光伏并网电站系统效率研究与应用

李润良

摘 要：太阳能光伏发电是当前利用新能源的主要方式之一，大型光伏并网发电是光伏发电的发展趋势。光伏电站的发电效率是直接影响系统造价和收益的重要因素。光伏发电成本的降低并非单纯取决于电池组件光电转换率的高低，善于利用综合技术、提高发电效率是与提高光伏组件转换效率同等重要的课题。应该按照不同的安装环境，优化选择太阳能电池组件、逆变器、交流配电设备等主要设备，优化设计方案，以使发电效率达到更理想的水平。所以，如何有效的测算、提高光伏电站系统效率，成为太阳能利用中一个重点问题。文章以光伏发电系统效率为研究对象，通过建立数学模型对光伏发电系统效率进行研究。

关键词：光伏；发电系统；系统效率；测算；应用

引言

目前，在世界能源结构中，人类主要利用的能源是化石能源如煤炭、石油、天然气，另外还有核能、太阳能、水能，其他的可再生能源只占微乎其微的一小部分。其中石油、天然气、煤炭的消费构成分别为41%、23%和27%。根据目前所探明的储量和消耗量计算，这些能源仅可供前世界大约消耗170年。

在这样的背景下，太阳能作为一种巨量的可再生能源，引起了人们的重视。太阳能以其清洁、无污染，而且取之不尽、用之不竭等优点越来越得到人们的关注。全球能源专家们一致认定：太阳能将成为21世纪最重要的能源之一。据欧洲委员会联合研究中心（JRC）预测，到2100年，太阳能在整个能源结构中将占68%的份额。太阳能的利用方式很多，而太阳能发电是太阳能利用中最为关注的焦点。

2 光伏并网系统应用现状

2.1 全球应用现状

太阳能光伏发电产业自20世纪80年代以来持续高速发展，世界光伏产业已成为当今世界最受关注、增长幅度最快的能源产业之一。

进入21世纪以来，世界光伏市场发生了很大变化，开始由主要为边远农村地区和通信设备、气象台站、航标灯等特殊应用领域解决供电问题，逐步向并网发电和与建筑相结合的常规供电方向及商业化应用方向发展。至2010年，全球光伏发电并网装机容量达到15GW，至2030年，全球光伏发电装机容量将达到300GW；至2040年，光伏发电将达到全球发电总量的15%-20%。为了鼓励太阳能的开发和利用，世界各国政府分别积极制定各种优惠政策来推动太阳能光伏发电的发展。

2.2 国内应用现状

近年来，得益于欧美光伏市场的拉动，我国太阳能光伏产业发展十分迅速，光伏电池年产量已位居世界第一，连续5年的年增长率超过100%。2007年至今，中国已连续4年光伏电池产量居世界首位。2010年，中国光伏电池产量已超过全球总产量的50%。而与之相对，作为光伏制造大国，中国的光伏市场发展相对迟缓，甚至可以说严重落后于光伏产业的发展，截至2008年底，中国累计光伏装机量仅为145MW。

过去的两年内，随着光伏发电成本下降，中国过程光伏市场的政策也取得了一些重要进展。2009年底，国家首个光伏特许权项目-甘肃敦煌10MW并网光伏发电项目由我公司以1.0928元/度的价格竞标成功，由此拉开了中广核太阳能开发有限公司跨步发展的新篇章。

2011年8月1日，国家发改委对外公布了光伏发电标杆上网电价1.15元/度，至此中国光伏市场必将大规模启动。我公司锡铁山项目一、二、三期共投资建成100MW大型并网光伏电站，日发电量大于60万度，是目前为止全世界最大的已投产光伏并网发电站。

3 太阳能光伏发电系统概述

3.1 太阳能光伏发电系统的组成

太阳能光伏发电系统是利用太阳能电池的光生伏打效应，将太阳光辐射能直接转换成电能的一种新型发电系统，一般是由太阳能电池组件、逆变器和交流配电系统构成。

3.1.1 太阳能电池组件：太阳能电池是太阳能光伏发电系统中的核心部分，其作用是将太阳能直接转换为电能。太阳能电池的转换效率和成本是光伏发电研究过程中的两个重要指标。

3.1.2 逆变器：逆变器是将直流电变成交流电的设备。

3.1.3 交流配电系统：交流配电系统包括电力变压器、电力电缆、开关等。

3.2 大型并网光伏发电系统

并网光伏发电系统是太阳能光伏发电进入大规模商业化发电阶段，成为电力工业组成部分之一的重要方向，是当今世界太阳能光伏发电技术发展的主流趋势。目前，在世界范围内，开始大量建设兆瓦级并网光伏发电系统。

4 影响光伏电站发电量的主要因素

4.1 光伏阵列效率

光伏阵列的直流输出功率与标称功率之比。光伏阵列在能量转换与传输过程中影响光伏阵列效率的损失主要包括：组件匹配损失、表面尘埃遮挡损失、不可利用的太阳辐射损失、温度的影响以及直流线路损失等。

4.2 逆变器的转换效率

逆变器输出的交流电功率与直流输入功率之比。影响逆变器转换效率的损失主要包括：逆变器交直流转换造成的能量损失、最大功率点跟踪（MPPT）精度损失等。

4.3 交流配电设备效率

即从逆变器输出至高压电网的传输效率，其中影响交流配电设备效率的损失最主要是：升压变压器的损耗和交流电气连接的线路损耗。

4.4 系统发电量的衰减

晶硅光伏组件在光照及常规大气环境中使用造成的输出功率衰减。在光伏电站各系统设备正常运行的情况下，影响光伏电站发电量的主要因素为光伏组件表面尘埃遮挡所造成太阳辐射损失。

5 光伏电站发电效率测试原理及数学模型

5.1 光伏电站整体发电效率测试原理

整体发电效率PRE公式为：

-PDR为测试时间间隔（？驻t）内的实际发电量；

-PT为测试时间间隔（？驻t）内的理论发电量；endprint

理论发电量PT公式中：

T=■，为光伏电站测试时间间隔（？驻t）内对应STC条件下的实际有效发电时间；

-P为光伏电站STC条件下组件容量标称值；

-IO为STC条件下太阳辐射总量值，IO=1000w/m2；

-Ii为测试时间内的总太阳辐射值。

5.2 测试系统技术要求

5.2.1 气象设备

（1）气象参数测试装置应符合QX/T 45-2007的要求。

（2）气象参数测试装置应能测量辐射量、温湿度、风速等气象数据。

（3）气象参数测试装置具备一定的数据处理能力，能提供水平总辐射、散射、直射的瞬时值、小时累积值及全天累积值；能提供斜面总辐射的瞬时值、小时累积值及全天累积值；温度全天平均值；风速全天平均值。

（4）气象测光设备需经过法定机构标定，结论合格。水平传感器安装应经过调整水平合格，斜面传感器应与现场组件安装角度一致。

（5）气象测光设备应经常进行维护，保证测试数据的准确性。

5.2.2 电气测量仪表

（1）电气测量仪表应符合IEC61000-4-30-2003 ClassA级要求。

（2）电气测量仪表应经过法定计量检定机构检定合格。

6 实际应用

需计算的气象数据和电测数据上传综自系统，在综自内进行计算，计算公式：

Pt，光伏电站实时功率，综合测控装置获得；P，光伏电站STC条件下光伏电站实际投入运行容量；

P=（K1+K2+K3+…+Kn）*Pn，Kn：第n台逆变器启停状态，启动为1，停止为0，Pn：逆变器额定功率（0.5WM）。

Ti，光伏电站间隔时间Δt内有效发电小时数；Ii，间隔时间Δt内斜面总辐射量，Ii=Ep*Δt，Ep为1分钟斜面辐射强度，由气象检测仪获得；

I0=1000w/m2，STC条件下辐射强度。

7 测试成果

7.1 综自系统生成西北地区某光伏电站的系统效率曲线，通过直观的曲线，能够分析一个辐照度周期能的系统效率。

7.2 综自系统生成西北某光伏电站月实际发电量和理论发电量对比曲线模型（图2）和整月系统效率曲线（图3）。通过整月系统效率可以分析，组件污染程度等，为运行维护提供数据。各个电站的横向比较，可以为设计优化提供最佳方案。

8 结束语

太阳能作为新型的绿色可再生能源，具有储量大、寿命长、无污染的优点，将太阳能用于发电已成为人们普遍关注的焦点。随着光伏市场的迅速发展，光伏发电系统效率的测算与提高将会越来越多的得到重视。如何更大效率的利用太阳能，如何保证光伏系统设计优化，将是一个需要不断深入研究探索的课题。endprint

理论发电量PT公式中：

T=■，为光伏电站测试时间间隔（？驻t）内对应STC条件下的实际有效发电时间；

-P为光伏电站STC条件下组件容量标称值；

-IO为STC条件下太阳辐射总量值，IO=1000w/m2；

-Ii为测试时间内的总太阳辐射值。

5.2 测试系统技术要求

5.2.1 气象设备

（1）气象参数测试装置应符合QX/T 45-2007的要求。

（2）气象参数测试装置应能测量辐射量、温湿度、风速等气象数据。

（3）气象参数测试装置具备一定的数据处理能力，能提供水平总辐射、散射、直射的瞬时值、小时累积值及全天累积值；能提供斜面总辐射的瞬时值、小时累积值及全天累积值；温度全天平均值；风速全天平均值。

（4）气象测光设备需经过法定机构标定，结论合格。水平传感器安装应经过调整水平合格，斜面传感器应与现场组件安装角度一致。

（5）气象测光设备应经常进行维护，保证测试数据的准确性。

5.2.2 电气测量仪表

（1）电气测量仪表应符合IEC61000-4-30-2003 ClassA级要求。

（2）电气测量仪表应经过法定计量检定机构检定合格。

6 实际应用

需计算的气象数据和电测数据上传综自系统，在综自内进行计算，计算公式：

Pt，光伏电站实时功率，综合测控装置获得；P，光伏电站STC条件下光伏电站实际投入运行容量；

P=（K1+K2+K3+…+Kn）*Pn，Kn：第n台逆变器启停状态，启动为1，停止为0，Pn：逆变器额定功率（0.5WM）。

Ti，光伏电站间隔时间Δt内有效发电小时数；Ii，间隔时间Δt内斜面总辐射量，Ii=Ep*Δt，Ep为1分钟斜面辐射强度，由气象检测仪获得；

I0=1000w/m2，STC条件下辐射强度。

7 测试成果

7.1 综自系统生成西北地区某光伏电站的系统效率曲线，通过直观的曲线，能够分析一个辐照度周期能的系统效率。

7.2 综自系统生成西北某光伏电站月实际发电量和理论发电量对比曲线模型（图2）和整月系统效率曲线（图3）。通过整月系统效率可以分析，组件污染程度等，为运行维护提供数据。各个电站的横向比较，可以为设计优化提供最佳方案。

8 结束语

太阳能作为新型的绿色可再生能源，具有储量大、寿命长、无污染的优点，将太阳能用于发电已成为人们普遍关注的焦点。随着光伏市场的迅速发展，光伏发电系统效率的测算与提高将会越来越多的得到重视。如何更大效率的利用太阳能，如何保证光伏系统设计优化，将是一个需要不断深入研究探索的课题。endprint

理论发电量PT公式中：

T=■，为光伏电站测试时间间隔（？驻t）内对应STC条件下的实际有效发电时间；

-P为光伏电站STC条件下组件容量标称值；

-IO为STC条件下太阳辐射总量值，IO=1000w/m2；

-Ii为测试时间内的总太阳辐射值。

5.2 测试系统技术要求

5.2.1 气象设备

（1）气象参数测试装置应符合QX/T 45-2007的要求。

（2）气象参数测试装置应能测量辐射量、温湿度、风速等气象数据。

（3）气象参数测试装置具备一定的数据处理能力，能提供水平总辐射、散射、直射的瞬时值、小时累积值及全天累积值；能提供斜面总辐射的瞬时值、小时累积值及全天累积值；温度全天平均值；风速全天平均值。

（4）气象测光设备需经过法定机构标定，结论合格。水平传感器安装应经过调整水平合格，斜面传感器应与现场组件安装角度一致。

（5）气象测光设备应经常进行维护，保证测试数据的准确性。

5.2.2 电气测量仪表

（1）电气测量仪表应符合IEC61000-4-30-2003 ClassA级要求。

（2）电气测量仪表应经过法定计量检定机构检定合格。

6 实际应用

需计算的气象数据和电测数据上传综自系统，在综自内进行计算，计算公式：

Pt，光伏电站实时功率，综合测控装置获得；P，光伏电站STC条件下光伏电站实际投入运行容量；

P=（K1+K2+K3+…+Kn）*Pn，Kn：第n台逆变器启停状态，启动为1，停止为0，Pn：逆变器额定功率（0.5WM）。

Ti，光伏电站间隔时间Δt内有效发电小时数；Ii，间隔时间Δt内斜面总辐射量，Ii=Ep*Δt，Ep为1分钟斜面辐射强度，由气象检测仪获得；

I0=1000w/m2，STC条件下辐射强度。

7 测试成果

7.1 综自系统生成西北地区某光伏电站的系统效率曲线，通过直观的曲线，能够分析一个辐照度周期能的系统效率。

7.2 综自系统生成西北某光伏电站月实际发电量和理论发电量对比曲线模型（图2）和整月系统效率曲线（图3）。通过整月系统效率可以分析，组件污染程度等，为运行维护提供数据。各个电站的横向比较，可以为设计优化提供最佳方案。

8 结束语

太阳能作为新型的绿色可再生能源，具有储量大、寿命长、无污染的优点，将太阳能用于发电已成为人们普遍关注的焦点。随着光伏市场的迅速发展，光伏发电系统效率的测算与提高将会越来越多的得到重视。如何更大效率的利用太阳能，如何保证光伏系统设计优化，将是一个需要不断深入研究探索的课题。endprint