光伏并網電站系統效率研究與應用

李潤良

摘 要：太陽能光伏發電是當前利用新能源的主要方式之一，大型光伏并網發電是光伏發電的發展趨勢。光伏電站的發電效率是直接影響系統造價和收益的重要因素。光伏發電成本的降低并非單純取決于電池組件光電轉換率的高低，善于利用綜合技術、提高發電效率是與提高光伏組件轉換效率同等重要的課題。應該按照不同的安裝環境，優化選擇太陽能電池組件、逆變器、交流配電設備等主要設備，優化設計方案，以使發電效率達到更理想的水平。所以，如何有效的測算、提高光伏電站系統效率，成為太陽能利用中一個重點問題。文章以光伏發電系統效率為研究對象，通過建立數學模型對光伏發電系統效率進行研究。

關鍵詞：光伏；發電系統；系統效率；測算；應用

引言

目前，在世界能源結構中，人類主要利用的能源是化石能源如煤炭、石油、天然氣，另外還有核能、太陽能、水能，其他的可再生能源只占微乎其微的一小部分。其中石油、天然氣、煤炭的消費構成分別為41%、23%和27%。根據目前所探明的儲量和消耗量計算，這些能源僅可供前世界大約消耗170年。

在這樣的背景下，太陽能作為一種巨量的可再生能源，引起了人們的重視。太陽能以其清潔、無污染，而且取之不盡、用之不竭等優點越來越得到人們的關注。全球能源專家們一致認定：太陽能將成為21世紀最重要的能源之一。據歐洲委員會聯合研究中心（JRC）預測，到2100年，太陽能在整個能源結構中將占68%的份額。太陽能的利用方式很多，而太陽能發電是太陽能利用中最為關注的焦點。

2 光伏并網系統應用現狀

2.1 全球應用現狀

太陽能光伏發電產業自20世紀80年代以來持續高速發展，世界光伏產業已成為當今世界最受關注、增長幅度最快的能源產業之一。

進入21世紀以來，世界光伏市場發生了很大變化，開始由主要為邊遠農村地區和通信設備、氣象臺站、航標燈等特殊應用領域解決供電問題，逐步向并網發電和與建筑相結合的常規供電方向及商業化應用方向發展。至2010年，全球光伏發電并網裝機容量達到15GW，至2030年，全球光伏發電裝機容量將達到300GW；至2040年，光伏發電將達到全球發電總量的15%-20%。為了鼓勵太陽能的開發和利用，世界各國政府分別積極制定各種優惠政策來推動太陽能光伏發電的發展。

2.2 國內應用現狀

近年來，得益于歐美光伏市場的拉動，我國太陽能光伏產業發展十分迅速，光伏電池年產量已位居世界第一，連續5年的年增長率超過100%。2007年至今，中國已連續4年光伏電池產量居世界首位。2010年，中國光伏電池產量已超過全球總產量的50%。而與之相對，作為光伏制造大國，中國的光伏市場發展相對遲緩，甚至可以說嚴重落后于光伏產業的發展，截至2008年底，中國累計光伏裝機量僅為145MW。

過去的兩年內，隨著光伏發電成本下降，中國過程光伏市場的政策也取得了一些重要進展。2009年底，國家首個光伏特許權項目-甘肅敦煌10MW并網光伏發電項目由我公司以1.0928元/度的價格競標成功，由此拉開了中廣核太陽能開發有限公司跨步發展的新篇章。

2011年8月1日，國家發改委對外公布了光伏發電標桿上網電價1.15元/度，至此中國光伏市場必將大規模啟動。我公司錫鐵山項目一、二、三期共投資建成100MW大型并網光伏電站，日發電量大于60萬度，是目前為止全世界最大的已投產光伏并網發電站。

3 太陽能光伏發電系統概述

3.1 太陽能光伏發電系統的組成

太陽能光伏發電系統是利用太陽能電池的光生伏打效應，將太陽光輻射能直接轉換成電能的一種新型發電系統，一般是由太陽能電池組件、逆變器和交流配電系統構成。

3.1.1 太陽能電池組件：太陽能電池是太陽能光伏發電系統中的核心部分，其作用是將太陽能直接轉換為電能。太陽能電池的轉換效率和成本是光伏發電研究過程中的兩個重要指標。

3.1.2 逆變器：逆變器是將直流電變成交流電的設備。

3.1.3 交流配電系統：交流配電系統包括電力變壓器、電力電纜、開關等。

3.2 大型并網光伏發電系統

并網光伏發電系統是太陽能光伏發電進入大規模商業化發電階段，成為電力工業組成部分之一的重要方向，是當今世界太陽能光伏發電技術發展的主流趨勢。目前，在世界范圍內，開始大量建設兆瓦級并網光伏發電系統。

4 影響光伏電站發電量的主要因素

4.1 光伏陣列效率

光伏陣列的直流輸出功率與標稱功率之比。光伏陣列在能量轉換與傳輸過程中影響光伏陣列效率的損失主要包括：組件匹配損失、表面塵埃遮擋損失、不可利用的太陽輻射損失、溫度的影響以及直流線路損失等。

4.2 逆變器的轉換效率

逆變器輸出的交流電功率與直流輸入功率之比。影響逆變器轉換效率的損失主要包括：逆變器交直流轉換造成的能量損失、最大功率點跟蹤（MPPT）精度損失等。

4.3 交流配電設備效率

即從逆變器輸出至高壓電網的傳輸效率，其中影響交流配電設備效率的損失最主要是：升壓變壓器的損耗和交流電氣連接的線路損耗。

4.4 系統發電量的衰減

晶硅光伏組件在光照及常規大氣環境中使用造成的輸出功率衰減。在光伏電站各系統設備正常運行的情況下，影響光伏電站發電量的主要因素為光伏組件表面塵埃遮擋所造成太陽輻射損失。

5 光伏電站發電效率測試原理及數學模型

5.1 光伏電站整體發電效率測試原理

整體發電效率PRE公式為：

-PDR為測試時間間隔（？駐t）內的實際發電量；

-PT為測試時間間隔（？駐t）內的理論發電量；endprint

理論發電量PT公式中：

T=■，為光伏電站測試時間間隔（？駐t）內對應STC條件下的實際有效發電時間；

-P為光伏電站STC條件下組件容量標稱值；

-IO為STC條件下太陽輻射總量值，IO=1000w/m2；

-Ii為測試時間內的總太陽輻射值。

5.2 測試系統技術要求

5.2.1 氣象設備

（1）氣象參數測試裝置應符合QX/T 45-2007的要求。

（2）氣象參數測試裝置應能測量輻射量、溫濕度、風速等氣象數據。

（3）氣象參數測試裝置具備一定的數據處理能力，能提供水平總輻射、散射、直射的瞬時值、小時累積值及全天累積值；能提供斜面總輻射的瞬時值、小時累積值及全天累積值；溫度全天平均值；風速全天平均值。

（4）氣象測光設備需經過法定機構標定，結論合格。水平傳感器安裝應經過調整水平合格，斜面傳感器應與現場組件安裝角度一致。

（5）氣象測光設備應經常進行維護，保證測試數據的準確性。

5.2.2 電氣測量儀表

（1）電氣測量儀表應符合IEC61000-4-30-2003 ClassA級要求。

（2）電氣測量儀表應經過法定計量檢定機構檢定合格。

6 實際應用

需計算的氣象數據和電測數據上傳綜自系統，在綜自內進行計算，計算公式：

Pt，光伏電站實時功率，綜合測控裝置獲得；P，光伏電站STC條件下光伏電站實際投入運行容量；

P=（K1+K2+K3+…+Kn）*Pn，Kn：第n臺逆變器啟停狀態，啟動為1，停止為0，Pn：逆變器額定功率（0.5WM）。

Ti，光伏電站間隔時間Δt內有效發電小時數；Ii，間隔時間Δt內斜面總輻射量，Ii=Ep*Δt，Ep為1分鐘斜面輻射強度，由氣象檢測儀獲得；

I0=1000w/m2，STC條件下輻射強度。

7 測試成果

7.1 綜自系統生成西北地區某光伏電站的系統效率曲線，通過直觀的曲線，能夠分析一個輻照度周期能的系統效率。

7.2 綜自系統生成西北某光伏電站月實際發電量和理論發電量對比曲線模型（圖2）和整月系統效率曲線（圖3）。通過整月系統效率可以分析，組件污染程度等，為運行維護提供數據。各個電站的橫向比較，可以為設計優化提供最佳方案。

8 結束語

太陽能作為新型的綠色可再生能源，具有儲量大、壽命長、無污染的優點，將太陽能用于發電已成為人們普遍關注的焦點。隨著光伏市場的迅速發展，光伏發電系統效率的測算與提高將會越來越多的得到重視。如何更大效率的利用太陽能，如何保證光伏系統設計優化，將是一個需要不斷深入研究探索的課題。endprint

理論發電量PT公式中：

T=■，為光伏電站測試時間間隔（？駐t）內對應STC條件下的實際有效發電時間；

-P為光伏電站STC條件下組件容量標稱值；

-IO為STC條件下太陽輻射總量值，IO=1000w/m2；

-Ii為測試時間內的總太陽輻射值。

5.2 測試系統技術要求

5.2.1 氣象設備

（1）氣象參數測試裝置應符合QX/T 45-2007的要求。

（2）氣象參數測試裝置應能測量輻射量、溫濕度、風速等氣象數據。

（3）氣象參數測試裝置具備一定的數據處理能力，能提供水平總輻射、散射、直射的瞬時值、小時累積值及全天累積值；能提供斜面總輻射的瞬時值、小時累積值及全天累積值；溫度全天平均值；風速全天平均值。

（4）氣象測光設備需經過法定機構標定，結論合格。水平傳感器安裝應經過調整水平合格，斜面傳感器應與現場組件安裝角度一致。

（5）氣象測光設備應經常進行維護，保證測試數據的準確性。

5.2.2 電氣測量儀表

（1）電氣測量儀表應符合IEC61000-4-30-2003 ClassA級要求。

（2）電氣測量儀表應經過法定計量檢定機構檢定合格。

6 實際應用

需計算的氣象數據和電測數據上傳綜自系統，在綜自內進行計算，計算公式：

Pt，光伏電站實時功率，綜合測控裝置獲得；P，光伏電站STC條件下光伏電站實際投入運行容量；

P=（K1+K2+K3+…+Kn）*Pn，Kn：第n臺逆變器啟停狀態，啟動為1，停止為0，Pn：逆變器額定功率（0.5WM）。

Ti，光伏電站間隔時間Δt內有效發電小時數；Ii，間隔時間Δt內斜面總輻射量，Ii=Ep*Δt，Ep為1分鐘斜面輻射強度，由氣象檢測儀獲得；

I0=1000w/m2，STC條件下輻射強度。

7 測試成果

7.1 綜自系統生成西北地區某光伏電站的系統效率曲線，通過直觀的曲線，能夠分析一個輻照度周期能的系統效率。

7.2 綜自系統生成西北某光伏電站月實際發電量和理論發電量對比曲線模型（圖2）和整月系統效率曲線（圖3）。通過整月系統效率可以分析，組件污染程度等，為運行維護提供數據。各個電站的橫向比較，可以為設計優化提供最佳方案。

8 結束語

太陽能作為新型的綠色可再生能源，具有儲量大、壽命長、無污染的優點，將太陽能用于發電已成為人們普遍關注的焦點。隨著光伏市場的迅速發展，光伏發電系統效率的測算與提高將會越來越多的得到重視。如何更大效率的利用太陽能，如何保證光伏系統設計優化，將是一個需要不斷深入研究探索的課題。endprint

理論發電量PT公式中：

T=■，為光伏電站測試時間間隔（？駐t）內對應STC條件下的實際有效發電時間；

-P為光伏電站STC條件下組件容量標稱值；

-IO為STC條件下太陽輻射總量值，IO=1000w/m2；

-Ii為測試時間內的總太陽輻射值。

5.2 測試系統技術要求

5.2.1 氣象設備

（1）氣象參數測試裝置應符合QX/T 45-2007的要求。

（2）氣象參數測試裝置應能測量輻射量、溫濕度、風速等氣象數據。

（3）氣象參數測試裝置具備一定的數據處理能力，能提供水平總輻射、散射、直射的瞬時值、小時累積值及全天累積值；能提供斜面總輻射的瞬時值、小時累積值及全天累積值；溫度全天平均值；風速全天平均值。

（4）氣象測光設備需經過法定機構標定，結論合格。水平傳感器安裝應經過調整水平合格，斜面傳感器應與現場組件安裝角度一致。

（5）氣象測光設備應經常進行維護，保證測試數據的準確性。

5.2.2 電氣測量儀表

（1）電氣測量儀表應符合IEC61000-4-30-2003 ClassA級要求。

（2）電氣測量儀表應經過法定計量檢定機構檢定合格。

6 實際應用

需計算的氣象數據和電測數據上傳綜自系統，在綜自內進行計算，計算公式：

Pt，光伏電站實時功率，綜合測控裝置獲得；P，光伏電站STC條件下光伏電站實際投入運行容量；

P=（K1+K2+K3+…+Kn）*Pn，Kn：第n臺逆變器啟停狀態，啟動為1，停止為0，Pn：逆變器額定功率（0.5WM）。

Ti，光伏電站間隔時間Δt內有效發電小時數；Ii，間隔時間Δt內斜面總輻射量，Ii=Ep*Δt，Ep為1分鐘斜面輻射強度，由氣象檢測儀獲得；

I0=1000w/m2，STC條件下輻射強度。

7 測試成果

7.1 綜自系統生成西北地區某光伏電站的系統效率曲線，通過直觀的曲線，能夠分析一個輻照度周期能的系統效率。

7.2 綜自系統生成西北某光伏電站月實際發電量和理論發電量對比曲線模型（圖2）和整月系統效率曲線（圖3）。通過整月系統效率可以分析，組件污染程度等，為運行維護提供數據。各個電站的橫向比較，可以為設計優化提供最佳方案。

8 結束語

太陽能作為新型的綠色可再生能源，具有儲量大、壽命長、無污染的優點，將太陽能用于發電已成為人們普遍關注的焦點。隨著光伏市場的迅速發展，光伏發電系統效率的測算與提高將會越來越多的得到重視。如何更大效率的利用太陽能，如何保證光伏系統設計優化，將是一個需要不斷深入研究探索的課題。endprint