基于PVSYST的光伏發電系統仿真研究

余茂全， 張 磊

(安徽水利水電職業技術學院,安徽 合肥 231603)

與傳統的火力、水力發電系統相比,光伏發電的優點主要體現于:無枯竭危險、安全可靠,不受資源分布地域的限制、無需消耗燃料和架設輸電線路即可就地發電供電、能源質量高、建設周期短,獲取能源花費的時間短[1-3]。目前,在光伏電站開發前期,選址和收益估算非常重要,而直接影響投資收益估算的最重要因素之一為發電量預測[4-7]。市場上有許多光伏電站發電量計算軟件,其中最常用的主要是PVSYST軟件,本文基于PVSYST軟件在合肥地區建立30kW屋頂光伏項目仿真模型,對光伏屋頂并網系統進行研究,分析了合肥地區的氣象數據、光伏組件的參數設置,并得出實際全年30kW屋頂光伏項目的發電量及經濟效益。

1 系統設計參數

1.1 合肥地區的氣象數據

合肥地區位于東經 117.23°,北緯 31.86°,海拔32 m。表1列出的氣象數據來源于瑞士的Meteonorm軟件,相對于美國國家航空航天局(NASA)數據庫,通過與氣象站同期觀測數據相比,Meteonorm數據更接近于實際值。光伏電站的發電量預測采用Meteonorm數據,其發電量預測值更接近于實際電站發電量,從而提高了投資收益測算的準確性,降低了投資風險。

表1 合肥地區月均氣象數據

1.2 系統工程參數設計

本仿真系統選擇功率為290W的組件,30kW的逆變器。假設項目位于屋頂空曠地帶,無遮擋,建立起合肥地區的30kW 屋面光伏發電系統的仿真模型。屋頂混凝土的反射率選擇為0.3,系統發電按照全額上網的形式分析。

2 30kW光伏發電系統組成

2.1 30kW光伏發電系統結構圖

本仿真系統采用并網光伏發電系統。并網光伏發電系統就是太陽能組件產生的直流電經過并網逆變器轉換成符合市電電網要求的交流電之后直接接入公共電網。是由太陽能電池方陣，逆變器，交流配電柜等設備組成。系統結構圖如圖1所示。

圖1 30kW并網光伏發電系統結構圖

2.2 設備選型

(1)逆變器。逆變器選用Sungrow的SG30KTL-M型逆變器,具備孤島保護、低電壓穿越、交流短路保護、漏電流保護、電網監控、組串檢測、PID修復及浪涌保護等保護功能。采用無變壓器隔離方式,額定電網頻率50Hz/60Hz,逆變器具體參數如表2所列。

表2 逆變器參數表

轉換效率是指在規定的測試周期TM內,光伏逆變器在交流端口輸出的電能與在直流端口輸入的電能的比值,計算公式如式(1)。

(1)

其中Pac(t)為逆變器在交流端口輸出功率的瞬時值,Pdc(t)為逆變器在直流端口輸入功率的瞬時值,η為轉換效率。

逆變器的效率特性曲線如圖2所示,橫軸為逆變器的直流輸入功率,縱軸為逆變器的轉換效率,由圖2可見逆變器在直流輸入功率大于9kW至額定30kW功率之間時,轉換效率約為98.5%。但當逆變器直流輸入功率小于4kW時,逆變器的轉換效率下降非常明顯。

圖2 逆變器的效率特性曲線

(2) 光伏組件。光伏組件選用Trina Solar的TSM-295DD05A型組件,外形尺寸為1650mm×992mm×35mm, 組件面積1.637m2,每塊組件包含太能能電池片數量為60個,組件最大功率 295W, 工作電流9.08A,工作電壓 27V,短路電流9.55A,具體參數如表3所示:

表3 光伏組件參數表

光伏組件按照每13塊組件串聯后接入逆變器,分8路組串輸入,陣列共計接入104塊組件,陣列最大功率31kW。隨著太陽能電池片溫度的增加,光伏組件的轉換效率隨之下降,組件在標準25oc溫度下的最大轉換效率在18.03%。

圖3 光伏組件的伏安特性曲線

由于太陽能電池的電壓與電流并不是線性的關系,且在不同的大氣條件下,因日照量與溫度不同,每個工作曲線都不一樣,每個工作曲線均有1個不同的最大功率點,在太陽能光伏發電系統中,通常要求太陽能電池的輸出功率始終最大,即系統要能跟蹤太陽能電池輸出的最大功率點。圖3所示為光伏組件的伏安特性曲線,由圖3可見3個圓圈點分別為光伏組件的短路電流點電流為9.55A,最大功率點,開路電壓點電壓為39.7V。

(3)組件方位平面。光伏系統設計中通常有3大類光伏支架:固定傾角支架、單軸跟蹤支架、雙軸跟蹤支架。跟蹤支架可以根據季節和每日的太陽角度來調整方位角或傾角進而獲得一定的的發電量提升,但也有相對更高的造價和故障率。考慮光伏系統跟蹤型支架和固定傾角支架的發電性能與經濟性、可靠性,一般中小規模電站選擇固定傾角支架。本設計光伏組件采用固定傾斜平面安裝形式,經過調節可以看到,在合肥地區為獲得最大功率輸出,方位角應選擇0°,傾斜角選擇26°。此時的轉換因子為1.06,相對與最佳狀態的的損失量為0.0%。

圖4 傾斜角和方位角發電量的影響

3 系統建模與仿真結果

3.1 建模與仿真流程

圖5 建模及仿真流程圖

系統仿真是以合肥地區全年的氣象資料為依據,利用PVSYST軟件對30kW光伏屋頂并網系統進行的仿真設計,首先確定項目工程的系統參數,比如安裝屋頂的折射率、面積等,再選擇好光伏組件和逆變器的型號參數,然后分析1整年不同季節太陽不同輻射量的情況,再進行損失分析,發電量統計,最終得出整套系統的全年發電量。

3.2 仿真結果

(1)系統發電效率分析。圖6為不同月份的系統發電效率。影響光伏電站發電量因素主要是太陽輻射量、太陽能電池組件的傾斜角度、太陽能電池組件轉化效率以及系統損失等。光伏發電系統在實際應用中,其發電性能受自然環境的影響很大,其中太陽能電池組件的工作溫度是影響光伏發電系統性能的主要因素之一。由圖6可見,在7月和8月,由于溫度的升高引起了電壓損失和功率損失,進而造成系統效率較低,可通過合理設計和安裝太陽能電池組件來降低溫度的影響,也可通過設計合理的太陽能光伏發電充放電控制器來實現太陽能電池方陣最大功率跟蹤來精確跟蹤工作電壓和功率波動,發揮太陽能電池最大效能,并增加溫度補償功能。

圖5建模及仿真流程圖 圖6不同月份的系統發電效率

(3) 并網功率分析。表4為系統每月的分時發電量,縱軸為月份,橫軸為每天的小時。

表4 系統分時發電量 kWh

經使用PVSYST仿真分析,可得到每kW組件日發電量為3.18kWh/kW/day,組件電能損失量為0.40kWh/kW/day,系統電能損失量為0.07kWh/kW/day,系統效率為87.2%,每kW組件年發電量為1162kWh/kW/year,系統年總發電量為35.6MWh/year。如按照光伏上網電價0.75元/kWh計算,得出合肥地區30kW屋頂光伏系統1年的總收入為26700元。

4 結 論

本文基于PVSYST軟件,計算仿真得出合肥地區30kW屋頂光伏系統的年發電量,通過對屋頂系統的仿真計算,得出光伏組件最優排列,從而獲得最大的年發電量,降低損失。對于實際的屋頂光伏電站的設計施工具有一定的參考意義。