1.PR背景介紹

近年來，我國光伏電站年新增裝機(jī)容量都比往年有所提升，2014年新增裝機(jī)在全球排列第一，而國內(nèi)光伏市場一片繁榮的同時(shí)，全國性的、統(tǒng)一的、完善的光伏電站評價(jià)和標(biāo)準(zhǔn)體系還尚未真正跟上步伐，原因一方面是由于國內(nèi)對環(huán)境資源數(shù)據(jù)采集的重視程度不夠，電站發(fā)電場所沒有配備精確采集太陽輻照資源、組件溫度、環(huán)境溫度等氣象指標(biāo)的監(jiān)控設(shè)施，另一方面缺乏對光伏電站發(fā)電性能的正確和完整的評估方法，同時(shí)也缺乏多年長期可靠運(yùn)行的光伏發(fā)電數(shù)據(jù)。

光伏電站一般有著25年及25年以上的生命周期，電站監(jiān)控和運(yùn)維對于長期的穩(wěn)定運(yùn)行來說顯得至關(guān)重要，隨著基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電站智能化運(yùn)營管理的到來，意味著發(fā)電性能評價(jià)和大數(shù)據(jù)分析方面的工作在國內(nèi)電站的運(yùn)營管理中將起到舉足輕重的作用。

早些時(shí)候國內(nèi)開展光伏電站數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控技術(shù)的研究單位有中科院電工研究所、合工大能源研究所和北京計(jì)科公司等，相比之下，國外這方面的工作就做得比較早，研究則更為深入，國外眾多的成功案例和運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)都值得學(xué)習(xí)和借鑒。

國際能源總署(IEA)在 1995年啟動了光伏發(fā)電項(xiàng)目(PVPS)Task-2 工作【1】，即光伏系統(tǒng)的性能、可靠性研究(Performance，Reliability and Analysis of Photovoltaic Systems)，并組建了Task-2團(tuán)隊(duì)，全球相繼有28個(gè)國家先后加入(包括中國)，他們對全球不同氣候和地理環(huán)境的國家如中國、德國、法國、日本、以色列、墨西哥、澳大利亞等多個(gè)不同類型的光伏發(fā)電系統(tǒng)(如建筑一體化BIPV、屋頂電站BAPV、大型集中式并網(wǎng)電站、離網(wǎng)系統(tǒng)、混合系統(tǒng)等)展開了長達(dá)十多年的系統(tǒng)監(jiān)測、數(shù)據(jù)采集及發(fā)電性能方面的深入研究，多數(shù)數(shù)據(jù)是在不同的IEA-PVPS成員國的國家示范項(xiàng)目中進(jìn)行收集，并通過建立全球光伏電站發(fā)電運(yùn)行數(shù)據(jù)和技術(shù)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫(Performance Database)，來作為光伏系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)、效能、可靠度及成本方面的研究。

截止目前已擁有大大小小461多套光伏系統(tǒng)(總?cè)萘考s15MW)的高質(zhì)量的運(yùn)行數(shù)據(jù)，將用于不同的應(yīng)用，如電能供給、家庭應(yīng)用、農(nóng)村電氣化和特殊應(yīng)用等等，相關(guān)的研究成果都是公開共享的，可以在IEA官網(wǎng)上進(jìn)行下載。研究人員通過深入研究電站性能的影響因素并建立了光伏電站性能評價(jià)相關(guān)指標(biāo)和定義，如1998年正式發(fā)布的IEC 61724標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定的指標(biāo)就來源于此。

IEC61724中推薦的三個(gè)指標(biāo)分別是Yr、Yf和PR，參考表1，其中Yr是單位面積的光伏陣列傾斜面總輻射量與光伏電池標(biāo)準(zhǔn)測試條件下的標(biāo)準(zhǔn)輻射度之比，也稱方陣峰值日照小時(shí)數(shù)，反映了當(dāng)?shù)氐妮椪账?。Yf表示一段時(shí)間內(nèi)并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)最終并網(wǎng)的交流發(fā)電量與光伏系統(tǒng)的額定功率之比，它是用光伏系統(tǒng)裝機(jī)容量歸一化后的發(fā)電量，可用于不同裝機(jī)容量的光伏系統(tǒng)的比較，也稱為發(fā)電能力(kWh/kW)。Performance Ratio(PR)稱為質(zhì)量因數(shù)或系統(tǒng)效率，是評價(jià)光伏電站效率最重要的指標(biāo)之一，是電站實(shí)際輸出功率與理論輸出功率的比值，反映整個(gè)電站扣除所有損耗后(包括輻照損失、線損、器件損耗、灰塵損失、熱損耗等)實(shí)際輸入到電網(wǎng)電能的一個(gè)比例關(guān)系【2】。電站的PR值越接近100%，說明該電站的運(yùn)行效率就越高，但是現(xiàn)實(shí)情況下PR值達(dá)到100%是不可能的，因?yàn)橛行p耗是不可避免的。一般情況下，運(yùn)行較好的并網(wǎng)光伏電站PR值能夠達(dá)到80%及80%以上。

表1 IEC61724中關(guān)于光伏發(fā)電性能評價(jià)指標(biāo)參數(shù)的定義

注釋：

Ht：陣列斜面總輻射量(kWh/m2);

EAC：最終交流發(fā)電量(kWh);

P0：光伏電站STC下的額定功率(或稱光伏電站標(biāo)稱裝機(jī)容量)(kW);

Gstc：標(biāo)準(zhǔn)輻照度1000W/m2。

PR的另一種公式表示方法來源于SMA：PR=實(shí)際發(fā)電量/理論發(fā)電量，其中理論發(fā)電量=方陣斜面輻射量*方陣所有組件總面積*組件轉(zhuǎn)換效率，經(jīng)過推導(dǎo)就會發(fā)現(xiàn)，雖然表示方法不同，但結(jié)果實(shí)際上就等于Yf和Yr的比值。

PR指標(biāo)是目前常用的電站評價(jià)參數(shù)，對于同一地區(qū)的各個(gè)電站，如果太陽輻射資源和氣候情況比較相似，那么我們可以通過PR、Yr和Yf來進(jìn)行對比，但是對于不同地區(qū)的電站，由于輻射資源不同，環(huán)境溫度也不同，直接使用該P(yáng)R來對比是不準(zhǔn)確的。因?yàn)镻R公式并未考慮到溫度的影響，晶硅組件的功率溫度系數(shù)是負(fù)溫度系數(shù)，當(dāng)溫度升高時(shí)，功率會降低，溫度降低時(shí)，則相反，特別是在冬季低溫、均勻輻照強(qiáng)度下，PR計(jì)算值會偏高，而在夏季高溫、均勻輻照下，PR值會偏低，而溫度差異造成的PR偏低并不屬于電站本身的質(zhì)量問題，容易給電站運(yùn)維人員帶來誤判斷。

因此后來業(yè)內(nèi)研究人員提出了對原有PR計(jì)算公式進(jìn)行溫度修正的方法，稱為CPR(Temperature Corrected PR)。如圖1為某電站CPR和PR的計(jì)算結(jié)果對比，當(dāng)PR和CPR以年為分析周期進(jìn)行計(jì)算比較時(shí)，其實(shí)結(jié)果相差不大，僅1%左右，但是在冬季和夏季的各個(gè)月份，PR就會出現(xiàn)明顯的偏高或偏低，但通過溫度修正后，CPR可以更加準(zhǔn)確地反映實(shí)際的運(yùn)行情況。經(jīng)查閱國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，公開報(bào)導(dǎo)的關(guān)于對溫度系數(shù)的修正方法至少有3種以上，其中重要的差異來源于電池片結(jié)溫的計(jì)算以及不同的修正方法。

PR和CPR是電站評價(jià)的重要指標(biāo)，國外也有其他機(jī)構(gòu)采用了其他評價(jià)方法，如EPI(Energy Performance Index)和PPI(Power Performance Index)，其計(jì)算方法和各自的用途也不盡相同。如不同氣候地區(qū)的電站設(shè)計(jì)驗(yàn)證、投資決策和長期的發(fā)電性能比較，可使用CPR，電站發(fā)電性能的衰減情況可用EPI指標(biāo)，運(yùn)維前后短期的發(fā)電比較可用PPI指標(biāo)，但不管是哪一種指標(biāo)，理論發(fā)電量的計(jì)算至關(guān)重要，如是否需要采用溫度修正，并考慮其他補(bǔ)償因子等等。

圖1 PR和CPR的比較(算例)

2.基于溫度修正的CPR

下面基于參考文獻(xiàn)中推薦的關(guān)于溫度修正相關(guān)的內(nèi)容進(jìn)行解讀，希望為行業(yè)內(nèi)電站的性能評估提供一些指導(dǎo)。

CPR的計(jì)算公式參考式(1)，即在原有的PR公式上除以Ktemp溫度修正系數(shù)。

從相關(guān)文獻(xiàn)查閱可知，其中PR溫度修正系數(shù)的計(jì)算方法包括但不限于以下幾種：

A）標(biāo)準(zhǔn)修正法【3】：

顧名思義，標(biāo)準(zhǔn)修正法是將溫度條件修正到標(biāo)準(zhǔn)測試條件下的溫度25 oC，修正后的PR也叫PRstc，其中修正系數(shù)為：

國內(nèi)在2014年12月頒布的《光伏電站性能檢測與質(zhì)量評估技術(shù)規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)文件，文中關(guān)于PR的修正也是采用該方法，它對電池平均工作結(jié)溫的計(jì)算是按照GB/T18210-2000(IEC61829-1995)的方法 ，即按照實(shí)測光伏組件的背板溫度推算結(jié)溫，此外，業(yè)內(nèi)也有使用方陣平面所接收的輻射能量為權(quán)重的組件加權(quán)平均工作溫度。美國可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)并不推薦將PR修正到25℃條件，雖然可以消除PR因季節(jié)性氣候帶來的溫度影響，但是和實(shí)際值相比可能還會偏高，下文會有具體算例加以說明。

B）基于NOCT修正方法【3】：

IEC中規(guī)定NOCT的測試條件為光伏電池在輻照度 800W/m2、環(huán)境溫度 20℃、風(fēng)速1m/s 條件下的溫度，NOCT模型主要是為了預(yù)測太陽能電池工作溫度，該方法認(rèn)為光伏電池的工作溫度與環(huán)境溫度之差與太陽輻射成線性關(guān)系，據(jù)此計(jì)算就得到光伏電池的實(shí)際工作溫度，參考式(3)。

C）基于Sandia溫度模型的SunPower溫度修正方法【3-5】：

美國 Sandia 實(shí)驗(yàn)室，經(jīng)過多年研究，得出了光伏組件背板溫度與環(huán)境參數(shù)之間的通用關(guān)系式。根據(jù)美國 Sandia 實(shí)驗(yàn)室組件背板溫度的相關(guān)結(jié)論，電池片結(jié)溫用公式表示為【6】：

其中H為組件平面輻照度，Tm為組件背板的實(shí)測平均溫度，ΔT為標(biāo)準(zhǔn)輻照度下背板溫度與電池片溫度的差值，這是一個(gè)由實(shí)驗(yàn)確定的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，與組件類型及安裝方式相關(guān)。在有些情況下如現(xiàn)場不能安裝熱電耦探頭，那么組件的背板溫度就沒有辦法進(jìn)行測試，這時(shí)可以從環(huán)境溫度來估算組件背板溫度，其經(jīng)驗(yàn)公式為：

其中，Ta為實(shí)測環(huán)境溫度，WS為10米高度的實(shí)測風(fēng)速，H為組件平面輻照度，a、b為由實(shí)驗(yàn)確定的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，a描述了輻照度對組件溫度的影響，b描述了風(fēng)速對組件溫度的減小作用，參考表2。

表2 Sandia 溫度模型參數(shù)【6】