劉家鼎

(中國電力國際發(fā)展有限公司，北京 100080)

0 引言

系統(tǒng)效率(performance ratio，PR)是評估光伏電站經濟效益的重要指標。國際能源署(IEA)光伏發(fā)電項目(PVPS)任務組13(Task 13)針對并網光伏發(fā)電系統(tǒng)的研究顯示，全球于2000～2010年投產的光伏電站的年均PR范圍集中在74%～84%之間。其中，法國、比利時、德國和中國臺灣地區(qū)于2000～2010年投產的光伏電站的年均PR分別為76%、78%、84%和74%，具體如表1所示[1]。

表1 全球于2000～2010年投產的部分光伏電站的PRTable 1 PR of some PV power stations put into operation in 2000～2010 in the world

由于我國早期建成的光伏電站在數(shù)據(jù)采集監(jiān)控(SCADA)系統(tǒng)應用方面相對薄弱，傳感器精度較低且數(shù)量往往無法完整覆蓋整個光伏陣列的直流側，造成光伏陣列的局部數(shù)據(jù)缺失，導致電站運維人員無法科學、準確地判斷光伏電站的系統(tǒng)效率及電站的健康運行情況?；诖?，本文采用便攜式檢測儀器，對全國各地于2010～2015年投產的15座裝機規(guī)模在10 MWp以上的光伏電站進行了大規(guī)模實地檢測，研究了早期光伏電站的PR和PR損失的構成，并提出了運用缺陷指標科學評估光伏電站缺陷率的方法。

1 實地檢測

1.1 檢測方法

對我國2010～2015年投產的15座裝機規(guī)模在10 MWp以上的光伏電站進行大規(guī)模實地檢測，電站所在區(qū)域覆蓋了華北、華東、華南、西北4個地區(qū)，電站類型包括平原光伏電站、山地光伏電站、鹽堿地光伏電站及屋頂光伏電站。根據(jù)這15座早期光伏電站自投產至今的全歷史發(fā)電量數(shù)據(jù)，分別從每座光伏電站中抽取歷史發(fā)電量為高、中、低的光伏陣列各1個，采用便攜式檢測儀器檢測并采集這些光伏陣列的直流側數(shù)據(jù)；光伏電站總發(fā)電量取關口表發(fā)電量數(shù)據(jù)。

1.2 檢測儀器

對光伏電站進行大規(guī)模實地檢測時使用的便攜式檢測儀器信息如表2所示。

表2 檢測儀器的信息Table 2 Information of testing instruments

1.3 PR的計算方法

光伏電站的PR依據(jù)IEC 61724-1:2017[2]中的公式進行計算。1)記錄光伏電站關口表當日發(fā)電量及日太陽輻照度；2)根據(jù)日太陽輻照度計算光伏電站理論日發(fā)電量；3)根據(jù)光伏電站實際裝機容量計算其當日的PR，并進行光伏組件工作溫度修正，可得到STC條件下光伏電站當日的PR。

PR的計算公式為：

式中，Psys為光伏電站關口表的瞬時輸出功率；τ為測量時間；PA為光伏電站實際裝機容量；k為累計測試天數(shù)；Gi,k為光伏陣列傾斜面接收的太陽輻照度；Gi,ref為STC條件下光伏陣列傾斜面接收的太陽輻照度，取1000 W/m2；Ck為溫度修正系數(shù)。

其中，Ck的計算公式為：

式中，γ為光伏組件功率溫度系數(shù)；Tmod,k為光伏組件瞬時背板溫度。

2 PR分析

2.1 總體檢測結果

將15座早期光伏電站按照華北、華南、西北、華東4個地區(qū)進行劃分，利用式(1)～式(2)得到每個光伏電站的實測PR及4個地區(qū)的PR平均值如表3所示。

表3 不同光伏電站的實測PR及4個地區(qū)PR平均值統(tǒng)計Table 3 Statistics of measured PR of different PV power stations and average PR of four regions

2.2 不同地區(qū)光伏電站的PR分布情況

從表3的數(shù)據(jù)可以看出，華北、華南、西北、華東4個地區(qū)光伏電站的PR平均值依次為84.96%、82.69%、80.59%和76.97%；其中，華北地區(qū)光伏電站的PR平均值相對較高；全樣本的PR平均值為81.60%。

不同地區(qū)光伏電站的PR平均值情況如圖1所示。

圖1 不同地區(qū)光伏電站的PR平均值情況Fig. 1 Average PR of PV power stations in different regions

2.3 不同類型光伏電站的PR分布情況

檢測的15座早期光伏電站中，平原光伏電站為8座，鹽堿地光伏電站為3座，屋頂光伏電站為2座，山地光伏電站為2座。這4種不同類型光伏電站的PR平均值情況如圖2所示。

圖2 不同類型光伏電站的PR平均值情況Fig. 2 Average PR of PV power stations in different types

從圖2可以看出，平原光伏電站、鹽堿地光伏電站、山地光伏電站的PR相差不大；平原光伏電站的PR平均值最高，屋頂光伏電站的PR平均值最低，平原光伏電站的PR平均值較屋頂光伏電站的PR平均值高出近7.52%。

3 缺陷指標分析

對上述15座早期光伏電站按不同地區(qū)光伏電站和不同類型光伏電站分別進行PR損失分布情況及光伏電站缺陷率的分析。

3.1 不同地區(qū)光伏電站的PR損失分布情況

PR損失主要包括變壓器損耗、逆變器效率損失、光伏組件串并聯(lián)失配損失、直流線損、光伏組件溫升損失、灰塵遮擋損失和其他損失。不同地區(qū)光伏電站的PR損失分布情況如圖3所示。

由圖3可知，在4個地區(qū)的光伏電站中，華東地區(qū)光伏電站的PR損失相對較高。在華東地區(qū)光伏電站PR損失的構成中，其他損失的占比最大，約為7.97%；其次為光伏組件溫升損失，占比約為5.19%。由于各地區(qū)的氣候環(huán)境不同，因此不同地區(qū)光伏電站的灰塵遮擋損失數(shù)據(jù)各異；其中，華北地區(qū)、華南地區(qū)、西北地區(qū)和華東地區(qū)的灰塵遮擋損失分別為 0.87%、1.25%、0.89%和1.35%。但從光伏電站運維角度來看，灰塵遮擋損失可以通過人為干預解決。

圖3 不同地區(qū)光伏電站的PR損失分布情況Fig. 3 Distribution of PR loss of PV power stations in different regions

3.2 不同類型光伏電站的PR損失分布情況

不同類型光伏電站的PR損失分布情況如圖4所示。

圖4 不同類型光伏電站的PR損失分布情況Fig. 4 Distribution of PR loss of PV power stations in different types

從圖4可以看出，在4種光伏電站類型中，屋頂光伏電站的PR損失相對較高。在屋頂光伏電站PR損失的構成中，其他損失的占比最大，約為8.62%；其次為光伏組件溫升損失，占比約為5.77%。由于不同類型光伏電站所在地區(qū)的氣候環(huán)境不同，因此不同類型光伏電站的灰塵遮擋損失數(shù)據(jù)各異，平原光伏電站、鹽堿地光伏電站、山地光伏電站、屋頂光伏電站的灰塵遮擋損失分別為1.07%、0.81%、0.31%和1.90%。

3.3 光伏電站的缺陷率統(tǒng)計

根據(jù)不同地區(qū)和不同類型光伏電站的PR損失分布情況可以看出，華東地區(qū)屋頂光伏電站的其他損失較高。這類損失主要由運維失效造成，原因主要包括電氣設備失效故障，光伏組件破損造成的短路、斷路故障，以及局部線纜、電纜頭斷路故障等。

為了進一步分析光伏電站是否存在由運維失效引起的PR損失，針對各光伏電站的光伏陣列進行了隨機缺陷排查，并對光伏電站的缺陷率分布情況進行了統(tǒng)計。缺陷率采用缺陷指標進行分析，缺陷指標主要包括未達標光伏組串的比率、光伏組件的熱斑率及光伏組件的破碎率。

3.3.1 未達標光伏組串的比率

光伏組串的系統(tǒng)效率PRstring是指光伏組串的實際發(fā)電量和其理論發(fā)電量的比值，一般來說，PRstring應高于光伏電站的整體PR。在本次實地檢測中，未達標光伏組串是指PRstring＜80%的光伏組串。

PRstring的計算式為：

式中，Estring-act為光伏組串的實際發(fā)電量；Estring-ideal為光伏組串的理論發(fā)電量。

運維失效會導致未達標光伏組串的數(shù)量增加，并拉低光伏電站的整體PR。未達標光伏組串的比率是指匯流箱中未達標光伏組串的數(shù)量占光伏組串總數(shù)的比例，通過統(tǒng)計未達標光伏組串的比率，可在一定程度上揭示該光伏電站的“受災”范圍，即了解該光伏電站中故障光伏組件的大致比例。

3.3.2 光伏組件的熱斑率

光伏組件的玻璃表面存在點狀高溫區(qū)域，且高于周邊溫度4 ℃以上的光伏組件被認為存在熱斑效應，該光伏組件可稱為熱斑光伏組件。

光伏組件熱斑率是指熱斑光伏組件的數(shù)量占光伏組件總數(shù)的比例。

3.3.3 光伏組件的破碎率

光伏組件表面玻璃存在裂紋的情況被認定為破碎，該光伏組件則可被稱為破碎光伏組件。

光伏組件的破碎率是指破碎光伏組件的數(shù)量占光伏組件總數(shù)的比例。

3.3.4 不同地區(qū)光伏電站的缺陷率分布情況

不同地區(qū)光伏電站的缺陷率分布情況如表4所示。

表4 不同地區(qū)光伏電站的缺陷率分布情況Table 4 Distribution of defect rate of PV power stations in different regions

從表4可以看出，華北地區(qū)、華東地區(qū)、西北地區(qū)這3個地區(qū)光伏電站的未達標光伏組串的比率相對較高，分別為32.98%、31.73%、21.24%；華南地區(qū)光伏電站的光伏組件熱斑率最高，約為1.99%；西北地區(qū)光伏電站存在較多光伏組件表面玻璃碎裂的現(xiàn)象，該地區(qū)光伏電站的光伏組件破碎率最高，達到0.14%。

3.3.5 不同類型光伏電站的缺陷率分布情況

不同類型光伏電站的缺陷率分布情況如表5所示。

表5 不同類型光伏電站的缺陷率分布情況Table 5 Distribution of defect rate of PV power stations in different types

從表5可以看出，鹽堿地光伏電站的未達標光伏組串的比率最高，為31.97%；山地光伏電站的光伏組件熱斑率最高，達到3.00%；平原光伏電站中光伏組件表面玻璃碎裂的現(xiàn)象最多，該類型光伏電站的光伏組件破碎率最高，達到0.09%。

3.3.6 綜合分析

盡管華北地區(qū)光伏電站的未達標光伏組串的比率最高，但對該數(shù)據(jù)進行深入分析后發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)未達標光伏組串中PRstring下降嚴重的光伏組串的數(shù)量相對較少，即光伏組件的“受災”程度不嚴重，因此未造成光伏電站整體PR嚴重下降。

與之相反的是，華東地區(qū)屋頂光伏電站的未達標光伏組串的比率較高，且局部匯流箱存在大量PRstring值遠低于80%的光伏組串，導致華東地區(qū)屋頂光伏電站的整體PR被拉低。

針對上述情況，以華東地區(qū)某屋頂光伏電站為例進行分析。該屋頂光伏電站中，某匯流箱(編號為8A05)共連接了16串光伏組串，各光伏組串的PRstring如圖5所示。

圖5 某匯流箱中各光伏組串的PRstring情況Fig. 5 PRstring value of each PV module string in a combiner box

從圖5可以看出，8A05匯流箱中連接的16串光伏組串中，有10串光伏組串的PRstring值低于60%，甚至其中有4串光伏組串的PRstring值低于25%，揭示出該匯流箱中存在大量的光伏組件失效的情況，需要對這些光伏組件進行維修，嚴重的甚至需要更換。需要說明的是，部分光伏組串的PRstring值高于100%是因為部分光伏組件存在銘牌功率正偏差，且檢測時光伏組件的表面溫度低于STC下的標準溫度(25 ℃)，使光伏組件溫升損失為負值，導致最終該光伏組串的實際發(fā)電量高于理論發(fā)電量，PRstring值超過了100%。

未達標光伏組串的比率及其PRstring值“雙偏低”說明該光伏電站中存在大量的失效光伏組件，導致該光伏電站的整體PR偏低，也造成了該光伏電站的PR損失中的其他損失值偏高。

4 結論

本文對國內15座裝機規(guī)模為10 MWp以上的早期光伏電站進行了大規(guī)模實地檢測，研究了早期光伏電站的系PR和PR損失的構成，并提出了運用缺陷指標科學分析光伏電站缺陷率的方法。通過檢測得出以下結論：

1)本次實地檢測的15座早期光伏電站的PR平均值為81.60%。

2)光伏電站所處的環(huán)境條件對其PR存在顯著影響，灰塵附著、溫度變化、環(huán)境酸堿度、光伏陣列布置環(huán)境等均會對光伏發(fā)電系統(tǒng)產生各種影響，并導致不同的故障缺陷。

3)PR及PR損失的構成可以從宏觀上揭示光伏電站的運行狀況是否良好；采用多維度的缺陷指標考核，有助于現(xiàn)場運維人員開展深層次的故障分析，從而可以快速明晰光伏發(fā)電系統(tǒng)的故障區(qū)域。其中，通過綜合分析未達標光伏組串的比率及其PRstring值，可揭示出光伏陣列的“受災”范圍和嚴重程度。