并网光伏系统性能精细化评估方法研究_李芬

第34卷第6期2013年6月太阳能学报ACTA ENEＲGIAE SOLAＲIS SINICAVol.34，No．6June ，2013收稿日期：2012-05-28基金项目：科技部2010年度公益性行业（气象）科研专项（GYHY201006036）；湖北省气象局科技发展基金青年项目（2012Q06）；国家自然科学基金（51177060）通讯作者：李芬（1984—），女，博士、工程师，主要从事可再生能源发电评估及功率预报技术方面的研究。

beckyhust@163．com文章编号：0254-0096（2013）06-0974-10并网光伏系统性能精细化评估方法研究李芬1，2，陈正洪2，蔡涛3，马金玉4，徐静2（1．上海电力学院电气工程学院，上海200090；2．湖北省气象服务中心，武汉430074；3．华中科技大学电气与电子工程学院，武汉430074；4．中国气象局工程咨询中心，北京100081）摘要：为综合评估并网光伏电站性能和效益，从太阳能资源和并网光伏系统运行角度引入、整合了一套完整的指标体系，探讨光伏发电潜能计算方法。

利用武汉站近30a （1981 2011年）气象资料、华中科技大学并网光伏电站（2010年1月 2011年12月）及湖北省气象局并网光伏电站（2011年4月 2012年3月）电量资料，对武汉市太阳资源分布特征和两座分布式并网光伏发电系统进行综合评价，结果表明：1）武汉近30a 年平均总辐射量为1151．2kWh /m 2，平均直射比为0．41，属于散射辐射较多地区；2）武汉近30a 平均最佳倾角为15ʎ，最佳倾角斜面总辐射量1175．0kWh /m 2，理论发电时数1175．0h ；3）华中科技大学并网光伏系统以40ʎ倾角安装，2010 2011年实际工况下两年平均PＲ（系统效率）为65．5%，阵列效率为9．8%，系统能效比为9．3%，容积因子为8．8%；湖北省气象局多晶硅并网光伏系统以15ʎ倾角安装，实际工况下年平均PＲ为73．5%，阵列效率为11．5%，系统能效比为10．7%，容积因子为10．1%；4）武汉以近30a 平均最佳倾角为15ʎ安装的屋顶分布式并网光伏系统，每kW 装机容量的年上网电量约为863．6kWh 。

关键词：并网光伏电站；太阳能辐射；直射比；最佳倾角；性能指标；上网电量中图分类号：TM615文献标识码：A0引言国际能源署（IEA ）在1993年启动了光伏发电项目（PVPS ）Task-2工作，对不同气候特征和地理环境的国家（欧洲国家、亚洲的日本、中东地区的以色列、南美洲的墨西哥等）多个不同类型光伏系统（并网光伏如分布式建筑集成/屋顶光伏、大型集中并网光伏电站，以及离网光伏系统）开展长期监测和多方位的研究［1，2］。

研究中给出一些描述光伏系统性能的指标和定义［3］，并于1998年形成正式的国际标准IEC 61724［4］。

参照IEC 标准推荐的3个归一化指标［5］———YＲ（理论发电时数）、YF （满发时数）和PＲ（系统效率），研究人员利用多年观测数据资料进行深入分析，得出一系列有意义的结论。

例如，关于计算并网光伏发电潜能（年上网电量）的关键因子年均PＲ：发现随着技术进步如并网逆变器性能的改善，全球PＲ呈现上升趋势，在德国年均PＲ从20世纪90年代的0．64增至21世纪初增加到0．74［6］；在近年研究中，对于按最佳倾角安装在屋顶和地面的并网光伏系统，IEA 则分别推荐年均PＲ为0．75和0．80［7］。

IEC 61724指标体系中提到了计算并网光伏系统上网电量的输入因子———理论发电时数，但对于其影响因素并未提及，该影响因素表面上是阵列倾角和朝向，而实际上由当地太阳能资源年总量以及分布形式决定。

目前，我国光伏业界在制定规划推算年上网电量时，往往直接下载使用国外的软件，如法国PVSYST 、加拿大ＲETScreen 等，其方法是黑匣子，原理不甚了解，或是语焉不详，既不交代计算依据，也不给出数据或方法来源（或资源评估数据来源不正或缺乏处理资源数据的相关知识），甚至出于商业目的，夸大计算结果。

气象部门拥有太阳能资源监测、预报及评估的天然优势，但往往局限于资源本身，对于面向工程应用不够深入。

而从2008年开始，我国光伏装机容量连续4年实现翻番，2011年6期李芬等：并网光伏系统性能精细化评估方法研究新增装机规模达到2GW，截至2011年底累计装机规模为3．1GW［8］，但市场开发存在乱象，在技术及评估至高点———标准和规范亟缺，一方面是缺乏涵盖资源和光伏电站性能的完整评估指标体系，另一方面缺乏我国权威、长期、可靠运行的光伏电站数据分析结果，这与我国光伏市场的繁荣和国际地位严重不符，2011年中国为全球仅有的6个新增光伏装机规模超过GW大国之一。

本文从太阳能资源（年总量及其主要分布）和并网光伏系统运行角度出发，引入并整合了一套完整的性能评估指标体系，对其实质和相互关系进行研究，定量计算出武汉市近30a平均最佳倾角，并推导了武汉并网光伏发电潜能计算方法（每千瓦装机容量的年上网电量）；可为光伏行业从业技术人员电站可研编制和优化设计、系统集成商/业主/投资者收益评估、系统维护人员运行管理以及电力部门制定光伏发电规划、调度等提供指导。

1资料与方法1．1资料来源电量资料分别取自华中科技大学电力电子研究中心（2005年建成）和湖北省气象局（2011年3月底试运行）屋顶分布式并网示范电站，两所光伏电站均就近接入低压市电电网，且两电站结构框图类似，图1为湖北省气象局示范电站示意图。

本文所选取的研究系统，其具体参数见表1。

华中科技大学电站资料时间为2010年1月 2011年12月，采样间隔为5min；其中，2010年1月1 6日和13图1湖北省气象局楼顶并网光伏发电系统框图Fig．1Schematic block diagram of HMB PV system15日、2月8 18日、6月16 19日、10月25 31日资料缺失；2011年1月19 24日、2月27 28日、9月23 24日资料缺失。

湖北省气象局电站资料时间为2011年4月 2012年3月，采样间隔为5min。

由于市电停电，2011年4月23 26日、6月5日、11月29日资料缺失。

表1华中科技大学和湖北省气象局并网光伏系统参数Table1The grid-connected PV system parameter of Huazhong university of science and technology（HUST）andHubei meteorological bureau（HMB）电站位置华中科技大学湖北省气象局组件材料多晶硅多晶硅单晶硅组件型号MSKPGC170MBG190DBG190组件标称效率/%14．214．914．9阵列峰值功率/kW p5．14．564．56阵列面积/m236．030．630．6并网逆变器型号SMC6000（德国SMA）SG5K（阳光）SG5K（阳光）逆变器欧洲效率/%95．193．6（含变压器）93．6（含变压器）阵列倾角/（ʎ）401515579太阳能学报34卷武汉市1981 2011年（缺1984年，后同）近30a的逐日、月、年的地面辐射观测资料（总、直、散）全部来自国家气象信息中心，所有数据均经过严格的质量控制和检查，质量良好。

2010 2012年逐时太阳辐射、气温、降水等实况资料来自武汉市气象站，该观测站位于武汉市东西湖慈惠农场。

考虑到武汉辐射和光伏发电实际情况（夜间不发电），计算月平均气温时取日间（07ʒ00 18ʒ00）逐时气温计算。

1．2指标定义及评估方法1）水平面直射比（ＲD），表示一段时间内，水平面直接辐射量与水平面总辐射量之比，它反映不同气候类型地区主要辐射形式和分布的差异，为不同地区根据辐射形式特点进行开发利用以及光伏系统优化（最佳倾角）提供依据［9］：ＲD =HDHH（1）式中，H D———一段时间内，单位面积水平面上接收的直接辐射量，kWh·m－2；H H———一段时间内，单位面积水平面上接收的总辐射量，kWh·m－2。

2）理论发电时数（YＲ），表示一段时间内，单位面积的光伏阵列倾斜面总辐射量与光伏电池标准测试条件下的标准辐射度之比［4］，亦称为倾斜面峰值日照时数（单位为h）：Y Ｒ=HAGSTC（2）式中，H A———一段时间内，单位面积的光伏阵列倾斜面接收的总辐射量，kWh·m－2；G STC———标准辐射度，其值为1kW·m－2。

3）满发时数（YF），表示一段时间内，并网光伏发电系统最终并网交流发电量（上网电量）与光伏系统额定功率（标称功率或峰值功率）之比（单位为kWh/kWp或h）［4］。

它是用光伏系统装机容量归一化后的上网电量，可用于不同装机容量光伏系统的比较。

Y F =EACPO（3）式中，E AC———一段时间内，并网光伏系统最终的并网发电量，kWh；P O———光伏系统额定功率（标称功率或峰值功率），也即在标准测试条件下（入射光为标准辐射度1kW·m－2、气温为25ħ、大气质量为AM1．5）光伏阵列最大输出直流功率，kWp。

4）系统效率（PＲ），表示一段时间内（一般取月或年），并网光伏系统的满发时数与理论发电时数之比，与光伏阵列所在地理位置、阵列倾角、朝向以及装机容量无关［3］。

它反映整个光伏系统的损失，包括低辐射度、高温、灰尘、积雪、老化、阴影、失配、以及逆变器、线路连接、系统停机、设备故障等产生的损失。

PＲ=YFYＲ（4）5）光伏阵列标称效率ηAO（%），标准测试条件下，光伏阵列额定功率与光伏阵列倾斜面接收的辐射度之比：ηAO=POGSTCSA（5）式中，S A———光伏阵列面积，m2。

6）光伏阵列效率ηA（%），表示在一段时间内，光伏阵列最大输出直流发电量和光伏阵列倾斜面接收的太阳总辐射量之比：ηA=EDCHASA（6）式中，E DC———一段时间内，光伏阵列最大输出直流发电量，kWh。

7）直流回路效率ηD（%），表示实际工况下光伏阵列效率与标称效率之比，如实反映光伏阵列受环境影响而产生的损失，包括低辐射度、高温、灰尘、积雪、老化、阴影、失配、线路连接等产生的损失：ηD=ηAηAO（7）8）逆变器效率ηI（%），表示一段时间内，并网逆变器输出的交流发电量与输入的直流发电量（即光伏阵列输出）之比：ηI=EACEDC（8）式中，E AC———一段时间内，并网光伏系统的并网发电量，kWh。

就近接入低压市电电网的并网光伏系统，可忽略交流连接线路损失，认为逆变器输出交流电量即为上网电量。

9）系统能效比ηe（%），表示一段时间内，并网光伏发电系统最终并网发电量与光伏系统倾斜面接收的太阳总辐射量之比，反映整个并网光伏系统对于单位入射辐射能量的最终利用效率。