j 囊圆署互 誓 Clean Energy 第34卷第2期 2018年2月 电网与清洁能源 Power System and Clean Energy Vo1.34 No.2 Feb.20l8 文章编号:I674—3814(2018)02—0161—06 中图分类号:TM615 文献标志码:A 并网光伏电站发电效率快速估算实用模型 石磊,侯学良 (华北电力大学工程技术与管理研究所,北京102206) A Practical Model for Rapid Estimation of Generation Eficiency fof Grid—_ Connected PV Power Plants SHI Lei,HOU Xueliang (Institute of Construction Technology and Management,Noah China Electric Power University,Bering 102206,China) ABSTRACT:The final index of the PV power plant perfor— mance is a systematic efficiency.Based on the PV power station’ 128%。中国在2016年新增装机容量为34.54 GW, 同比增长128%,占全球光伏发电新增装机容量的 49.34%…。一个发电系统的年发电量是衡量系统优 劣的最有力和直接的标准,而在电站地点和规模确 S system structure and energy transmission process,the PV pow— er plant system is divided into four sections,and a rapid power generation eficiency estifmation model is established.Taking a 20MW photovohaic power plant in Inner Mongolia as an exam- pie,the efifciency of each section is calculated through its sim— pie and easy monitoring data,and with the eficifency of each section multiplied,the total efficiency of the power generation system is estinmted to be about 88.78%.In addition,the perfor- 定后,系统效率就是决定发电量的唯一指标l 。 目前,光伏电站发电过程中的损耗主要包括:污 渍遮挡损失,光伏组件性能衰降,光伏组件/组串的 串并联失配损失,光伏组串温升损失,热斑功率损 失,隐裂损失,光伏方阵相互遮挡或远端障碍物遮挡 损失,直流线损,逆变器效率,逆变器效率,变压器效 mance of the key equipment such as PV modules,inverters and transformers is roughly obtained,which can provide some refer— enoe for the operation and maintenance and management of pow- er plants at the later stage. KEY WORDS:photovohaic power station;generation efficien— 率和交流线损等I ~1,而且这些效率的计算方法都有 标准可循 ,但这些方法不但需要大量的实测数 据,而且有些数据比如,- 曲线、接地电阻等需要专 业的设备才能测出。同时,这些方法测试过程中还 需要断开、连接很多电站设备,这对正在运行的电站 有很大的影响。所以用标准的方法来计算系统效率 的可操作性和实用性不高。同时,实际情况多数时 间不需要了解很精确的系统效率,所以有必要找到 一cy;rapid estimation 摘要:光伏电站运行性能的最终指标是系统效率。基于光伏 电站的系统结构和能量传输过程,将光伏电站系统分为3段, 建立了发电效率快速估算模型。以内蒙古某20 MW光伏电 站为例,通过其简单易得的监控数据计算出每一段的效率,将 各段效率相乘,估算 该电站发电系统总效率约为88.78%。 此外也大致得出了光伏组件、逆变器和变压器等关键设备的 种方便简要的估算光伏电站发电效率 帕方法。 工作情况,可为电站的后期运维以及管理提供一定参考。 关键词:光伏电站;发电效率;快速估算 1 光伏电站发电效率估算模型 1.1 并网光伏电站系统原理 20 1 6年,全球光伏发电累计装机容量达到300 GW 的里程碑,新增装机容量达到70 GW,同比增加约 基金项目:国家自然科学基金项目(71171081);北京市自然科 学基金项目(9162014)。 Project Suppofled by the National Natural Science Foundation of 并网光伏电站一般由光伏组件、汇流箱、逆变 器、变压器、升压变压器5部分组成。太阳能光伏组 件阵列应用其光电特性,将太阳能转化为电能,并以 直流电形式输出,然后经过汇流箱接人逆变器转化 为交流电,再通过变压器升压后接人电网 1。光伏 China(71 171081);the Natural Science Foundation of Beijing Municipality(9162014). 匿蟊圜藩1 62 石磊,等:并网光伏电站发电效率快速估算实刚模型 其计算公式为 ×100%(5) Clean Energy 电站一般系统结构如图1所示。 萎 1I.第曩._Jr 三段 组件出线侧功率 式中,A为光伏板出厂检测峰值功率和实际功率的 校正系数。由于该电站没有对光伏组件的输出功 率进行检测,所以本文中引入出厂检测峰值功率和 实际功率的校正系数A” -。同时,经过在该电站随 机抽取了100块光伏板进行测量,然后与光伏板的 圈1 并网光伏电站系统结构图 Fig.1 The Mere structure oi the grid一{.'01111ected PV power station 出厂检测峰值功率比较,得出该电站的入为0.98。 第二段的核心设备为逆变器,效率损失主要包 含了汇流箱损失和汇流箱至逆变器的直流线路损 失,逆变器转换损失、最大功率点跟踪(MPPT)精度 损失123-27’等,计算公式为 叼,= 汀‘流箱入线侧 基于图1中的系统结构和能量传输过程,本文 把系统分为4段。第一段为光伏组件至汇流箱人 线侧,第二段为汇流箱人线侧至逆变器输出端,第 三段为逆变器输出端至高压侧监测点。每段的效 率计为叼 、叼 .叼,,系统整体效率记为77。 1_2修正计算公式 ×100%(6) 第 段的核心设备为变压器,此段损耗主要变 压器的效率和交流线路损耗,计算公式为 叼3= P 逆变器输出 在作效率计算时,为了比较和统一,电流、电压 和功率需要修正到STC的基准条件,即辐照度基准 为1 000 W/m ,温度基准为25℃,修正公式如下 。 1)从电压和电流的功率修正计算公式: : : ×100% (7) 那么可得出系统总的发电效率钾的计算公式为 r/=771r/2r/1 (8) l一/ ̄(25一 ,) ,(1) f ] ) 2模拟示例 为了验证以第1节的方法,本文以位于内蒙古 某光伏电站为例进行研究,分析过程如下。 2.1 电站情况介绍 , = P = ,_T (3) 2)从功率直接修正的计算公式: 该电站位于我国内蒙古自治区,装机容量为 20 MW,共20个光伏阵列单元[28-31i。光伏组件采用 (4) P f = 1 竖向2排布置,每个组串单元为22片组件,共采用 式中: 为实测电压; .为实测电流; 为实测功率; 光伏组件80 608片,合计3 664个组串单元。组件 型号为Heron HR一250p,其相关参数见表1和2;汇 流箱为l6路汇流箱共229个。每1 MW单元设置 易事特EA一500 KTM逆变器2台,共40台;同时每 1 MW单元设置35 kV变压器1台,总计20台。 表1光伏组件相关系数 Tab.1 PV module correlation coeficifenl 为修正电压; 为修正电流; 为修正功率; 为测 试温度;Q 为测试光强;or为电流温度系数;口为电压 温度系数;6为功率温度系数。 1.3每段效率计算方法 基于1.2小节分析,结合在T程实际情况以及 获取数据的间接方式,1.1节中的快速估算方法即 可进一步简化为如下方式。 第一段的核心设备为光伏阵列 10-14],此段效率 主要包括了组件匹配损失、表面尘埃遮挡损失、温 度的影响以及组件至汇流箱的直流线路损失等 。 系数 工作温度/℃ 功率温度系数/(%-℃ ) 电压温度系数,(%·℃ ) 电流温度系数/(%·℃ ) 功率偏差(正)/% —值 40~85 -0.44 一O-32 0.055 2 第34卷第2期 .电网与清洁能源 2.2验证分析 163 表2光伏组件出厂数据(STC条件下) rab.2 PV module factory data(under the STC conditions) 2.2.1 第一段效率 在一个庞大的光伏发电系统中,光伏汇流箱是 一个不可缺少的组件。光伏组件串后输 来的电 路有很多回路,这些电路都是直流电,汇流箱正是 汇集这些电流的设备。它将这些许多回路的电流 其中,光伏组件出厂数据为STC条件下每100 个为1组的均值。 那么每片光伏组件功率温度系数为一0.44%/℃,电 压温度系数为一0.32% ,电流温度系数为 0.055%/℃。且在STC条件下的峰值功率即为5组 的均值,为190W。 在获取该电站相关监控数据时得到当时的光 照强度和温度分别为26.7 qC和979 w/m ,结合第1 节,则本节计算过程中 为26.7 oC,p 为979 W,m 。 汇流到一起,统一输出到逆变器中,在此过程中,组 件的串联和线路都会有损耗。 现场随机抽样了该电站20组方阵的其中5组, 编号为1—5号,并对其汇流箱进行了数据采集。其 中除第2组由于通讯中断没有数据外,其余4组数 据求均值并按式(1)一式(4)计算后汇总如表2和 表3。对2种不同方法修正后的功率求均值,可以 得到通过功率温度系数修正后的单个光伏组串 功率为4 130.412 W,通过修正电流与修正电压得出 的单个光伏组串修正功率132-33 为4 1 1 8.090 W,二者 表3汇流箱数据 l'ab.3 Combiner box data 误差为0.298%,本文计算中的汇流箱功率采用后者。 通过2.1中的电站数据,根据式(5)和表3的数 试,结果的确如此。用PVsyst仿真得到当地最佳倾 角为43。,与实际支架安装倾角相同。同时,从4组 据可以得出第一段的效率,见表4。 表4第一段损耗 rab.4 First section lOSS 有效汇流箱样本数据可以得出,每个汇流箱的组串 电流方差都小于0.1,反映出组件串联时能做到以 电流分档.这一举措减少了组件失配损失” ,提高了 第一段的效率。 2.2.2第二段效率 汇流箱人线侧功率,kw 组件出线侧功率和,kw 衰减,% 效率,% 逆变器是光伏电站的关键设备,他的作用是把 汇流箱输出的直流电转变为交流电。逆变器作为 光伏系统的核心设备,其表现直接关系到电站的运 行质量与寿命。通过该电站的监控系统得到逆变 器的功率数据如下。 则系统组件失配损失、遮挡损失、温度的影响 以及组件至汇流箱的直流线损的和约为1.48%,第 一段效率为98.52%。但是由于组件实际功率修正 后肯定小于组件 厂检测的功率峰值,所以表2中 组件出线侧的功率和肯定大于实际值。从而可得, 此电站第一段的实际效率会大于98.52%,这与该电 系统第二段的损耗主要有汇流箱损失和汇流 箱至逆变器的直流线路损失,逆变器转换的损失和 最大功率点跟踪(MPPT)精度损失。由l_3小节相 关资料,然后根据式(1)一式(4)和表3,表5的数据 站建设运行时间不久、组件灰尘较少、遮挡和热斑 现象很少有关 。经过现场勘察和用热成像仪测 可以得出第二段的效率,计算结果见表6。则系统 —盛蟊 、 石磊,等:并网光伏电站发电效率快速估算实用模型 表5逆变器数据 Tab.5 Inverter data kⅥ Clean Energy 164 编号 l 2 有功实测值 354.4 339.7 编号 ll 12 有功实测值 360.1 362.5 编号 21 22 有功实测值 346.4 354_8 编号 31 32 有功实测值 360.7 353.9 3 4 5 6 7 8 354 363 358.5 364.6 352.6 363.5 l3 14 15 l6 l7 l8 358.7 360 361.6 364-3 362.7 356.9 23 24 25 26 27 28 357.5 357.2 356.1 356.8 361 36l 33 34 35 36 37 38 312.2 349.6 357.6 357.2 351.7 357.8 9 l0 离线 离线 l9 20 368.4 348.8 29 30 362 357.6 39 40 363.7 357.5 第二段的效率就为97.26%。其中每一种效率都要 大于97.26%,由此也可得出逆变器的转换效率肯定 大于97.26%,优于逆变器厂家样本的最大效率 97%。 段效率为92.66%有点偏低,极有可能是变压器的原 因。这就提醒电站运维人员要详细测量此段的相 关数据,做进一步的分析。 由此通过式(8)可得整个发电系统的效率为 2.2.3第三段效率 本文该电站电流通过逆变器后,经过20台35 88.78%,但是该电站第三段效率却偏低,所以计算 光伏电站系统效率时不能只看总效率,还要关注每 一kV的一次变压器升压至35 kV,然后每1O台35 kV 变压器通过电缆并接分组连接至35 kV配电室。通 段的效率。 表8第三段损耗 Tab.8 Third section loss 过电站监控系统得到高压侧监测点数据如表7。 表6第二段损耗 Tab.6 Second section lOSS 高压侧监测点功率/kW 逆变器输出功率,kW 衰减,% 效 % 逆变器输l叶J总功率,kw 汇流箱入线侧功率和,kw 衰减,% 效率 l4 675.22 15 088.68 2.74 97.26 3结语 " 表7 35 kV监测数据 gab.7 35 kV monitoring data 本文基于目前光伏电站效率计算方法复杂、不 实用的特点,结合内蒙古某新建20 MW光伏电站, 给出了可用于工程实践的简单快速估算光伏电站 系统效率的模型。此方法不仅可以快速计算出整 N 个光伏发电系统的效率,而且可以从每一段的效率 那么由式(3)可知该电站高压侧功率修正后为 l3 598.4l kW。 大致得出光伏组件、逆变器和变压器等关键设备的 工作情况。当某一关键设备的性能下降时,运维人 员可以及时的得到反馈,快速定位问题出现的位 置,从而可以更快地解决问题,对光伏电站的运行 维护具有一定的参考意义。 参考文献 [1】 信息时报.去年中国光伏两项全球夺冠,新增和累计装 机均列全球第一[EB/OL].http://epaper.xxsb.com/show News/2017—02—09/360906.html 第j段的损耗主要包含了逆变器至变压器的 交流线路损失、变压器的损耗和变压器至高压侧监 测点的交流线损。则根据式(7)和表5,式(7)的数 据结果可以得出第三段的效率,见表8。分析可得: 系统第三段损耗为7.34%,效率为92.66%。此段损 耗主要是逆变器至变压器的交流线路损失、变压器 的损耗以及变压器至高压侧监测点的交流线损。 由于此电站交流线路不长,其线损应该不大,但此 Clean Energy 第34卷第2期 电网与清洁能源 165 [2】王淑娟.光伏电站的效率是谁在影PI ̄[EB/OL].(2014—08- 15)【2017—06—03].http://guangfu.bjx.com.cn/news/ 201408 15/537164.shtm1. 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