光伏電站性能評估：氣象數(shù)據(jù)的重要性和作用

　　1、總覽

　　由于天氣狀況直接影響光伏電站的發(fā)電量，所以光伏電站性能評估的核心參數(shù)離不開準(zhǔn)確的氣象數(shù)據(jù)。因此每個(gè)光伏電站監(jiān)測系統(tǒng)都需要一組氣象監(jiān)測傳感器以計(jì)算電站核心評估指標(biāo)，例如場站效率和有效工作時(shí)間。數(shù)據(jù)的采樣與處理方法、傳感器的部署安裝方式也會對評估結(jié)果產(chǎn)生部分影響。

　　2、光伏系統(tǒng)氣象站常用的傳感器

　　氣象站只需要少量的傳感器即可充分覆蓋評估需求：

　　輻照儀：電站需要使用輻照儀測量一系列的輻照強(qiáng)度，且該輻照儀的響應(yīng)波段應(yīng)覆蓋組件可吸收光譜的波段。通常我們會同時(shí)使用多個(gè)輻照儀來監(jiān)測不同安裝方式下的輻照。

　　水平安裝輻照儀，用于監(jiān)測全局水平輻照（該安裝方法應(yīng)盡量避免地面反射，因?yàn)榈孛娣瓷淇赡軙箿y量結(jié)果增大20%）；

　　與陣列相同傾角及朝向安裝的輻照儀，用于監(jiān)測陣列平面所接收的輻照；

　　定制的散射輻照儀，用于監(jiān)測散射輻照，即全局水平輻照減去直接輻照（該輻照儀并不常用）；

　　基準(zhǔn)電池組：包含一個(gè)或多個(gè)光伏電池單元，可以同時(shí)測量輻照和電池片溫度，基準(zhǔn)電池組中電池片的材質(zhì)應(yīng)與陣列所用組件中電池片的材質(zhì)相同；雖然基準(zhǔn)電池組以其低廉的價(jià)格會被用作正規(guī)輻照儀的替代品，但是實(shí)際上并不能這么用。原因是很難找到與陣列所使用的組件具有相同光譜響應(yīng)區(qū)間的基準(zhǔn)電池組，而且其精度、靈敏度穩(wěn)定性等都是沒有經(jīng)過認(rèn)證的。

　　組件背板溫度傳感器：直接安裝在光伏組件的背面以測量組件中電池片的溫度。該測量方法利用一個(gè)熱交換模型把組件背板溫度換算到組件內(nèi)部電池片的溫度。換算過程還需要輸入環(huán)境溫度以及風(fēng)速、風(fēng)向進(jìn)行修正。通常情況下，組件背板溫度常常錯(cuò)誤地被直接引用為電池片溫度。

　　環(huán)境溫度傳感器：用于監(jiān)測實(shí)際運(yùn)行陣列周圍的空氣溫度。

　　濕度計(jì)，氣壓傳感器，風(fēng)速、風(fēng)向傳感器和雨量計(jì)：這些要素與發(fā)電量有一定關(guān)聯(lián)，但是在電站績效評估中一般不使用這些要素。

　　3、氣象傳感器正確使用的重要性

　　氣象數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性是電站績效評估的關(guān)鍵。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)必須集成異常值（無效值）檢測及剔除的算法，以保證最后存儲的歷史數(shù)據(jù)的可靠性。由于異常值會污染現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫，所以數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有必要檢測這些數(shù)據(jù)的出現(xiàn)，并對其及時(shí)處理。另一種方法是識別出引起錄入錯(cuò)誤值的觸發(fā)事件，設(shè)置采集器系統(tǒng)在該事件發(fā)生時(shí)停止采集，例如當(dāng)輻照儀處于陰影中時(shí)采集器停止錄入其數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集的各個(gè)環(huán)節(jié)都有可能導(dǎo)致異常值的出現(xiàn)，且傳感器與通訊線纜是最容易導(dǎo)致數(shù)據(jù)異常的環(huán)節(jié)。一些策略可以大幅度減少異常值出現(xiàn)的概率，其中多數(shù)都與傳感器和光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)的連接方法有關(guān)。

　　加裝冗余的傳感器，是一種可以非常有效地保證測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的方法。如此以來，可以極大地提高數(shù)據(jù)采集質(zhì)量的方案就是：

　　如果一個(gè)傳感器失效，直接獲取備份數(shù)據(jù)；

　　對不同傳感器輸出的相同時(shí)段的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，以排除一些與統(tǒng)計(jì)趨勢不符的異常值；

　　氣象傳感器另一個(gè)非常重要的參數(shù)是數(shù)據(jù)采集周期。對于監(jiān)測電站運(yùn)行參數(shù)的行業(yè)經(jīng)驗(yàn)是采用15分鐘平均值。但是對于輻照強(qiáng)度這種隨瞬時(shí)波動比較大的氣象要素，進(jìn)行15分鐘步長的瞬時(shí)值采樣是非常不明智的。所以采集器需要更快的采樣頻率（可能高達(dá)1s），同時(shí)輸出在此采樣頻率獲取的15分鐘連續(xù)數(shù)據(jù)的平均值。該處理過程必須慎重考慮所有參與數(shù)據(jù)采集的儀器可能出現(xiàn)的異常值和時(shí)間戳的同步性。采樣異?；蛘咛幚沓鲥e(cuò)都會降低評估的質(zhì)量。

　　氣象狀況不僅瞬時(shí)波動大，而且大型電站場站內(nèi)各局部區(qū)域的差異也非常明顯。對于一個(gè)面積足夠大的電站來說，站內(nèi)特定區(qū)域的關(guān)鍵績效指標(biāo)必須使用臨近的氣象數(shù)據(jù)。根據(jù)相關(guān)技術(shù)績效評估的計(jì)算文件聲明，并不希望核心的氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)在整個(gè)場站空間內(nèi)劇烈波動，因?yàn)閯×业牟▌訒﹂L時(shí)間尺度下電站關(guān)鍵績效的計(jì)算產(chǎn)生不利影響。假設(shè)遇到一些疏散云團(tuán)飄過數(shù)兆瓦的陣列造成的局部遮擋的情景，雖然對陣列局部瞬時(shí)的影響非常顯著，但是劇烈的波動會隨當(dāng)天的時(shí)長累計(jì)被平滑到對整個(gè)場站的穩(wěn)定影響。由于評估的對象為整個(gè)場站，所以輸入計(jì)算的氣象數(shù)據(jù)需要使用場站氣象數(shù)據(jù)的空間平均值，該數(shù)值只能通過匯總電站各局部區(qū)域測量數(shù)據(jù)加工取得。

　　對于建設(shè)在地形起伏較大區(qū)域的光伏電站，例如光伏組件被安裝在不同的斜坡上，還需要充分考慮斜坡的朝向、傾角以及安裝在每個(gè)斜坡上的組件的標(biāo)稱功率對關(guān)鍵績效指標(biāo)計(jì)算的影響，以保證計(jì)算的準(zhǔn)確性。對于使用差異顯著的技術(shù)要求安裝的陣列也有必要在績效評估計(jì)算時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的修正。在場站不同的區(qū)域部署多個(gè)氣象監(jiān)測系統(tǒng)可以有效降低傳感器全部毀損的概率，例如自然災(zāi)害、盜竊和物理破壞。

▲各種氣象傳感器

　　最后，高質(zhì)量的氣象傳感器需要周期性地校準(zhǔn)或者其本身使用壽命有限，例如輻照儀至少1年至2年需要校準(zhǔn)1次，機(jī)械式風(fēng)速儀的壽命只有半年至1年。預(yù)防性維護(hù)、校準(zhǔn)以及換新對于支持電站的長久運(yùn)行是至關(guān)重要的。

　　4、氣象站應(yīng)用

　　光伏電站氣象監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)對氣象傳感器的安裝方式有明確的定義，原因如下：

　　冗余氣象傳感器的應(yīng)用；

　　在計(jì)算方位敏感的關(guān)鍵績效時(shí)，需要使用指定安裝方式的傳感器測量數(shù)據(jù)；

　　氣象站的概念是對一個(gè)氣象傳感器與它安裝位置關(guān)系的最佳闡釋。氣象站集成了一組氣象傳感器及其備件、支架、供電設(shè)備、本地的數(shù)采集器用于處理及存儲測量的數(shù)據(jù)。這些傳感器以指定方式安裝，并且電站監(jiān)控系統(tǒng)可以讀取這些它們的坐標(biāo)和配置。氣象站并非新鮮概念，全球所有的氣象服務(wù)都以其作為氣象監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)。氣象站安裝便利且安裝開銷低廉，因此相比于單買各個(gè)氣象傳感器，有理由購買稍貴的集成系統(tǒng)。

　　自從氣象站概念被定義以來，氣象站配置標(biāo)準(zhǔn)化和對場站特征進(jìn)行氣象站配額是非常實(shí)用的實(shí)施策略。加之實(shí)踐中一般使用額定輸出功率、物理面積和斜坡的數(shù)量來定義電站內(nèi)局部區(qū)域的典型特征。二者相輔相成不僅可以同步排線與供電設(shè)計(jì)，也簡化了監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、場站的建設(shè)以及電站全生命周期儀表校準(zhǔn)的實(shí)施。

　　5、輻照測量案例

　　為了計(jì)算最重要的電站績效，我們需要獲取精確可靠的主要?dú)庀髷?shù)據(jù)，所以各種類型輻照測量儀表的評估是其中至關(guān)重要的一步?，F(xiàn)階段主流的光伏用輻照測量儀表有兩種，輻照儀與基準(zhǔn)電池組。

　　基于輻照監(jiān)測系統(tǒng)從各種類型的儀表采集到的真實(shí)輻照數(shù)據(jù)，比較研究之后的結(jié)果顯示出各儀表間的顯著差異。該實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)取自某1.7兆瓦光伏電站，其中安裝了各類型的氣象傳感器，明細(xì)如下：

　　2只WMO二級標(biāo)準(zhǔn)輻照儀；

　　7只WMO二等標(biāo)準(zhǔn)輻照儀；

　　2個(gè)基準(zhǔn)電池組；

　　選擇的觀測時(shí)段是適宜進(jìn)行儀表比對實(shí)驗(yàn)的10月中沒有故障或重大問題發(fā)生的兩周。在本次實(shí)驗(yàn)開始之前，該光伏電站已經(jīng)投運(yùn)一年有余。

　　輻照數(shù)據(jù)的采集頻率是1秒，且以15分鐘的步長把已記錄數(shù)據(jù)求平均值。所有用于采樣的輻照模擬信號電流區(qū)間為4-20mA，原因如下：

　　更好的故障檢測；

　　更好的抗噪聲性能；

　　為了消除早晚陰影的影響，過濾掉了輻照值低于200W瀖-2的數(shù)據(jù)。同樣，在計(jì)算系統(tǒng)效率時(shí)也不會使用輻照值低于200W瀖-2的數(shù)據(jù)。

　　二級標(biāo)準(zhǔn)輻照儀的數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)數(shù)據(jù)。二級標(biāo)準(zhǔn)輻照儀的技術(shù)要求是最高規(guī)格，而且根據(jù)相關(guān)要求需要對其進(jìn)行獨(dú)立校準(zhǔn)。相關(guān)要求還規(guī)定了小時(shí)累計(jì)與日累計(jì)精確的不確定性水平。為了保證兩只部署在不同區(qū)域的二級標(biāo)準(zhǔn)輻照儀都滿足規(guī)范要求，它們的時(shí)序不確定性水平測試結(jié)果都需要在規(guī)定值以內(nèi)，明細(xì)如下：

　　上圖表明，基準(zhǔn)電池組的測量值不僅維持負(fù)百分比誤差，甚至在早晨還會出現(xiàn)極大的波動。

　　當(dāng)使用輻照數(shù)據(jù)計(jì)算系統(tǒng)效率時(shí)，使用準(zhǔn)確輻照數(shù)據(jù)的重要性就顯而易見了。帶入不同的輻照數(shù)據(jù)計(jì)算系統(tǒng)效率的結(jié)果比較詳見下圖：

　　a)二級標(biāo)準(zhǔn)輻照儀的平均值

　　b)二等標(biāo)準(zhǔn)輻照儀的平均值

　　c)基準(zhǔn)電池組的平均值

　　6、總結(jié)

　　在光伏電站監(jiān)測系統(tǒng)中氣象傳感器發(fā)揮重要作用，精確的氣象實(shí)測數(shù)據(jù)是跟蹤、評估和控制光伏電站性能參數(shù)的關(guān)鍵。因此正確安裝足夠數(shù)量的氣象傳感器及相關(guān)設(shè)備，順利采集到與光伏電站相關(guān)的合適數(shù)據(jù)，才能保證無法避免的誤差不會導(dǎo)致錯(cuò)誤的假設(shè)和結(jié)果。只有合理利用冗余的傳感器，采樣頻率，數(shù)據(jù)清洗及校驗(yàn)，根據(jù)電站特征進(jìn)行修正，才能得到最好的性能分析結(jié)果。

　　眾所周知二級標(biāo)準(zhǔn)輻照儀價(jià)格不菲，并不是所有電站都具備文中實(shí)施的條件。在工程實(shí)施階段如何才能解決這些問題呢，譯者總結(jié)全文的主要思想之后，認(rèn)為在使用高精度儀表代價(jià)過于昂貴的情況下，退而求其次則需要使用就近多實(shí)測數(shù)據(jù)對比，遠(yuǎn)景能源的五層數(shù)據(jù)分析，就近高標(biāo)準(zhǔn)站機(jī)器學(xué)習(xí)擬合，衛(wèi)星及模式數(shù)據(jù)趨勢判斷等方法。當(dāng)下作為大數(shù)據(jù)的時(shí)代，充分挖掘核心數(shù)據(jù)價(jià)值，提升社會效率也是大勢所趨。