油田井場光伏發電系統測試方法研究及應用

張昌勝（中國石油天然氣集團公司節能技術監測評價中心）

油田即是能源生產大戶，也是能源消耗大戶，為解決能源生產成本，降低企業生產能耗，光伏發電系統在油田上得到了快速的發展和應用。近年來，國家推出一系列政策和舉措推動能源轉型，調整和優化能源產業結構，推進能源生產和消費革命，構建清潔低碳、安全高效的能源體系，因地制宜發展分布式能源，推動非化石能源替代化石能源、低碳能源替代高碳能源。按照油田井場的布局及油井的生產特點，光伏發電系統的應用較為廣泛。

1 現狀

井場用光伏發電系統配備的電能數據采集功能還存在一些弊端，因為光伏發電系統的每組太陽能光板是多塊太陽能光板串聯到一起的，監控系統并不能采集每塊太陽能光板的發電和電能使用情況。另外，太陽能光板在生產時，每塊光板的電能利用效率也有差別，所以研究光伏發電系統的測試方法，并對光伏發電系統進行常規的節能監測是非常必要的。

通過節能監測可以隨時掌握每塊太陽能光板的電能利用效率，同時對于效率低的太陽能光板，可以進行數據分析，采取相應的技術措施，從而提高系統的電能利用效率。另外，通過對光伏發電系統測試，可以掌握光伏發電系統的各項能效指標，對采油井充分利用電能、余電上網起到重要的作用。所以研究光伏發電系統的測試方法，是油田節能監測中的一項重要工作。

2 光伏發電系統測試研究

2.1 發電原理

光伏發電是一種利用半導體界面的光伏效應將光能直接轉化為電能的技術[1]。系統主要由太陽能發電板（模塊）、控制器、逆變器組成。太陽能電池串聯后進行封裝和保護，形成大面積的太陽能電池模塊，然后與功率控制器等組件組合，形成光伏發電裝置。

光伏發電的主要原理是半導體的光電效應：不均勻的半導體或半導體的不同部分與金屬結合后，由于光的作用而產生電位差現象，即太陽光照射金屬時，其能量被金屬中的電子完全吸收，但是當電子吸收的能量足夠大，足以克服金屬的內部引力，并從金屬表面逃逸出來成為光電子時，就會形成電流，產生電量。這是一個光子（光波）轉化為電子，光能轉化為電能的過程。

2.2 評價指標

光伏發電系統的能效評價指標主要包括四項：光伏組件效率[2]、光伏組件串聯失配率[3]、光伏組串并聯失配率[4]和光伏逆變器轉換效率[5]。

2.3 測試項目

光伏發電系統測試項目主要包括：

◇τ 時段光伏發電站輸出的總發電量、τ 時段光伏方陣傾斜面單位面積總輻照量；

◇標準條件下的輻照度；

◇τ 時段光伏發電站發出的出口側關口表發電量；

◇τ 時段光伏發電站發出的除站內用電外就地消納的電量；

◇τ 時段光伏發電站為維持運行消耗的取自電網的電量；

◇τ 時段光伏發電單元輸出的總發電量；

◇光伏發電單元安裝容量；

◇τ 時段光伏發電單元光伏方陣傾斜面單位面積總輻照量；

◇光伏組件最大功率、被測光伏組件標稱總面積；

◇被測光伏組串最大功率；

◇被測光伏組串中第n塊被測光伏組件最大功率；

◇被測匯流箱最大功率；

◇被測匯流箱中第n串被測光伏組串最大功率；

◇逆變器交流側電壓采樣瞬間值；

◇逆變器交流側電流采樣瞬間值；

◇逆變器交流側連續兩個采樣值之間的時間間隔；

◇逆變器直流側電壓采樣瞬間值；

◇逆變器直流側電流采樣瞬間值。

2.4 測試方法

2.4.1 測試條件

◇測試應選擇晴天少云的天氣；

◇測試周期應至少覆蓋一個日歷天；

◇測量數據取值時間間隔應精確到秒級。

2.4.2 測試方法及步驟

1）系統效率、光伏發電單元效率測試裝置應包括氣象數據采集裝置和光伏發電站發電量采集裝置。

系統效率具體測試步驟如下：①在光伏方陣中安裝氣象數據采集裝置，測量光伏組件表面接收輻照度；②在光伏發電站交流輸出側測量光伏發電站出口側關口表發電量、除站內用電外就地消納的電量及為維持電站運行消耗的取自電網的電量。

光伏發電單元效率測試步驟如下：①在光伏發電單元光伏方陣中安裝氣象數據采集裝置[6-7]，輻照度計應與被測光伏組件所在光伏方陣同傾角位置擺放，測量光伏組件表面接收輻照度；②在光伏發電單元交流輸出側測量光伏發電單元發電量。

2）光伏組件效率測試包括光伏組件轉換效率測試及積塵損失率測試。

光伏組件效率測試步驟如下：①斷開被測光伏組件所在組串的主回路；②記錄被選光伏組件的基本參數與生產批號并清潔處理；③將被測光伏組件的溫度預處理到25 ℃±1 ℃；④利用光伏組件最大功率[8]測試裝置測試光伏組件電流和電壓數據。

3）光伏組件串聯失配率應采用同步在線測試裝置進行測試，裝置功能應滿足光伏組件串聯失配率同步測試需求。

光伏組件串聯失配率測試步驟如下：①斷開被測光伏組串的主回路；②將同步在線測試裝置分別連接到被測光伏組串中全部光伏組件及光伏組串輸出側；③恢復光伏組串的主回路，測試并記錄被測光伏組件和光伏組串最大功率。

4）光伏組串并聯失配率應采用同步在線測試裝置進行測試，裝置功能應滿足光伏組串并聯失配率同步測試需求。

光伏組件串并聯失配率測試步驟如下：①斷開被測光伏匯流箱的主回路；②將同步在線測試裝置分別連接到被測光伏匯流箱的輸入、輸出側，輸入側應連接匯流箱中全部光伏組串；③恢復光伏匯流箱的主回路，測試并記錄被測光伏組串和光伏匯流箱的最大功率。

5）組串式光伏逆變器效率測試應具備多路MPPT（最大功率點跟蹤）同步測試全部支路的功能；集散式光伏逆變器效率測試應具備DC-DC 和DC-AC 轉換效率測試功能。

光伏逆變器轉換效率測試步驟如下：①分別在光伏逆變器的交流側和直流側接入數據采集裝置；②測量并記錄光伏逆變器的直流輸入電壓、直流輸入電流、交流輸出電壓和交流輸出電流；③給出實際輸出功率與交流額定功率之比為5%、10%、20%、25%、30%、50%、75%、100%（可選）時的轉換效率值，每個功率點記錄時間不應小于10 min。

2.5 項目計算方法

2.5.1 系統效率

光伏發電站系統能效計算公式如下：

式中：TPR為系統能效，%；EOUT,τ為τ時段光伏發電站輸出的總發電量，kWh；RCI為光伏發電站安裝容量，kW；G為τ時段光伏方陣傾斜面單位面積總輻照量，kWh/m2；G0為標準條件下的輻照度，kW/m2；ETUN,τ為τ時段光伏發電站發出的出口側關口表發電量，kWh；ECON,τ為τ時段光伏發電站發出的除站內用電外就地消納的電量，kWh；EL,τ為τ時段光伏發電站為維持運行消耗的取自電網的電量，kWh。

2.5.2 光伏發電單元效率

光伏發電單元能效計算公式如下：

式中：PRSYS為光伏發電單元能效，%；ESYS,τ為τ時段光伏發電單元輸出的總發電量，kWh；RCISYS為光伏發電單元安裝容量，kW；GSYS為τ時段光伏發電單元光伏方陣傾斜面單位面積總輻照量，kWh/m2；G0為標準條件下的輻照度（通常情況下G0=1），kW/m2。

2.5.3 光伏組件效率

光伏組件轉換效率計算公式如下：

式中：ηout為光伏組件轉換效率，%；PMPP_STC為光伏組件最大功率，W/m2；Aout為被測光伏組件標稱總面積，m2。

光伏組件積塵損失率應進行連續光伏組件測試，測試前均應清洗光伏組件，每種型號光伏組件測試宜不少于5 塊，兩次測試間隔一周時間。利用上述測試數據計算積塵損失率，公式如下：

式中：η'out光伏組件積塵損失率，%；P1為第一次清洗后測試得到的光伏組件最大功率，W；P2為第二次清洗后測試得到的光伏組件最大功率，W。

2.5.4 光伏組件串聯失配率

光伏組件串聯失配率計算公式如下：

式中：η串為被測光伏組串串聯失配率，%；P串為被測光伏組串最大功率，W；Pn為被測光伏組串中第n塊被測光伏組件最大功率，W；n為被測光伏組串中第n塊被測光伏組件。

2.5.5 光伏組串并聯失配率

光伏組串并聯失配率計算公式如下：

式中：η匯為被測匯流箱光伏組串并聯失配率，%；P匯為被測匯流箱最大功率，W；P串n為被測匯流箱中第n串被測光伏組串最大功率，W；n被測匯流箱中第n個被測光伏組串。

2.5.6 光伏逆變器轉換效率

光伏逆變器轉換效率計算公式如下：

式中：ηconv為光伏逆變器轉換效率，%；N為交流采樣點總數；UAC,i為交流側電壓采樣瞬間值，V；IAC,i為交流側電流采樣瞬間值，A；ΔTi為交流側連續兩個采樣值之間的時間間隔，s；M為直流采樣點總數；ΔTi×N=ΔTj×M，采樣時間取1 min；UDC,j為直流側電壓采樣瞬間值，V；IDC,j為直流側電流采樣瞬間值，A；ΔTj為直流側連續兩個采樣值之間的時間間隔，s。

3 現場應用

3.1 井場基本情況

某油田采油廠一生產區塊共有9 座采油井場，包含30 口采油井、14 口注水井，抽油井電動機額定功率平均為7.5 kW，平均產液量8.33 t/d，平均含水率55.0%，平均泵掛深度2 250 m。井場周邊空閑土地多，地勢較為平坦，地質較好，無障礙形成陰影遮擋，有豐富的太陽能資源，適合光伏發電的場所需求。經充分考慮，在該區域建設光伏發電裝置，形成油田生產區“綠電替代傳統的火力發電”模式，降低油田企業生產綜合能耗，同時實現節能減排的目的。

3.2 系統主要配置和設備選型

本系統主要由光伏組件方陣、逆變器及監控系統、并網配電柜等組成。

1）光伏組件：545 Wp 單面單晶硅組件。

2）光伏逆變器：選用組串式逆變器，額定功率為15～110 kW。

3）安裝布置：落地固定安裝，沿井場長邊豎向布置。

4）容量選擇：各井場安裝容量推薦配套選取，不同井數井場光伏安裝容量見表1。

表1 不同井數井場光伏安裝容量Tab.1 Photovoltaic installation capacity at well sites with different wells

根據油區自然地形和建設現狀，結合當地的太陽光照，考慮油田今后的滾動開發，經多次考察并結合井場實際，根據油井的負荷大小，井場光伏裝置裝機總容量設計為715 kWp。光伏裝置設備的安裝容量以及安裝朝向如表2 所示。

表2 井場光伏發電安裝容量情況Tab.2 Situation of photovoltaic installation capacity at well sites

5）光伏組串匹配計算：組件串聯個數應保證滿足逆變器的直流MPPT 電壓和最大直流允許電壓的要求[9]。該項目擬選用容量為15～100 kW 的組串式逆變器，其MPPT 電壓跟蹤范圍為200～1 000 V，最大輸入電壓約為1 100 V；擬采用545Wp 單晶硅組件，其開路電壓為49.5 V，開路電壓溫度系數為-0.27%/℃，峰值功率電壓為41.5 V，峰值功率電壓溫度系數為-0.35%/℃。組件串聯后，最低溫度下的開路電壓應低于逆變器的最大開路電壓。一般情況下，-29.8 ℃和70 ℃下的最佳工作電壓應在逆變器的MPPT 范圍之內。綜合考慮光伏電站的容量、光伏組件的尺寸、光伏電站的綜合布局等因素，最終確定組件串聯數16、18、20 塊為一串。

6）并網配電箱：并網配電箱具備防雷接地、隔離、防逆流、過載保護等功能。在配電箱表面設置專用標識和“警告”“雙電源”等提示性文字和符號。該配電箱在負荷設備與并網逆變器之間，公共電網與負荷設備之間都使用斷路器設置了隔離開關，具有明顯斷開點指示及斷零功能。

7）監控系統：采用GPRS 數據傳輸技術方案，每個站點配置1 臺GPRS 數據采集器，采集器采集逆變器、計量表的數據發送至遠程監控中心，查看項目運行數據。逆變器本身具有就地數據顯示功能（現場監控）。

井場分布式光伏系統連接見圖1。該工程防雷接地、系統接地、保護接地和工作接地共用一個接地系統。光伏系統所有外露的金屬構件（包括光伏組件邊框、光伏方陣支架、逆變設備的外殼等）都通過防雷接地引下線引入接地系統。采用鍍鋅扁鋼，接地極采用DN50×2 500 鍍鋅鋼管，極間距不小于5 m，接地裝置埋深凍土層下0.1 m。

8）光伏支架：本項目采用預制樁光伏支架。

3.3 系統發電及并網

分布式光伏發電場所發電量以0.4 kV 并入所屬區域10 kV 高壓線路，通過10/0.4 kV 變壓器低壓側母線，在0.4 kV 電網消納，就地無法消納的，余電經10/0.4 kV 變壓器反送至10 kV 電網綜合平衡消納。光伏產生的電量為井場、站場等用電單元進行供電。光電并網系統原理見圖2。

圖2 光電并網系統原理Fig.2 Principle of photoelectric grid-connected system

分布式光伏發電場具備防孤島保護功能[10]，確保系統失電時設備與人員安全，并配置具有通信功能的電能計量裝置和相應的電量采集裝置，電量采集信息接入調度系統，使控制系統實時掌握光伏發電情況及電量使用情況。光伏發電系統見圖3。

圖3 光伏發電系統Fig.3 Photovoltaic power generation system

4 效益分析

9 座井場布置分布式光伏發電裝置，30 口采油井的電動機平均額定功率為7.5 kW，光伏裝機總容量為715 kWp，現場充分利用光能轉化為電能，項目建設后，具有很好的經濟效益和社會效益。同時，對光伏發電系統進行定期監測，可以完善企業的能源管理體系，延長光伏發電系統的使用壽命，提高使用效率，對今后企業能源管控，起到積極促進作用。

1）井場光伏發電裝置應用后，通過年用電量的統計、測算，每年可節約電量85.8×104kWh，節約標準煤261.69 t，減少CO2排放量572.37 t。

2）通過系統監測，實現數據共享，對現場采集數據進行能效分析，可以提高整個裝置系統使用效率，降低企業生產運營成本，并對整個裝置安全、穩定運行起到保障作用；另外，通過監測數據結果分析可以不斷完善管理細則和能效管理體系，規范管理操作流程，對光伏系統的后續維護保養、延長使用壽命和節能減排工作具有重大意義。

3）每塊光伏組件的轉化效率都存在著一定的差異，通過監測數據結果分析，得出每塊太陽能光板的轉換效率，對效率低的太陽能光板采取可行的技術措施，可以提高光伏組件的發電效率，降低光伏發電系統的生產運行成本，對提升整個裝置系統效率起到重要作用。

4）由于生產工藝問題導致不同組件之間功率以及電流存在一定偏差，單塊電池組件對系統影響不大，但光伏并網后是由很多電池組件串并聯后組成，因組件之間功率及電流的偏差，對光伏系統的發電效率會存在一定的影響。通過監測數據進行能效分析，可以對不匹配的太陽能光板進行更換或者重組，能有效解決組件串聯不匹配產生的效率降低的問題，進而提高整個裝置的發電效率。

5 結論

研究油田井場光伏發電系統的測試方法，對裝置進行針對性的節能監測，解決了太陽能光板電量分級計量的問題，提高了光伏發電系統的電量使用效率；另外，對于井場的電能使用、余電上網可以提供數據支撐，通過監測結果，不但可以對采油井進行能耗分析，而且對后續光伏發電系統的電能科學評價及節能減排具有重要意義。井場周邊空閑土地多、年平均日照時間長，油田采油井生產運行時，電量消耗大且穩定，光伏發電系統的應用為油田企業節約大量的電力資源，對油田積極推進綠電等清潔能源、助力油田企業降本增效、構建綠色產業結構和低碳能源供應體系起到關鍵性的作用。通過實踐證明，光伏發電系統的應用不但可降低企業的生產綜合能耗，并且對減少油田企業碳排放、實現碳中和具有一定的促進作用。