艾英枝，王樣強，李霸軍，段靜靜

（1.北京木聯(lián)能軟件技術有限公司，北京 100085；2.中國水電顧問集團風電張北有限公司，河北張北 076450）

太陽能光伏發(fā)電作為無污染的發(fā)電技術，具有壽命長、發(fā)電不用水、運行可靠、資源永不枯竭、生產(chǎn)資料豐富等優(yōu)點，正逐漸為世界各國所重視。目前測量儀器的分辨率各不相同，光伏系統(tǒng)設計時采用的數(shù)據(jù)的統(tǒng)計時段也不盡相同，這些在光伏工程應用中沒有明確標準。目前光伏電站設計時常用的軟件有PVSYST和retscreen軟件等，PVSYST軟件在氣象數(shù)據(jù)庫中保存的輻射量等數(shù)據(jù)統(tǒng)計時段一般為每小時，retscreen plus導入天氣數(shù)據(jù)時統(tǒng)計時段為每天，而目前我國光伏發(fā)電工程設計中一般采用每月的輻射量數(shù)據(jù)計算傾斜面上輻射量和電站理論發(fā)電量。統(tǒng)計時段不同，計算的電站發(fā)電量有多大差異，這方面的研究相對較少[1]。鑒于此，本文簡要介紹了光伏電站發(fā)電量計算的基本思路，針對某地的實際數(shù)據(jù)對不同統(tǒng)計時段的數(shù)據(jù)進行了光伏理論發(fā)電量分析計算，旨在得出不同統(tǒng)計時段測量的數(shù)據(jù)對于光伏工程設計而言，計算的發(fā)電量的區(qū)別，希望為光伏發(fā)電系統(tǒng)設計人員和決策人員提供參考。

1 光伏電站發(fā)電量計算的基本思路

雖然計算發(fā)電量的數(shù)據(jù)統(tǒng)計時間不同，但整體思路是一致的。

1.1 數(shù)據(jù)基礎

水平面總輻射、水平面散射輻射、水平面直接輻射、溫度、反射率等。

數(shù)據(jù)基礎指項目計算時需要的數(shù)據(jù)，包括數(shù)據(jù)來源如氣象站、衛(wèi)星或測站；發(fā)電量計算開始時間和結(jié)束時間；統(tǒng)計時段如每月、每天、每小時、每10 min等。

1.2 傾斜面輻射量計算

傾斜面總輻射量HT由傾斜面直接輻射量Hbt、傾斜面天空散射量Hdi和傾斜面地面反射量Hrt3部分組成[2-4]。

式中，Hb為水平面上直射量；Hd為水平面上天空散射量；H為水平面上輻射總量；ρ為反射系數(shù)；Rb為斜面上直射量與水平面上直射量之比；KT為水平面直接輻射與大氣層外水平面太陽輻射之比。

傾斜面上任一時刻計算原理為

統(tǒng)計時段為每小時，將計算時刻與下一時刻之間的時間分成n份，并將Rb，i＞0與KT，i＞0的數(shù)值的平均值Rb與KT作為計算時刻的Rb及KT，根據(jù)式（1）~式（5）得出計算時刻傾斜面輻射量。統(tǒng)計時段為每日，根據(jù)文獻[5]將逐日輻射量分配到逐小時，根據(jù)統(tǒng)計時段為每小時的計算原理計算傾斜面輻射量。統(tǒng)計時段為每月，計算每月的日平均輻射量，根據(jù)統(tǒng)計時段為每日計算原理計算傾斜面輻射量。

1.3 設備選型

根據(jù)電站裝機、設備技術經(jīng)濟綜合比較等因素，選擇電池組件、逆變器、匯流箱、配電柜等設備，其中電池組件、逆變器為系統(tǒng)最重要的設備。

1.4 電池組件串并聯(lián)

1.4.1 串聯(lián)個數(shù)

光伏系統(tǒng)子陣列是由電池組件串并聯(lián)組成，其中串聯(lián)個數(shù)需綜合考慮設備型號及項目現(xiàn)場氣候、地形地貌等條件，選取合適的串聯(lián)個數(shù)。

根據(jù)設備型號確定串聯(lián)個數(shù)范圍：

式中，Vdcmax為逆變器“最大直流電壓”；Vdcmin為逆變器“最大功率跟蹤（MPPT）范圍”最小值；Voc為電池組件標況下開路電壓；Vmp為電池組件標況下最佳工作電壓；N為電池組件串聯(lián)數(shù)。

根據(jù)項目的氣象條件確定1 a內(nèi)最不利條件的時間。由于統(tǒng)計時段不同，選出最不利條件的方法不同。

式中，Um′為實際輻射量下的電池組件最佳工作電壓；Uoc′為實際輻射量下的電池組件開路電壓。

統(tǒng)計時段為每小時，將傾斜面上每小時總輻射量累加為每月的總輻射量。從12個數(shù)據(jù)中選出輻射量最大值和最小值對應的月份。再從最小值對應的月份中選出日輻射量最小的日期，從最大值對應的月份中選出日輻射量最大的日期。然后從日輻射量最小的日期中計算有輻射量數(shù)據(jù)的小時平均值，從日輻射量最大的日期中計算有輻射量數(shù)據(jù)的小時平均值。用輻射量最小的日期確定串聯(lián)個數(shù)范圍的小值，用輻射量最大的日期確定串聯(lián)個數(shù)范圍的大值。統(tǒng)計時段為每日與每月，利用傾斜面輻射量計算結(jié)果（將輻射量數(shù)據(jù)分到逐小時后計算的傾斜面輻射量），根據(jù)統(tǒng)計時段為每小時計算原理得出串聯(lián)個數(shù)。

1.4.2 并聯(lián)個數(shù)

并聯(lián)個數(shù)根據(jù)逆變器型號和電池組件串聯(lián)個數(shù)確定：

式中，N′為并聯(lián)個數(shù)；Pivt為逆變器額定輸出功率；p

為電池組件標況下得峰值功率；N為串聯(lián)個數(shù)。

1.5 電站發(fā)電量計算

電站發(fā)電量計算首先需要確定任意日照強度和溫度下的電池組件參數(shù)，包括：電池溫度、最佳工作電壓、最佳工作電流、開路電壓、短路電流，進而得出每個時間點的輸出功率和理論發(fā)電量[6-9]。

1.5.1 任意日照強度和溫度下的電池組件參數(shù)

采用下列模型確定[10-13]：

式中，T為實際輻射強度和環(huán)境溫度下的電池溫度，℃；Tair為環(huán)境溫度，℃；K為0.03℃·m2/W；S為輻射強度實際值，W/m2；ΔT為電池溫度實際值與標況下電池溫度的差值；Tref為標況下電池溫度，25℃；ΔS為輻射強度實際值與輻射強度標況值的差值；Sref為輻射強度標況值，1000 W/m2；e為自然對數(shù)的底數(shù)，取2.71828；a為補償系數(shù)，0.0025/℃；b為補償系數(shù)，0.0005/℃；c為補償系數(shù)，0.00288/℃；Isc、Im、Uoc、Um分別為標況下電池組件的短路電流，A；最佳工作電流，A；開路電壓，V；最佳工作電壓，V；Isc′、Im′、Uoc′、Um′分別為實際輻射強度和環(huán)境溫度下的短路電流，A；最佳工作電流，A；開路電壓，V；最佳工作電壓，V。

上述模型，由于對太陽電池特性的擬合的點數(shù)有限，其精度只能滿足通常的工程要求，經(jīng)相關專家驗證，可以控制在6%的范圍內(nèi)，這和世界上大部分太陽電池生產(chǎn)廠商提供太陽電池組件的參數(shù)允許波動范圍是相適應的[10-12]。

統(tǒng)計時段不同，輻射強度實際值S的取值不同。統(tǒng)計時段為每小時，S為每個時間點的實際輻射強度；統(tǒng)計時段為每天和每月，S為將逐日和逐月數(shù)據(jù)分到逐小時后計算的逐小時傾斜面輻射強度。

1.5.2 輸出功率和理論發(fā)電量

在光伏電站設計中，電站的輸出功率和發(fā)電量是重要環(huán)節(jié)。計算方法如下:

式中，Im′、Um′分別為實際輻射強度、實際環(huán)境溫度下的最佳工作電流，A；最佳工作電壓，V；時間單位為h，統(tǒng)計時段為每小時時，取1。

統(tǒng)計時段為每天和每月，需將逐日和逐月輻射數(shù)據(jù)分配到逐小時后計算每小時的理論發(fā)電量，即時間取1 h。但統(tǒng)計時段為每月的理論發(fā)電量，需將日平均發(fā)電量乘以當月天數(shù)得出每月發(fā)電量，再累加為年發(fā)電量。

2 計算實例

2.1 項目簡介

某項目地海拔2980 m，測站所在緯度N97°21′，經(jīng)度97°16′。本項目總裝機容量為10 MW，主要任務是并網(wǎng)發(fā)電，推薦采用分塊發(fā)電、集中并網(wǎng)方案。經(jīng)論證，該項目選用艾默生SSL500型逆變器，TSM-235PC05型235 Wp多晶硅電池。電池組件采用固定安裝式。10 MW太陽能電池陣列由11個多晶硅子方陣組成，每個子方陣由若干路電池組件串并聯(lián)而成。每個太陽電池子方陣由電池組件、匯流設備、逆變設備、配電設備及升壓設備構成。

2.2 項目計算約定

本項目采用以下幾個工程計算約定：

1）在計算傾斜面上輻射量時，采用的計算緯度為測站的緯度，即N97°21′。

2）該工程采用2001年1月1日至2001年12月31日的數(shù)據(jù)進行計算。

3）該工程逆變器個數(shù)為22個。綜合考慮設備型號及項目現(xiàn)場氣候、地形地貌等條件，電池組件選取串聯(lián)個數(shù)為22個。

4）統(tǒng)計時段按每小時、每天、每月3種情況進行分析計算；每天的輻射量由每小時輻射量累加得到，每天的溫度由每小時溫度算數(shù)平均而得；每月的輻射量為每天輻射量累加得到，每月的溫度由每天溫度算數(shù)平均而得。

2.3 結(jié)果分析

2.3.1 3種統(tǒng)計時段的逐月傾斜面輻射量對比分析

各月傾斜面輻射量對比見圖1。由圖1得出，統(tǒng)計時段為每天的傾斜面輻射量最小，為2544.95 kW·h/m2，統(tǒng)計時段為每小時的傾斜面輻射量最大，為2559.47 kW·h/m2，統(tǒng)計時段為每小時比每天的全年傾斜面輻射量多0.57%，二者全年輻射量相差14.52 kW·h/m2，平均每天相差39.78 W·h/m2。這也說明將逐日與逐月數(shù)據(jù)分配到逐小時，再計算傾斜面輻射量的計算原理具有科學合理性，同時說明了統(tǒng)計時段不同對全年傾斜面輻射量的影響較小。

圖1 各月傾斜面輻射量對比圖Fig.1 Collation map of monthly radiations of the tilted surface

2.3.2 3種統(tǒng)計時段的逐月發(fā)電量對比分析

通過計算，統(tǒng)計時段為每月的全年發(fā)電量最大，為2661.26萬kW·h；其次為統(tǒng)計時段為每小時，全年發(fā)電量2592.89萬kW·h；統(tǒng)計時段為每天的全年發(fā)電量最小，為2587.74萬kW·h。同時，由圖2可知，統(tǒng)計時段為每月的年輸出功率最大，故年發(fā)電量最大。并由圖3得出，統(tǒng)計時段為每月的年發(fā)電量與統(tǒng)計時段為每天的年發(fā)電量相差最大，統(tǒng)計時段為每月的發(fā)電量比統(tǒng)計時段為每天的發(fā)電量多2.84%，全年發(fā)電量相差73.51萬kW·h，平均每天發(fā)電量相差0.201萬kW·h；統(tǒng)計時段為每小時的年發(fā)電量與統(tǒng)計時段為每天的年發(fā)電量相差不大，相差0.20%，平均每天發(fā)電量相差0.014萬kW·h。其中，在3月份，統(tǒng)計時段為每月和統(tǒng)計時段為每天的發(fā)電量相差最大，為10.95萬kW·h；在9月份，統(tǒng)計時段為每小時和每天的發(fā)電量相差最小，為0.07萬kW·h。工程設計人員可根據(jù)設計精度的要求，選擇數(shù)據(jù)的統(tǒng)計時段。

圖2 電站輸出功率對比圖Fig.2 Collation map of power outputs in photovoltaic plants

圖3 各月發(fā)電量差值對比圖Fig.3 Collation map of monthly power generating capacity differences

3 結(jié)論

本文介紹的光伏電站發(fā)電量計算方法是一種相對較為成熟的方法，該方法計算簡單，理論清晰。

通過該方法，針對不同統(tǒng)計時段的測量數(shù)據(jù)對某項目設計得出的電站發(fā)電量的計算結(jié)果表明：

1）不同的統(tǒng)計時段，在通過水平輻射量計算傾斜輻射量時，得出的月傾斜輻射量結(jié)果差別不大。

2）不同的統(tǒng)計時段計算的電站發(fā)電量不同。采用小時統(tǒng)計時段與采用天統(tǒng)計時段計算的年發(fā)電量差異較小，相差約0.2%，而采用月統(tǒng)計時段與小時、天統(tǒng)計時段計算的年發(fā)電量相差較大，約大2.8%。

3）為了不同統(tǒng)計時段計算的結(jié)果具有更好的可比性，本文在計算過程中設定了某些假定，例如假定的逆變器的個數(shù)及電池組件的串聯(lián)個數(shù)等，該假定是根據(jù)某工程實際情況假定的。針對不同的假定條件對計算結(jié)果可能會有些差異。

該結(jié)論是在特定項目的基礎上得出的結(jié)論，對于其他光電項目得出的結(jié)論是否具有相同特點，需要進一步的研究。

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