浅述基于温度修正的光伏电站发电性能评价指标

  浅述基于温度修正的光伏电站发电性能评价指标

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,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(Performance,Reliability and Analysis of Photovoltaic Systems),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(Performance Database),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 IEC 61724 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 Y_r、Y_f和 PR,参考表 1,其中Y_r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。Y_f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)。Performance Ratio(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Y_f和Y_r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、Y_r和Y_f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(Temperature Corrected PR)。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(EnergyPerformance Index)和 PPI(Power Performance Index),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。

2.基于温度修正的 CPR

下面基于参考文献中推荐的关于温度修正相关的内容进行解读,希望为行业内电站的性能评估提供一些指导。

从相关文献查阅可知,其中 PR 温度修正系数的计算方法包括但不限于以下几种:

A) 标准修正法【3】:

顾名思义,标准修正法是将温度条件修正到标准测试条件下的温度25°C,修正后的PR也叫PRstc, 其中修正系数为:

国内在 2014 年 12 月颁布的《光伏电站性能检测与质量评估技术规范》标准文件,文中关于 PR 的修正也是采用该方法,它对电池平均工作结温的计算是按照 GB/T18210-2000(IEC61829-1995)的方法 ,即按照实测光伏组件的背板温度推算结温,此外,业内也有使用方阵平面所接收的辐射能量为权重的组件加权平均工作温度。美国可再生能源实验室(NREL)并不推荐将 PR 修正到 25°C条件,虽然可以消除 PR 因季节性气候带来的温度影响,但是和实际值相比可能还会偏高,下文会有具体算例加以说明。

B) 基于 NOCT 修正方法【3】:

IEC 中规定 NOCT 的测试条件为光伏电池在辐照度 800W/㎡、环境温度 20°C、风速 1m/s 条件下的温度,NOCT 模型主要是为了预测太阳能电池工作温度,该方法认为光伏电池的工作温度与环境温度之差与太阳辐射成线性关系,据此计算就得到光伏电池的实际工作温度,参考式(3)。

C) 基于 Sandia 温度模型的 SunPower 温度修正方法【3-5】:

美国 Sandia 实验室,经过多年研究,得出了光伏组件背板温度与环境参数之间的通用关系式。

根据美国 Sandia 实验室组件背板温度的相关结论,电池片结温用公式表示为【6】:

其中,Ta 为实测环境温度,WS 为 10 米高度的实测风速,H 为组件平面辐照度,a、b 为由实验确定的经验系数,a 描述了辐照度对组件温度的影响,b 描述了风速对组件温度的减小作用,参考表 2。

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°C计算,那么 PR 和 CPR 就会出现差异,PR 值会偏高。

CPR 的计算步骤参考如下【4】:

A :以户外方阵平面辐照度的采集时间间隔为最小计算时间单位,比如数据 5 分钟采集一次。环境监控仪采集环境温度和风速数据,通过式(6)可计算每个采集时间点对应的电池片工作温度。

B :计算一年内的组件加权平均工作结温。

C :使用式(7)温度修正系数并以数据采集间隔 5 分钟为步长,计算理论发电量,参考式(9):

D)统计计算周期内的所有理论发电量之和,实际发电量除以该值即为 CPR。

为了较准确地表征一个电站的 CPR,辐照度、环境温度和风速的采集设备尽量做到准确连续,数据不中断。测试收集的周期最好为 1 年,电池片的结温计算的时间间隔最好不要超过 1 个小时,因为 1 小时内温度可能波动很大。

3.不同温度补偿法的结果比较

运用上述CPR的各种修正方法,以某电站冬季某一天的发电为算例进行比较,图2为某一天各个不同温度修正方法的 CPR 和 PR 的比较,Weighted Temp STC 法是在标准补偿法的基础上,Tcell 是采用辐射能量为权重的组件加权平均工作温度。从结果可知,冬季PR值明显偏高,Sunpower 法计算的CPR 值较小,尽管STC法和NOCT法均修正到STC条件 25°C,但值仍然偏高。

4.基于环境温度的不同电池片温度的计算方法比较

电池片温度的计算对于温度修正系数非常重要,除上述介绍的 NOCT 法、Sandia 经验公式法外,文献【3】提到的还有一种方法和 NOCT 法比较相似,称为 Text Book 法,不同之处是增加了风速影响因子,其公式为:

由于缺少实际测试数据,这里对上述三种计算方法进行简单比较,计算周期从冬季某日上午 8 点 03 分 开始到 16 点 18 分结束,参考图 3,原始环境温度和辐照数据从软件中获取了 100 个采集点(时间间隔 5 分钟),其中数据的准确度可能和实际有点误差,但这里并不影响各个方法的比较。从图 3 计算 结果可知,总体上 NOCT 法计算的值比 Sandia 法和 Text Book 法计算值要大一些,根据文献【3】实测对比的结论,Text Book 法计算的温度和实际测试温度偏离程度仅为 4%左右,准确度较高,其次为 Sandia 法,但两者计算值和实际值的偏离程度均在容许范围之内。

5.结束语

PR 是光伏电站发电性能评价的重要指标,根据 IEC 61724 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,Text Book 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 Text Book 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。

参考文献

[1] http://www.iea-pvps.org.
[2] IEC 61724. “Photovoltaic system performance monitoring – Guidelines for measurement, data exchange and analysis ” , 1998.
[3] Shelton Honda,Alex Lechner,Sharath Raju,Ivica Tolich, “Solar PV system performance assessment guide for Solartech”,2012.
[4]Dierauf,Timothy,etal.,“Weather-Corrected Performance Ratio,” NREL Technical Report (NREL/TP-5200-57991), April 2013.
[5] Sunpower, “Performance Metrics”, ASES Solar 2011 Conference, May 20, 2011, presentation slides. [6]King, D.L., Boyson, W.E., Kratochvil, J.A., Photovoltaic Array Performance Model, Sandia Report No. SAND2004-3535 available from US Department of Commerce, National Technical Information Service, 5285 Port Royal Rd, Springfield, VA 22161.