光伏電站輸出功率影響因素分析

張雪莉，劉其輝，馬會(huì)萌，李蓓

（1.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京102206；2.中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京100192）

為了有效應(yīng)對(duì)日益嚴(yán)峻的一次能源短缺和環(huán)境污染困境，降低我國(guó)對(duì)煤炭資源的依賴(lài)程度以及緩解全球溫室效應(yīng)等問(wèn)題，風(fēng)能、太陽(yáng)能等綠色可再生能源的大規(guī)模并網(wǎng)成為我國(guó)電網(wǎng)發(fā)展的重要方向。光伏并網(wǎng)發(fā)電可以有效利用太陽(yáng)能，但光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率隨光照強(qiáng)度、溫度等環(huán)境因素的改變具有隨機(jī)性和不可控性。隨著光伏系統(tǒng)在電網(wǎng)中所占比例的不斷增大，它對(duì)電網(wǎng)帶來(lái)的影響必須得到有效地治理以保證供電的安全可靠性[1-6]。

目前，解決光伏并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)的影響、提高光伏并網(wǎng)容量的措施有2種，一是從電網(wǎng)角度，提高電網(wǎng)的靈活性，建設(shè)智能電網(wǎng)；二是從光伏電站角度，為并網(wǎng)光伏電站配置儲(chǔ)能裝置。前者伴隨智能電網(wǎng)的發(fā)展，光伏的大規(guī)模并網(wǎng)、輸送、配送以及運(yùn)行、消納會(huì)帶來(lái)大型投資費(fèi)用；后者則通過(guò)光儲(chǔ)協(xié)調(diào)控制與應(yīng)用，既能平滑光伏功率輸出，避免對(duì)電網(wǎng)造成的不良影響，又能減少投資降低費(fèi)用。

光儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)[7-10]。離網(wǎng)和獨(dú)立的光伏發(fā)電系統(tǒng)需要配置儲(chǔ)能系統(tǒng)，因?yàn)閱为?dú)的太陽(yáng)能系統(tǒng)受時(shí)間和地域的約束，很難全天候利用太陽(yáng)能資源。對(duì)并網(wǎng)的大型光伏發(fā)電系統(tǒng)，可不采用儲(chǔ)能系統(tǒng)直接向中央電網(wǎng)供電，但電網(wǎng)功率和頻率波動(dòng)大，通常情況下也要采用儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行調(diào)峰和調(diào)頻，來(lái)保證發(fā)電、供電的穩(wěn)定性。光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)者為了開(kāi)發(fā)一個(gè)合理的光儲(chǔ)系統(tǒng)，需要通過(guò)建模和仿真的方法對(duì)光儲(chǔ)系統(tǒng)的運(yùn)行情況作全面的分析，盡量逼真地模擬光伏電站以及儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行情況[11-13]，因此，必須加深對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出特性的了解。本文在討論光伏并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)帶來(lái)的影響以及影響光伏組件輸出因素的基礎(chǔ)上，依托光伏并網(wǎng)電站的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，從光照強(qiáng)度、溫度等氣象因素的角度出發(fā)，定性定量地分析了光伏系統(tǒng)的輸出特性，最后據(jù)此提出了2個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。

1 光伏并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)的影響

目前，隨著光伏發(fā)電系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大以及光伏電源在系統(tǒng)中所占比例的不斷增加，光伏并網(wǎng)給電網(wǎng)帶來(lái)的不良影響變得不可忽視。從電網(wǎng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的角度分析，光伏并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)造成的影響主要有以下幾點(diǎn)[14-16]。

1）對(duì)線(xiàn)路潮流的影響。電網(wǎng)支路潮流一般是單向流動(dòng)的，并且對(duì)于配電網(wǎng)來(lái)說(shuō)隨著距變電站的距離增加有功潮流單調(diào)減少。當(dāng)光伏電源接入電網(wǎng)后，從根本上改變了系統(tǒng)潮流的模式且潮流變得無(wú)法預(yù)測(cè)。這種潮流的改變使得電壓調(diào)整很難維持，同時(shí)，也可能造成支路潮流越限、節(jié)點(diǎn)電壓越限、變壓器容量越限等，從而影響系統(tǒng)的供電可靠性。此外，這種潮流的隨機(jī)性也不利于制定發(fā)電廠(chǎng)發(fā)電計(jì)劃。

2）對(duì)電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行的影響。由于光伏電源的自身輸出不穩(wěn)定性，當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行后，系統(tǒng)必須增加相應(yīng)容量的旋轉(zhuǎn)備用，以保證系統(tǒng)的調(diào)峰、調(diào)頻能力。

3）對(duì)電能質(zhì)量的影響。受云層遮擋的影響，光伏電源的發(fā)出功率可能在短時(shí)間內(nèi)從100%降到30%以下，或由30%以下增至100%，對(duì)于大型光伏并網(wǎng)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，會(huì)引起電壓的波動(dòng)與閃變或頻率波動(dòng)。此外，由于光伏發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)出的電能為直流電，必須經(jīng)過(guò)逆變裝置接入電網(wǎng)，這一過(guò)程必將產(chǎn)生諧波，對(duì)電網(wǎng)造成影響。

2 光伏系統(tǒng)原理及影響光伏組件輸出因素

2.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)原理

獨(dú)立的光伏發(fā)電系統(tǒng)由太陽(yáng)能電池板（光伏組件）、蓄電池、控制器、逆變器組成[17]，參見(jiàn)圖1。太陽(yáng)能電池板作為系統(tǒng)中的核心部分，其作用是將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)換為直流形式的電能，只在白天有太陽(yáng)光照的情況下輸出能量。根據(jù)負(fù)載的需要，系統(tǒng)一般選用鉛酸蓄電池作為儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，當(dāng)發(fā)電量大于負(fù)載時(shí)，太陽(yáng)能電池通過(guò)充電器對(duì)蓄電池充電；當(dāng)發(fā)電量不足時(shí)，太陽(yáng)能電池和蓄電池同時(shí)對(duì)負(fù)載供電。控制器一般由充電電路、放電電路和最大功率點(diǎn)跟蹤控制組成。逆變器的作用是將直流電轉(zhuǎn)換為與交流負(fù)載同相的交流電。

圖1 獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Freestanding photovoltaic power generation system structure

并網(wǎng)的光伏發(fā)電系統(tǒng)具有2種結(jié)構(gòu)形式，其不同之處在于是否帶有蓄電池作為儲(chǔ)能環(huán)節(jié)。當(dāng)有日照照射、光伏系統(tǒng)所產(chǎn)生的交流電能超過(guò)負(fù)載所需時(shí)，多余的部分將送往電網(wǎng)；夜間當(dāng)負(fù)載所需電能超過(guò)光伏系統(tǒng)產(chǎn)生的交流電能時(shí)，電網(wǎng)自動(dòng)向負(fù)載補(bǔ)充電能。一般帶有蓄電池時(shí)，白天在光照條件下，通過(guò)充放電控制器對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，將光能轉(zhuǎn)換為電能貯存起來(lái)。晚上，蓄電池組輸出直流電或通過(guò)逆變器的作用，將直流電轉(zhuǎn)換為交流電供給負(fù)載。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋮⒁?jiàn)圖2。

圖2 并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Grid-connected photovoltaic system structure

2.2 影響光伏組件輸出因素

光伏組件的輸出功率取決于太陽(yáng)光照強(qiáng)度、太陽(yáng)能光譜的分布和太陽(yáng)電池的溫度、陰影、晶體結(jié)構(gòu)[18]。因此光伏組件的測(cè)量在標(biāo)準(zhǔn)條件下（STC）進(jìn)行，測(cè)量條件被歐洲委員會(huì)定義為101號(hào)標(biāo)準(zhǔn)，其條件是：光譜輻照度為1000 W/m2；光譜AMl.5；電池溫度25℃。在該條件下，光伏組件所輸出的最大功率被稱(chēng)為峰值功率，其單位表示為峰瓦（W）[19]。

1）溫度對(duì)光伏組件輸出的影響：光伏組件溫度較高時(shí)，工作效率下降。隨著太陽(yáng)能電池溫度的增加，開(kāi)路電壓減小，在20～100℃范圍，大約每升高1℃每片電池的電壓減小2 mV；而光電流隨溫度的增加略有上升，大約每升高1℃每片電池的光電流增加千分之一，或0．03 mA/℃·cm2?？偟膩?lái)說(shuō)，溫度升高太陽(yáng)電池的功率下降，典型溫度系數(shù)為-0．35%/℃。也就是說(shuō)，如果太陽(yáng)能電池溫度每升高1℃，則功率減少0．35%。因此，使組件上下方的空氣流動(dòng)非常重要，因?yàn)檫@樣可以將熱量帶走，避免太陽(yáng)能電池溫度升高。這里所指是對(duì)晶體硅太陽(yáng)電池性能的影響。

2）光照強(qiáng)度對(duì)光伏組件輸出的影響：光照強(qiáng)度與光伏組件的光電流成正比，在光強(qiáng)由100～1000 W/m2范圍內(nèi)，光電流始終隨光強(qiáng)的增長(zhǎng)而線(xiàn)性增長(zhǎng)；而光照強(qiáng)度對(duì)光電壓的影響很小，在溫度固定的條件下，當(dāng)光照強(qiáng)度在400～1000 W/m2范圍內(nèi)變化，光伏組件的開(kāi)路電壓基本保持恒定。因此，太陽(yáng)電池的功率與光強(qiáng)基本成正比。

3）陰影對(duì)光伏組件輸出的影響：光伏組件上的局部陰影會(huì)引起輸出功率的明顯減少，某些組件比其他組件更易受陰影影響，有時(shí)僅一個(gè)單電池上的小陰影就產(chǎn)生很大影響。一個(gè)單電池被完全遮擋時(shí)，光伏組件可減少輸出75%。所以陰影是場(chǎng)地評(píng)價(jià)中非常重要的部分。組件安裝二極管可以減少陰影的影響，但由于低估了局部陰影的影響，建成的光伏系統(tǒng)性能和用戶(hù)的投資效果可能會(huì)大為遜色。

3 某小單位100 kW光伏電站輸出功率分析

光伏系統(tǒng)的輸出功率會(huì)受到太陽(yáng)輻射強(qiáng)度、溫度、光伏陣列的轉(zhuǎn)換效率、安裝角度以及其他一些因素的影響。為此，本文依托某峰值100 kW光伏并網(wǎng)電站，針對(duì)日類(lèi)型、光照強(qiáng)度以及溫度3個(gè)因素對(duì)光伏系統(tǒng)輸出功率的影響分析了光伏系統(tǒng)輸出特性。該光伏電站額定功率為100 kW，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)了2006年8月一整月的直流輸出功率，統(tǒng)計(jì)時(shí)間忽略了出力為零的晚間時(shí)段,從早8：00～晚20：00，采樣間隔為10 min。

3.1 日類(lèi)型對(duì)輸出功率的影響

根據(jù)氣象特點(diǎn)對(duì)日類(lèi)型進(jìn)行分類(lèi)，如晴天、多云、陰天、雨天。同一光伏電站，日類(lèi)型不同時(shí)，光伏輸出功率差距很大。如圖3所示，對(duì)比2個(gè)連續(xù)但日類(lèi)型不同的典型日發(fā)電曲線(xiàn)可知，每條曲線(xiàn)都存在“多峰多谷”，波動(dòng)幅度也存在很大差異，無(wú)規(guī)律性可言。不過(guò)整體來(lái)看，典型日的日發(fā)電功率都是從上午8:00開(kāi)始呈上升趨勢(shì)，在13:00～16:00之間的某些時(shí)刻達(dá)到峰值，然后開(kāi)始下降，到20:00達(dá)到低谷。12:00～16:00之間出力水平最高，但同時(shí)功率的波動(dòng)性和隨機(jī)性比其他任何時(shí)間段都顯著，有些時(shí)刻功率突然下降至接近0，有些時(shí)刻上升達(dá)到額定功率值100 kW。圖4為不連續(xù)的3個(gè)典型日在相同日類(lèi)型下的發(fā)電功率曲線(xiàn)，可看出，雖然日輸出功率幅值不同，但發(fā)電曲線(xiàn)的變化規(guī)律相似。

圖3 不同日類(lèi)型發(fā)電功率曲線(xiàn)Fig.3 Generating power curves at different types of days

圖4 相同日類(lèi)型發(fā)電功率曲線(xiàn)Fig.4 Generation power curves atthe same type of days

3.2 太陽(yáng)輻射強(qiáng)度對(duì)輸出功率的影響

太陽(yáng)輻射強(qiáng)度指在單位時(shí)間內(nèi),垂直投射在地球某一單位面積上的太陽(yáng)輻射能量。從物理意義上來(lái)說(shuō),太陽(yáng)的輻射是導(dǎo)致光伏電池產(chǎn)生伏特效應(yīng)的直接影響因素,輻射強(qiáng)度的大小直接影響光伏電池的出力[20]。

圖5為該光伏電站實(shí)測(cè)的日輸出功率與輻射強(qiáng)度的對(duì)照曲線(xiàn)，可以看出，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度曲線(xiàn)和光伏發(fā)電功率曲線(xiàn)的變化趨勢(shì)基本一致，發(fā)電功率會(huì)隨輻照度的波動(dòng)同時(shí)刻出現(xiàn)波動(dòng)。從圖5中還可以讀出該日輸出功率最大值出現(xiàn)在14:30，對(duì)應(yīng)的輻照度為1145 W/m2，輸出功率達(dá)到97.2 kW。同時(shí)，對(duì)應(yīng)輻照度的較大波動(dòng)，在10 min的采樣間隔內(nèi)，光伏電站直流側(cè)輸出功率最大波動(dòng)幅度可達(dá)92.6 kW（13:10～13:20的功率波動(dòng)）,約為最大輸出功率的90%。

圖5 日發(fā)電功率與太陽(yáng)輻射強(qiáng)度對(duì)照曲線(xiàn)Fig.5 Power comparison between daily generation power and solar radiation

由于太陽(yáng)輻射強(qiáng)度對(duì)光伏發(fā)電有直接影響，因此可被用作光伏發(fā)電預(yù)測(cè)中的重要技術(shù)指標(biāo)。輸出功率隨輻射強(qiáng)度的變化曲線(xiàn)如圖6所示，輻射強(qiáng)度越大，輸出功率越大。

圖6 發(fā)電功率隨太陽(yáng)輻射強(qiáng)度變化關(guān)系Fig.6 The graph of power changes with solar radiation

可見(jiàn)，根據(jù)氣象因素之間的相關(guān)性，即同一季節(jié)相同日類(lèi)型且最高最低氣溫相近的典型日太陽(yáng)輻射強(qiáng)度基本相似，可得到對(duì)應(yīng)的發(fā)電功率數(shù)據(jù)。其中，單位面積的光伏電源輸出功率為

式中,η為光伏電源轉(zhuǎn)換效率；S為光伏電源的面積，m2；I為光照強(qiáng)度，kW/m2；t為環(huán)境溫度，℃。

3.3 溫度對(duì)輸出功率的影響

大氣溫度的變化對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電功率產(chǎn)生一定影響。歷史發(fā)電功率數(shù)據(jù)映射出發(fā)電功率曲線(xiàn)形狀與太陽(yáng)輻射強(qiáng)度曲線(xiàn)相似，而相同日類(lèi)型情況下，氣溫變化將會(huì)對(duì)映射曲線(xiàn)高度產(chǎn)生細(xì)微變化。圖7為光伏電站實(shí)測(cè)的日輸出功率與大氣溫度的對(duì)照曲線(xiàn)，氣溫曲線(xiàn)的峰谷基本上對(duì)應(yīng)著發(fā)電功率的峰谷，在相同日類(lèi)型的情況下，日平均溫度越高，發(fā)電功率越大。圖8作出了光伏組件溫度的日變化曲線(xiàn)，可看出光伏組件溫度從有功率發(fā)出開(kāi)始一直爬升，直到19:00后發(fā)出功率快速減小至0，與此同時(shí)組件溫度也不再上升，快速下降。

圖7 日輸出功率與大氣溫度對(duì)照曲線(xiàn)Fig.7 Comparison curves between daily power output and air temperature

4 光伏電站輸出功率評(píng)價(jià)指標(biāo)

光伏系統(tǒng)的輸出功率具有隨機(jī)性和不可控性，為了對(duì)光伏系統(tǒng)的輸出特性進(jìn)行定量分析，在此提出2個(gè)輸出特性評(píng)價(jià)指標(biāo)：波動(dòng)率和負(fù)荷率。波動(dòng)率能夠描述光伏輸出功率的整體波動(dòng)性，負(fù)荷率則描述了光伏系統(tǒng)的整體出力水平。

圖8 大氣溫度和光伏組件溫度對(duì)照曲線(xiàn)Fig.8 Comparison curves between atmospheric temperature and photovoltaic component

不同時(shí)間尺度下的波動(dòng)率為光伏出力波動(dòng)占裝機(jī)容量的百分比，見(jiàn)式（2）：

式中，Pt表示時(shí)間t時(shí)的光伏輸出功率；1t指時(shí)間間隔；Pt+1t表示時(shí)間t+1t時(shí)的光伏輸出功率；Pn表示光伏電站裝機(jī)容量。

波動(dòng)率能夠體現(xiàn)典型日光伏輸出功率隨時(shí)間波動(dòng)的頻繁程度和幅度。圖9為波動(dòng)率隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)，可看出，該典型日全天范圍內(nèi)光伏功率波動(dòng)頻繁，某些時(shí)間段，如8:00—10:00和11:00—15:00的功率波動(dòng)相對(duì)密集，說(shuō)明該時(shí)段內(nèi)功率上下變化快。以典型日12 h的發(fā)電時(shí)間為準(zhǔn)對(duì)不同波動(dòng)率的持續(xù)時(shí)間進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，如圖10所示，看出，全天有10～11 h波動(dòng)率平均在5%～10%，有1～2 h中波動(dòng)率達(dá)到60%以上，最大波動(dòng)率達(dá)到了90%，說(shuō)明大部分時(shí)間內(nèi)波動(dòng)幅度較小。

圖9 典型日波動(dòng)率隨時(shí)間變化曲線(xiàn)Fig.9 The curve of typical daily power volatility changes with time

圖10 典型日波動(dòng)率統(tǒng)計(jì)圖Fig.10 The statistical graph of typical daily power volatility

負(fù)荷率為光伏輸出總有功占裝機(jī)容量的百分比。以10 kW為單位間隔把發(fā)電功率10等份，統(tǒng)計(jì)典型日從8:00—20:00的12 h內(nèi)所發(fā)的每一個(gè)功率范圍所占時(shí)間的百分比。參照?qǐng)D11，該典型日輸出功率0～10 kW占的百分比最大，為31%，輸出功率20～30 kW，占24%，而輸出功率0～50 kW幾乎占全天發(fā)電時(shí)間的95%，即負(fù)荷率在50%內(nèi)的比重達(dá)到95%，而接近滿(mǎn)負(fù)荷率的情況只占5%左右。通過(guò)對(duì)負(fù)荷率的分析，可知，該日光伏系統(tǒng)的整體出力水平較為平均。

圖11 典型日負(fù)荷率統(tǒng)計(jì)圖Fig.11 The statistical graph of typical daily load rate

5 結(jié)論

依托光伏電站的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，從氣象等因素影響輸出功率的角度，對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出特性作了定性、定量的分析，結(jié)論歸納如下。

1）光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出受光照、溫度等環(huán)境因素的影響，輸出功率會(huì)呈現(xiàn)較大的變化，特別是天氣多變時(shí)，其發(fā)電功率呈現(xiàn)較為明顯的隨機(jī)性與不可控性；

2）連續(xù)日但不同日類(lèi)型情況下光伏輸出差異較大；在相同日類(lèi)型的情況下，日平均溫度越高，輸出功率越大；

3）光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率大小跟照射到光伏組件表面的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度成正比；

4）季節(jié)變化對(duì)光伏系統(tǒng)的影響也很大，主要由氣候環(huán)境的光照強(qiáng)度及太陽(yáng)入射角度差異引起；

5）提出2個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)即波動(dòng)率和負(fù)荷率對(duì)光伏系統(tǒng)的輸出特性進(jìn)行定量分析。波動(dòng)率能夠描述光伏輸出功率的整體波動(dòng)性，負(fù)荷率則描述了光伏系統(tǒng)的整體出力水平。

為了提高光伏并網(wǎng)性能，儲(chǔ)能以及其他一些能夠?qū)崿F(xiàn)光伏并網(wǎng)發(fā)電廣泛應(yīng)用的新技術(shù)，新模式的發(fā)展、突破將促進(jìn)光伏并網(wǎng)發(fā)電的實(shí)用化進(jìn)程。

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