認為存在熱斑效應，該光伏組件可稱為熱斑光伏組件。

光伏組件熱斑率是指熱斑光伏組件的數量占光伏組件總數的比例。

3.3.3 光伏組件的破碎率

光伏組件表面玻璃存在裂紋的情況被認定為破碎，該光伏組件則可被稱為破碎光伏組件。

光伏組件的破碎率是指破碎光伏組件的數量占光伏組件總數的比例。

3.3.4 不同地區光伏電站的缺陷率分布情況

不同地區光伏電站的缺陷率分布情況如表4所示。

表4 不同地區光伏電站的缺陷率分布情況Table 4 Distribution of defect rate of PV power stations in different regions

從表4可以看出，華北地區、華東地區、西北地區這3個地區光伏電站的未達標光伏組串的比率相對較高，分別為32.98%、31.73%、21.24%；華南地區光伏電站的光伏組件熱斑率最高，約為1.99%；西北地區光伏電站存在較多光伏組件表面玻璃碎裂的現象，該地區光伏電站的光伏組件破碎率最高，達到0.14%。

3.3.5 不同類型光伏電站的缺陷率分布情況

不同類型光伏電站的缺陷率分布情況如表5所示。

表5 不同類型光伏電站的缺陷率分布情況Table 5 Distribution of defect rate of PV power stations in different types

從表5可以看出，鹽堿地光伏電站的未達標光伏組串的比率最高，為31.97%；山地光伏電站的光伏組件熱斑率最高，達到3.00%；平原光伏電站中光伏組件表面玻璃碎裂的現象最多，該類型光伏電站的光伏組件破碎率最高，達到0.09%。

3.3.6 綜合分析

盡管華北地區光伏電站的未達標光伏組串的比率最高，但對該數據進行深入分析后發現，該地區未達標光伏組串中PRstring下降嚴重的光伏組串的數量相對較少，即光伏組件的“受災”程度不嚴重，因此未造成光伏電站整體PR嚴重下降。

與之相反的是，華東地區屋頂光伏電站的未達標光伏組串的比率較高，且局部匯流箱存在大量PRstring值遠低于80%的光伏組串，導致華東地區屋頂光伏電站的整體PR被拉低。

針對上述情況，以華東地區某屋頂光伏電站為例進行分析。該屋頂光伏電站中，某匯流箱(編號為8A05)共連接了16串光伏組串，各光伏組串的PRstring如圖5所示。

圖5 某匯流箱中各光伏組串的PRstring情況Fig. 5 PRstring value of each PV module string in a combiner box

從圖5可以看出，8A05匯流箱中連接的16串光伏組串中，有10串光伏組串的PRstring值低于60%，甚至其中有4串光伏組串的PRstring值低于25%，揭示出該匯流箱中存在大量的光伏組件失效的情況，需要對這些光伏組件進行維修，嚴重的甚至需要更換。需要說明的是，部分光伏組串的PRstring值高于100%是因為部分光伏組件存在銘牌功率正偏差，且檢測時光伏組件的表面溫度低于STC下的標準溫度(25 ℃)，使光伏組件溫升損失為負值，導致最終該光伏組串的實際發電量高于理論發電量，PRstring值超過了100%。

未達標光伏組串的比率及其PRstring值“雙偏低”說明該光伏電站中存在大量的失效光伏組件，導致該光伏電站的整體PR偏低，也造成了該光伏電站的PR損失中的其他損失值偏高。

4 結論

本文對國內15座裝機規模為10 MWp以上的早期光伏電站進行了大規模實地檢測，研究了早期光伏電站的系PR和PR損失的構成，并提出了運用缺陷指標科學分析光伏電站缺陷率的方法。通過檢測得出以下結論：

1)本次實地檢測的15座早期光伏電站的PR平均值為81.60%。

2)光伏電站所處的環境條件對其PR存在顯著影響，灰塵附著、溫度變化、環境酸堿度、光伏陣列布置環境等均會對光伏發電系統產生各種影響，并導致不同的故障缺陷。

3)PR及PR損失的構成可以從宏觀上揭示光伏電站的運行狀況是否良好；采用多維度的缺陷指標考核，有助于現場運維人員開展深層次的故障分析，從而可以快速明晰光伏發電系統的故障區域。其中，通過綜合分析未達標光伏組串的比率及其PRstring值，可揭示出光伏陣列的“受災”范圍和嚴重程度。