淺談光伏電站發(fā)電性能評價指標（溫度方向）

2018-05-30 15:31:58 大云網　點擊量：評論 (0)

近年來，我國光伏電站年新增裝機容量都比往年有所提升，2014年新增裝機在全球排列第一，而國內光伏市場一片繁榮的同時，全國性的、統一的、完善的光伏電站評價和標準體系還尚未真正跟上步伐。

1.PR背景介紹

近年來，我國光伏電站年新增裝機容量都比往年有所提升，2014年新增裝機在全球排列第一，而國內光伏市場一片繁榮的同時，全國性的、統一的、完善的光伏電站評價和標準體系還尚未真正跟上步伐，原因一方面是由于國內對環(huán)境資源數據采集的重視程度不夠，電站發(fā)電場所沒有配備精確采集太陽輻照資源、組件溫度、環(huán)境溫度等氣象指標的監(jiān)控設施，另一方面缺乏對光伏電站發(fā)電性能的正確和完整的評估方法，同時也缺乏多年長期可靠運行的光伏發(fā)電數據。

光伏電站一般有著25年及25年以上的生命周期，電站監(jiān)控和運維對于長期的穩(wěn)定運行來說顯得至關重要，隨著基于物聯網技術的電站智能化運營管理的到來，意味著發(fā)電性能評價和大數據分析方面的工作在國內電站的運營管理中將起到舉足輕重的作用。

早些時候國內開展光伏電站數據采集及監(jiān)控技術的研究單位有中科院電工研究所、合工大能源研究所和北京計科公司等，相比之下，國外這方面的工作就做得比較早，研究則更為深入，國外眾多的成功案例和運營經驗都值得學習和借鑒。

國際能源總署(IEA)在 1995年啟動了光伏發(fā)電項目(PVPS)Task-2 工作【1】，即光伏系統的性能、可靠性研究(Performance，Reliability and Analysis of Photovoltaic Systems)，并組建了Task-2團隊，全球相繼有28個國家先后加入(包括中國)，他們對全球不同氣候和地理環(huán)境的國家如中國、德國、法國、日本、以色列、墨西哥、澳大利亞等多個不同類型的光伏發(fā)電系統(如建筑一體化BIPV、屋頂電站BAPV、大型集中式并網電站、離網系統、混合系統等)展開了長達十多年的系統監(jiān)測、數據采集及發(fā)電性能方面的深入研究，多數數據是在不同的IEA-PVPS成員國的國家示范項目中進行收集，并通過建立全球光伏電站發(fā)電運行數據和技術數據的數據庫(Performance Database)，來作為光伏系統運轉、效能、可靠度及成本方面的研究。

截止目前已擁有大大小小461多套光伏系統(總容量約15MW)的高質量的運行數據，將用于不同的應用，如電能供給、家庭應用、農村電氣化和特殊應用等等，相關的研究成果都是公開共享的，可以在IEA官網上進行下載。研究人員通過深入研究電站性能的影響因素并建立了光伏電站性能評價相關指標和定義，如1998年正式發(fā)布的IEC 61724標準中所規(guī)定的指標就來源于此。

IEC61724中推薦的三個指標分別是Yr、Yf和PR，參考表1，其中Yr是單位面積的光伏陣列傾斜面總輻射量與光伏電池標準測試條件下的標準輻射度之比，也稱方陣峰值日照小時數，反映了當地的輻照水平。Yf表示一段時間內并網光伏發(fā)電系統最終并網的交流發(fā)電量與光伏系統的額定功率之比，它是用光伏系統裝機容量歸一化后的發(fā)電量，可用于不同裝機容量的光伏系統的比較，也稱為發(fā)電能力(kWh/kW)。Performance Ratio(PR)稱為質量因數或系統效率，是評價光伏電站效率最重要的指標之一，是電站實際輸出功率與理論輸出功率的比值，反映整個電站扣除所有損耗后(包括輻照損失、線損、器件損耗、灰塵損失、熱損耗等)實際輸入到電網電能的一個比例關系【2】。電站的PR值越接近100%，說明該電站的運行效率就越高，但是現實情況下PR值達到100%是不可能的，因為有些損耗是不可避免的。一般情況下，運行較好的并網光伏電站PR值能夠達到80%及80%以上。

表1 IEC61724中關于光伏發(fā)電性能評價指標參數的定義

注釋：

Ht：陣列斜面總輻射量(kWh/m2);

EAC：最終交流發(fā)電量(kWh);

P0：光伏電站STC下的額定功率(或稱光伏電站標稱裝機容量)(kW);

Gstc：標準輻照度1000W/m2。

PR的另一種公式表示方法來源于SMA：PR=實際發(fā)電量/理論發(fā)電量，其中理論發(fā)電量=方陣斜面輻射量*方陣所有組件總面積*組件轉換效率，經過推導就會發(fā)現，雖然表示方法不同，但結果實際上就等于Yf和Yr的比值。

PR指標是目前常用的電站評價參數，對于同一地區(qū)的各個電站，如果太陽輻射資源和氣候情況比較相似，那么我們可以通過PR、Yr和Yf來進行對比，但是對于不同地區(qū)的電站，由于輻射資源不同，環(huán)境溫度也不同，直接使用該PR來對比是不準確的。因為PR公式并未考慮到溫度的影響，晶硅組件的功率溫度系數是負溫度系數，當溫度升高時，功率會降低，溫度降低時，則相反，特別是在冬季低溫、均勻輻照強度下，PR計算值會偏高，而在夏季高溫、均勻輻照下，PR值會偏低，而溫度差異造成的PR偏低并不屬于電站本身的質量問題，容易給電站運維人員帶來誤判斷。

因此后來業(yè)內研究人員提出了對原有PR計算公式進行溫度修正的方法，稱為CPR(Temperature Corrected PR)。如圖1為某電站CPR和PR的計算結果對比，當PR和CPR以年為分析周期進行計算比較時，其實結果相差不大，僅1%左右，但是在冬季和夏季的各個月份，PR就會出現明顯的偏高或偏低，但通過溫度修正后，CPR可以更加準確地反映實際的運行情況。經查閱國內外相關文獻，公開報導的關于對溫度系數的修正方法至少有3種以上，其中重要的差異來源于電池片結溫的計算以及不同的修正方法。

PR和CPR是電站評價的重要指標，國外也有其他機構采用了其他評價方法，如EPI(Energy Performance Index)和PPI(Power Performance Index)，其計算方法和各自的用途也不盡相同。如不同氣候地區(qū)的電站設計驗證、投資決策和長期的發(fā)電性能比較，可使用CPR，電站發(fā)電性能的衰減情況可用EPI指標，運維前后短期的發(fā)電比較可用PPI指標，但不管是哪一種指標，理論發(fā)電量的計算至關重要，如是否需要采用溫度修正，并考慮其他補償因子等等。

圖1 PR和CPR的比較(算例)

2.基于溫度修正的CPR

下面基于參考文獻中推薦的關于溫度修正相關的內容進行解讀，希望為行業(yè)內電站的性能評估提供一些指導。

CPR的計算公式參考式(1)，即在原有的PR公式上除以Ktemp溫度修正系數。

從相關文獻查閱可知，其中PR溫度修正系數的計算方法包括但不限于以下幾種：

A）標準修正法【3】：

顧名思義，標準修正法是將溫度條件修正到標準測試條件下的溫度25 oC，修正后的PR也叫PRstc，其中修正系數為：

國內在2014年12月頒布的《光伏電站性能檢測與質量評估技術規(guī)范》標準文件，文中關于PR的修正也是采用該方法，它對電池平均工作結溫的計算是按照GB/T18210-2000(IEC61829-1995)的方法，即按照實測光伏組件的背板溫度推算結溫，此外，業(yè)內也有使用方陣平面所接收的輻射能量為權重的組件加權平均工作溫度。美國可再生能源實驗室(NREL)并不推薦將PR修正到25℃條件，雖然可以消除PR因季節(jié)性氣候帶來的溫度影響，但是和實際值相比可能還會偏高，下文會有具體算例加以說明。

B）基于NOCT修正方法【3】：

IEC中規(guī)定NOCT的測試條件為光伏電池在輻照度 800W/m2、環(huán)境溫度 20℃、風速1m/s 條件下的溫度，NOCT模型主要是為了預測太陽能電池工作溫度，該方法認為光伏電池的工作溫度與環(huán)境溫度之差與太陽輻射成線性關系，據此計算就得到光伏電池的實際工作溫度，參考式(3)。