并網光伏電站的發電性能測試研究＊

曾 飛，林志鴻，林榮超，董雙麗，劉書強，胡振球，劉仲義

（廣東產品質量監督檢驗研究院，廣東 佛山 528300）

1 引言

目前，我國已成為全球光伏發電裝機容量的第一大國，其中，絕大部分光伏電站都以并網形式運行。由于光伏行業受到政府補貼政策的影響，為了獲得更多的電費補貼，幾乎每年在特定的時間節點前都會出現“搶裝潮”，但電站的建設質量良莠不齊，隨之而來的質量問題頻發，部分電站出現了設計不合理、施工不規范、組件衰減嚴重、設備故障率較高等多種問題，部分項目還長期存在運維缺失的情況，這些都直接導致電站的發電量低于預期，甚至存在安全隱患，因此，光伏電站的性能測試[1]和評價[2-3]越來越受到業內的關注。考察電站發電性能的重要指標主要有組件功率衰減[4]、逆變器轉換效率[5]、串并聯失配[6]、交直流線損[7]、能效比（PR）[8]、污漬遮擋損失[9]，等等，此外，還有紅外熱成像、電致發光（EL）[9]等測試手段，主要的參考標準有GB/T 20513—2006《光伏系統性能檢測 測量、數據交換和分析導則》（等同采用 IEC 61724：1998）、CNCA/CTS 0016—2015《并網光伏電站性能檢測與質量評估技術規范》、CNCA/CTS 0004—2010《并網光伏發電系統工程驗收基本要求》等。本文對一個典型的并網光伏電站進行系統的發電性能測試，結合測試結果分析電站能效比的影響因素。

2 電站項目概況

本次選定的并網光伏電站為10 kV并網彩鋼瓦屋頂光伏系統，總裝機容量5 420.00 kWp，位于廣東省佛山市，共安裝額定功率為250 Wp的多晶硅組件21 680塊，500 kW集中式逆變器10臺，直流匯流箱72臺，直流配電柜10臺，10 kV升壓變壓器5臺，分成4個屋頂，每個組串均為每20塊組件串聯，組串并聯后接入匯流箱，匯流箱并聯接入逆變器，逆變器輸出經過變壓器升壓至10 kV并入一個并網點。該項目于2015-06建成，截至測試時已正常發電運行2年6個月。光伏電站整體外觀如圖1所示。

圖1 光伏電站整體外觀照片

表1 測試項目具體條款及其測試日期

3 測試項目和測試方法

對并網光伏電站的現場檢測一般包括紅外熱成像、污漬遮擋損失、光伏組件性能衰降、光伏組串溫升損失、光伏組件/組串的串并聯失配損失、EL測試、光伏方陣相互遮擋損失、直流線損、逆變器效率、逆變器MPPT效率、變壓器效率、交流線損、光伏方陣絕緣測試、接地連續性測試、并網性能測試（并網點電能質量、孤島保護、有功/無功功率控制能力、低電壓穿越以及電壓/頻率適應能力驗證）等內容[11]。本文依據標準CNCA/CTS 0016—2015規定的方法進行測試，根據選定的光伏電站的實際情況，本次挑選其中的9個項目，具體條款和測試日期如表1所示。

測試組在2017-12-08完成了上述序號1-7的7個項目的測試，2017-12-09完成PR和PRSTC的測試；在2018-03，運維人員清洗電站的所有組件，測試組對PR和PRSTC進行了復測，具體測試方法如下。

3.1 組件功率衰降率

選定外觀無異常的組件，在清洗后進行I-V測試。組件功率衰降率＝（光伏組件初始STC標稱功率－實測修正STC標稱功率）/光伏組件初始STC標稱功率的比值×100%.

3.2 組件污漬和灰塵遮擋損失

選定組件，在清洗前后分別進行I-V測試。污漬遮擋損失＝（組件清潔后修正功率值－組件清潔前修正功率值）/組件清潔后修正功率值×100%.

3.3 串并聯失配損失

采用集中式逆變器的光伏電站失配損失主要包括組件到組串的串聯失配，組串到匯流箱的并聯失配和匯流箱到逆變器的并聯失配損失。

3.3.1 組串內光伏組件的串聯失配損失

斷開選定組串，對其中每一塊組件測試I-V曲線，記錄光強和組件溫度；恢復組串到工作狀態，檢測組串實際工作電壓和工作電流，記錄光強和組件溫度；分別修正到統一光強和統一溫度。計算公式是：串聯失配損失＝（各組件修正最大功率之和－組串修正工作功率值）/各組件修正最大功率值之和×100%.

3.3.2 多個組串并聯的失配損失

斷開選定匯流箱，對其中每一個組串測試I-V曲線，記錄光強和組件溫度；接通匯流箱，使其處于工作狀態，記錄工作電壓和工作電流，同時記錄光強和組件溫度；分別修正到統一光強和統一溫度條件。計算公式是：并聯失配損失＝（各組串修正最大功率之和－匯流箱修正工作功率值）/各組串修正功率值之和×100%.

匯流箱到逆變器的并聯失配本次不進行測試。

3.4 直流線損

采用集中逆變器的光伏電站的直流線損主要包括組串到匯流箱的直流線損和匯流箱到逆變器的直流線損。

3.4.1 光伏組串到匯流箱的直流線損

從選定匯流箱所對應的組串中抽取近、中、遠3個組串檢測，同時，檢測組串出口直流電壓、匯流箱入口直流電壓。該組串在匯流箱入口的直流電流按照CNCA/CTS 0016—2015規定的方法計算線損，并修正到STC條件下。

3.4.2 匯流箱到逆變器的直流線損

從選定逆變器所對應匯流箱中抽取近、中、遠3臺進行直流線損檢測，同時，檢測匯流箱出口直流電壓、逆變器入口直流電壓、逆變器入口直流電流，按照CNCA/CTS 0016—2015規定的方法計算線損，并修正到STC條件下。

3.5 逆變器加權效率

逆變器效率是逆變器輸出功率與輸入功率的比值，從早到晚，在不同負載率時測試逆變器的輸入/輸出功率。效率的測試結果參考青海經驗公式計算加權效率，即ηqh＝0.01η5%＋0.02η10%＋0.04η20%＋0.09η30%＋0.18η50%＋0.14η65%＋0.17η75%＋0.35η100%.

3.6 能效比（PR）和標準能效比（PRSTC）

用總輻射計記錄每天的輻照強度，記錄間隔為5 s，總輻射表的安裝方向和角度與電站組件一致，同時，在上網關口表處記錄當天的發電量。用總輻射表計算輸入能量，發電量與輸入能量之比即為能效比。

由于不同環境溫度影響PR的測試結果，而環境溫度的影響不屬于電站建設的質量問題，因此，將PR值修正到25℃下的結果（即PRSTC）再作對比，按照CNCA/CTS 0016—2015規定的方法修正。

4 測試結果和分析

4.1 組件污漬和灰塵遮擋損失

在現場抽取5塊組件，在清洗前后進行I-V測試，結果如表2所示。

表2 組件清洗前后I-V測試結果

由結果可知，組件清洗后功率相比清洗前提高了7.28%，可見組件受到的污漬遮擋比較嚴重，現場外觀如圖2所示。

4.2 組件功率衰降率

在現場抽取5塊組件，在清洗后進行I-V測試，結果如表3所示。由結果可知，組件平均衰降比例為4.69%.目前，業內一般多晶硅組件廠家承諾首年平均衰降率不超過2.5%，之后每年衰降比例不超過0.7%，則運行2年6個月后組件的衰降比例應不超過3.55%.本項目的組件衰降比例明顯高于業內一般水平，可見組件的質量比較差。

圖2 清洗前后組件外觀照片

表3 組件功率衰降率測試結果

4.3 組串內光伏組件的串聯失配損失

選取一個組串，分別對所有組件以及組串進行測試，計算串聯失配損失，結果統計如表4所示。

表4 組串內光伏組件的串聯失配損失測試結果

由表4可知，組件STC最大功率之和為4 458.1 W，組串修正工作功率為4 391.0 W，由此計算串聯失配損失為1.51%.

4.4 多個組串并聯的失配損失

選取一個代表普遍情況的匯流箱（接入10路組串），分別對所有組串和匯流箱進行測試，計算匯流箱的失配損失，結果統計如表5所示。

由表5可知，10個組串STC最大功率之和為42 094.5 W，匯流箱修正工作功率為41 464.4 W，由此計算并聯失配損失為1.50%.

表5 多個組串并聯的失配損失測試結果

4.5 光伏組串到匯流箱的直流線損

從選定匯流箱所對應的組串中抽取近、中、遠3個組串進行檢測，計算直流線損的平均值，統計結果如表6所示。

表6 光伏組串到匯流箱的直流線損

由表6所示的計算結果可知，光伏組串到匯流箱的直流線損最近處為0.43%，最遠處為0.79%，平均值為0.58%.

表7 匯流箱到逆變器的直流線損

表8 逆變器加權效率計算表

4.6 匯流箱到逆變器的直流線損

從選定逆變器所對應的匯流箱中抽取近、中、遠3個匯流箱進行檢測，計算近、中、遠直流線損的平均值，結果統計如表7所示。

由表7所示的計算結果可知，匯流箱到逆變器的直流線損最近處為0.36%，最遠處為0.71%，平均值為0.48%.

4.7 逆變器加權效率

現場選取一臺500 kW集中式逆變器進行全天的轉換效率測試，測試結果參考青海經驗公式計算加權效率，計算結果如表8所示。

經計算，逆變器的加權效率為97.1%.

4.8 能效比（PR）和標準能效比（PRSTC）

本項目先在2017-12-09測試了1 d的PR和PRSTC，由于當時組件污漬遮擋比較嚴重，在2018-03由運維人員對電站的所有組件進行清洗后，測試組于2018-03-13進行復測，結果如表9所示。

表9 PR和PRSTC測試結果

4.9 測試結果匯總分析

對以上9個測試項目的結果進行匯總，如表10所示。

表10 測試結果匯總表

4.9.1 污漬遮擋的影響

2017-12-09第一次PR測試值僅為67.48%，在2018-03清洗組件后，PR值提高為74.64%.考慮到2017-12和2018-03組件背板溫度的不同對PR值的影響比較大，因此，進一步對比分析參考PRSTC值。在組件清洗前，PRSTC值為67.54%，清洗后為78.22%，由4.1所示的測試結果可知，清洗后的組件最大功率增長幅度為7.28%，而PRSTC增長幅度達到10.68%，大大高于組件功率的增長幅度，原因是嚴重的污漬遮擋不僅降低表面透過率，還會使組件溫度升高（如圖3所示，積灰的邊緣部位溫度高于其他部位），且組串的一致性變差，造成失配損失較高。本次在清洗前測得的串聯失配、并聯失配損失均為1.5%左右，高于其他類似項目的結果[6]。

4.9.2 組件功率衰降的影響

本項目的組件在運行2年6個月后功率衰降率達到4.69%，明顯高于業內3.55%的一般水平，由此推測組件存在一定的質量問題，因此，在現場抽檢了166塊組件的EL圖像。對EL結果的統計表明，62.5%均存在明暗片，5.6%存在碎片，典型的EL圖像如圖4所示。從圖4中可以看出，明暗片是造成組件功率衰降的最重要原因。明暗片還導致不同組件的一致性變差，這也進一步增加了失配的損失。

圖3 組件紅外熱成像照片

圖4 組件EL圖像

5 結束語

本文對一個廣東佛山地區的彩鋼瓦屋頂并網光伏電站進行系統的發電性能測試，分別測試了組件污漬和灰塵遮擋損失、組件功率衰降率、組串內光伏組件的串聯失配損失、多個組串的并聯失配損失、光伏組串到匯流箱的直流線損、匯流箱到逆變器的直流線損、逆變器加權效率、光伏電站能效比（PR）、光伏電站標準能效比（PRSTC）共9個項目。測試結果顯示，污漬遮擋損失比例為7.28%，其對電站能效比的影響最大；清洗組件后，PRSTC的增長幅度達到10.68%；組件的功率衰降率高于業內一般水平，其中，明暗片是造成功率衰降的最重要原因。

［1］李建華，王延軍.光伏電站系統性能測試原理及方法［J］.水電與新能源，2016（11）：73-75.

［2］梁健鋒，胡振球，黃浩鋒.并網光伏發電系統的可靠性評價［J］.科技傳播，2016，8（17）：192-194.

［3］宋玉萍，孟忠.太陽能光伏電站項目的評價方法及實證研究［J］.華北電力技術，2011（1）：30-34，44.

［4］楊威，楊洋.基于光伏組件衰減的多年發電量計算常見問題及探討［J］.太陽能，2016（8）：76-78.

［5］劉書強，董雙麗，林榮超.并網光伏逆變器效率現場試驗技術分析［J］.科技與創新，2016（14）：13-14.

［6］董雙麗，劉書強，林榮超，等.光伏方陣串并聯失配損失的測試與分析［J］.電子測試，2016（13）：129-130.

［7］林榮超，曾飛，曾嬋娟.光伏電站直流線損測試方法探討［J］.廣東科技，2015，24（18）：36-37.

［8］劉宏.基于能效比PR值增加光伏電站發電量的研究［J］.青海科技，2017，24（2）：18-24.

［9］白愷，李智，宗瑾，等.積灰對光伏組件發電性能影響的研究［J］.電網與清潔能源，2014，30（1）：102-108.

［10］胡振球，曾飛，戴穗，等.光伏電站現場組件紅外和電致發光測試的統計分析［J］.順德職業技術學院學報，2017，15（3）：5-8.

［11］中國質量認證中心，中國科學院電工研究所.CNCA/CTS 0016—2015并網光伏電站性能檢測與質量評估技術規范［S］.［出版地不詳］：［出版者不詳］，2015.