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大型光伏电站系统效率算法优化分析

`清洁能源网   2012 年 06 月 26 日 17:00   来源:清洁能源网

  导语:光伏产业近年来继风力发电后发展最快的行业,据不完全统计,目前全世界范围内光伏发电系统的装机容量已超过40GWp,而且在持续高速增长。

  光伏产业近年来继风力发电后发展最快的行业,据不完全统计,目前全世界范围内光伏发电系统的装机容量已超过40GWp,而且在持续高速增长。近几年我国光伏产业发展速度迅猛,2010年国内光伏发电新增装机容量达到520MWp,大大的超过了2009年的228MWp,而2011年国内光伏发电新增装机容量预计达到2GWp。对于大批进入运营阶段的光伏电站,电站运行状况的检测和运行维护工作将成为研究重点。

  系统效率是表征光伏电站运行性能的最终指标,对于一个投入运行的光伏电站,在电站容量和光辐照量一致的情况下,系统效率越高就代表发电量越大。因此系统效率的准确性重要,本文就系统效率的计算方法的优化进行讨论。

  一、系统效率的定义

  一个发电系统的年发电量衡量这个系统优劣的最直接的标准,在进行一个发电系统的设计时,都要对发电系统的年发电量进行估算,作为后期运行维护的参考标准。进行发电量的估算首先要算出并网光伏发电系统的总效率,并网光伏发电系统的总效率由太阳电池阵列的效率、逆变器的效率、交流并网效率三部分组成。

  太阳电池阵列效率η1,太阳电池阵列在太阳辐射强度下,实际的直流输出功率与理论功率之比。太阳电池阵列在能量转换与传输过程中的损失包括:组件匹配损失、表面尘埃遮挡损失、光谱失配损失、温度的影响以及直流线路损失等。

  逆变器转换效率η2,逆变器输出的交流电功率与直流输入功率之比。包括逆变器转换的损失、最大功率点跟踪(MPPT)精度损失等。

  并网效率η3,即从逆变器输出汇流并入南区10kV变电站400V低压母线段的传输效率,其中最主要的是升压变压器的效率和交流电气连接的线路损耗。

  综上,光伏电站系统的总效率为η=η1*η2*η3,在进行光伏电站的设计和设备选型时,可针对性的进行优化设计,提高光伏电站的系统效率。

  二、系统效率的算法

  对于一个光伏电站,进行系统效率的测算时,通常是用实际计量的发电量与理论发电量相比得到,具体如下所示。

  (1-1)

  实际发电量是通过光伏电站的计量表测量获得:

  理论发电量是目前都是通过实时辐照数据和光伏电站的安装容量计算得到:(1-2)

  其中Ii是每个dt时间内平均辐照强度(W/m2),dt是测量时间。

  Ii的计算方法如下:

  (1-3)

  其中Iij(W/s)是每个时间间隔内(例如每隔15秒)采集得到的瞬时辐照强度,n是采集次数(例如60次),Wp是光伏电站的峰值功率;Io是标准光辐照强度,1000W/m2。

  三、理论发电量的算法优化

  前面所述的理论发电量的计算方法,有一个假设的前提,即太阳电池组件在不同的辐照强度的转换效率是相等的,但是太阳电池组件的理论效率与太阳光辐照强度有很大的关系。组件的效率通常可以用下式计算得到:

  (1-4)

  其中F.F是填充因子,Isc是组件的短路电流,Voc是组件的开路电压,At是组件的面积,Pin是光辐照强度。

图1 不同辐照强度下组件的I-V曲线

  不同辐照强度下组件的辐照强度如图1所示,从图中可以看到,Isc与辐照强度成线性关系,Voc随着辐照强度变小有明显的变小趋势,组件的填充因子F.F基本不变,由此可推断在低辐照度下组件的效率会降低。

表1 不同辐照强度下组件的效率

  表1列出了国内三个主流组件厂家在第三方实验室进行不同辐照强度下的效率测试结果,可以看到在辐照强度小于400W/m2时,组件的效率明显的变小,测试结果与理论分析一致。

  通过以上分析,对光伏电站进行系统效率测试时,应考虑不同辐照强度下组件效率变化的影响,尤其是在光辐照强度较弱的情况下。光伏电站理论发电量计算公式修正如下:

  (1-5)

  其中η(Ii)是辐照强度为Ii时组件的效率,参考表1,可以将Ii分为四个区间,Ii<300,300900;组件η(Io)是辐照强度为Io时组件的效率。

  四、系统效率计算举例

  本章节使用西北地区一个运营光伏电站的某天发电数据和实测辐照数据利用上述两个公式计算电站系统效率,进行分析比较,电站的容量为10MWp,某天累计发电量为5.6kWh,电站发电时间内累计辐照量为约为7kWh,不同辐照强度区间对应的累计辐照量如表2所示。

  以厂家一的组件为例,将表2中的辐照数据代入式1-2,计算得到理论发电量PT1等于7万kWh,将表2的辐照数据代入式1-5,参考表1中厂家一的组件效率,计算得到理论发电量PT2等于6.9611kWh,利用式1-1可以得到对应的系统效率分别为:PR1=80%,PR2=80.5%,由此可见组件在不同辐照强度下的效率差异会对系统效率的计算造成一定影响,这种影响的大小与光辐照强度的分布有很大关系,在光辐照强度较小的时间影响会更大。可以推断系统效率相同,累计光辐照量相同,实际发电量可能会有差别,因为理论发电量可能存在差异。

表2 光伏电站辐照强度和发电量

  五、结论

  由于器件的物理特性,太阳电池组件在不同的辐照强度下的转换效率不同,根据计算分析,这个因素会对理论发电和系统效率产生不可忽略的影响,尤其在平均辐照强度较小的天气,在计算光伏电站的理论发电量时需要详细考虑,以便对光伏电站的系统效率和运行状况进行更加准确的监控,才能及时的发现问题和解决问题,保证光伏电站高效率的运行。

> 关键词:大型光伏电站  系统效率    




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