基于PVsyst軟件的光伏電站PR影響因素的靈敏度分析

摘 要：隨著全球光伏行業的蓬勃發展及高度競爭，優異的系統效率（PR）成為越來越多融資行和投資方決策項目可行性的先決條件，因此，有必要對光伏電站PR所關聯的影響因素進行靈敏度分析。PVsyst是一款專業的光伏電站設計和仿真軟件，用于指導光伏電站設計及發電量模擬計算。基于PVsyst軟件，以沙特阿拉伯某座地面光伏電站為例，從光伏支架參數、光伏組件性能參數、電纜損耗、灰塵和污穢損失、不可利用率5個方面仿真分析了不同設計方案對光伏電站PR的影響，重點分析了不同影響因素對光伏電站PR的靈敏度，并有針對性的提出了可用于光伏電站設計的指導原則。研究結果表明：溫度損耗系數、光伏組件功率偏差、光伏組件開路電壓偏差和短路電流偏差、IAM測試方式、低壓電纜損耗、灰塵和污穢損失，以及白天發電時間段停電這些因素對光伏電站PR的靈敏度均較高；光伏支架高度及其結構參數對光伏電站PR的靈敏度需要結合實際的項目邊界條件進行分析。

關鍵詞：PVsyst軟件；光伏電站；系統效率；靈敏度；獨立發電商；指導原則

中圖分類號：TM615 文獻標志碼：A

0" 引言

2014—2023年，全球光伏發電新增裝機容量的年均復合增速達到20%，特別是中東、北非地區，由于具有較好的光照資源及投資環境，已成為全球大型地面光伏電站領域的投資熱土。由于此類項目的裝機規模大、對工程總承包（EPC）方的資質及本土化率要求高，因此上述地區的項目主要是由沙特阿拉伯的ACWA Power公司、AMEA Power公司，阿聯酋清潔能源Masdar公司，迪拜水電局（DEWA）和卡塔爾的Siraj Energy公司這樣的能源巨頭和國有公司主導開發。目前中東和北非地區光伏發電項目的開發多以獨立發電商（independent power producers，IPP，即生產電力出售給公共事業公司）的模式為主，IPP方中標電價一路走低，基本在2美分/kWh以內，因此為了獲得更高的經濟收益，通常IPP方對光伏電站的系統效率（performance ratio，PR）有極高要求。

PR是評價光伏電站發電性能的關鍵指標，是光伏電站實際輸出功率與理論輸出功率的比值，可以反映整個光伏電站扣除所有損耗（包括太陽輻照損失、電纜損耗、光伏組件衰減損失、灰塵和污穢損失、溫度損耗等）后實際輸送到電網的電能比例[1]。光伏電站PR過高會給IPP方帶來項目無法滿足性能考核要求的風險，而PR過低可能直接導致項目不具有經濟性。

2018年之前，大部分光伏發電項目是依靠低碳能源政策上馬，因此不管中國項目還是海外項目，對光伏電站PR的要求均不如現在的IPP項目苛刻。從研究角度來看，此前針對光伏電站PR的研究多傾向于更為宏觀的項目前期方案的比較，例如：采用單面、雙面光伏組件時的光伏電站PR比較研究[2-4]，采用不同類型光伏組件時的光伏電站PR研究[5]，采用不同光伏支架類型時的光伏電站PR比較[6-7]，采用單軸與多軸時的光伏電站PR比較[8]等。但以上研究結果更適用于項目前期，并未有光伏組件或光伏支架的具體參數對光伏電站PR影響的分析成果，也少有對電纜損耗、灰塵和污穢損失、不可利用率的分析成果，因此并不適用于光伏電站詳細設計時的方案優化階段。基于此，本文采用PVsyst軟件，以沙特阿拉伯某座地面光伏電站為例，從光伏支架參數、光伏組件性能參數、電纜損耗、灰塵和污穢損失、不可利用率5個方面分析不同設計方案對光伏電站PR的影響，并著重分析不同參數對光伏電站PR的靈敏度，得出可用于光伏電站設計的指導原則。

1" PVsyst軟件介紹

PVsyst是一款專業的光伏發電系統設計和仿真軟件，由瑞士Geneva大學環境科學學院的André Mermoud開發，包括了廣泛的氣象數據庫、光伏組件數據庫，以及一般的太陽能相關分析工具等。PVsyst軟件可根據光伏發電項目的不同設計階段提供多種深度的光伏發電系統設計工具，以滿足不同階段的設計需要。此外，PVsyst軟件具有可拓展性，可外部導入不同的工程條件（比如：氣象、光照資源、陰影遮擋情況等）并建立模型。PVsyst軟件的輸出結果主要為光伏電站的并網發電量及PR。

由于PR是光伏電站實際輸出功率與理論輸出功率的比值，因此在實際工程中，即使太陽輻照度隨時間變化，光伏電站的實際輸出功率與理論輸出功率的比值仍保持不變，即PR保持不變，這也是PR可以用來評估光伏電站發電效率的原因。

光伏電站PR的計算式可表示為：

Rpr= EGriGSTC ·100%" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " （1）

Pnom Gtr

式中：Rpr為光伏電站PR，%；EGri為經過逆變器除去交流損失后匯入電網的電量，kWh；GSTC為標準測試條件（STC）下的太陽輻照度，即1000 W/m2；Pnom為STC下光伏電站的裝機容量，kW；Gtr為光伏方陣表面接收的太陽總輻射量，kWh/m2。

根據文獻[9]的研究結論，裝機容量為190 kW的光伏電站的PR實測值和PVsyst軟件仿真值之間的誤差為1.13%；文獻[10]的研究也表明，PVsyst軟件的仿真精度非常接近于真實值，所以目前PVsyst軟件廣泛應用于光伏電站的PR仿真分析。

2" 光伏電站基本設計方案

本文以沙特阿拉伯的某地面光伏電站為例進行分析研究。該光伏電站的直流側裝機容量為436.4 MW，交流側裝機容量為416 MW，其基本配置如表1所示。

采用PVsyst軟件建立該光伏電站模型，并對其PR進行仿真，得到PR仿真值為90.11%。根據現場實測的溫度、太陽輻照數據及發電量數據，并結合IEC TS 61724-3： 2016《Photovoltaic system performance—Part 3： Energy evaluation method》中提出的修正方法，得到修正后的PR實測值為90.19%。仿真值與實測值相差0.08%，證明采用PVsyst軟件建立的光伏電站模型具有較高精度。

3" 不同因素對光伏電站PR的影響

3.1" 光伏支架參數

地面光伏電站常用的光伏支架類型包括斜單軸跟蹤、平單軸跟蹤、固定可調式和固定式等。考慮到光伏電站的平準化度電成本（LCOE），中東地區地面光伏電站主要采用平單軸跟蹤光伏支架。

平單軸跟蹤光伏支架是將一定數量的光伏組件在不相互遮擋的前提下按照一定的間隔進行排列，可主動跟蹤太陽，從而增加發電量；同樣條件下，采用平單軸跟蹤光伏支架時的發電量比采用固定式光伏支架時高15%左右。通常1個平單軸跟蹤光伏支架為1個光伏陣列。

由于目前中東地區的絕大多數光伏電站采用雙面光伏組件，而平單軸跟蹤光伏支架背面的橫梁及檁條對雙面光伏組件背面的發電量有直接影響，因此對平單軸跟蹤光伏支架進行高精度仿真建模并對其參數進行靈敏度分析具有重要意義。

PVsyst軟件仿真建模涉及的平單軸跟蹤光伏支架參數包括陳列透明度（shed transparent fraction，STF）、結構陰影系數（structure shading factor，SSF）、失配損失系數（mismatch loss factor，MLF），以及光伏支架的高度（即光伏支架立柱頂端與地面之間的距離）和光伏場區的溫度損耗系數。光伏電站設計方案中的參數，包括系統配置、光伏陣列寬度、光伏組件間隙、地面反射率、光伏支架尺寸、光伏組件和光伏支架之間的距離、光伏組件安裝傾角等，對SSF和MLF這兩個參數有影響，相關建模分析可詳見文獻[11]。

本文選擇目前主流的平單軸跟蹤光伏支架，具體為：江蘇中信博新能源科技股份有限公司生產的1P平單軸跟蹤光伏支架（下文簡稱為“中信博1P光伏支架”）、天合光能股份有限公司生產的跟蹤開拓者1P平單軸跟蹤光伏支架（下文簡稱為“天合1P光伏支架”）和美國Nextracker公司生產的NX Horizon-XTR平單軸跟蹤光伏支架（下文簡稱為“NX Horizon-XTR光伏支架”），以其為研究對象進行仿真建模，相關參數如表2所示。

基于安全因素考慮，平單軸跟蹤光伏支架的高度一般不高于1.60 m，否則光伏組件的安裝成本會有較大增加。因此，本文選擇平單軸跟蹤光伏支架高度分別為1.50、1.55、1.60 m，分析不同光伏支架高度對光伏電站PR的靈敏性。

另外，溫度損耗系數也是影響光伏組件發電性能的關鍵因素，其反映了光伏組件的散熱能力。目前，PVsyst軟件默認溫度損耗系數為29 W/（m2·K）；而針對平單軸跟蹤光伏支架，有不少文獻建議溫度損耗系數設置為31 W/（m2·K），甚至可以設置為32 W/（m2·K）。但由于光伏組件散熱模型很復雜，因此該參數的最佳取值尚無定論，還需要進行大量的理論研究和實驗論證[11]。

根據以上分析，結合表2的仿真建模參數，同時考慮不同的光伏支架高度和溫度損耗系數，在其他條件均相同的前提下，共設置6種參數組合（記為案例1～案例6）進行光伏電站PR仿真分析，仿真結果如表3所示。其中：案例1～案例4采用中信博1P光伏支架，案例5采用天合1P光伏支架，案例6采用NX Horizon-XTR光伏支架。

從表3可以分析得出：

1）溫度損耗系數與光伏電站PR具有強靈敏關系，PR會影響項目的性能考核，且溫度損耗系數的取值沒有統一標準，因此其取值經常是光伏發電項目IPP方爭論的焦點。平單軸光伏支架上安裝的光伏組件背面高出地面，通風條件下可加速光伏組件的散熱，降低其工作溫度。而光伏組件工作溫度與其發電效率為強負相關關系，即光伏組件工作溫度越高，其發電效率越低，此理論具體分析可詳見文獻[12-14]。溫度損耗系數的建模非常復雜，且目前針對不同光伏組件安裝方式下的溫度損耗系數取值尚未有統一定論，因此光伏發電項目IPP方通常堅持采用PVsyst軟件默認的溫度損耗系數，即29 W/（m2·K），以避免性能考核不達標。

2）從光伏支架高度來看，每增加0.1 m，光伏電站PR增加約0.16%。根據本光伏發電項目的招標結果，光伏支架高度每增加0.1 m，成本將增加109.1萬美元；而本項目性能考核約定的0.01%PR對應的性能罰款為5萬美元，可計算得出由光伏支架高度增加0.1 m帶來的性能提升所避免的潛在性能罰款為80萬美元。因此，基于本項目基本情況考慮，在因增加光伏支架高度而增加的成本高于造成的罰款的情況下，原本光伏支架高度采用1.5 m是合理的。需要說明的是，項目的邊界條件不同，得出的結論也不同。

3）從光伏支架結構來看，不同的結構設計對應的結構參數STF、SSF、MLF的取值不同，得到的光伏電站PR的差異最高可達0.26%，根據前述罰款標準，此差異產生的罰款高達130萬美元。因此，優化光伏支架的結構設計，以減少對光伏組件的遮擋及遮擋的不一致性，對提高光伏電站PR具有重要意義。而光伏支架的結構設計與其成本關系不大，因此建議光伏發電項目IPP方重點關注光伏支架的結構設計。

3.2" 光伏組件性能參數

光伏組件性能參數和光伏電站PR密切相關，PVsyst軟件仿真建模涉及的光伏組件性能參數主要包括光伏組件功率偏差、光伏組件開路電壓和短路電流的偏差、入射角修正因子（IAM）。

1）光伏組件功率偏差。該偏差是指光伏組件實際輸出功率和峰值功率之間的差異，由于產線原因，生產的每片太陽電池的光電轉換效率存在略微差異，導致最后出廠的光伏組件實際峰值功率無法保證是相同值，因此光伏組件需要在出廠前進行峰值功率標定。例如：峰值功率為545 W的光伏組件，其常規的功率偏差為0～+5 W，實際輸出功率分布近似正態分布。根據PVsyst軟件采用的算法，將光伏組件功率偏差定義為最大偏差的1/4，即0.2%。

本研究選擇0.2%和0.7%的光伏組件功率偏差進行比較分析。

2）光伏組件的開路電壓偏差和短路電流偏差。這兩個偏差值也是由于光伏組件生產過程中的不一致性導致的，其取值與各廠商的生產工藝及產品的一致性控制有關。

本研究以主流的兩家光伏組件廠商的光伏組件產品為例進行對比分析。其中：A廠商光伏組件的開路電壓偏差的有效值（RMS）保證值為4.0%，短路電流偏差的RMS保證值為3.0%；B廠商光伏組件的開路電壓偏差的RMS保證值為2.5%，短路電流偏差的RMS保證值為2.5%。

3） IAM。IAM揭示了光伏組件在不同入射角度條件下的發電性能，目前在PVsyst軟件中，關于IAM主要提供3種模型，分別為：物理模型（基于菲涅爾定律），美國采暖、制冷與空調工程師學會（ASHRAE）模型，桑迪亞模型。在PVsyst 6.66版本及以前的版本中，默認使用ASHRAE模型；在PVsyst 6.67版本以后，默認采用物理模型。

由于光伏組件的IAM測試通常采用小樣進行測試，因此存在較大誤差。本研究采用A廠商基于全尺寸光伏組件的IAM測試結果和基于小樣的IAM測試結果進行對比分析。

根據以上分析，考慮不同的光伏組件功率偏差、光伏組件開路電壓偏差、光伏組件短路電流偏差、IAM，在其他條件均相同的前提下，共設置4種參數組合（記為案例7～案例10）進行光伏電站PR仿真分析，仿真結果如表4所示。其中：案例7～案例9均為基于小樣進行仿真，案例10基于全尺寸光伏組件進行仿真。

根據表4可以分析得出：

1）根據案例7和案例8，光伏組件功率正偏差增加0.5%，光伏電站PR增加0.34%。這是由于光伏組件實際峰值功率增加，使其發電量增加，但光照條件未變，因此光伏電站的PR提高。但由于光伏組件不能滿功率發電，因此光伏組件功率正偏差增加值和光伏電站PR增加值并不是一一對應的關系。

2）根據案例7和案例9，光伏組件開路電壓偏差和短路電流偏差減小，光伏電站的PR增加。這是由于光伏組件的一致性較好，減小了其失配損失，使其發電量增加。因此建議IPP方要求廠商在光伏組件出廠時，對不同批次的光伏組件進行標定，實際工程安裝時將相同開路電壓偏差和短路電流偏差的光伏組件串聯成光伏組串，以減少失配損失。

3）根據案例7和案例10，隨著IAM減小，光伏電站PR減小。這是由光伏組件的特性所決定。根據IEC 61853-1： 2011《Photovoltaic （PV） module performance testing and energy rating——Part 1： Irradiance and temperature performance measurements and power rating》，目前光伏組件的IAM測試均只要求進行小樣測試，且由于樣品數量較少，導致測試結果差異較大。因此為了降低測試中不確定性帶來的風險，建議IPP方要求廠商進行全尺寸光伏組件測試，否則難以承擔由于測試樣品的差異性而帶來的性能損失。

3.3" 電纜損耗

電纜損耗是影響光伏電站PR的另一個因素。光伏電站電纜包括光伏組件到逆變器的直流電纜、逆變器到箱變的低壓交流電纜（或匯流箱到逆變器的直流電纜）、箱變到并網點的中壓交流電纜。

在其他條件均相同的前提下，考慮不同類型電纜的長度、截面尺寸和損耗率，共設置4種電纜參數組合（記為案例11～案例14）進行光伏電站PR仿真分析，仿真結果如表5所示。

由表5可以分析得出：低壓交流電纜的損耗率較大，增加低壓交流電纜的截面面積可顯著增加光伏電站的PR，但同時會增加工程投資。由于電纜的長度和項目的布置方案有關，每個項目的電纜長度和截面面積均不一樣，因此此處不做罰款分析。分析具體項目時，需根據實際增加的電纜截面面積導致的成本增加量和光伏電站PR增加量進行相關經濟分析，從而決定采用何種方案。

3.4" 灰塵和污穢損失

光伏組件表面灰塵和污穢會嚴重影響其發電效率，制約光伏電站有效負荷的輸出，導致光伏電站發電量下降。光伏組件表面灰塵和污穢對發電量的影響即灰塵和污穢損失率，通常采用百分數表示。在其他條件均相同的前提下，采用不同的灰塵和污穢損失率進行光伏電站PR仿真分析，仿真結果如表6所示。

由表6可以分析得出：當灰塵和污穢損失率增加0.5%，光伏電站的PR減少了0.28%。這是由于光伏組件表面的污損影響了其透光性，因此在高灰塵和污穢損失率的條件下，光伏電站的PR顯著降低。當太陽光線的入射角小于60°時，光伏組件能保持較高的透射率；當太陽光線的入射角大于等于60°時，光伏組件透射率會大幅衰減。

目前本項目采用的光伏組件清洗方式為清洗機器人干洗，該清洗機器人的清潔效率為99.5%，只在每天早上清洗1次；考慮到本項目場地的顆粒物自然沉降率為0.3%，因此灰塵和污穢損失率選擇0.8%較為合適。

由于光伏組件表面灰塵和污穢損失率增加0.5%而導致光伏電站PR降低0.28%，根據前述罰款標準，由此產生的罰款高達140萬美元。因此，建議IPP方將光伏組件的清洗作為重點關注對象。在目前已實施的中東光伏發電項目中，為了進一步減少光伏組件表面灰塵和污穢給光伏電站PR帶來的影響，一些IPP方要求在配置清洗機器人進行干洗的基礎上，不定期對光伏組件進行水洗，以進一步降低由光伏組件表面灰塵和污穢帶來的光伏電站PR損失。

3.5" 不可利用率

不可利用率用于描述光伏電站整體系統失效對其發電量的影響，其和光伏電站的運維密切相關。在PVsyst軟件中，不可利用率由停電時間占全年時間（8760 h）的百分比來確定；由于光伏發電的特性，除具體取值外，還需要對不可利用時間段進行設置。

本研究主要分析當不可利用率取值相同時，不可利用時間段的設置對光伏電站PR的影響。在其他條件均相同的前提下，設置4種停電時間組合（記為案例15～案例19）進行光伏電站PR仿真分析，仿真結果如表7所示。

由表7可以分析得出：雖然不可利用率均設置為0.5%，但案例15設置的停電開始時間均為16：00，避開了光伏發電的高峰時段，因此該條件下的光伏電站PR最高，為90.34%；而案例19設置的停電開始時間均為04：00，停電持續時間為15 h，直至當天19：00結束，相當于光伏電站當天基本沒有發電，因此該條件下的光伏電站PR最低，為89.66%。

雖然不可利用率相同，但由于停電時間段不同，案例15和案例19的光伏電站PR相差0.68%，根據前述罰款標準，由此產生的罰款高達340萬美元。由于不可利用時間段的分布存在一定的隨機性，因此建議IPP方重視光伏電站的運維水平，盡量避免光伏電站在白天的發電時間段停電，并加強夜間的運維，盡量保證光伏電站在白天發電時間段的系統利用率達到100%。

4" 結論

目前，光伏產業早已不再是早期偏粗放的發展模式，正變得越來越復雜、越來越精細，同時研究人員也在不斷挖掘光伏組件發電效率的潛能，因此光伏電站PR的理論分析顯得尤為關鍵。本文采用PVsyst軟件，以沙特阿拉伯某座光伏電站為例，從光伏支架參數、光伏組件性能參數、電纜損耗、灰塵和污穢損失、不可利用率5個方面仿真分析了不同設計方案對光伏電站PR的影響，重點分析了不同影響因素對光伏電站PR的靈敏度，并有針對性的提出了可用于光伏電站設計的指導原則，有利于工程設計的優化和性能保證。得出以下結論：

1）針對光伏支架參數而言，溫度損耗系數對PR的靈敏度較高，光伏支架高度及其結構參數對PR的靈敏度需要結合實際的項目邊界條件進行分析；

2）針對光伏組件性能參數而言，光伏組件功率偏差、光伏組件開路電壓偏差和短路電流偏差、IAM測試方式對PR的靈敏度均較高；

3）針對電纜損耗而言，低壓電纜損耗對PR的靈敏度較高；

4）灰塵和污穢損失對PR的靈敏度較高；

5）針對不可利用率而言，白天發電時間段停電對PR的靈敏度較高。

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SENSITIVITY ANALYSIS ON INFLUENCING FACTORS OF

PV POWER STATION PR BASED ON PVsyst SOFTWARE

Li Tengfei，Liu Yanling

（Southwest Electric Power Design Institute Co.，Ltd. of China Power Engineering Consulting Group，Chengdu 610057，China）

Abstract：With the vigorous development and high competition of the global PV industry，excellent PR value has become a prerequisite for more and more financing banks and investors to make project feasibility decisions. Therefore，it is necessary to conduct sensitivity analysis on the influencing factors associated with PR of PV power station. PVsyst is a professional software for designing and simulating PV power stations，used to guide the design and simulation calculation the power generation capacity of PV power stations. This paper is based on PVsyst software and takes a ground PV power station in Saudi Arabia as an example. The impact of different design schemes on the PR of PV power stations is simulated and analyzed from five aspects： PV bracket parameters，PV module performance parameters，cable losses，dust and pollution losses，and unavailability rate. The sensitivity of different influencing factors on the PR of PV power stations is analyzed，and targeted guidance principles that can be used for PV power stations design are derived. The research results show that factors such as temperature loss coefficient，power deviation of PV modules，open circuit voltage deviation and short-circuit current deviation of PV modules，IAM testing method，low-voltage cable loss，dust and fouling loss，as well as power outages during daytime power generation，all have a high sensitivity on the PR of PV power stations. The sensitivity of the height and structural parameters of PV brackets on the PR of PV power stations needs to be analyzed in conjunction with actual project boundary conditions.

Keywords：PVsyst software；PV power station；PR；sensitivity；IPP；guiding principle