并网光伏电站系统效率分析

1|Page并网光伏电站系统效率分析陈海韩华太阳能科技(上海)有限公司，上海市201204摘要：太阳能发电对人类社会的贡献随着社会的发展，其地位和贡献率占比越来越高，而光伏发电站的建设也已在全世界全面普及，当太阳能电站的大量投产运营发电，发电站的收益则是投资者最为关心的事情，这其中电站建设品质和后期电站运维成了收益的关键。如何才能清楚了解一个太阳能发电站的建设质量，以及在运维管理中关注发电效率，则成为业主非常重视的问题。只有明确了有关太阳能发电站系统效率(PerformanceRatio,PR)的概念，及清楚掌握有关对系统效率的认知和影响效率的因素，并正确的选择评估方式和方法，才能真正对太阳能发电站的品质有一个公正的评判。关键词：太阳能发电站；系统效率；PerformanceRatio；发电量；PR值；光伏电站评估引言随着人类社会的发展，对于环境的要求也越来越严格，新能源现在成为世界关注的热点。各国政府都在大力推广新能源，而太阳能光伏发电系统则在新能源行业中占据了重要的位置。在经历了十多年的快速发展建设后，太阳能发电站目前在世界各地都已大面积铺开，目前全球光伏装机容量在200GW-300GW之间，各类光伏电站个数估计超过100万。预计到2030年，新能源在总能源结构中的占比将超过30%，其中太阳能发电量在世界总电力供应中也会达到10%以上，并且还会持续保持增长态势，到21世纪末，新能源占总能源结构达80%，太阳能发电则在总电力供应中占到60%。由此看出21世纪能源结构的重大变革，将光伏发电产业提高到了能源领域的重要战略地位。我国光伏产业近年来发展迅猛，从2014年开始中国光伏新增装机量就跃居世界首位，在2015年中国太阳能发电量已达全球光伏发电总量的四分之一。对于大批投产运营的光伏电站，电站运行状况和维护则将成为工作重点。PR(PerformanceRatio),光伏电站系统效率是光伏电站质量评估中最重要的指标，它是实际发电量和理论的发电量的比值，不论电站所处位置和太阳光辐照量的多少都不会对此产生较大影响。因此我们可以通过PR数值来比较全世界不同位置的光伏电站发电状况，本文解释了PR的概念和功能，并详细讲述如何计算光伏电站的系统效率及具体哪些因素会直接影响PR数值。1什么是光伏电站系统效率由于光伏电站会建设于地球上的任何位置，各地经纬度不同，环境温度不同，太阳光辐照度不同，气象条件不同，安装设备不同，因此同样规模的光伏发电站之发电量也会不同，如果通过发电量来评估则是非常不公正的。如何评判电站质量，那么一个不受外界因素干扰的量化数值就显得尤为重要。光伏电站系统效率(PR)就是一个测量标准，通常作为电站质量因素来评估电站，这是一个百分比数值，体现了光伏电2|Page站实际发电量和理论应发电量的关系，也说明了电站在扣除了电能损耗(例如：发热损耗和电缆输电损耗)和运营时电能消耗后，实际有效供电的比例。每个正在高效运营的光伏电站的PR最高理论数值都是100%，然而在实际运行中，100%这个数值是不可能达到的，因为光伏电站在运行过程中不可避免的会产生各种电能损耗(例如：光伏组件发热而产生热能损耗)。但是一个高品质的光伏电站，其系统效率会超过80%，甚至接近90%。2系统效率的作用光伏电站系统效率数值能够表明电站发电效率和可靠性有多高。通过系统效率数值可以让一个光伏电站和其他光伏电站比较电力输出能力，此外还可以进行长期监控电站的性能状态。在一个固定时间段内测定的系统效率值并不能完全代表比较的绝对性，不过数值可以告诉管理人员电站性能和输出是否正常：假设一个光伏电站在试运行时状态最佳，由此得出的电站系统效率PR值设定为固定参考值1，那么经过一段时间的运行后，PR值就会小于1，如果这个数值偏差在一定范围内则是允许的，不过当PR值偏差超过正常范围，则说明光伏电站可能开始出现故障了。在后面我们会讨论有关导致PR值偏差的因素。3如何计算系统效率PR值为了计算光伏电站系统效率PR值，就需要各种参数值。首先要获取光伏电站当地太阳光辐照度数值，这个可以在电站使用相关测量仪来测量入射光辐照度。另外，我们还需要知道光伏电站组件总的标称功率容量值，以及测量时间段内光伏电站总的实际关口计量发电量值，这些数据我们都可以根据单个组件标称功率和数量轻易计算出来和在关口计量表处读取到。当使用测量仪来测量直接入射光辐照度时，测量仪的安装角度及方向必须和组件安装一致，这样才能正确的计算PR值，另外还要确保测量仪安装于光伏阵列中间，以使得测量仪和光伏组件能接收到相同量的光照射和与组件处于相同环境温度中。电站系统效率PR值的最佳评估期间是一年。当然也可以选择较短的时间段，例如，当需要和其他光伏电站做比较时，最少的评估期也需要一个月，这样一些不适合的环境条件，像短期阴雨天气、低温、某一时间阴影遮盖组件或光辐照测量仪等情况就不会对计算产生较大的影响。实测PR值的计算：光伏发电站在运行时，根据在一段时间内的实际各项相关测量值进行计算。依据GB/T20513-2006/IEC61724:1998之规范，基本评估方式有日平均发电量(DailyMeanYield,DMY)、系统性能比(PerformanceRatio,PR)和系统效率(SystemEfficiency,ηtot)，公式如(1)~(3)所示：3|Page0ACP/EDMYDay------(1)00AC//EPRGHPI------(2)AIAHACtotE------(3)EAC：测量期间电站输入电网计量发电量值(kWh)P0：电站组件装机的标称容量值(Wp)AA：组件面积(m2)Day：统计天数HI：测量期间总辐照量值(kWh/m2)G0：标准辐照量值STC(1000W/m2)这里面的系统性能比(PR)，就是我们通常所述的电站系统效率，而上面计算公式所提及的系统效率(ηtot)，则指的是系统光电转换效率。通过上述公式我们可以开始计算一个时间段内的电站系统效率(PR)，但是这还需要获取两个量值，一个是测量期间的总发电量(电站计量表总度数)，另外一个是测量期间光伏阵列上的总辐照量。测量辐照量通常可以使用两种方式，最主要最常见的方式是利用安装于光伏阵列中，且与光伏组件相同倾角的总辐射计进行测量，该总辐射计需要符合ISO9060Class2规范的DELTAOHMLPPYRA03；另外一种就是选用与光伏电站相同材质的符合规范认可的标定太阳能电池板进行测量。图1.北纬24度正南向及倾斜角10度时日照强度分布此外，国外某些电网公司还会使用其他计算公式，例如如下的有关电站系统效率(PR)的计算方式：00I//mod1001PRGHPTmeasTEIIAC------(4)4|PageEAC：测量期间I电站输入电网计量发电量值(kWh)P0：电站组件装机的标称容量值(Wp)HI：测量期间I总辐照量值(kWh/m2)G0：标准辐照量值STC(1000W/m2)β：组件功率温度影响系数(%/℃)Tmod：组件标称工作温度(℃)TmeasI：测量期间I通过组件背板温度计测量出的组件平均温度(℃)通过以上公式计算的PR值，将更能体现出组件在系统中的性能状况。目前在光伏电站的监控系统中均有PR值的自动计算。一个优秀的电站监控系统，能够比较准确的计算出每个设定时期的PR值，并统计列表以供运维人员和业主参考。预期理论PR值的计算：在每个光伏电站项目建设前，我们都会对该项目编制可研报告并对项目进行各方面评估，报告中经济性评估就有有关电站发电量预期的计算及电站系统效率(PR)的演算。那么一个还未建设的光伏电站，我们如何计算出PR值呢？我们知道一个光伏电站所使用的设备材料繁多，从光伏组件板到最后并网发电计量设备，每个环节都会有一定的能量损耗。这样对每一主要设备我们测量和评估预测其损耗后，将所有损耗计算统计就可以得出预期理论的PR值。有关影响PR值的因素，也就是说有关各因素造成的大致损耗情况，我们将在后面论述。下面我们看一组公式，来理解预期理论PR值是如何倒推计算及各因素的关联性：fLaLYYSCYr------(5)fLaLTLYYYSCMCTYr------(6)Yr：理论参考发电量比，Yr=HI/G0，22/1/mkWdmkWhLC：光电转换期因素损耗，其中包括温度因素损耗LCT和非温度因素损耗LCM，kWpdkWhYa：组件阵列发电量，Ya=EA/P0，EA为直流发电量，kWpdkWhLS：系统损耗，电力转换及传输中的损耗，kWpdkWhYf：最终实际发电量比，Yf=EAC/P0，kWpdkWh5|PagePR：PerformanceRatio系统效率，PR=Yf/Yr，以发电设备温度为25℃时的损耗计算其他公式(只适用于并网发电系统)：温度矫正系数：kT=YT/Yr发电矫正系数：kG=Ya/YT逆变器效率：nI=Yf/Ya根据以上知道的有关PR计算的相关内容，就可以进行预期理论PR值的计算。现在已经有非常好的软件系统来帮助我们进行此种计算，例如：PVsyst，PV-sol，Solargis，RETScreen(见图2-图5)等等。这些软件拥有庞大的数据库，包括全球各地天气，光伏组件参数，逆变器，电缆等数据库，其中光辐照量以往年平均数值作为基础，其他主要设备均设定了相关损耗参数，在计算时还可以手动调整某些相关损耗数值。根据各个软件要求填入相应预建设电站的地理位置、电站规模、组件信息、逆变器信息等后，软件就可以自动模拟计算出包括PR值在内的光伏电站各种数据。图2.PVsyst软件界面图3.PV-sol软件界面图5.RETScreen软件界面图4.Solargis软件界面4影响系统效率PR值的因素系统效率是一个纯粹的可变基本定义，在一定因素影响下，PR值甚至有可能超过100%，这是因为在6|PagePR计算中所用的光伏组件性能特性参数是基于标准测试条件下(辐照度为1000W/m2，AM1.5，组件功率测试温度为25±2℃)得出的，而在实际运行条件环境中是不一致的，因此会影响系统效率。以下因素对PR值能够产生影响：光电转换期因素-光伏组件的温度损耗-光辐照测量仪偏差(阴影，灰尘、雪、污物等遮盖，计量不准确等)-光伏阵列组件被阴影，灰尘、雪、污物遮盖-低照度弱光损耗-相对透射率损耗(组件玻璃对光的反射、散射、折射致光接收损耗)-电池片导线、组件电缆、二极管损耗-组件中电池片功率失配损耗-组件实际功率与标称偏差损耗-组件电池片与光辐照测量仪电池片技术不同-组件与光辐照测量仪倾角、方向偏差损耗-光伏组件转换效率因素系统因素-统计记录时间段误差-交直流电力电缆传输及接头损耗-组串连接失配损耗-逆变器效率损耗-其他电气设备效率损耗-施工不当造成的材料设备额外功率损耗4.1光电转换器因素光伏组件的温度损耗温度对光伏组件的作用主要是对太阳能电池片效率性能的影响，组件特性参数中功率温度系数是一个负值，说明当光伏组件处于低温状态时的发电效率就会提高，这是因为温度低输出电压升高，电流减少，发电量增加，因此在低温环境中组件发电初始PR值会较高，而当其工作一段时间后，随着温度的提高，其效率也就逐渐下降。7|Page光辐照测量仪偏差(阴影，灰尘、雪、污物等遮盖，计量不准确等)由于光伏电站建设的位置不同，附近建筑物、高大设备和植物均会产生阴影，从而部分或全部遮盖住光辐照测量仪，尤其在太阳位置较低时，物体产生的阴影更长，覆盖面积更大。此时因为临时或长期处于阴影中的测量仪读取的数值会使得PR值计算超过100%，另外灰尘、雪或污物附着在测量仪上也会发生相同的结果。光伏阵列组件被阴影，灰尘、雪、污物遮盖与辐照测量仪一样，如果光伏阵列中较多组件被阴影、灰尘、雪或污物长期附着，则会让光伏组件的转换效率下降，此时计算的PR值会比正常值偏低。低照度弱光损耗这与光伏组件自身特性有关，薄膜组件的弱光发电性能较强，而晶硅组件则在低照度弱光状态下产生的发电量损失较大。另外不同厂