光伏发电效率检测方法研究及案例分析

包斯嘉， 张双庆， 李红涛， 秦筱迪， 牛晨辉

(中国电力科学研究院，江苏 南京 210003)



光伏发电效率检测方法研究及案例分析

包斯嘉， 张双庆， 李红涛， 秦筱迪， 牛晨辉

(中国电力科学研究院，江苏 南京 210003)

随着我国光伏发电产业的日趋成熟，光伏发电效率受到业界广泛关注，由于光伏发电效率的高低直接影响光伏发电效益。对于已建成光伏电站，提高光伏发电效率成为提高光伏电站利润的关键因素，寻找有效的效率检测方法迫在眉睫。基于此，重点阐述了光伏电站各关键设备效率测试原理方法，并给出了案例分析，以期为光伏电站效率测试提供有效的参考依据。

光伏发电；检测方法；组件转换效率；逆变器效率；光伏电站效率

0 引 言

随着我国光伏发电在发电领域的比重越来越大，光伏发电效率引起了业界的广泛关注，光伏电站发电效率体现了光伏电站的综合发电能力，直接反映光伏电站的收益情况。

电站效率的高低主要决定于光伏组件转换效率、逆变器效率以及线损等因素。要提高光伏发电效率，需要明确影响发电效率的因素以及影响程度，针对影响发电效率的关键因素，寻找有效的光伏发电效率测试方法显得尤为重要。为此本文从影响电站效率的关键因素入手，详细介绍光伏组件转换效率、逆变器效率、以及电站整体效率的测试方法以及其案例分析。

1 光伏电站发电效率测试方法

1.1 光伏组件转换效率测试方法

光伏组件转换效率[1-2]可定义为组件的实际输出功率与标准光照强度下组件应产生的功率的比值。进行光伏电站组件效率测试时，为确保数据有效性，对每个汇流箱下的光伏组件抽取三块进行测试，对抽取的组件连续测试两次。测试原理图如图1所示。

图1 光伏组件转换效率测试原理图

测试应选择光照稳定的条件下进行，测试期间总辐照度变化不应超10%。如图1所示，通过IV-曲线测试仪测量组件背板表面中心温度、背板非中心温度、峰值电压、峰值电流、开路电压、短路电流以及辐照度等参数。同时测量被测光伏组件所在的光伏阵列的中心背板温度以及非阵列中心组件背板温度。通过测量参数计算得到光伏组件转换效率，其计算公式如下：

TJRO=(VOC-k·VOC_STC)/β+25

(1)

式中TJRO为组件电池结点温度，β为被测光伏组件电压温度系数，K为被测光伏组件所处辐照度与1 000 W/m2的比例系数。K的取值参照表1。

修正温度:

TO=TSM+dT+TJRO-TSR

(2)

式中TSR为被测光伏组件的背板表面中心温度，TSM为背板非中心温度，dT=TSA-TSM，TSA为被测光伏组件所在的光伏阵列中心的背板表面温度，TSM为被测光伏组件所在的光伏阵列中任一非中心组件的背板表面温度。

修正为标称状态下的最大工作电流：

(3)

式中IMPP_Test为最大工作电流测试值，G为辐照度测试值，α为被测光伏组件电流温度系数。

修正为标称状态下的最大工作电压：

(4)

式中VMPP_TEST为最大工作电压测试值。

修正为标称状态下的最大工作功率：

PMPP_STC=VMPP_STC·IMPP_STC

(5)

被测光伏组件的组件效率为:

(6)

式中A为被测光伏组件标称总面积。(单位：m2)

表1 k值与辐照度比例系数表

1.2 光伏逆变器效率测试方法

逆变器效率[3]是光伏逆变器交流输出功率与直流输入功率的比值。

即：

η=Pout/Pin

(7)

式中Pout为光伏逆变器交流输出功率，Pin为光伏逆变器直流输入功率。逆变器效率测试原理图如图2所示，将效率测试仪接入到逆变器直流侧与交流侧，结合气象监测装置采集的辐照度数据，测量逆变器全功率区间的直流输入功率与交流输出功率，分别计算各功率区间(每10%功率区间取一个效率值)的效率，然后拟合得到全功率段效率分布趋势图。

图2 逆变器效率测试原理图

1.3 光伏电站效率测试方法

光伏电站效率测试[4-6]原理图如图3所示，图中，气象参数采集模块用来完成光伏方阵辐照度、温度等气象参数的采集，发电量采集模块用来采集光伏发电系统总输出能量。测试时，连接好测试设备，对各模块进行参数设置，确保各模块同步采集，根据测试需要，可以采集一整天(24 h)、一个月或者一年数据。然后对原始数据进行效率计算。根据测试周期，可以分别计算光伏电站日效率、月效率或者年效率指标来衡量。

图3 光伏电站效率测试原理图

计算光伏电站效率有以下两种定义方式：

定义1：光伏电站的系统发电效率为一定时间内光伏电站总发电量与光伏电站所有组件理论发电量的比值。即:

ηout,τ=Eout,τ/(τr×Aa×ΣτGI)

(8)

式中Eout,τ为光伏发电系统总输出能量，Aa为方阵总面积，τr为数据记录时间间隔，GI为方阵平面总辐照度。

定义2：采用标准性能比(performance ratio)来反映光伏电站的发电效率。表示为光伏等效利用小时数与峰值日照时数的比值。如果光伏电站采用k种光伏组件，则标准性能比的计算公式如下：

(9)

式中E为测试周期光伏电站发电量，Ci为第i种组件温度修正系数，Hi为第i种组件测试周期内光伏方阵接收辐照总量，P0为光伏电站额定功率，G=1 000 W/m2，为标准测试条件辐照度。将不同类型光伏组件直流发电量占比作为该类组件额定功率的占比，计算出该类组件的额定功率，然后再进行温度修正。第i种组件温度修正系数计算式为：

Ci=1+δi×(Tcell-25)

(10)

式中δi为第i种光伏组件功率温度系数；Tcell为实测评估周期内电池平均工作结温。

如果光伏电站只有一种组件，则标准性能比的计算公式如下：

PRstc=(E/(C×P0))/(H/G)

(11)

两种效率定义方式都能反映光伏电站的发电效率，定义1未考虑光伏组件的转换效率，建立在组件在理论上完全吸收辐照能量的基础上进行的计算，不能确切的反映光伏电站的真实发电效率；而定义2更为直观的反映光伏电站的发电效率，是目前较为常用的计算方法，案列分析中将给出第二种定义的分析情况。

2 案例分析

在江苏某分布式光伏电站A区400 kW子站进行测试。完成了光伏组件转换效率测试、逆变器效率测试以及光伏电站效率测试。

2.1 光伏组件转换效率测试案例分析

400 kW子站采用同一种型号光伏组件，每块电池板额定功率为250 Wp，光伏组件的标称总面积A为2 560 m2，已知组件α=+0.045 %/k，β=-0.292 %/k。

现场随机选取2号汇流箱下编号为CABC114011657A、CABC114011683A、CABC114011810A的三块组件电池板以及3号汇流箱下编号为CABC21400538A、CABC114012002A、CABC214004904A的三块组件电池板进行测试，按照公式(1)～公式(6)计算得到如表2所示结果。

表2 光伏组件转换效率测试结果

测试结果显示，编号为CABC114011810A的组件效率偏低，导致组件效率偏低的原因主要有组件表面阴影灰尘遮挡、光谱适配损失、组件内部结构问题等。对效率低的组件，可以进行后续进一步测试，如EL测试，标准状态下电性能测试，以便准确找到效率低的原因，作进一步处理。以减少不必要的发电损失。

2.2 光伏逆变器效率测试案例分析

江苏某分布式光伏电站A区400 kW子站，整站采用四台100 kW光伏逆变器，对4号SG-100K逆变器进行测试，按照公式(7)计算，得到测试结果如表3所示，其中Pn为光伏逆变器额定功率，图4为全功率段逆变器效率趋势分布图。

表3 光伏逆变器效率测试结果

图4 4号SG-100K逆变器效率按功率区间分布图

由表3及图4结果显示，在0～10%Pn功率区间内，测得的光伏逆变器效率平均值为95.83%，其在整个功率区间内偏低，而40%Pn～60%Pn功率区间内逆变器效率较高。光伏逆变器效率在全功率区间的分布情况主要取决于最大功率点跟踪(MPPT)精度、逆变器转换能力等因素。在提高逆变器效率的研究工作中，结合效率随功率区间的变化情况进行分析，可以起到事半功倍的效果。

2.3 光伏电站效率测试案例分析

现场分别对并网点电压、电流、功率以及组件辐照度等参数进行测试，根据测试需要，测试周期为3天，计算日发电效率。为尽可能排除天气影响，选取晴朗的天气进行测试测试时间为2015.4.10 17∶30∶00～2015.4.13 17∶30∶00。该电站采用一种光伏组件，根据公式(10)～公式(11)计算得到表4结果，表中，Tf为实际发电小时数，Tr为理论发电小时数，Tf=E/P0，Tr=H/G，其中P0为光伏电站额定容量，H为组件接收辐照量，计算得到温度修正系数C=0.972，光伏电站标准性能比PRstc为79.80%。

表4 光伏电站效率计算结果

3 结束语

文章详细阐述了光伏电站各关键环节(光伏组件、逆变器、电站整体)效率测试的原理方法，并给出了电站实测示例，在当前业界高度重视光伏发电效率、努力提高光伏电站发电收益的形式下，为光伏电站出现的效率问题提供了良好的诊断方法，有助于光伏电站业主及时发现导致发电效率降低的设备，及时维护或更换，以保证光伏电站处在较高的发电效率水平上，获得更好的效益。

[1] 国家技术监督局,GB/T 6495.1-1996,光伏电流-电压特性的测量.[S].北京:中国标准出版社,1996.

[2] 中国国家标准化管理委员会等,GB/T18210-2000,晶体硅光伏(PV)方阵I-V特性的现场测量[S].北京:中国标准出版社,2000.

[3] 北京鉴衡认证中心,CNCA/CTS|0004-2010,并网光伏发电系统工程验收基本要求[S].北京:北京鉴衡认证中心,2011.

[4] 上海电力设计院有限公司等,GB/T50797-2012,光伏发电站设计规范[S].北京:中国计划出版社,2012.

[5] 中国国家标准化管理委员会等,GB/T20513-2006,光伏系统性能监测测量、数据交换和分析导则[S].北京:中国标准出版社,2006.

[6] IEC62446,Grid connected photovoltaic systems-Minimum requirements for system documentation,commissioning tests and inspection[S].IEC,2009.

A Research on the Measuring Method and Case Analysis of PV Power Generation Efficiency

Bao Sijia, Zhang Shuangqing, Li Hongtao, Qin Xiaodi, Niu Chenhui

(China Electric Power Research Institute, Nanjing Jiangsu 210003, China)

While PV industry is becoming more and more mature in China, PV power generation efficiency is receiving extensive attention in the industry, as PV power generation efficiency has a direct influence upon PV yield. For existing PV power stations, raising PV power generation efficiency has become the key factor for increase of the profits of PV power stations. It is extremely urgent to find an effective method for efficiency measurement. In this context, this paper expounds the principles and methods for testing the efficiency of various key equipment in the PV power station and makes case analysis to provide effective reference basis for the testing of PV power station efficiency.

PV power generation; measuring method; component conversion efficiency; inverter efficiency; PV power station efficiency

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.04.019

TM615

A

1000-3886(2016)04-0059-03

包斯嘉(1982-)男，江苏人，工程师，从事太阳能检测技术研究。 张双庆(1986-)男，山东人，工程师，从事太阳能检测技术研究。 李红涛(1982-)男，河南人，工程师，从事太阳能检测技术研究。 秦筱迪(1982-)男，山东人，工程师，从事光伏发电并网检测与分析技术 。 牛晨辉(1983-)男，辽宁人，工程师，从事光伏系统并网检测技术。

定稿日期: 2015-12-26