基于温度修正的光伏电站发电性能评价指标对比分析

陈建国，张金剑，虞立涛

(苏州中康电力开发有限公司，江苏 张家港　215600)



基于温度修正的光伏电站发电性能评价指标对比分析

陈建国，张金剑，虞立涛

(苏州中康电力开发有限公司，江苏 张家港215600)

摘要：系统效率(PR)指标是常用的电站评价参数，目前关于光伏电站PR的计算普遍按照IEC61724—1998《光伏系统性能监测、测量、数据交换和分析导则》的规定进行计算，而未考虑组件电池片温度的影响，故在冬季和夏季会造成PR计算值和实际值存在差异。在传统PR公式的基础上增加了温度修正因子，对比了不同温度修正方法的结果，得出Sunpower温度修正法准确度相对较高的结论，并对不同电池片温度计算方法进行了探讨。

关键词：光伏电站；系统效率；温度修正；电池片

1系统效率(PR)指标背景介绍

近年来，我国光伏电站年新增装机容量比往年有所提升，2014年新增装机容量在全球排列第一。但在国内光伏市场一片繁荣的同时，全国性的、统一的、完善的光伏电站评价标准体系尚未真正跟上步伐，其原因一方面是由于国内对环境资源数据的采集重视不够，发电场所没有配备精确采集太阳辐照资源、组件温度、环境温度等气象指标的监控设施，另一方面缺乏对光伏电站发电性能正确、完整的评估方法，同时也缺乏长期可靠运行的光伏发电数据。

1998年，国际能源总署(IEA)发布IEC61724—1998《光伏系统性能监测、测量、数据交换和分析导则》[1]，规定了3个光伏发电站发电性能指标，分别是理论发电小时数Yr(或称标准等价发电小时数)、满发小时数Yf(或称系统等价发电小时数)和系统效率PR，定义见表1。其中Yr是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照度之比，也称方阵峰值日照小时数，从一定程度上反映了当地的辐照水平；Yf表示一段时间内并网光伏发电系统最终并网的交流发电量与光伏系统的额定功率之比，单位为h，EAC是光伏系统装机容量归一化后的发电量，可用于不同装机容量的光伏系统的比较，也称为发电能力；PR又称质量因数，是评价光伏电站效率最重要的指标之一，是电站实际输出功率与理论输出功率的比值，反映整个电站扣除所有损耗后(包括辐照损失、线损、器件损耗、灰尘损失、热损耗等)实际输入到电网电能的一个比例关系。电站的PR值越接近100%，说明该电站的运行效率越高，但由于有些损耗是不可避免的，所以现实情况下PR不可能达到100%，一般情况下，运行较好的并网光伏电站PR能够达到80%及以上。

表1　光伏发电性能评价指标参数的定义

注:Ht为阵列斜面总辐射量，(kW·h)/m2；EAC为最终交流发电量，kW·h；P0为光伏电站标准测试条件(STC)下的额定功率(或称光伏电站标称装机容量)，kW；ESTC为标准辐照度，ESTC=

1kW/m2。

PR的另一种公式表示方法为实际发电量/理论发电量，其中理论发电量=方阵斜面辐射量×方阵所有组件总面积×组件转换效率。经过推导就会发现，虽然表示方法不同，但实际上就等于Yf和Yr的比。

PR指标是目前常用的电站评价参数，对于同一地区的各个电站，如果太阳辐射资源和气候情况比较相似，那么可以通过PR，Yr和Yf来进行对比，但对于不同地区的电站，由于辐射资源不同，环境温度也不同，直接使用PR来对比是不准确的。上述PR公式并未考虑到温度的影响，晶硅组件的功率温度系数是负温度系数，当温度升高时功率会降低，温度降低时则相反，特别是在冬季低温、均匀辐照度下，PR计算值会偏高，而在夏季高温、均匀辐照度下，PR值会偏低。温度差异造成的PR值偏低并不属于电站本身的质量问题，容易引起电站运维人员误判。因此，业内研究人员提出了对原有PR计算公式进行温度修正(CPR)。图1为某电站CPR和PR的计算结果对比，当PR和CPR以年为分析周期进行计算比较时，其结果相差不大，仅1%左右，但在冬季和夏季PR就会出现明显偏高或偏低。通过温度修正后，CPR可以更加准确地反映实际运行情况。经查阅国内外相关文献，公开报道的关于对温度系数的修正方法至少有3种以上，其中重要的差异来源于电池片结温的计算以及不同的修正方法。

图1　PR和CPR的比较(算例)

PR和CPR是电站评价的重要指标，国外也有其他机构采用了其他评价方法，如能量性能指标(EPI)和功率性能指标(PPI)，其计算方法和各自的用途也不尽相同，如不同气候地区的电站设计验证、投资决策和长期的发电性能比较可使用CPR，电站发电性能的衰减情况可用EPI指标，运维前、后短期的发电性能比较可用PPI指标。但不论是哪一种指标，理论发电量的计算至关重要，是否需要采用温度修正及其他补偿因子等都需要考虑。

2基于温度修正的CPR

CPR的计算公式如下，即在原有的PR计算公式上除以温度修正系数ktemp。

(1)

式中：kCPR为CPR计算值；kPR为PR计算值。

从相关文献查阅可知，PR温度修正系数的计算方法主要包括以下几种。

2.1标准修正法[2]

标准修正法是将温度条件修正到标准测试条件下的温度(25 ℃)，修正系数为

(2)

式中：δ为光伏组件的功率温度系数(为负值)；tcell为实测评估周期内电池的平均工作结温，℃；tcell,STC为STC下的温度，25 ℃。

2014年12月制订的《光伏电站性能检测与质量评估技术规范》也采用该方法对PR进行修正，它对电池平均工作结温的计算是按照GB/T18210—2000《晶体硅光伏(PV)方阵》中的方法，即按照实测光伏组件的背板温度推算结温。此外，业内也有将方阵平面所接收的辐射能量作为权重的组件加权平均工作温度。美国可再生能源实验室(NREL)并不推荐将PR修正到25 ℃条件，因为虽然这样可以消除PR因季节性气候带来的温度影响，但和实际值相比可能还会偏高，下文有具体算例加以说明。

2.2基于太阳电池标称工作温度(NOCT)的修正方法[3-6]

IEC61215—2005《地面用晶体硅光伏组件-设计鉴定和定型》中规定NOCT的测试条件为光伏电池在辐照度为800W/m2，环境温度为20 ℃，风速为1m/s，NOCT模型主要是为了预测太阳能电池工作温度，该方法认为光伏电池的工作温度与环境温度之差和太阳辐射成线性关系，据此计算得到光伏电池的实际工作温度。

NOCT修正系数ktemp,NOCT为

(3)

式中：tcell,NOCT为NOCT修正法下的实测评估周期内电池的平均工作结温；ta为环境温度，℃；tNOCT为NOCT条件下的电池片结温，℃，一般为(45±2) ℃；ta，NOCT为NOCT条件下的环境温度，ta，NOCT=20 ℃；E为方阵平面上的太阳辐照度，W/m2；ENOCT为NOCT条件下的辐照度，ENOCT=800W/m2；η/τa=0.083/0.9，为常数。

2.3基于Sandia温度模型的SunPower温度修正方法

美国Sandia实验室经过多年研究，得出了光伏组件背板温度与环境参数之间的通用关系式，电池片结温公式为[5-7]

(4)

式中：tm为光伏组件背板的实测平均温度，℃；Δt为标准辐照度下背板温度与电池片温度的差值，这是一个由实验确定的经验值，与光伏组件类型及安装方式相关。

在有些情况下现场不能安装热电耦探头，那么组件的背板温度就无法进行测试，这时可以从环境温度来估算组件背板温度，其经验公式为

(5)

式中：v为10m高度的实测风速；a，b为由实验确定的经验系数，a描述了辐照度对组件温度的影响，b描述了风速对组件温度的减小作用，参数见表2。

综合式(4)和式(5)式可得电池片结温的最终计算公式为

(6)

SunPower公司和NREL实验室在基于Sandia模型的基础上得出了PR温度修正系数ktemp,sp，计算公式为

表3　不同计算周期下tcell加权平均工作温度对CPR的影响

表2　Sandia温度模型参数[6]

ktemp,sp=1+δ(tcell-tcell-sim-avg) ，

(7)

(8)

式中：tcell-sim-avg为以电站方阵平面接受辐射能量为权重的组件加权平均工作温度，一般以1年为计算周期，因此高辐照的权重因子将比低辐照下的权重因子高，当辐照为0时，权重因子就变为0[6]；tcell_sim_j为第j小时的电池片计算工作温度；EPOA_sim_j为第j小时的组件平面辐照度，W/m2。

如果组件的加权平均工作温度以天为单位进行计算，则PR和CPR的值几乎相等。某电站不同周期的加权平均温度计算见表3，某1天内CPR和PR都为93%，但以1年的电池加权平均温度42 ℃计算，则PR值会偏高。

CPR的计算步骤如下[6]。

(1)以户外方阵平面辐照度的采集时间间隔为最小计算时间单位，如数据5min采集一次。环境监控仪采集环境温度和风速数据，通过式(6)可计算每个采集时间点对应的电池片工作温度。

(2)计算1年内的组件加权平均工作结温。

(3)使用式(7)温度修正系数并以数据采集间隔5min为步长，计算理论发电量，公式为

(9)

式中：PSTC为光伏组件的标称功率；EPOAi为光伏组件阵列平面的辐照度；tcell_i为光伏组件电池片的工作温度；tstepi为数据采集间隔步长，以小时计。

(4)统计计算周期内的所有理论发电量之和，实际发电量除以该值即为CPR的值。

为了较准确计算一个电站的CPR值，辐照度、环境温度和风速的采集尽量做到准确、连续，测试收集的周期最好为1年，电池片结温计算的时间间隔最好不要超过1h，因为1h内温度可能波动很大。

2.4不同温度修正法的结果比较

运用上述CPR的各种修正方法，以某电站冬季某天的发电量为算例进行比较，图2为某天各个不同温度修正方法的CPR和PR的比较，WeightedTempSTC法以标准修正法为基础，tcell是采用辐射能量为权重的组件加权平均工作温度。从结果可知，PR值明显偏高，Sunpower法计算的CPR值较小，尽管STC法和NOCT法均修正到STC条件25 ℃，但PR值仍然偏高。

图2　基于不同温度修正方法的CPR和PR比较

3不同电池片温度的计算方法比较

电池片温度的计算对于温度修正系数非常重要，除上述介绍的NOCT法、Sandia经验公式法外，文献[8]提到的还有一种和NOCT法比较相似的方法，称为TextBook法，不同之处在于增加了风速影响因子，其公式为

(10)

由于缺少实际测试数据，对上述3种计算方法进行简单比较，计算周期从冬季某日08:03:00开始，16:18:00结束，3种方法得出的电池片温度比较如图3所示。原始环境温度和辐照数据从软件中获取了100个采集点(时间间隔为5min)，其中数据的准确度可能和实际有点误差，但并不影响比较。从图3可知，总体上NOCT法计算的值比Sandia法和TextBook法计算值要高，根据文献[6]实测对比的结论，TextBook法计算的温度和实际测试温度偏离程度仅为4%左右，准确度较高，其次为Sandia法，两者计算值和实际值的偏离程度均在容许范围之内。

图3　电池片温度计算方法对比

4结论

PR是光伏电站发电性能评价的重要指标，IEC61724—1998《光伏系统性能监测、测量、数据交换和分析导则》规定的PR值计算方法不能绝对地直接表征不同地区光伏电站的优劣性，对国际上基于温度修正方法的CPR值计算法进行了总体介绍，通过比较，基于Sandia环境温度模型的Sunpower法计算的CPR值准确度相对较高，但电池片加权平均温度统计需要以1年为周期，因此会对当年的月度性能分析造成偏差，其解决方法可以参考历年已计算的电池片加权平均温度或借助于其他评价指标协同分析，如EPI，PPI等。

对电池片温度的不同计算方法进行了比较，TextBook法和Sandia法计算可靠，且TextBook准确度更高，因此在Sunpower温度修正方法中，温度修正因子中的电池片温度可以考虑使用TextBook温度计算法。

光伏电站发电性能评价为电站经营者更高效管理电站提供了较大帮助，在借鉴国外经验的同时，呼吁国内应在电站质量和性能评价方面完善相应的标准。作为电站运营管理企业，电站性能评价的前提是自有电站的管理已经达到智能化水平，太阳辐照、温度、风速等环境监测的配套设施都已经具备，这些条件有利于做好电站的性能评价工作。

参考文献：

[1]光伏系统性能监测、测量、数据交换和分析导则：IEC61724—1998[S].

[2]史君海,孙丽兵,张丽莹.提高并网光伏发电效率分析与建议[J].电力与能源,2013,34(4):402-404.

[3]MATTEIM,NOTTONG,CRISTOFARIC,etal.CalculationofthepolycrystallinePVmoduletemperatureusingasimplemethodofenergybalance[J].RenewableEnergy,2006,31(4):553-567.

[4]HUANGBJ,YANGPE,LINYP,etal.SolarcelljunctiontemperaturemeasurementofPVmodule[J].SolarEnergy,2011,85(2):388-392.

[5]KEERATIMAHATK,BRUCEAG,COPPERJK,etal.TemperatureestimationofanunconventionalPVarrayusingthesandiamoduletemperaturemodel[C].Brisbane：AsiaPacificSolarResearchConference.2015.

[6]Weather-correctedperformanceratio[R].Denver:Nationalrenewableenergylaboratory, 2013.

[7]KINGD,BOYSONW,KRATOCHVILJ.Photovoltaicarrayperformancemodel[R].NewMexico:SandiaNationalLaboratories,2004.

[8]DUFFIEJA,BECKMANWA.Solarengineeringofthermalprocesses[M].Hoboken:JohnWiley&Sons,1991.

(本文责编：弋洋)

收稿日期:2015-11-20；修回日期:2016-03-17

中图分类号：TM615

文献标志码：A

文章编号：1674-1951(2016)05-0073-04

作者简介：

陈建国(1983—)，男，浙江台州人，电站高级工程师，工学硕士，从事光伏电站设计、施工及电站运维等方面的工作(E-mail:jianguo1217@163.com)。

张金剑(1983—)，男，河南三门峡人，从事发电侧业务运营管理、光伏系统项目技改及优化方面的工作(E-mail:brucezhang.jinjian@gmail.com)。

虞立涛(1971—)，男，江苏溧阳人，高级工程师，国家一级项目经理，一级建造师，注册安全工程师，质量/安全/环境ISO体系外审员及全国电建专家，从事光伏电站资产的运营管理方面的工作(E-mail:ddylt@163.com)。