溫度修正對光伏發(fā)電系統(tǒng)性能比影響分析

楊磊，周凱旋，賀凱，劉海濤

（中國科學(xué)院電工研究所，北京 100190）

0 引言

近年來，在全球降碳、減排的大背景下，光伏發(fā)電作為可再生、清潔能源得到迅猛發(fā)展。雖然光伏技術(shù)的革新促使光伏發(fā)電成本降低，但光伏發(fā)電由補(bǔ)貼上網(wǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)槠絻r(jià)上網(wǎng)，因此降低度電成本，提高收益成為當(dāng)前關(guān)注重點(diǎn)。光伏電站發(fā)電量關(guān)系著度電成本，影響最終收益。光伏系統(tǒng)性能比（Performance Ratio，PR）客觀反映了整個(gè)電站的發(fā)電效能，是目前國內(nèi)外評(píng)價(jià)光伏系統(tǒng)發(fā)電性能的關(guān)鍵綜合性指標(biāo)[1，2]。

由于光伏電站現(xiàn)場限電、檢測周期限定等情況，檢測單位通常現(xiàn)場安裝輻射表等氣象采集裝置和逆變器輸出采集裝置，通過短時(shí)間段（3 d，7 d等）的方陣發(fā)電量或未限電條件下電站總發(fā)電量計(jì)算系統(tǒng)PR來衡量光伏系統(tǒng)發(fā)電性能。這些測試時(shí)間短、不同月份環(huán)境溫度差異等情況造成不同時(shí)期測試結(jié)果存在明顯差異。主要是由于不同環(huán)境溫度下組件運(yùn)行溫度存在明顯差異，而組件溫度明顯影響組件光電轉(zhuǎn)換效率[3，4]，產(chǎn)生不同程度的溫升損失，影響光伏系統(tǒng)PR，最終影響系統(tǒng)發(fā)電量輸出[5]。

目前，IEC 61724-1 2016年版本中提出標(biāo)準(zhǔn)測試條件下（STC）性能比和年度溫度等效性能比，對實(shí)際測試PR進(jìn)行溫度修正，盡量減少溫度對光伏系統(tǒng)PR評(píng)價(jià)的影響，但其組件溫度采用平均值進(jìn)行計(jì)算，未充分考慮輻照度權(quán)重影響。NREL與SunPower公司基于Sandia模型提出系統(tǒng)PR氣象修正方法，以修正季節(jié)性偏差，進(jìn)一步提升系統(tǒng)PR測量結(jié)果的準(zhǔn)確度。NREL又根據(jù)美國氣候環(huán)境條件，提出美國測試條件（PTC：1 000 W/m2，20℃）下參考溫度，通過此參考溫度對光伏系統(tǒng)PR進(jìn)行修正[6，7]，提高系統(tǒng)PR測量評(píng)價(jià)準(zhǔn)確性。國內(nèi)檢測機(jī)構(gòu)主要采用標(biāo)稱測試條件下溫度修正系統(tǒng)性能比，組件溫度也主要采用平均值。

本文基于IEC 61724-1 2016中STC下性能比和年度溫度性能比修正方法的基礎(chǔ)上，通過實(shí)例數(shù)據(jù)驗(yàn)證分析，比較采用不同組件溫度計(jì)算方法和修正至不同溫度的方法，總結(jié)出準(zhǔn)確度較高的光伏系統(tǒng)PR溫度修正方法。

1 系統(tǒng)性能比（PR）計(jì)算方法

IEC 61724-1 2016中定義：性能比是系統(tǒng)等價(jià)發(fā)電時(shí)Yf與標(biāo)準(zhǔn)等價(jià)輻照時(shí)Yr比值[8]。表示系統(tǒng)由于方陣溫度、輻照度的不完全利用、系統(tǒng)部件失效或故障、系統(tǒng)平衡部件引起方陣的額定輸出損失而造成的綜合影響。計(jì)算式[8]為

式中：Eout為系統(tǒng)輸出發(fā)電量；P0為額定功率；Hi為總輻射量；Gi，ref為參考輻照度，定義為額定功率P0測試條件下輻照度，若P0是組件標(biāo)稱功率下總?cè)萘?，則Gi，ref為1 000 W/m2。

經(jīng)過式（1）計(jì)算后，系統(tǒng)PR最終可擴(kuò)展為系統(tǒng)輸出發(fā)電量Eout與理想發(fā)電量Eref的比值，其表達(dá)式為

式中：Gi，k為實(shí)時(shí)輻照度；τk為測試數(shù)據(jù)記錄間隔；k為記錄間隔次數(shù)；Eref為額定功率P0（裝機(jī)容量）與等價(jià)輻照時(shí)Yr乘積。

通過式（2）可以看出，系統(tǒng)PR計(jì)算未考慮組件運(yùn)行溫度影響。在輻照度Gi，k相同時(shí)，系統(tǒng)時(shí)刻輸出功率Pout，k決定著系統(tǒng)PR的大小，而Pout，k與組件轉(zhuǎn)換效率有關(guān),組件溫度越高，轉(zhuǎn)換效率越低[9，10]，進(jìn)而系統(tǒng)功率輸出也越低。實(shí)驗(yàn)室通過對組件溫度、輻照度矩陣進(jìn)行測試，將數(shù)據(jù)通過PVsyst模擬后，結(jié)果見圖1。

圖1 組件溫度、輻照度矩陣效率Fig.1 PV module temperature，irradiance matrix efficiency diagram

從圖1（a）中可以明顯看出，當(dāng)輻照度大于200 W/m2后，不同溫度下，組件最大功率點(diǎn)Pmax轉(zhuǎn)換效率隨著輻照度的變化比較小，相同輻照度下，組件溫度越高，組件轉(zhuǎn)換效率越低；從圖1（b）可以看出，在不同輻照度水平下，隨著組件溫度升高，組件轉(zhuǎn)換效率影響顯著，主要呈線性下降。組件的轉(zhuǎn)換效率的變化影響直接影響組件功率的輸出，最終影響系統(tǒng)PR，因此組件溫度是影響PR的重要因素。

在光伏系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中，輻照度、環(huán)境溫度、風(fēng)速、風(fēng)向等因素最終通過組件溫度變化來影響系統(tǒng)PR。并且不同季節(jié)、每天不同時(shí)刻，組件運(yùn)行溫度Tmod，k存在明顯差異，造成不同季節(jié)、不同天的系統(tǒng)PR可能存在明顯差異。這種差異造成采用實(shí)際測量系統(tǒng)PR評(píng)定系統(tǒng)的性能的不準(zhǔn)確性，為減少溫度影響，IEC 61724-1 2016中根據(jù)組件功率溫度系數(shù)和功率溫度修正關(guān)系，給出額定功率溫度補(bǔ)償系數(shù)，計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)測試條件下（簡寫STC：1 000 W/m2，25℃）性能比PRSTC[8]為

其中溫度補(bǔ)償系數(shù)Ck[8]為

2 實(shí)測溫度、平均溫度、加權(quán)平均溫度修正PR差異

2.1 實(shí)測PR、平均溫度PR、加權(quán)平均溫度修正日PR對比

組件溫度Tmod，k為測量周期內(nèi)組件實(shí)際平均溫度，或者根據(jù)環(huán)境溫度、風(fēng)速、輻照進(jìn)行計(jì)算得出。將式（4）代入式（3）進(jìn)行分析推導(dǎo)，最終得到STC性能比與實(shí)測系統(tǒng)性能比之間的關(guān)系：

式中：Ck′為溫度補(bǔ)償系數(shù)，其表達(dá)式為

式中：Tmod，k[11]為加權(quán)平均溫度，其表達(dá)式為

從式（7）可以看出，系統(tǒng)組件表面輻照度應(yīng)作為對組件溫度的影響權(quán)重來計(jì)算得到組件的加權(quán)平均溫度。溫度補(bǔ)償系數(shù)Ck′可以看做是PR修正系數(shù)，此系數(shù)與組件溫度、輻照相關(guān)。在實(shí)際應(yīng)用中，通常直接將Tmod，k作為平均溫度進(jìn)行計(jì)算。

利用實(shí)例電站記錄的數(shù)據(jù)，應(yīng)用式（7）計(jì)算，得到1 a內(nèi)光伏組件每天的加權(quán)平均溫度、平均溫度，如圖2所示。

圖2 平均與加權(quán)平均溫度對比Fig.2 Average and weighted average temperature comparison

從圖2可看出，由于加權(quán)平均溫度考慮日不同時(shí)刻輻照度的權(quán)重，其值明顯高于組件日平均溫度值，更符合輻照度高，影響組件溫度權(quán)重因子越高的規(guī)律[12]。

采用加權(quán)平均溫度、平均溫度，分別計(jì)算系統(tǒng)PR，并與實(shí)例電站系統(tǒng)實(shí)時(shí)PR對比，如圖3所示。

圖3 實(shí)測、加權(quán)平均、平均溫度PR對比Fig.3 PR comparison of measured,weighted average and average temperature

本文實(shí)例電站所在氣候區(qū)為寒溫氣候區(qū)，每日環(huán)境溫度及電量記錄時(shí)間為6：00-21：00，功率溫度系數(shù)取值為-0.32%/℃。

從圖2和圖3中平均溫度和實(shí)測PR曲線趨勢可看出，組件溫度變化趨勢與系統(tǒng)實(shí)測PR趨勢明顯相反，年中時(shí)期組件溫度比年初和年末偏高，而系統(tǒng)PR在年中時(shí)明顯低于年初和年末。這種現(xiàn)象主要是由于組件溫度影響組件效率，最終影響系統(tǒng)能量輸出所致。當(dāng)進(jìn)行全年不同時(shí)期短時(shí)間（3～7 d）系統(tǒng)PR測試時(shí)，此現(xiàn)象造成不同時(shí)期系統(tǒng)PR值不同，系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)準(zhǔn)確度不高。系統(tǒng)PR經(jīng)兩種計(jì)算溫度修正后都呈現(xiàn)出年中高，向年末、年初減小。與實(shí)測PR趨勢明顯相反，修正不同時(shí)期溫度的影響，測試評(píng)價(jià)結(jié)果更準(zhǔn)確。同時(shí)由于考慮輻照權(quán)重的影響，更能反映系統(tǒng)性能。

2.2 實(shí)測、平均溫度修正、加權(quán)平均溫度修正月度PR計(jì)算

當(dāng)計(jì)算系統(tǒng)一個(gè)月度PR或者一個(gè)時(shí)期內(nèi)PR時(shí)，也應(yīng)考慮不同天輻照量、溫度影響，以日占月度輻射量權(quán)重計(jì)算月度加權(quán)平均溫度。系統(tǒng)PR雖能夠反映系統(tǒng)故障等影響損失，但會(huì)影響對系統(tǒng)真實(shí)發(fā)電性能的計(jì)算和評(píng)價(jià)。在實(shí)際測試評(píng)價(jià)中計(jì)算日系統(tǒng)PR時(shí)，通常不對有明顯不合理日的系統(tǒng)PR進(jìn)行剔除，因?yàn)槠淇梢猿浞煮w現(xiàn)當(dāng)日系統(tǒng)運(yùn)行狀況，并且以日為單元的系統(tǒng)PR能夠清晰甄別問題，不影響日系統(tǒng)PR評(píng)價(jià)。如圖3中實(shí)測系統(tǒng)PR在一段時(shí)間內(nèi)某天明顯偏高或偏低現(xiàn)象，主要是由于陰雨天氣下組件溫度差異或故障、停電檢修等情況引起系統(tǒng)輸出的變化。但當(dāng)計(jì)算一個(gè)月或者一段時(shí)期的PR時(shí)，如果不剔除明顯不合理日（限電、設(shè)備故障等情況）的數(shù)據(jù)，會(huì)影響月度或者一段時(shí)期的系統(tǒng)真實(shí)PR評(píng)價(jià)。

圖4為系統(tǒng)月度PR，圖4（a）為未剔除不合理日的月度系統(tǒng)PR，能夠看出8月和9月的月度系統(tǒng)PR明顯偏離真實(shí)值，數(shù)據(jù)可靠度明顯降低。圖4（b）為剔除不合理日數(shù)據(jù)后計(jì)算得到的系統(tǒng)PR，其值符合當(dāng)?shù)夭煌碌南到y(tǒng)PR值變化值，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度較高。

圖4 系統(tǒng)月度PRFig.4 System monthly PR

實(shí)測、平均溫度修正、加權(quán)平均溫度修正后系統(tǒng)PR整體趨勢與日系統(tǒng)PR擬合趨勢線比較一致，都體現(xiàn)出實(shí)測PR年中偏低，年初和年末偏高；溫度修正后系統(tǒng)PR年中偏高，年初和年末偏低。也可以發(fā)現(xiàn)修正后PR趨勢曲線與光伏組件入射角效應(yīng)曲線形似，因?yàn)楣夥M件輸出功率受入射角效應(yīng)（IAM）影響[13，14]，存在IAM損失。由于地球公轉(zhuǎn)造成正午太陽高度角變化，相對于組件正表面法向方向的入射角度在年中時(shí)最小，年末入射角度最大，從而影響組件輸出效率，最終影響系統(tǒng)PR。

3 修正至年加權(quán)平均溫度、NMOT工作溫度與STC溫度PR對比

研究表明：溫度修正系數(shù)統(tǒng)一修正到25℃可能造成較大的修正誤差。因此本文需要考慮修正到不同溫度對光伏系統(tǒng)PR的影響和該修正方法實(shí)際操作性，以及是否能夠建立統(tǒng)一的修正溫度，盡量減少溫度對系統(tǒng)PR的評(píng)價(jià)影響。本文采用日加權(quán)平均溫度修正至年加權(quán)平均溫度、NMOT工作溫度與修正至STC溫度的系統(tǒng)PR進(jìn)行對比分析。

通過式（7）計(jì)算實(shí)例項(xiàng)目的組件年加權(quán)平均溫度為33.66℃，本文選取常規(guī)組件的工作溫度（Nominal Module Operating Temperature，NMOT）[15]為45℃。在實(shí)際測試過程中，由于大部分電站系統(tǒng)未對組件運(yùn)行溫度實(shí)時(shí)監(jiān)控，難以獲得全年組件每天不同時(shí)刻溫度，無法計(jì)算得到年加權(quán)平均溫度。借助PVsyst軟件，模擬當(dāng)?shù)叵到y(tǒng)狀況，得到以1 h為一個(gè)點(diǎn)下的輻射度和組件溫度模擬值，計(jì)算年加權(quán)平均溫度。根據(jù)PVsyst歷史數(shù)據(jù)計(jì)算，得到實(shí)例項(xiàng)目地（N36.18°，E100.58°，海拔2 904 m，組件傾角37°）模擬年加權(quán)平均溫度為36.34℃。

分別用33.66，45，36.34℃替代式（5）中的25℃后計(jì)算系統(tǒng)PR，剔除明顯異常數(shù)據(jù)后，結(jié)果如圖5所示。

圖5 修正至STC溫度、NMOT溫度、年加權(quán)平均溫度系統(tǒng)PR對比Fig.5 Corrected to the system PR comparison of STC temperature,NMOT temperature and annual weighted average temperature

從圖5可以看出：修正至STC溫度、NMOT溫度、實(shí)測年加權(quán)平均溫度、模擬年加權(quán)平均溫度下的4種系統(tǒng)PR結(jié)果趨勢一致；但是，修正至NMOT溫度PR大部分明顯在實(shí)測值下，偏離實(shí)際情況，不能準(zhǔn)確評(píng)價(jià)系統(tǒng)PR；修正至STC溫度的系統(tǒng)PR結(jié)果大部分在實(shí)測值之上，也存在偏離實(shí)際情況，不能準(zhǔn)確評(píng)價(jià)系統(tǒng)PR；修正至兩種年加權(quán)平均溫度下，系統(tǒng)PR均能夠修正組件運(yùn)行溫度過高或過低情況的PR，從而修正因不同月份溫度高低差異造成的結(jié)果偏差性，能夠較準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)系統(tǒng)PR，并且實(shí)測年加權(quán)平均溫度、模擬加權(quán)平均溫度兩種溫度之間差距較小，修正后PR結(jié)果也比較接近。所以本實(shí)例所在地或氣候類型地區(qū)的系統(tǒng)PR，在無法得到組件運(yùn)行全年加權(quán)平均溫度的情況下，可以采用PVsyst模擬的當(dāng)?shù)貎A斜面下輻照度、組件運(yùn)行平均溫度計(jì)算的年加權(quán)平均溫度來修正實(shí)測PR。

4 結(jié)論

本文針對光伏系統(tǒng)PR的溫度修正方法，通過實(shí)例驗(yàn)證分析，分析結(jié)果如下。

①當(dāng)輻照度≥200 W/m2時(shí)，組件溫度變化對光伏系統(tǒng)PR影響較大，并且不同月份、不同天的環(huán)境差異影響組件溫度不同，造成不同時(shí)間段所測試光伏電站系統(tǒng)PR存在明顯差異，影響系統(tǒng)性能評(píng)估準(zhǔn)確性，特別是現(xiàn)階段電站檢測周期短，以短時(shí)間（如3～7 d）測量來評(píng)價(jià)電站全年整體PR，存在較大偏差。

②由于輻照度對組件溫度的影響，考慮不同時(shí)段溫度、輻照度權(quán)重比的加權(quán)平均溫度，減小了輻照度差異對溫度的影響，利用其修正計(jì)算的系統(tǒng)PR準(zhǔn)確度高于平均溫度計(jì)算的系統(tǒng)PR。

③計(jì)算分析日系統(tǒng)PR時(shí)，通過系統(tǒng)PR數(shù)據(jù)的明顯異常偏差可以看出系統(tǒng)可能出現(xiàn)故障、限電等問題，但在計(jì)算多天、月等時(shí)段的PR時(shí)，需剔除明顯異常偏差日PR數(shù)據(jù)，避免限電、故障等問題影響長時(shí)段的PR的分析評(píng)估準(zhǔn)確性。

④通過修正至STC溫度、NMOT溫度、實(shí)測年加權(quán)平均溫度、模擬年加權(quán)平均溫度的系統(tǒng)PR對比，修正至年加權(quán)平均溫度下的系統(tǒng)PR更能較準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)系統(tǒng)PR。在無法獲取實(shí)際組件運(yùn)行溫度、輻照度的情況下，可以采用軟件模擬的全年的每日時(shí)溫度、輻照度計(jì)算年加權(quán)平均溫度。