包斯嘉， 張雙慶， 李紅濤， 秦筱迪， 牛晨輝

(中國電力科學(xué)研究院，江蘇 南京 210003)

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光伏發(fā)電效率檢測(cè)方法研究及案例分析

包斯嘉， 張雙慶， 李紅濤， 秦筱迪， 牛晨輝

(中國電力科學(xué)研究院，江蘇 南京 210003)

隨著我國光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的日趨成熟，光伏發(fā)電效率受到業(yè)界廣泛關(guān)注，由于光伏發(fā)電效率的高低直接影響光伏發(fā)電效益。對(duì)于已建成光伏電站，提高光伏發(fā)電效率成為提高光伏電站利潤的關(guān)鍵因素，尋找有效的效率檢測(cè)方法迫在眉睫?；诖耍攸c(diǎn)闡述了光伏電站各關(guān)鍵設(shè)備效率測(cè)試原理方法，并給出了案例分析，以期為光伏電站效率測(cè)試提供有效的參考依據(jù)。

光伏發(fā)電；檢測(cè)方法；組件轉(zhuǎn)換效率；逆變器效率；光伏電站效率

0 引 言

隨著我國光伏發(fā)電在發(fā)電領(lǐng)域的比重越來越大，光伏發(fā)電效率引起了業(yè)界的廣泛關(guān)注，光伏電站發(fā)電效率體現(xiàn)了光伏電站的綜合發(fā)電能力，直接反映光伏電站的收益情況。

電站效率的高低主要決定于光伏組件轉(zhuǎn)換效率、逆變器效率以及線損等因素。要提高光伏發(fā)電效率，需要明確影響發(fā)電效率的因素以及影響程度，針對(duì)影響發(fā)電效率的關(guān)鍵因素，尋找有效的光伏發(fā)電效率測(cè)試方法顯得尤為重要。為此本文從影響電站效率的關(guān)鍵因素入手，詳細(xì)介紹光伏組件轉(zhuǎn)換效率、逆變器效率、以及電站整體效率的測(cè)試方法以及其案例分析。

1 光伏電站發(fā)電效率測(cè)試方法

1.1 光伏組件轉(zhuǎn)換效率測(cè)試方法

光伏組件轉(zhuǎn)換效率[1-2]可定義為組件的實(shí)際輸出功率與標(biāo)準(zhǔn)光照強(qiáng)度下組件應(yīng)產(chǎn)生的功率的比值。進(jìn)行光伏電站組件效率測(cè)試時(shí)，為確保數(shù)據(jù)有效性，對(duì)每個(gè)匯流箱下的光伏組件抽取三塊進(jìn)行測(cè)試，對(duì)抽取的組件連續(xù)測(cè)試兩次。測(cè)試原理圖如圖1所示。

圖1 光伏組件轉(zhuǎn)換效率測(cè)試原理圖

測(cè)試應(yīng)選擇光照穩(wěn)定的條件下進(jìn)行，測(cè)試期間總輻照度變化不應(yīng)超10%。如圖1所示，通過IV-曲線測(cè)試儀測(cè)量組件背板表面中心溫度、背板非中心溫度、峰值電壓、峰值電流、開路電壓、短路電流以及輻照度等參數(shù)。同時(shí)測(cè)量被測(cè)光伏組件所在的光伏陣列的中心背板溫度以及非陣列中心組件背板溫度。通過測(cè)量參數(shù)計(jì)算得到光伏組件轉(zhuǎn)換效率，其計(jì)算公式如下：

TJRO=(VOC-k·VOC_STC)/β+25

(1)

式中TJRO為組件電池結(jié)點(diǎn)溫度，β為被測(cè)光伏組件電壓溫度系數(shù)，K為被測(cè)光伏組件所處輻照度與1 000 W/m2的比例系數(shù)。K的取值參照表1。

修正溫度:

TO=TSM+dT+TJRO-TSR

(2)

式中TSR為被測(cè)光伏組件的背板表面中心溫度，TSM為背板非中心溫度，dT=TSA-TSM，TSA為被測(cè)光伏組件所在的光伏陣列中心的背板表面溫度，TSM為被測(cè)光伏組件所在的光伏陣列中任一非中心組件的背板表面溫度。

修正為標(biāo)稱狀態(tài)下的最大工作電流：

(3)

式中IMPP_Test為最大工作電流測(cè)試值，G為輻照度測(cè)試值，α為被測(cè)光伏組件電流溫度系數(shù)。

修正為標(biāo)稱狀態(tài)下的最大工作電壓：

(4)

式中VMPP_TEST為最大工作電壓測(cè)試值。

修正為標(biāo)稱狀態(tài)下的最大工作功率：

PMPP_STC=VMPP_STC·IMPP_STC

(5)

被測(cè)光伏組件的組件效率為:

(6)

式中A為被測(cè)光伏組件標(biāo)稱總面積。(單位：m2)

表1 k值與輻照度比例系數(shù)表

1.2 光伏逆變器效率測(cè)試方法

逆變器效率[3]是光伏逆變器交流輸出功率與直流輸入功率的比值。

即：

η=Pout/Pin

(7)

式中Pout為光伏逆變器交流輸出功率，Pin為光伏逆變器直流輸入功率。逆變器效率測(cè)試原理圖如圖2所示，將效率測(cè)試儀接入到逆變器直流側(cè)與交流側(cè)，結(jié)合氣象監(jiān)測(cè)裝置采集的輻照度數(shù)據(jù)，測(cè)量逆變器全功率區(qū)間的直流輸入功率與交流輸出功率，分別計(jì)算各功率區(qū)間(每10%功率區(qū)間取一個(gè)效率值)的效率，然后擬合得到全功率段效率分布趨勢(shì)圖。

圖2 逆變器效率測(cè)試原理圖

1.3 光伏電站效率測(cè)試方法

光伏電站效率測(cè)試[4-6]原理圖如圖3所示，圖中，氣象參數(shù)采集模塊用來完成光伏方陣輻照度、溫度等氣象參數(shù)的采集，發(fā)電量采集模塊用來采集光伏發(fā)電系統(tǒng)總輸出能量。測(cè)試時(shí)，連接好測(cè)試設(shè)備，對(duì)各模塊進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，確保各模塊同步采集，根據(jù)測(cè)試需要，可以采集一整天(24 h)、一個(gè)月或者一年數(shù)據(jù)。然后對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行效率計(jì)算。根據(jù)測(cè)試周期，可以分別計(jì)算光伏電站日效率、月效率或者年效率指標(biāo)來衡量。

圖3 光伏電站效率測(cè)試原理圖

計(jì)算光伏電站效率有以下兩種定義方式：

定義1：光伏電站的系統(tǒng)發(fā)電效率為一定時(shí)間內(nèi)光伏電站總發(fā)電量與光伏電站所有組件理論發(fā)電量的比值。即:

ηout,τ=Eout,τ/(τr×Aa×ΣτGI)

(8)

式中Eout,τ為光伏發(fā)電系統(tǒng)總輸出能量，Aa為方陣總面積，τr為數(shù)據(jù)記錄時(shí)間間隔，GI為方陣平面總輻照度。

定義2：采用標(biāo)準(zhǔn)性能比(performance ratio)來反映光伏電站的發(fā)電效率。表示為光伏等效利用小時(shí)數(shù)與峰值日照時(shí)數(shù)的比值。如果光伏電站采用k種光伏組件，則標(biāo)準(zhǔn)性能比的計(jì)算公式如下：

(9)

式中E為測(cè)試周期光伏電站發(fā)電量，Ci為第i種組件溫度修正系數(shù)，Hi為第i種組件測(cè)試周期內(nèi)光伏方陣接收輻照總量，P0為光伏電站額定功率，G=1 000 W/m2，為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件輻照度。將不同類型光伏組件直流發(fā)電量占比作為該類組件額定功率的占比，計(jì)算出該類組件的額定功率，然后再進(jìn)行溫度修正。第i種組件溫度修正系數(shù)計(jì)算式為：

Ci=1+δi×(Tcell-25)

(10)

式中δi為第i種光伏組件功率溫度系數(shù)；Tcell為實(shí)測(cè)評(píng)估周期內(nèi)電池平均工作結(jié)溫。

如果光伏電站只有一種組件，則標(biāo)準(zhǔn)性能比的計(jì)算公式如下：

PRstc=(E/(C×P0))/(H/G)

(11)

兩種效率定義方式都能反映光伏電站的發(fā)電效率，定義1未考慮光伏組件的轉(zhuǎn)換效率，建立在組件在理論上完全吸收輻照能量的基礎(chǔ)上進(jìn)行的計(jì)算，不能確切的反映光伏電站的真實(shí)發(fā)電效率；而定義2更為直觀的反映光伏電站的發(fā)電效率，是目前較為常用的計(jì)算方法，案列分析中將給出第二種定義的分析情況。

2 案例分析

在江蘇某分布式光伏電站A區(qū)400 kW子站進(jìn)行測(cè)試。完成了光伏組件轉(zhuǎn)換效率測(cè)試、逆變器效率測(cè)試以及光伏電站效率測(cè)試。

2.1 光伏組件轉(zhuǎn)換效率測(cè)試案例分析

400 kW子站采用同一種型號(hào)光伏組件，每塊電池板額定功率為250 Wp，光伏組件的標(biāo)稱總面積A為2 560 m2，已知組件α=+0.045 %/k，β=-0.292 %/k。

現(xiàn)場隨機(jī)選取2號(hào)匯流箱下編號(hào)為CABC114011657A、CABC114011683A、CABC114011810A的三塊組件電池板以及3號(hào)匯流箱下編號(hào)為CABC21400538A、CABC114012002A、CABC214004904A的三塊組件電池板進(jìn)行測(cè)試，按照公式(1)～公式(6)計(jì)算得到如表2所示結(jié)果。

表2 光伏組件轉(zhuǎn)換效率測(cè)試結(jié)果

測(cè)試結(jié)果顯示，編號(hào)為CABC114011810A的組件效率偏低，導(dǎo)致組件效率偏低的原因主要有組件表面陰影灰塵遮擋、光譜適配損失、組件內(nèi)部結(jié)構(gòu)問題等。對(duì)效率低的組件，可以進(jìn)行后續(xù)進(jìn)一步測(cè)試，如EL測(cè)試，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下電性能測(cè)試，以便準(zhǔn)確找到效率低的原因，作進(jìn)一步處理。以減少不必要的發(fā)電損失。

2.2 光伏逆變器效率測(cè)試案例分析

江蘇某分布式光伏電站A區(qū)400 kW子站，整站采用四臺(tái)100 kW光伏逆變器，對(duì)4號(hào)SG-100K逆變器進(jìn)行測(cè)試，按照公式(7)計(jì)算，得到測(cè)試結(jié)果如表3所示，其中Pn為光伏逆變器額定功率，圖4為全功率段逆變器效率趨勢(shì)分布圖。

表3 光伏逆變器效率測(cè)試結(jié)果

圖4 4號(hào)SG-100K逆變器效率按功率區(qū)間分布圖

由表3及圖4結(jié)果顯示，在0～10%Pn功率區(qū)間內(nèi)，測(cè)得的光伏逆變器效率平均值為95.83%，其在整個(gè)功率區(qū)間內(nèi)偏低，而40%Pn～60%Pn功率區(qū)間內(nèi)逆變器效率較高。光伏逆變器效率在全功率區(qū)間的分布情況主要取決于最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)精度、逆變器轉(zhuǎn)換能力等因素。在提高逆變器效率的研究工作中，結(jié)合效率隨功率區(qū)間的變化情況進(jìn)行分析，可以起到事半功倍的效果。

2.3 光伏電站效率測(cè)試案例分析

現(xiàn)場分別對(duì)并網(wǎng)點(diǎn)電壓、電流、功率以及組件輻照度等參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，根據(jù)測(cè)試需要，測(cè)試周期為3天，計(jì)算日發(fā)電效率。為盡可能排除天氣影響，選取晴朗的天氣進(jìn)行測(cè)試測(cè)試時(shí)間為2015.4.10 17∶30∶00～2015.4.13 17∶30∶00。該電站采用一種光伏組件，根據(jù)公式(10)～公式(11)計(jì)算得到表4結(jié)果，表中，Tf為實(shí)際發(fā)電小時(shí)數(shù)，Tr為理論發(fā)電小時(shí)數(shù)，Tf=E/P0，Tr=H/G，其中P0為光伏電站額定容量，H為組件接收輻照量，計(jì)算得到溫度修正系數(shù)C=0.972，光伏電站標(biāo)準(zhǔn)性能比PRstc為79.80%。

表4 光伏電站效率計(jì)算結(jié)果

3 結(jié)束語

文章詳細(xì)闡述了光伏電站各關(guān)鍵環(huán)節(jié)(光伏組件、逆變器、電站整體)效率測(cè)試的原理方法，并給出了電站實(shí)測(cè)示例，在當(dāng)前業(yè)界高度重視光伏發(fā)電效率、努力提高光伏電站發(fā)電收益的形式下，為光伏電站出現(xiàn)的效率問題提供了良好的診斷方法，有助于光伏電站業(yè)主及時(shí)發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致發(fā)電效率降低的設(shè)備，及時(shí)維護(hù)或更換，以保證光伏電站處在較高的發(fā)電效率水平上，獲得更好的效益。

[1] 國家技術(shù)監(jiān)督局,GB/T 6495.1-1996,光伏電流-電壓特性的測(cè)量.[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,1996.

[2] 中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)等,GB/T18210-2000,晶體硅光伏(PV)方陣I-V特性的現(xiàn)場測(cè)量[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2000.

[3] 北京鑒衡認(rèn)證中心,CNCA/CTS|0004-2010,并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)工程驗(yàn)收基本要求[S].北京:北京鑒衡認(rèn)證中心,2011.

[4] 上海電力設(shè)計(jì)院有限公司等,GB/T50797-2012,光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國計(jì)劃出版社,2012.

[5] 中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)等,GB/T20513-2006,光伏系統(tǒng)性能監(jiān)測(cè)測(cè)量、數(shù)據(jù)交換和分析導(dǎo)則[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2006.

[6] IEC62446,Grid connected photovoltaic systems-Minimum requirements for system documentation,commissioning tests and inspection[S].IEC,2009.

A Research on the Measuring Method and Case Analysis of PV Power Generation Efficiency

Bao Sijia, Zhang Shuangqing, Li Hongtao, Qin Xiaodi, Niu Chenhui

(China Electric Power Research Institute, Nanjing Jiangsu 210003, China)

While PV industry is becoming more and more mature in China, PV power generation efficiency is receiving extensive attention in the industry, as PV power generation efficiency has a direct influence upon PV yield. For existing PV power stations, raising PV power generation efficiency has become the key factor for increase of the profits of PV power stations. It is extremely urgent to find an effective method for efficiency measurement. In this context, this paper expounds the principles and methods for testing the efficiency of various key equipment in the PV power station and makes case analysis to provide effective reference basis for the testing of PV power station efficiency.

PV power generation; measuring method; component conversion efficiency; inverter efficiency; PV power station efficiency

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.04.019

TM615

A

1000-3886(2016)04-0059-03

包斯嘉(1982-)男，江蘇人，工程師，從事太陽能檢測(cè)技術(shù)研究。 張雙慶(1986-)男，山東人，工程師，從事太陽能檢測(cè)技術(shù)研究。 李紅濤(1982-)男，河南人，工程師，從事太陽能檢測(cè)技術(shù)研究。 秦筱迪(1982-)男，山東人，工程師，從事光伏發(fā)電并網(wǎng)檢測(cè)與分析技術(shù) 。 牛晨輝(1983-)男，遼寧人，工程師，從事光伏系統(tǒng)并網(wǎng)檢測(cè)技術(shù)。

定稿日期: 2015-12-26