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基于温度修正的光伏电站发电性能评价指标解析

基于温度修正的光伏电站发电性能评价指标解析

  1、PR背景

  近年来,我国光伏电站年新增装机容量都比往年有所提升,2014年新增装机在全球排列第一,而国内光伏市场一片繁荣的同时,全国性的、统一的、完善的光伏电站评价和标准体系还尚未真正跟上步伐,原因一方面是由于国内对环境资源数据采集的重视程度不够,电站发电场所没有配备精确采集太阳辐照资源、组件温度、环境温度等气象指标的监控设施,另一方面缺乏对光伏电站发电性能的正确和完整的评估方法,同时也缺乏多年长期可靠运行的光伏发电数据。

  光伏电站一般有着25年及25年以上的生命周期,电站监控和运维对于长期的稳定运行来说显得至关重要,随着基于物联网技术的电站智能化运营管理的到来,意味着发电性能评价和大数据分析方面的工作在国内电站的运营管理中将起到举足轻重的作用。

  早些时候国内开展光伏电站数据采集及监控技术的研究单位有中科院电工研究所、合工大能源研究所和北京计科公司等,相比之下,国外这方面的工作就做得比较早,研究则更为深入,国外众多的成功案例和运营经验都值得学习和借鉴。国际能源总署(IEA)在1995年启动了光伏发电项目(PVPS)Task-2工作【1】,即光伏系统的性能、可靠性研究,并组建了Task-2团队,

  全球相继有28个国家先后加入(包括中国),他们对全球不同气候和地理环境的国家如中国、德国、法国、日本、以色列、墨西哥、澳大利亚等多个不同类型的光伏发电系统(如建筑一体化BIPV、屋顶电站BAPV、大型集中式并网电站、离网系统、混合系统等)展开了长达十多年的系统监测、数据采集及发电性能方面的深入研究,多数数据是在不同的IEA-PVPS成员国的国家示范项目中进行收集,并通过建立全球光伏电站发电运行数据和技术数据的数据库(PerformanceDatabase),来作为光伏系统运转、效能、可靠度及成本方面的研究。

  截止目前已拥有大大小小461多套光伏系统(总容量约15MW)的高质量的运行数据,将用于不同的应用,如电能供给、家庭应用、农村电气化和特殊应用等等,相关的研究成果都是公开共享的,可以在IEA官网上进行下载。研究人员通过深入研究电站性能的影响因素并建立了光伏电站性能评价相关指标和定义,如1998年正式发布的IEC61724标准中所规定的指标就来源于此。

  IEC61724中推荐的三个指标分别是Yr、Yf和PR,参考表1,其中Yr是单位面积的光伏阵列倾斜面总辐射量与光伏电池标准测试条件下的标准辐射度之比,也称方阵峰值日照小时数,反映了当地的辐照水平。Yf表示一段时间内并网光伏发电系统最终并网的交流发电量与光伏系统的额定功率之比,它是用光伏系统装机容量归一化后的发电量,可用于不同装机容量的光伏系统的比较,也称为发电能力(kWh/kW)。

  PerformanceRatio(PR)称为质量因数或系统效率,是评价光伏电站效率最重要的指标之一,是电站实际输出功率与理论输出功率的比值,反映整个电站扣除所有损耗后(包括辐照损失、线损、器件损耗、灰尘损失、热损耗等)实际输入到电网电能的一个比例关系【2】。电站的PR值越接近100%,说明该电站的运行效率就越高,但是现实情况下PR值达到100%是不可能的,因为有些损耗是不可避免的。一般情况下,运行较好的并网光伏电站PR值能够达到80%及80%以上。

  PR的另一种公式表示方法来源于SMA:PR=实际发电量/理论发电量,其中理论发电量=方阵斜面辐射量*方阵所有组件总面积*组件转换效率,经过推导就会发现,虽然表示方法不同,但结果实际上就等于Yf和Yr的比值。

  PR指标是目前常用的电站评价参数,对于同一地区的各个电站,如果太阳辐射资源和气候情况比较相似,那么我们可以通过PR、Yr和Yf来进行对比,但是对于不同地区的电站,由于辐射资源不同,环境温度也不同,直接使用该PR来对比是不准确的。

  因为PR公式并未考虑到温度的影响,晶硅组件的功率温度系数是负温度系数,当温度升高时,功率会降低,温度降低时,则相反,特别是在冬季低温、均匀辐照强度下,PR计算值会偏高,而在夏季高温、均匀辐照下,PR值会偏低,而温度差异造成的PR偏低并不属于电站本身的质量问题,容易给电站运维人员带来误判断。

  因此后来业内研究人员提出了对原有PR计算公式进行温度修正的方法,称为CPR(TemperatureCorrectedPR)。如图1为某电站CPR和PR的计算结果对比,当PR和CPR以年为分析周期进行计算比较时,其实结果相差不大,仅1%左右,但是在冬季和夏季的各个月份,PR就会出现明显的偏高或偏低,但通过温度修正后,CPR可以更加准确地反映实际的运行情况。经查阅国内外相关文献,公开报导的关于对温度系数的修正方法至少有3种以上,其中重要的差异来源于电池片结温的计算以及不同的修正方法。 

  PR和CPR是电站评价的重要指标,国外也有其他机构采用了其他评价方法,EPI(EnergyPerformanceIndex)和PPI(PowerPerformanceIndex),其计算方法和各自的用途也不尽相同。如不同气候地区的电站设计验证、投资决策和长期的发电性能比较,可使用CPR,电站发电性能的衰减情况可用EPI指标,运维前后短期的发电比较可用PPI指标,但不管是哪一种指标,理论发电量的计算至关重要,如是否需要采用温度修正,并考虑其他补偿因子等等。

  如果组件的加权平均工作温度不以年为单位进行计算,比如计算周期就1天,那么PR和CPR的值是几乎相同的。如表3列举的数据,如果以某冬季某一天的加权平均温度计算,则CPR和PR都为93%,但如果以一年的电池加权平均温度42°计算,那么PR和CPR就会出现差异,PR值会偏高。

  PR是光伏电站发电性能评价的重要指标,根据IEC61724标准规定的PR值计算方法不能绝对地直接表征不同地区光伏电站的优劣性,文中对国际上基于温度修正方法的CPR进行了总体介绍,不同的修正方法得到的修正值也不相同。通过比较,基于Sandia环境温度模型的Sunpower法CPR其准确度相对较高,但是电池片加权平均温度需要一年的统计周期,因此对于当年的月度性能分析会遇到困难,其中的解决方法可以参考历年已计算的电池片加权平均温度或者借助于其他评价指标协同分析,比如EPI、PPI等。

  文中最后对电池片温度的不同计算方法进行了比较,TextBook法和Sandia法都是可靠的计算方法,

  但前者准确度较高,因此在Sunpower温度修正方法中,温度修正因子中的电池片温度也可以考虑使用TextBook温度计算法。

  光伏电站发电性能评价为电站经营者更高效管理电站提供了较大的帮助,在借鉴国外经验的同时,在此也呼吁国内应在电站质量和性能评价方面完善相应的标准。另外作为电站运营管理企业,电站性能评价的前提是自有电站的管理已经达到智能化水平,太阳辐照、温度、风速等环境监测的配套设施都已经具备,如果没有这些条件,要做好电站的性能评价工作就等于是空中楼阁。 

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