基于溫度修正的光伏電站發(fā)電性能評(píng)價(jià)指標(biāo)解析

　　1、PR背景

　　近年來，我國光伏電站年新增裝機(jī)容量都比往年有所提升，2014年新增裝機(jī)在全球排列第一，而國內(nèi)光伏市場一片繁榮的同時(shí)，全國性的、統(tǒng)一的、完善的光伏電站評(píng)價(jià)和標(biāo)準(zhǔn)體系還尚未真正跟上步伐，原因一方面是由于國內(nèi)對(duì)環(huán)境資源數(shù)據(jù)采集的重視程度不夠，電站發(fā)電場所沒有配備精確采集太陽輻照資源、組件溫度、環(huán)境溫度等氣象指標(biāo)的監(jiān)控設(shè)施，另一方面缺乏對(duì)光伏電站發(fā)電性能的正確和完整的評(píng)估方法，同時(shí)也缺乏多年長期可靠運(yùn)行的光伏發(fā)電數(shù)據(jù)。

　　光伏電站一般有著25年及25年以上的生命周期，電站監(jiān)控和運(yùn)維對(duì)于長期的穩(wěn)定運(yùn)行來說顯得至關(guān)重要，隨著基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電站智能化運(yùn)營管理的到來，意味著發(fā)電性能評(píng)價(jià)和大數(shù)據(jù)分析方面的工作在國內(nèi)電站的運(yùn)營管理中將起到舉足輕重的作用。

　　早些時(shí)候國內(nèi)開展光伏電站數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控技術(shù)的研究單位有中科院電工研究所、合工大能源研究所和北京計(jì)科公司等，相比之下，國外這方面的工作就做得比較早，研究則更為深入，國外眾多的成功案例和運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)都值得學(xué)習(xí)和借鑒。國際能源總署(IEA)在1995年啟動(dòng)了光伏發(fā)電項(xiàng)目(PVPS)Task-2工作【1】，即光伏系統(tǒng)的性能、可靠性研究，并組建了Task-2團(tuán)隊(duì)，

　　全球相繼有28個(gè)國家先后加入(包括中國)，他們對(duì)全球不同氣候和地理環(huán)境的國家如中國、德國、法國、日本、以色列、墨西哥、澳大利亞等多個(gè)不同類型的光伏發(fā)電系統(tǒng)(如建筑一體化BIPV、屋頂電站BAPV、大型集中式并網(wǎng)電站、離網(wǎng)系統(tǒng)、混合系統(tǒng)等)展開了長達(dá)十多年的系統(tǒng)監(jiān)測、數(shù)據(jù)采集及發(fā)電性能方面的深入研究，多數(shù)數(shù)據(jù)是在不同的IEA-PVPS成員國的國家示范項(xiàng)目中進(jìn)行收集，并通過建立全球光伏電站發(fā)電運(yùn)行數(shù)據(jù)和技術(shù)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫(PerformanceDatabase)，來作為光伏系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)、效能、可靠度及成本方面的研究。

　　截止目前已擁有大大小小461多套光伏系統(tǒng)(總?cè)萘考s15MW)的高質(zhì)量的運(yùn)行數(shù)據(jù)，將用于不同的應(yīng)用，如電能供給、家庭應(yīng)用、農(nóng)村電氣化和特殊應(yīng)用等等，相關(guān)的研究成果都是公開共享的，可以在IEA官網(wǎng)上進(jìn)行下載。研究人員通過深入研究電站性能的影響因素并建立了光伏電站性能評(píng)價(jià)相關(guān)指標(biāo)和定義，如1998年正式發(fā)布的IEC61724標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定的指標(biāo)就來源于此。

　　IEC61724中推薦的三個(gè)指標(biāo)分別是Yr、Yf和PR，參考表1，其中Yr是單位面積的光伏陣列傾斜面總輻射量與光伏電池標(biāo)準(zhǔn)測試條件下的標(biāo)準(zhǔn)輻射度之比，也稱方陣峰值日照小時(shí)數(shù)，反映了當(dāng)?shù)氐妮椪账?。Yf表示一段時(shí)間內(nèi)并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)最終并網(wǎng)的交流發(fā)電量與光伏系統(tǒng)的額定功率之比，它是用光伏系統(tǒng)裝機(jī)容量歸一化后的發(fā)電量，可用于不同裝機(jī)容量的光伏系統(tǒng)的比較，也稱為發(fā)電能力(kWh/kW)。

　　PerformanceRatio(PR)稱為質(zhì)量因數(shù)或系統(tǒng)效率，是評(píng)價(jià)光伏電站效率最重要的指標(biāo)之一，是電站實(shí)際輸出功率與理論輸出功率的比值，反映整個(gè)電站扣除所有損耗后(包括輻照損失、線損、器件損耗、灰塵損失、熱損耗等)實(shí)際輸入到電網(wǎng)電能的一個(gè)比例關(guān)系【2】。電站的PR值越接近100%，說明該電站的運(yùn)行效率就越高，但是現(xiàn)實(shí)情況下PR值達(dá)到100%是不可能的，因?yàn)橛行p耗是不可避免的。一般情況下，運(yùn)行較好的并網(wǎng)光伏電站PR值能夠達(dá)到80%及80%以上。

　　PR的另一種公式表示方法來源于SMA:PR=實(shí)際發(fā)電量/理論發(fā)電量，其中理論發(fā)電量=方陣斜面輻射量*方陣所有組件總面積*組件轉(zhuǎn)換效率，經(jīng)過推導(dǎo)就會(huì)發(fā)現(xiàn)，雖然表示方法不同，但結(jié)果實(shí)際上就等于Yf和Yr的比值。

　　PR指標(biāo)是目前常用的電站評(píng)價(jià)參數(shù)，對(duì)于同一地區(qū)的各個(gè)電站，如果太陽輻射資源和氣候情況比較相似，那么我們可以通過PR、Yr和Yf來進(jìn)行對(duì)比，但是對(duì)于不同地區(qū)的電站，由于輻射資源不同，環(huán)境溫度也不同，直接使用該P(yáng)R來對(duì)比是不準(zhǔn)確的。

　　因?yàn)镻R公式并未考慮到溫度的影響，晶硅組件的功率溫度系數(shù)是負(fù)溫度系數(shù)，當(dāng)溫度升高時(shí)，功率會(huì)降低，溫度降低時(shí)，則相反，特別是在冬季低溫、均勻輻照強(qiáng)度下，PR計(jì)算值會(huì)偏高，而在夏季高溫、均勻輻照下，PR值會(huì)偏低，而溫度差異造成的PR偏低并不屬于電站本身的質(zhì)量問題，容易給電站運(yùn)維人員帶來誤判斷。

　　因此后來業(yè)內(nèi)研究人員提出了對(duì)原有PR計(jì)算公式進(jìn)行溫度修正的方法，稱為CPR(TemperatureCorrectedPR)。如圖1為某電站CPR和PR的計(jì)算結(jié)果對(duì)比，當(dāng)PR和CPR以年為分析周期進(jìn)行計(jì)算比較時(shí)，其實(shí)結(jié)果相差不大，僅1%左右，但是在冬季和夏季的各個(gè)月份，PR就會(huì)出現(xiàn)明顯的偏高或偏低，但通過溫度修正后，CPR可以更加準(zhǔn)確地反映實(shí)際的運(yùn)行情況。經(jīng)查閱國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，公開報(bào)導(dǎo)的關(guān)于對(duì)溫度系數(shù)的修正方法至少有3種以上，其中重要的差異來源于電池片結(jié)溫的計(jì)算以及不同的修正方法。 

　　PR和CPR是電站評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)，國外也有其他機(jī)構(gòu)采用了其他評(píng)價(jià)方法，EPI(EnergyPerformanceIndex)和PPI(PowerPerformanceIndex)，其計(jì)算方法和各自的用途也不盡相同。如不同氣候地區(qū)的電站設(shè)計(jì)驗(yàn)證、投資決策和長期的發(fā)電性能比較，可使用CPR，電站發(fā)電性能的衰減情況可用EPI指標(biāo)，運(yùn)維前后短期的發(fā)電比較可用PPI指標(biāo)，但不管是哪一種指標(biāo)，理論發(fā)電量的計(jì)算至關(guān)重要，如是否需要采用溫度修正，并考慮其他補(bǔ)償因子等等。

　　如果組件的加權(quán)平均工作溫度不以年為單位進(jìn)行計(jì)算，比如計(jì)算周期就1天，那么PR和CPR的值是幾乎相同的。如表3列舉的數(shù)據(jù)，如果以某冬季某一天的加權(quán)平均溫度計(jì)算，則CPR和PR都為93%，但如果以一年的電池加權(quán)平均溫度42°計(jì)算，那么PR和CPR就會(huì)出現(xiàn)差異，PR值會(huì)偏高。

　　PR是光伏電站發(fā)電性能評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)，根據(jù)IEC61724標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的PR值計(jì)算方法不能絕對(duì)地直接表征不同地區(qū)光伏電站的優(yōu)劣性，文中對(duì)國際上基于溫度修正方法的CPR進(jìn)行了總體介紹，不同的修正方法得到的修正值也不相同。通過比較，基于Sandia環(huán)境溫度模型的Sunpower法CPR其準(zhǔn)確度相對(duì)較高，但是電池片加權(quán)平均溫度需要一年的統(tǒng)計(jì)周期，因此對(duì)于當(dāng)年的月度性能分析會(huì)遇到困難，其中的解決方法可以參考?xì)v年已計(jì)算的電池片加權(quán)平均溫度或者借助于其他評(píng)價(jià)指標(biāo)協(xié)同分析，比如EPI、PPI等。

　　文中最后對(duì)電池片溫度的不同計(jì)算方法進(jìn)行了比較，TextBook法和Sandia法都是可靠的計(jì)算方法，

　　但前者準(zhǔn)確度較高，因此在Sunpower溫度修正方法中，溫度修正因子中的電池片溫度也可以考慮使用TextBook溫度計(jì)算法。

　　光伏電站發(fā)電性能評(píng)價(jià)為電站經(jīng)營者更高效管理電站提供了較大的幫助，在借鑒國外經(jīng)驗(yàn)的同時(shí)，在此也呼吁國內(nèi)應(yīng)在電站質(zhì)量和性能評(píng)價(jià)方面完善相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。另外作為電站運(yùn)營管理企業(yè)，電站性能評(píng)價(jià)的前提是自有電站的管理已經(jīng)達(dá)到智能化水平，太陽輻照、溫度、風(fēng)速等環(huán)境監(jiān)測的配套設(shè)施都已經(jīng)具備，如果沒有這些條件，要做好電站的性能評(píng)價(jià)工作就等于是空中樓閣。