光伏并網(wǎng)電站系統(tǒng)效率研究與應(yīng)用

李潤(rùn)良

摘 要：太陽(yáng)能光伏發(fā)電是當(dāng)前利用新能源的主要方式之一，大型光伏并網(wǎng)發(fā)電是光伏發(fā)電的發(fā)展趨勢(shì)。光伏電站的發(fā)電效率是直接影響系統(tǒng)造價(jià)和收益的重要因素。光伏發(fā)電成本的降低并非單純?nèi)Q于電池組件光電轉(zhuǎn)換率的高低，善于利用綜合技術(shù)、提高發(fā)電效率是與提高光伏組件轉(zhuǎn)換效率同等重要的課題。應(yīng)該按照不同的安裝環(huán)境，優(yōu)化選擇太陽(yáng)能電池組件、逆變器、交流配電設(shè)備等主要設(shè)備，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，以使發(fā)電效率達(dá)到更理想的水平。所以，如何有效的測(cè)算、提高光伏電站系統(tǒng)效率，成為太陽(yáng)能利用中一個(gè)重點(diǎn)問(wèn)題。文章以光伏發(fā)電系統(tǒng)效率為研究對(duì)象，通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)效率進(jìn)行研究。

關(guān)鍵詞：光伏；發(fā)電系統(tǒng)；系統(tǒng)效率；測(cè)算；應(yīng)用

引言

目前，在世界能源結(jié)構(gòu)中，人類(lèi)主要利用的能源是化石能源如煤炭、石油、天然氣，另外還有核能、太陽(yáng)能、水能，其他的可再生能源只占微乎其微的一小部分。其中石油、天然氣、煤炭的消費(fèi)構(gòu)成分別為41%、23%和27%。根據(jù)目前所探明的儲(chǔ)量和消耗量計(jì)算，這些能源僅可供前世界大約消耗170年。

在這樣的背景下，太陽(yáng)能作為一種巨量的可再生能源，引起了人們的重視。太陽(yáng)能以其清潔、無(wú)污染，而且取之不盡、用之不竭等優(yōu)點(diǎn)越來(lái)越得到人們的關(guān)注。全球能源專(zhuān)家們一致認(rèn)定：太陽(yáng)能將成為21世紀(jì)最重要的能源之一。據(jù)歐洲委員會(huì)聯(lián)合研究中心（JRC）預(yù)測(cè)，到2100年，太陽(yáng)能在整個(gè)能源結(jié)構(gòu)中將占68%的份額。太陽(yáng)能的利用方式很多，而太陽(yáng)能發(fā)電是太陽(yáng)能利用中最為關(guān)注的焦點(diǎn)。

2 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 全球應(yīng)用現(xiàn)狀

太陽(yáng)能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)自20世紀(jì)80年代以來(lái)持續(xù)高速發(fā)展，世界光伏產(chǎn)業(yè)已成為當(dāng)今世界最受關(guān)注、增長(zhǎng)幅度最快的能源產(chǎn)業(yè)之一。

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，世界光伏市場(chǎng)發(fā)生了很大變化，開(kāi)始由主要為邊遠(yuǎn)農(nóng)村地區(qū)和通信設(shè)備、氣象臺(tái)站、航標(biāo)燈等特殊應(yīng)用領(lǐng)域解決供電問(wèn)題，逐步向并網(wǎng)發(fā)電和與建筑相結(jié)合的常規(guī)供電方向及商業(yè)化應(yīng)用方向發(fā)展。至2010年，全球光伏發(fā)電并網(wǎng)裝機(jī)容量達(dá)到15GW，至2030年，全球光伏發(fā)電裝機(jī)容量將達(dá)到300GW；至2040年，光伏發(fā)電將達(dá)到全球發(fā)電總量的15%-20%。為了鼓勵(lì)太陽(yáng)能的開(kāi)發(fā)和利用，世界各國(guó)政府分別積極制定各種優(yōu)惠政策來(lái)推動(dòng)太陽(yáng)能光伏發(fā)電的發(fā)展。

2.2 國(guó)內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀

近年來(lái)，得益于歐美光伏市場(chǎng)的拉動(dòng)，我國(guó)太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展十分迅速，光伏電池年產(chǎn)量已位居世界第一，連續(xù)5年的年增長(zhǎng)率超過(guò)100%。2007年至今，中國(guó)已連續(xù)4年光伏電池產(chǎn)量居世界首位。2010年，中國(guó)光伏電池產(chǎn)量已超過(guò)全球總產(chǎn)量的50%。而與之相對(duì)，作為光伏制造大國(guó)，中國(guó)的光伏市場(chǎng)發(fā)展相對(duì)遲緩，甚至可以說(shuō)嚴(yán)重落后于光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，截至2008年底，中國(guó)累計(jì)光伏裝機(jī)量?jī)H為145MW。

過(guò)去的兩年內(nèi)，隨著光伏發(fā)電成本下降，中國(guó)過(guò)程光伏市場(chǎng)的政策也取得了一些重要進(jìn)展。2009年底，國(guó)家首個(gè)光伏特許權(quán)項(xiàng)目-甘肅敦煌10MW并網(wǎng)光伏發(fā)電項(xiàng)目由我公司以1.0928元/度的價(jià)格競(jìng)標(biāo)成功，由此拉開(kāi)了中廣核太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)有限公司跨步發(fā)展的新篇章。

2011年8月1日，國(guó)家發(fā)改委對(duì)外公布了光伏發(fā)電標(biāo)桿上網(wǎng)電價(jià)1.15元/度，至此中國(guó)光伏市場(chǎng)必將大規(guī)模啟動(dòng)。我公司錫鐵山項(xiàng)目一、二、三期共投資建成100MW大型并網(wǎng)光伏電站，日發(fā)電量大于60萬(wàn)度，是目前為止全世界最大的已投產(chǎn)光伏并網(wǎng)發(fā)電站。

3 太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)概述

3.1 太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成

太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)是利用太陽(yáng)能電池的光生伏打效應(yīng)，將太陽(yáng)光輻射能直接轉(zhuǎn)換成電能的一種新型發(fā)電系統(tǒng)，一般是由太陽(yáng)能電池組件、逆變器和交流配電系統(tǒng)構(gòu)成。

3.1.1 太陽(yáng)能電池組件：太陽(yáng)能電池是太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)中的核心部分，其作用是將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)換為電能。太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率和成本是光伏發(fā)電研究過(guò)程中的兩個(gè)重要指標(biāo)。

3.1.2 逆變器：逆變器是將直流電變成交流電的設(shè)備。

3.1.3 交流配電系統(tǒng)：交流配電系統(tǒng)包括電力變壓器、電力電纜、開(kāi)關(guān)等。

3.2 大型并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)

并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)是太陽(yáng)能光伏發(fā)電進(jìn)入大規(guī)模商業(yè)化發(fā)電階段，成為電力工業(yè)組成部分之一的重要方向，是當(dāng)今世界太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)發(fā)展的主流趨勢(shì)。目前，在世界范圍內(nèi)，開(kāi)始大量建設(shè)兆瓦級(jí)并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)。

4 影響光伏電站發(fā)電量的主要因素

4.1 光伏陣列效率

光伏陣列的直流輸出功率與標(biāo)稱(chēng)功率之比。光伏陣列在能量轉(zhuǎn)換與傳輸過(guò)程中影響光伏陣列效率的損失主要包括：組件匹配損失、表面塵埃遮擋損失、不可利用的太陽(yáng)輻射損失、溫度的影響以及直流線(xiàn)路損失等。

4.2 逆變器的轉(zhuǎn)換效率

逆變器輸出的交流電功率與直流輸入功率之比。影響逆變器轉(zhuǎn)換效率的損失主要包括：逆變器交直流轉(zhuǎn)換造成的能量損失、最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）精度損失等。

4.3 交流配電設(shè)備效率

即從逆變器輸出至高壓電網(wǎng)的傳輸效率，其中影響交流配電設(shè)備效率的損失最主要是：升壓變壓器的損耗和交流電氣連接的線(xiàn)路損耗。

4.4 系統(tǒng)發(fā)電量的衰減

晶硅光伏組件在光照及常規(guī)大氣環(huán)境中使用造成的輸出功率衰減。在光伏電站各系統(tǒng)設(shè)備正常運(yùn)行的情況下，影響光伏電站發(fā)電量的主要因素為光伏組件表面塵埃遮擋所造成太陽(yáng)輻射損失。

5 光伏電站發(fā)電效率測(cè)試原理及數(shù)學(xué)模型

5.1 光伏電站整體發(fā)電效率測(cè)試原理

整體發(fā)電效率PRE公式為：

-PDR為測(cè)試時(shí)間間隔（？駐t）內(nèi)的實(shí)際發(fā)電量；

-PT為測(cè)試時(shí)間間隔（？駐t）內(nèi)的理論發(fā)電量；endprint

理論發(fā)電量PT公式中：

T=■，為光伏電站測(cè)試時(shí)間間隔（？駐t）內(nèi)對(duì)應(yīng)STC條件下的實(shí)際有效發(fā)電時(shí)間；

-P為光伏電站STC條件下組件容量標(biāo)稱(chēng)值；

-IO為STC條件下太陽(yáng)輻射總量值，IO=1000w/m2；

-Ii為測(cè)試時(shí)間內(nèi)的總太陽(yáng)輻射值。

5.2 測(cè)試系統(tǒng)技術(shù)要求

5.2.1 氣象設(shè)備

（1）氣象參數(shù)測(cè)試裝置應(yīng)符合QX/T 45-2007的要求。

（2）氣象參數(shù)測(cè)試裝置應(yīng)能測(cè)量輻射量、溫濕度、風(fēng)速等氣象數(shù)據(jù)。

（3）氣象參數(shù)測(cè)試裝置具備一定的數(shù)據(jù)處理能力，能提供水平總輻射、散射、直射的瞬時(shí)值、小時(shí)累積值及全天累積值；能提供斜面總輻射的瞬時(shí)值、小時(shí)累積值及全天累積值；溫度全天平均值；風(fēng)速全天平均值。

（4）氣象測(cè)光設(shè)備需經(jīng)過(guò)法定機(jī)構(gòu)標(biāo)定，結(jié)論合格。水平傳感器安裝應(yīng)經(jīng)過(guò)調(diào)整水平合格，斜面?zhèn)鞲衅鲬?yīng)與現(xiàn)場(chǎng)組件安裝角度一致。

（5）氣象測(cè)光設(shè)備應(yīng)經(jīng)常進(jìn)行維護(hù)，保證測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

5.2.2 電氣測(cè)量?jī)x表

（1）電氣測(cè)量?jī)x表應(yīng)符合IEC61000-4-30-2003 ClassA級(jí)要求。

（2）電氣測(cè)量?jī)x表應(yīng)經(jīng)過(guò)法定計(jì)量檢定機(jī)構(gòu)檢定合格。

6 實(shí)際應(yīng)用

需計(jì)算的氣象數(shù)據(jù)和電測(cè)數(shù)據(jù)上傳綜自系統(tǒng)，在綜自?xún)?nèi)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式：

Pt，光伏電站實(shí)時(shí)功率，綜合測(cè)控裝置獲得；P，光伏電站STC條件下光伏電站實(shí)際投入運(yùn)行容量；

P=（K1+K2+K3+…+Kn）*Pn，Kn：第n臺(tái)逆變器啟停狀態(tài)，啟動(dòng)為1，停止為0，Pn：逆變器額定功率（0.5WM）。

Ti，光伏電站間隔時(shí)間Δt內(nèi)有效發(fā)電小時(shí)數(shù)；Ii，間隔時(shí)間Δt內(nèi)斜面總輻射量，Ii=Ep*Δt，Ep為1分鐘斜面輻射強(qiáng)度，由氣象檢測(cè)儀獲得；

I0=1000w/m2，STC條件下輻射強(qiáng)度。

7 測(cè)試成果

7.1 綜自系統(tǒng)生成西北地區(qū)某光伏電站的系統(tǒng)效率曲線(xiàn)，通過(guò)直觀的曲線(xiàn)，能夠分析一個(gè)輻照度周期能的系統(tǒng)效率。

7.2 綜自系統(tǒng)生成西北某光伏電站月實(shí)際發(fā)電量和理論發(fā)電量對(duì)比曲線(xiàn)模型（圖2）和整月系統(tǒng)效率曲線(xiàn)（圖3）。通過(guò)整月系統(tǒng)效率可以分析，組件污染程度等，為運(yùn)行維護(hù)提供數(shù)據(jù)。各個(gè)電站的橫向比較，可以為設(shè)計(jì)優(yōu)化提供最佳方案。

8 結(jié)束語(yǔ)

太陽(yáng)能作為新型的綠色可再生能源，具有儲(chǔ)量大、壽命長(zhǎng)、無(wú)污染的優(yōu)點(diǎn)，將太陽(yáng)能用于發(fā)電已成為人們普遍關(guān)注的焦點(diǎn)。隨著光伏市場(chǎng)的迅速發(fā)展，光伏發(fā)電系統(tǒng)效率的測(cè)算與提高將會(huì)越來(lái)越多的得到重視。如何更大效率的利用太陽(yáng)能，如何保證光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化，將是一個(gè)需要不斷深入研究探索的課題。endprint

理論發(fā)電量PT公式中：

T=■，為光伏電站測(cè)試時(shí)間間隔（？駐t）內(nèi)對(duì)應(yīng)STC條件下的實(shí)際有效發(fā)電時(shí)間；

-P為光伏電站STC條件下組件容量標(biāo)稱(chēng)值；

-IO為STC條件下太陽(yáng)輻射總量值，IO=1000w/m2；

-Ii為測(cè)試時(shí)間內(nèi)的總太陽(yáng)輻射值。

5.2 測(cè)試系統(tǒng)技術(shù)要求

5.2.1 氣象設(shè)備

（1）氣象參數(shù)測(cè)試裝置應(yīng)符合QX/T 45-2007的要求。

（2）氣象參數(shù)測(cè)試裝置應(yīng)能測(cè)量輻射量、溫濕度、風(fēng)速等氣象數(shù)據(jù)。

（3）氣象參數(shù)測(cè)試裝置具備一定的數(shù)據(jù)處理能力，能提供水平總輻射、散射、直射的瞬時(shí)值、小時(shí)累積值及全天累積值；能提供斜面總輻射的瞬時(shí)值、小時(shí)累積值及全天累積值；溫度全天平均值；風(fēng)速全天平均值。

（4）氣象測(cè)光設(shè)備需經(jīng)過(guò)法定機(jī)構(gòu)標(biāo)定，結(jié)論合格。水平傳感器安裝應(yīng)經(jīng)過(guò)調(diào)整水平合格，斜面?zhèn)鞲衅鲬?yīng)與現(xiàn)場(chǎng)組件安裝角度一致。

（5）氣象測(cè)光設(shè)備應(yīng)經(jīng)常進(jìn)行維護(hù)，保證測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

5.2.2 電氣測(cè)量?jī)x表

（1）電氣測(cè)量?jī)x表應(yīng)符合IEC61000-4-30-2003 ClassA級(jí)要求。

（2）電氣測(cè)量?jī)x表應(yīng)經(jīng)過(guò)法定計(jì)量檢定機(jī)構(gòu)檢定合格。

6 實(shí)際應(yīng)用

需計(jì)算的氣象數(shù)據(jù)和電測(cè)數(shù)據(jù)上傳綜自系統(tǒng)，在綜自?xún)?nèi)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式：

Pt，光伏電站實(shí)時(shí)功率，綜合測(cè)控裝置獲得；P，光伏電站STC條件下光伏電站實(shí)際投入運(yùn)行容量；

P=（K1+K2+K3+…+Kn）*Pn，Kn：第n臺(tái)逆變器啟停狀態(tài)，啟動(dòng)為1，停止為0，Pn：逆變器額定功率（0.5WM）。

Ti，光伏電站間隔時(shí)間Δt內(nèi)有效發(fā)電小時(shí)數(shù)；Ii，間隔時(shí)間Δt內(nèi)斜面總輻射量，Ii=Ep*Δt，Ep為1分鐘斜面輻射強(qiáng)度，由氣象檢測(cè)儀獲得；

I0=1000w/m2，STC條件下輻射強(qiáng)度。

7 測(cè)試成果

7.1 綜自系統(tǒng)生成西北地區(qū)某光伏電站的系統(tǒng)效率曲線(xiàn)，通過(guò)直觀的曲線(xiàn)，能夠分析一個(gè)輻照度周期能的系統(tǒng)效率。

7.2 綜自系統(tǒng)生成西北某光伏電站月實(shí)際發(fā)電量和理論發(fā)電量對(duì)比曲線(xiàn)模型（圖2）和整月系統(tǒng)效率曲線(xiàn)（圖3）。通過(guò)整月系統(tǒng)效率可以分析，組件污染程度等，為運(yùn)行維護(hù)提供數(shù)據(jù)。各個(gè)電站的橫向比較，可以為設(shè)計(jì)優(yōu)化提供最佳方案。

8 結(jié)束語(yǔ)

太陽(yáng)能作為新型的綠色可再生能源，具有儲(chǔ)量大、壽命長(zhǎng)、無(wú)污染的優(yōu)點(diǎn)，將太陽(yáng)能用于發(fā)電已成為人們普遍關(guān)注的焦點(diǎn)。隨著光伏市場(chǎng)的迅速發(fā)展，光伏發(fā)電系統(tǒng)效率的測(cè)算與提高將會(huì)越來(lái)越多的得到重視。如何更大效率的利用太陽(yáng)能，如何保證光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化，將是一個(gè)需要不斷深入研究探索的課題。endprint

理論發(fā)電量PT公式中：

T=■，為光伏電站測(cè)試時(shí)間間隔（？駐t）內(nèi)對(duì)應(yīng)STC條件下的實(shí)際有效發(fā)電時(shí)間；

-P為光伏電站STC條件下組件容量標(biāo)稱(chēng)值；

-IO為STC條件下太陽(yáng)輻射總量值，IO=1000w/m2；

-Ii為測(cè)試時(shí)間內(nèi)的總太陽(yáng)輻射值。

5.2 測(cè)試系統(tǒng)技術(shù)要求

5.2.1 氣象設(shè)備

（1）氣象參數(shù)測(cè)試裝置應(yīng)符合QX/T 45-2007的要求。

（2）氣象參數(shù)測(cè)試裝置應(yīng)能測(cè)量輻射量、溫濕度、風(fēng)速等氣象數(shù)據(jù)。

（3）氣象參數(shù)測(cè)試裝置具備一定的數(shù)據(jù)處理能力，能提供水平總輻射、散射、直射的瞬時(shí)值、小時(shí)累積值及全天累積值；能提供斜面總輻射的瞬時(shí)值、小時(shí)累積值及全天累積值；溫度全天平均值；風(fēng)速全天平均值。

（4）氣象測(cè)光設(shè)備需經(jīng)過(guò)法定機(jī)構(gòu)標(biāo)定，結(jié)論合格。水平傳感器安裝應(yīng)經(jīng)過(guò)調(diào)整水平合格，斜面?zhèn)鞲衅鲬?yīng)與現(xiàn)場(chǎng)組件安裝角度一致。

（5）氣象測(cè)光設(shè)備應(yīng)經(jīng)常進(jìn)行維護(hù)，保證測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

5.2.2 電氣測(cè)量?jī)x表

（1）電氣測(cè)量?jī)x表應(yīng)符合IEC61000-4-30-2003 ClassA級(jí)要求。

（2）電氣測(cè)量?jī)x表應(yīng)經(jīng)過(guò)法定計(jì)量檢定機(jī)構(gòu)檢定合格。

6 實(shí)際應(yīng)用

需計(jì)算的氣象數(shù)據(jù)和電測(cè)數(shù)據(jù)上傳綜自系統(tǒng)，在綜自?xún)?nèi)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式：

Pt，光伏電站實(shí)時(shí)功率，綜合測(cè)控裝置獲得；P，光伏電站STC條件下光伏電站實(shí)際投入運(yùn)行容量；

P=（K1+K2+K3+…+Kn）*Pn，Kn：第n臺(tái)逆變器啟停狀態(tài)，啟動(dòng)為1，停止為0，Pn：逆變器額定功率（0.5WM）。

Ti，光伏電站間隔時(shí)間Δt內(nèi)有效發(fā)電小時(shí)數(shù)；Ii，間隔時(shí)間Δt內(nèi)斜面總輻射量，Ii=Ep*Δt，Ep為1分鐘斜面輻射強(qiáng)度，由氣象檢測(cè)儀獲得；

I0=1000w/m2，STC條件下輻射強(qiáng)度。

7 測(cè)試成果

7.1 綜自系統(tǒng)生成西北地區(qū)某光伏電站的系統(tǒng)效率曲線(xiàn)，通過(guò)直觀的曲線(xiàn)，能夠分析一個(gè)輻照度周期能的系統(tǒng)效率。

7.2 綜自系統(tǒng)生成西北某光伏電站月實(shí)際發(fā)電量和理論發(fā)電量對(duì)比曲線(xiàn)模型（圖2）和整月系統(tǒng)效率曲線(xiàn)（圖3）。通過(guò)整月系統(tǒng)效率可以分析，組件污染程度等，為運(yùn)行維護(hù)提供數(shù)據(jù)。各個(gè)電站的橫向比較，可以為設(shè)計(jì)優(yōu)化提供最佳方案。

8 結(jié)束語(yǔ)

太陽(yáng)能作為新型的綠色可再生能源，具有儲(chǔ)量大、壽命長(zhǎng)、無(wú)污染的優(yōu)點(diǎn)，將太陽(yáng)能用于發(fā)電已成為人們普遍關(guān)注的焦點(diǎn)。隨著光伏市場(chǎng)的迅速發(fā)展，光伏發(fā)電系統(tǒng)效率的測(cè)算與提高將會(huì)越來(lái)越多的得到重視。如何更大效率的利用太陽(yáng)能，如何保證光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化，將是一個(gè)需要不斷深入研究探索的課題。endprint