國(guó)內(nèi)早期光伏電站的系統(tǒng)效率及系統(tǒng)效率損失分析

劉家鼎

(中國(guó)電力國(guó)際發(fā)展有限公司，北京 100080)

0 引言

系統(tǒng)效率(performance ratio，PR)是評(píng)估光伏電站經(jīng)濟(jì)效益的重要指標(biāo)。國(guó)際能源署(IEA)光伏發(fā)電項(xiàng)目(PVPS)任務(wù)組13(Task 13)針對(duì)并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的研究顯示，全球于2000～2010年投產(chǎn)的光伏電站的年均PR范圍集中在74%～84%之間。其中，法國(guó)、比利時(shí)、德國(guó)和中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)于2000～2010年投產(chǎn)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(chǎn)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(guó)早期建成的光伏電站在數(shù)據(jù)采集監(jiān)控(SCADA)系統(tǒng)應(yīng)用方面相對(duì)薄弱，傳感器精度較低且數(shù)量往往無(wú)法完整覆蓋整個(gè)光伏陣列的直流側(cè)，造成光伏陣列的局部數(shù)據(jù)缺失，導(dǎo)致電站運(yùn)維人員無(wú)法科學(xué)、準(zhǔn)確地判斷光伏電站的系統(tǒng)效率及電站的健康運(yùn)行情況?；诖?，本文采用便攜式檢測(cè)儀器，對(duì)全國(guó)各地于2010～2015年投產(chǎn)的15座裝機(jī)規(guī)模在10 MWp以上的光伏電站進(jìn)行了大規(guī)模實(shí)地檢測(cè)，研究了早期光伏電站的PR和PR損失的構(gòu)成，并提出了運(yùn)用缺陷指標(biāo)科學(xué)評(píng)估光伏電站缺陷率的方法。

1 實(shí)地檢測(cè)

1.1 檢測(cè)方法

對(duì)我國(guó)2010～2015年投產(chǎn)的15座裝機(jī)規(guī)模在10 MWp以上的光伏電站進(jìn)行大規(guī)模實(shí)地檢測(cè)，電站所在區(qū)域覆蓋了華北、華東、華南、西北4個(gè)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(chǎn)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(gè)，采用便攜式檢測(cè)儀器檢測(cè)并采集這些光伏陣列的直流側(cè)數(shù)據(jù)；光伏電站總發(fā)電量取關(guān)口表發(fā)電量數(shù)據(jù)。

1.2 檢測(cè)儀器

對(duì)光伏電站進(jìn)行大規(guī)模實(shí)地檢測(cè)時(shí)使用的便攜式檢測(cè)儀器信息如表2所示。

表2 檢測(cè)儀器的信息Table 2 Information of testing instruments

1.3 PR的計(jì)算方法

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

PR的計(jì)算公式為：

式中，Psys為光伏電站關(guān)口表的瞬時(shí)輸出功率；τ為測(cè)量時(shí)間；PA為光伏電站實(shí)際裝機(jī)容量；k為累計(jì)測(cè)試天數(shù)；Gi,k為光伏陣列傾斜面接收的太陽(yáng)輻照度；Gi,ref為STC條件下光伏陣列傾斜面接收的太陽(yáng)輻照度，取1000 W/m2；Ck為溫度修正系數(shù)。

其中，Ck的計(jì)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(shí)背板溫度。

2 PR分析

2.1 總體檢測(cè)結(jié)果

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

表3 不同光伏電站的實(shí)測(cè)PR及4個(gè)地區(qū)PR平均值統(tǒng)計(jì)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(gè)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(duì)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(cè)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(biāo)分析

對(duì)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(jìn)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(gè)地區(qū)的光伏電站中，華東地區(qū)光伏電站的PR損失相對(duì)較高。在華東地區(qū)光伏電站PR損失的構(gòu)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(yùn)維角度來(lái)看，灰塵遮擋損失可以通過(guò)人為干預(yù)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(duì)較高。在屋頂光伏電站PR損失的構(gòu)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(jì)

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(yùn)維失效造成，原因主要包括電氣設(shè)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(jìn)一步分析光伏電站是否存在由運(yùn)維失效引起的PR損失，針對(duì)各光伏電站的光伏陣列進(jìn)行了隨機(jī)缺陷排查，并對(duì)光伏電站的缺陷率分布情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。缺陷率采用缺陷指標(biāo)進(jìn)行分析，缺陷指標(biāo)主要包括未達(dá)標(biāo)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(dá)標(biāo)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(shí)際發(fā)電量和其理論發(fā)電量的比值，一般來(lái)說(shuō)，PRstring應(yīng)高于光伏電站的整體PR。在本次實(shí)地檢測(cè)中，未達(dá)標(biāo)光伏組串是指PRstring＜80%的光伏組串。

PRstring的計(jì)算式為：

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

運(yùn)維失效會(huì)導(dǎo)致未達(dá)標(biāo)光伏組串的數(shù)量增加，并拉低光伏電站的整體PR。未達(dá)標(biāo)光伏組串的比率是指匯流箱中未達(dá)標(biāo)光伏組串的數(shù)量占光伏組串總數(shù)的比例，通過(guò)統(tǒng)計(jì)未達(dá)標(biāo)光伏組串的比率，可在一定程度上揭示該光伏電站的“受災(zāi)”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(diǎn)狀高溫區(qū)域，且高于周邊溫度4 ℃以上的光伏組件被認(rèn)為存在熱斑效應(yīng)，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(rèn)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(gè)地區(qū)光伏電站的未達(dá)標(biāo)光伏組串的比率相對(duì)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(dá)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(dá)標(biāo)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(dá)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(dá)到0.09%。

3.3.6 綜合分析

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

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

針對(duì)上述情況，以華東地區(qū)某屋頂光伏電站為例進(jìn)行分析。該屋頂光伏電站中，某匯流箱(編號(hào)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(duì)這些光伏組件進(jìn)行維修，嚴(yán)重的甚至需要更換。需要說(shuō)明的是，部分光伏組串的PRstring值高于100%是因?yàn)椴糠止夥M件存在銘牌功率正偏差，且檢測(cè)時(shí)光伏組件的表面溫度低于STC下的標(biāo)準(zhǔn)溫度(25 ℃)，使光伏組件溫升損失為負(fù)值，導(dǎo)致最終該光伏組串的實(shí)際發(fā)電量高于理論發(fā)電量，PRstring值超過(guò)了100%。

未達(dá)標(biāo)光伏組串的比率及其PRstring值“雙偏低”說(shuō)明該光伏電站中存在大量的失效光伏組件，導(dǎo)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(jié)論

本文對(duì)國(guó)內(nèi)15座裝機(jī)規(guī)模為10 MWp以上的早期光伏電站進(jìn)行了大規(guī)模實(shí)地檢測(cè)，研究了早期光伏電站的系PR和PR損失的構(gòu)成，并提出了運(yùn)用缺陷指標(biāo)科學(xué)分析光伏電站缺陷率的方法。通過(guò)檢測(cè)得出以下結(jié)論：

1)本次實(shí)地檢測(cè)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(duì)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(huì)對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生各種影響，并導(dǎo)致不同的故障缺陷。

3)PR及PR損失的構(gòu)成可以從宏觀上揭示光伏電站的運(yùn)行狀況是否良好；采用多維度的缺陷指標(biāo)考核，有助于現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)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(guò)綜合分析未達(dá)標(biāo)光伏組串的比率及其PRstring值，可揭示出光伏陣列的“受災(zāi)”范圍和嚴(yán)重程度。