基于概率統(tǒng)計的光伏電站劣化組串判定

西安熱工研究院有限公司 ■ 姚玲玲 王靖程

華能青海發(fā)電有限公司新能源分公司 ■ 王有福

0 引言

光伏發(fā)電作為一種新型的清潔能源利用方式，近年來在我國得到了快速發(fā)展[1]，截至2017年底，我國光伏發(fā)電累計裝機容量已達到13025萬kW。大型并網(wǎng)光伏電站涉及的光伏組件數(shù)量眾多，隨著光伏電站運行時間的增長，組件熱斑、隱裂、功率衰減等問題日益突出，如何在眾多組件中找出性能劣化的組件、開展針對性的運行維護是很多電站關(guān)注的問題。

目前，光伏電站對光伏組件的檢查主要有以下2種方法：1)通過紅外成像儀[2]、EL測試[3]、標(biāo)稱功率衰減[4]測試等方法，檢查光伏組件是否存在熱斑、隱裂、功率衰減等問題。但由于此種方法用時長且人工成本太高，一般只是隨機抽檢，無法做到全面覆蓋。2)首先通過監(jiān)控系統(tǒng)檢查每一路組串的電壓和電流是否正常來確定劣化組串，再進一步通過相應(yīng)測試手段檢查該路組串中哪一塊組件存在問題。但組串的瞬時電壓、電流受天氣、并聯(lián)失配損失[5]、逆變器MPPT調(diào)節(jié)[6-7]等多種因素影響，判斷劣化組串的準確性不高。

本文以某2016年6月底遭遇水災(zāi)的光伏電站為例，利用組串電壓、電流、輻照度、溫度等歷史數(shù)據(jù)，通過概率統(tǒng)計分析方法，比較全站組串在水災(zāi)前和水災(zāi)后的發(fā)電性能劣化情況，挑選出受水災(zāi)影響較嚴重的光伏組串，為電站后續(xù)的受災(zāi)損失評估、組件測試工作提供指導(dǎo)。

1 水災(zāi)對光伏組件的影響

晶體硅光伏組件是由正表面低鐵壓花玻璃、EVA、背板和框架等組成。背板材料具有低透水率，可保護組件不受水汽侵蝕；組件和外框通過有機硅膠黏結(jié)，可防止水汽從邊緣進入組件[8]。

雖然光伏背板的透水率低，但若組件遭遇洪水浸泡，還是會有少量濕氣進入組件。而進入組件的水汽會因熱脹冷縮導(dǎo)致組件分層，對組件的性能造成很大的影響[9]。脫層面積較小時，組件功率大幅降低；脫層面積較大時，會直接導(dǎo)致組件失效報廢[8]。

2 數(shù)據(jù)收集

1)篩選出無云層遮擋和限電的日期。對全站組串進行發(fā)電性能分析時，應(yīng)避免云層遮擋和限電因素的影響。若所分析的組串發(fā)電量數(shù)據(jù)中存在限電或云層遮擋時的數(shù)據(jù)，則該數(shù)據(jù)不能有效反映組串的發(fā)電性能，需剔除。

由于此次分析的電站自投產(chǎn)以來不存在限電問題，因此只需根據(jù)歷史輻照度數(shù)據(jù)挑選出云層遮擋較小時的日期進行分析即可。電站環(huán)境監(jiān)測站中安裝有2塊總輻射表，總輻射表1的安裝傾角與組件安裝傾角一致，總輻射表2為水平安裝。為了更接近組件所接收的輻照度，本次分析采用總輻射表1所測得的輻照度數(shù)據(jù)。查看總輻射表1測得的每15 min瞬時輻照曲線是否平滑，若曲線平滑，則說明當(dāng)天天氣晴朗，云層遮擋較小。本次組串發(fā)電性能分析挑選出2016年水災(zāi)前的6月17日和水災(zāi)后的7月23日、7月24日、8月18日、8月28日共5天云層遮擋較小的日期，其輻照度曲線如圖1所示。

圖1 云層遮擋較小的日期的輻照度曲線

2)收集所選日期中組串的電壓、電流數(shù)據(jù)。收集所選日期中每臺逆變器下每路組串每5 min的電壓、電流數(shù)據(jù)，如表1所示。

3)收集技術(shù)資料。收集每臺逆變器下每路組串的實際容量、組件型號、組件參數(shù)(電壓溫度系數(shù)、電流溫度系數(shù))。

表1 每臺逆變器下每路組串的電壓、電流數(shù)據(jù)采集示例

3 組串實測功率修正到STC工況

不同輻照度、溫度條件下組串的功率差異很大，需將同一路組串在不同時刻的實測功率轉(zhuǎn)換到標(biāo)準測試條件(STC)下。STC為：輻照度1000 W/m2、組件溫度25 ℃、大氣質(zhì)量AM 1.5。功率修正公式[10]見式(1)～式(3)：

式中，Vc為實測電壓，V；Vx為修正電壓，V；Tc為組件溫度，℃；β為組件電壓溫度系數(shù)。

式中，Ic為實測電流，A；Ix為修正電流，A；Qc為輻照度(需高于700)，W/m2；α為組件電流溫度系數(shù)。

式中，Px為修正功率，W。

由于監(jiān)控系統(tǒng)未對光伏組件溫度進行采集，工程上常用的組件溫度計算方法為：

式中，Ta為環(huán)境溫度，℃。

根據(jù)式(1)～式(4)，以及數(shù)據(jù)篩選中所選取的5天的輻照度、環(huán)境溫度、各組串實測電流和實測電壓，計算各組串在不同采樣時刻的STC功率，結(jié)果如表2所示。

表2 各組串在不同采樣時刻的STC功率計算結(jié)果示例

4 組串STC功率歸一化

由于電站組件類型較多，導(dǎo)致每路組串的容量不盡一致。為了消除組串容量對組串發(fā)電性能分析的影響，需對轉(zhuǎn)到STC下的每路組串功率Px進行歸一化修正。以容量為255 W的組件為基準，歸一化功率Px′可表示為：

式中，Ps為該路組串實際安裝容量，W；n為每路組串安裝組件的個數(shù)。

5 組串STC功率概率統(tǒng)計分析

5.1 確定水災(zāi)前固有發(fā)電性能較差的組串

以50 W為區(qū)間，統(tǒng)計水災(zāi)前2016年6月17日每15 min的各組串歸一化STC功率的頻率分布直方圖和累積概率分布圖，如圖2和圖3所示。

由圖2和圖3可以看出，水災(zāi)前，頻率之和為99%的組串歸一化STC功率在[4730 W, 5800 W]之間，且[5000 W, 5050 W]區(qū)間的頻率最大，為13.4%。

圖2 水災(zāi)前組串歸一化STC功率的頻率分布直方圖

圖3 水災(zāi)前組串歸一化STC功率的累積概率分布圖

為了消除水災(zāi)前組串固有性能對判定劣化組串的影響，需首先確定水災(zāi)前性能較差的組串。取99%的置信度，在累積概率分布圖上對應(yīng)的拒絕域為(0 W，4730 W)，計算各路組串歸一化STC修正功率在拒絕域中出現(xiàn)的次數(shù)占其參與統(tǒng)計次數(shù)的百分比，若該百分比大于90%，則認為該路組串為固有發(fā)電性能較差的組串，如表3所示。

表3 水災(zāi)前固有發(fā)電性能較差的組串

5.2 確定水災(zāi)后發(fā)電性能較差組串

以50 W為區(qū)間，統(tǒng)計水災(zāi)后2016年7月23日、7月24日、8月18日、8月28日每15 min的各組串歸一化STC功率的頻率分布直方圖和累積概率分布圖，如圖4和圖5所示。

圖4 水災(zāi)后組串歸一化STC功率的頻率分布直方圖

圖5 水災(zāi)后組串歸一化STC功率的累積概率分布圖

由圖4和圖5可以看出，水災(zāi)后，組串歸一化STC功率仍以[4730 W，5800 W]為基準，落在此區(qū)間的頻率之和為83.3%，且頻率最大的區(qū)間為[4950 W， 5000 W]。與水災(zāi)前相比，頻率分布直方圖略向左漂移。

同理，以(0 W，4730 W)作為拒絕域，計算組串歸一化STC修正功率在拒絕域中出現(xiàn)的次數(shù)占其統(tǒng)計次數(shù)的百分比，挑選出其百分比大于90%的組串，作為水災(zāi)后發(fā)電性能較差的組串。

5.3 確定受水災(zāi)影響嚴重的組串

從水災(zāi)后發(fā)電性能較差的組串中剔除水災(zāi)前固有發(fā)電性能較差的組串，即可得到受水災(zāi)影響嚴重的組串。

電站后續(xù)可根據(jù)組串發(fā)電性能分析結(jié)果評估受災(zāi)損失，開展相應(yīng)的保險理賠等工作，并對受水災(zāi)影響嚴重的組串開展標(biāo)稱功率衰減測試，進一步找出功率衰減較大的組件并進行更換，以減小劣化組件因串、并聯(lián)失配損失對全站發(fā)電量的影響。

6 結(jié)論

本文利用概率統(tǒng)計分析方法對某遭遇水災(zāi)的光伏電站進行了性能劣化組串的判定。首先采用水災(zāi)前后組串的電壓、電流、輻照度、環(huán)境溫度等歷史數(shù)據(jù)計算不同時刻組串的STC功率，并統(tǒng)計水災(zāi)前、后歸一化STC功率的頻率分布直方圖和累積概率分布，通過在累積概率分布中設(shè)定拒絕域的方法找出受水災(zāi)影響嚴重的組串，為電站評估受災(zāi)損失及后續(xù)尋找劣化組件提供指導(dǎo)。

通過概率統(tǒng)計分析的方法，可幫助運維人員在全站大量的光伏組串中準確判定劣化組串，并進一步通過紅外成像、EL測試、標(biāo)稱功率衰減測試等手段確定劣化組件，減小劣化組件因串、并聯(lián)失配損失對全站發(fā)電量的影響，提高全站安全、經(jīng)濟的運行水平。