并網型分布式太陽能光伏電站運行特征分析*

李 清，劉俊峰

（南通理工學院電氣與能源工程學院，江蘇 南通 226001）

0 引言

近年來，光伏發電迅猛發展，已經成為新能源發電的重要組成部分，而且隨著“碳達峰”和“碳中和”計劃的實施，預計光伏電站將迎來新的建設高峰期[1-2]。光伏電站的工作性能主要受到光照強度、溫度等氣象條件的影響，因此，一年中不同月份、一月中不同日子、一天中不同時間段，光伏電站的工作狀態都會存在明顯的差異[3]。準確地分析不同條件下各時間段光伏電站的運行參數，對于光伏電站的設計、運營與維護以及發電量的預測有著重要的意義[4]。

不同于傳統的火力發電和水力發電，光伏發電的功率輸出存在明顯的間歇性和波動性特征，進而會影響電氣設備的工作穩定性[5-6]。本研究著眼于此，針對不同天氣條件下的光伏電站，對其一年中的運行數據進行監測，分析電站一年中發電量的季節性分布特征，研究影響光伏電站運行穩定性的因素。研究結論與建議將會為光伏電站的設計選址、運營和維護等方面提供參考。

1 研究對象

如圖1所示，以南通理工學院2 kW分布式光伏示范電站為研究對象。該電站由10塊光伏組件串聯而成，單塊光伏組件的開路電壓Voc=45.21 V，短路電流Isc=5.72 A，最大功率Pmax=200 W。

圖1 2 kW分布式光伏電站

2 結果與分析

2.1 發電量

通過對2 kW光伏單晶硅固定電站一整年的運行數據進行監測，統計每天每個時間段的發電量，得到每月的總發電量，從而獲得該電站一年的運行趨勢，如圖2所示。從圖中可以看出，一年中每個月的發電量呈現明顯的波動，這是由于南通地區屬亞熱帶季風氣候，受海洋性氣候影響，四季分明，從而導致光伏電站的運行呈現季節性變化特點。1—4月份氣象條件逐漸變好，光照強度增大，溫度升高等，從而使得1—4月份光伏電站的發電量逐月呈現明顯的增長趨勢。8—12月份進入秋冬季節，天氣條件逐漸變差，因此，8—12月光伏電站的發電量逐月呈現明顯的降低趨勢。

圖2 一年中各月發電量

但是，5月份和7月份的發電量出現很明顯的下降，一方面，這是由于雷雨天氣時為保護電站，將電站停止運行；另一方面，是由于電站出現故障，進行了停機維護。實際上，5月份電站只工作了16天，7月份工作了28天。6月份并沒有發生電站停機維護等情況，且正值夏季，理論上氣候條件更好，尤其是太陽的輻照度更大，但實際上的發電量反而較低，這就與南通地區的氣候特點有關。6月份南通地區的雨水量較大，光照條件實際并不好。如圖3所示，為南通理工學院自動氣象站監測到的6月份每天的太陽最大輻照度分布，由于傳感器故障造成部分數據丟失，只獲取到6月13日到6月30日的輻照強度，但這些數據仍然能夠說明問題。從圖中可以看出，每天的太陽輻照度波動性明顯，變化幅度較大。在這18天中，太陽輻照度最大值超過1 000 W/m2的僅有6天，輻照度最大值低于600 W/m2的有7天，這就導致光伏電站實際的有效工作天數較少。因此，6月份的發電量相對較低。

圖3 6月份每天太陽最大輻照度

2.2 光伏電站運行因素分析

2.2.1 輻照度

如圖4所示，為某2 h時間間隔，天氣溫度相差2℃范圍內，太陽輻照度與光伏電站運行功率之間的關系。從圖中可以看出，隨著太陽輻照度降低，光伏電站的發電功率也隨之減小，整體呈近似線性趨勢變化。當太陽輻照度低于1 000 W/m2時，光伏電站的實際發電功率僅為1 400 W，遠低于光伏電站的2 kW的設計功率。當輻照度為800 W/m2時，光伏電站的工作功率僅為設計功率的1/2。由此可以看出，太陽輻照度是保證光伏電站高效率發電的關鍵因素。因此，在設計光伏電站時應充分考慮當地的太陽能資源，從而可以縮短投資回報周期。

圖4 不同輻照度條件下光伏電站的功率變化

2.2.2 溫度

在監測的一年數據中，選取正午12點到13點時間段內太陽輻照度差距在10 W/m2內、溫度不同時的光伏電站實際的運行功率作為一組數據進行分析，如圖5所示。從散點圖的對比中可以看出，當溫度較低時，光伏電站的工作功率相對較高；當溫度升高時，功率相對降低。可以說明光伏電站的光電轉換效率隨著溫度的上升而降低，該規律符合太陽能電池的溫度效應。由于電站在實際運行過程中，可能存在云的遮蔽現象，導致圖中個別數據與所分析的規律不一致。同時，由于不同季節和不同時間的太陽高度角和方位角不同，本研究分析的數據是電站實際運行情況下采集的數據，無法嚴格地進行變量控制，所列的數據只能作為電站運行的參考。

圖5 不同溫度條件下光伏電站的功率

2.2.3 覆蓋率

如圖6所示，為某一次下雪過后，光伏電站中的太陽能組件表面完全覆蓋雪以及除雪后的對比效果。

圖6 除雪前后對比圖

對短時間內光伏電站的運行狀態進行監測，獲得三種雪覆蓋情況下的光伏電站的工作電壓、電流和功率，如表1所示。從表中可以看出，光伏電站中的太陽能組件被雪完全覆蓋時，光伏電站仍然能夠保持低功率運行發電。隨著表面覆蓋的雪量減少，光伏電站的工作電流明顯地在增大，工作電壓沒有顯著的變化，從而使得光伏電站的工作功率大幅度提高，進一步地保證了電站的發電量。因此，不論是在雨雪天氣，還是電站建造在沙漠等塵沙較多的區域，都應及時地對太陽能組件表面進行清理，使得光伏電站始終能夠保持良好的狀態運行，從而保證電站的發電量。

表1 太陽能組件表面除雪前后運行數據

3 結論與建議

1）光伏電站運行季節性特征明顯，不同季節發電量波動較大，在光伏電站設計之初應充分評估地區的太陽能資源。

2）光伏電站的運行穩定性受到光照條件、溫度、云層等氣象條件的影響。因此，光伏電站設計時應兼顧經濟效益和系統效率。