国内早期光伏电站的系统效率及系统效率损失分析

刘家鼎

(中国电力国际发展有限公司，北京 100080)

0 引言

系统效率(performance ratio，PR)是评估光伏电站经济效益的重要指标。国际能源署(IEA)光伏发电项目(PVPS)任务组13(Task 13)针对并网光伏发电系统的研究显示，全球于2000～2010年投产的光伏电站的年均PR范围集中在74%～84%之间。其中，法国、比利时、德国和中国台湾地区于2000～2010年投产的光伏电站的年均PR分别为76%、78%、84%和74%，具体如表1所示[1]。

表1 全球于2000～2010年投产的部分光伏电站的PRTable 1 PR of some PV power stations put into operation in 2000～2010 in the world

由于我国早期建成的光伏电站在数据采集监控(SCADA)系统应用方面相对薄弱，传感器精度较低且数量往往无法完整覆盖整个光伏阵列的直流侧，造成光伏阵列的局部数据缺失，导致电站运维人员无法科学、准确地判断光伏电站的系统效率及电站的健康运行情况。基于此，本文采用便携式检测仪器，对全国各地于2010～2015年投产的15座装机规模在10 MWp以上的光伏电站进行了大规模实地检测，研究了早期光伏电站的PR和PR损失的构成，并提出了运用缺陷指标科学评估光伏电站缺陷率的方法。

1 实地检测

1.1 检测方法

对我国2010～2015年投产的15座装机规模在10 MWp以上的光伏电站进行大规模实地检测，电站所在区域覆盖了华北、华东、华南、西北4个地区，电站类型包括平原光伏电站、山地光伏电站、盐碱地光伏电站及屋顶光伏电站。根据这15座早期光伏电站自投产至今的全历史发电量数据，分别从每座光伏电站中抽取历史发电量为高、中、低的光伏阵列各1个，采用便携式检测仪器检测并采集这些光伏阵列的直流侧数据；光伏电站总发电量取关口表发电量数据。

1.2 检测仪器

对光伏电站进行大规模实地检测时使用的便携式检测仪器信息如表2所示。

表2 检测仪器的信息Table 2 Information of testing instruments

1.3 PR的计算方法

光伏电站的PR依据IEC 61724-1:2017[2]中的公式进行计算。1)记录光伏电站关口表当日发电量及日太阳辐照度；2)根据日太阳辐照度计算光伏电站理论日发电量；3)根据光伏电站实际装机容量计算其当日的PR，并进行光伏组件工作温度修正，可得到STC条件下光伏电站当日的PR。

PR的计算公式为：

式中，Psys为光伏电站关口表的瞬时输出功率；τ为测量时间；PA为光伏电站实际装机容量；k为累计测试天数；Gi,k为光伏阵列倾斜面接收的太阳辐照度；Gi,ref为STC条件下光伏阵列倾斜面接收的太阳辐照度，取1000 W/m2；Ck为温度修正系数。

其中，Ck的计算公式为：

式中，γ为光伏组件功率温度系数；Tmod,k为光伏组件瞬时背板温度。

2 PR分析

2.1 总体检测结果

将15座早期光伏电站按照华北、华南、西北、华东4个地区进行划分，利用式(1)～式(2)得到每个光伏电站的实测PR及4个地区的PR平均值如表3所示。

表3 不同光伏电站的实测PR及4个地区PR平均值统计Table 3 Statistics of measured PR of different PV power stations and average PR of four regions

2.2 不同地区光伏电站的PR分布情况

从表3的数据可以看出，华北、华南、西北、华东4个地区光伏电站的PR平均值依次为84.96%、82.69%、80.59%和76.97%；其中，华北地区光伏电站的PR平均值相对较高；全样本的PR平均值为81.60%。

不同地区光伏电站的PR平均值情况如图1所示。

图1 不同地区光伏电站的PR平均值情况Fig. 1 Average PR of PV power stations in different regions

2.3 不同类型光伏电站的PR分布情况

检测的15座早期光伏电站中，平原光伏电站为8座，盐碱地光伏电站为3座，屋顶光伏电站为2座，山地光伏电站为2座。这4种不同类型光伏电站的PR平均值情况如图2所示。

图2 不同类型光伏电站的PR平均值情况Fig. 2 Average PR of PV power stations in different types

从图2可以看出，平原光伏电站、盐碱地光伏电站、山地光伏电站的PR相差不大；平原光伏电站的PR平均值最高，屋顶光伏电站的PR平均值最低，平原光伏电站的PR平均值较屋顶光伏电站的PR平均值高出近7.52%。

3 缺陷指标分析

对上述15座早期光伏电站按不同地区光伏电站和不同类型光伏电站分别进行PR损失分布情况及光伏电站缺陷率的分析。

3.1 不同地区光伏电站的PR损失分布情况

PR损失主要包括变压器损耗、逆变器效率损失、光伏组件串并联失配损失、直流线损、光伏组件温升损失、灰尘遮挡损失和其他损失。不同地区光伏电站的PR损失分布情况如图3所示。

由图3可知，在4个地区的光伏电站中，华东地区光伏电站的PR损失相对较高。在华东地区光伏电站PR损失的构成中，其他损失的占比最大，约为7.97%；其次为光伏组件温升损失，占比约为5.19%。由于各地区的气候环境不同，因此不同地区光伏电站的灰尘遮挡损失数据各异；其中，华北地区、华南地区、西北地区和华东地区的灰尘遮挡损失分别为 0.87%、1.25%、0.89%和1.35%。但从光伏电站运维角度来看，灰尘遮挡损失可以通过人为干预解决。

图3 不同地区光伏电站的PR损失分布情况Fig. 3 Distribution of PR loss of PV power stations in different regions

3.2 不同类型光伏电站的PR损失分布情况

不同类型光伏电站的PR损失分布情况如图4所示。

图4 不同类型光伏电站的PR损失分布情况Fig. 4 Distribution of PR loss of PV power stations in different types

从图4可以看出，在4种光伏电站类型中，屋顶光伏电站的PR损失相对较高。在屋顶光伏电站PR损失的构成中，其他损失的占比最大，约为8.62%；其次为光伏组件温升损失，占比约为5.77%。由于不同类型光伏电站所在地区的气候环境不同，因此不同类型光伏电站的灰尘遮挡损失数据各异，平原光伏电站、盐碱地光伏电站、山地光伏电站、屋顶光伏电站的灰尘遮挡损失分别为1.07%、0.81%、0.31%和1.90%。

3.3 光伏电站的缺陷率统计

根据不同地区和不同类型光伏电站的PR损失分布情况可以看出，华东地区屋顶光伏电站的其他损失较高。这类损失主要由运维失效造成，原因主要包括电气设备失效故障，光伏组件破损造成的短路、断路故障，以及局部线缆、电缆头断路故障等。

为了进一步分析光伏电站是否存在由运维失效引起的PR损失，针对各光伏电站的光伏阵列进行了随机缺陷排查，并对光伏电站的缺陷率分布情况进行了统计。缺陷率采用缺陷指标进行分析，缺陷指标主要包括未达标光伏组串的比率、光伏组件的热斑率及光伏组件的破碎率。

3.3.1 未达标光伏组串的比率

光伏组串的系统效率PRstring是指光伏组串的实际发电量和其理论发电量的比值，一般来说，PRstring应高于光伏电站的整体PR。在本次实地检测中，未达标光伏组串是指PRstring＜80%的光伏组串。

PRstring的计算式为：

式中，Estring-act为光伏组串的实际发电量；Estring-ideal为光伏组串的理论发电量。

运维失效会导致未达标光伏组串的数量增加，并拉低光伏电站的整体PR。未达标光伏组串的比率是指汇流箱中未达标光伏组串的数量占光伏组串总数的比例，通过统计未达标光伏组串的比率，可在一定程度上揭示该光伏电站的“受灾”范围，即了解该光伏电站中故障光伏组件的大致比例。

3.3.2 光伏组件的热斑率

光伏组件的玻璃表面存在点状高温区域，且高于周边温度4 ℃以上的光伏组件被认为存在热斑效应，该光伏组件可称为热斑光伏组件。

光伏组件热斑率是指热斑光伏组件的数量占光伏组件总数的比例。

3.3.3 光伏组件的破碎率

光伏组件表面玻璃存在裂纹的情况被认定为破碎，该光伏组件则可被称为破碎光伏组件。

光伏组件的破碎率是指破碎光伏组件的数量占光伏组件总数的比例。

3.3.4 不同地区光伏电站的缺陷率分布情况

不同地区光伏电站的缺陷率分布情况如表4所示。

表4 不同地区光伏电站的缺陷率分布情况Table 4 Distribution of defect rate of PV power stations in different regions

从表4可以看出，华北地区、华东地区、西北地区这3个地区光伏电站的未达标光伏组串的比率相对较高，分别为32.98%、31.73%、21.24%；华南地区光伏电站的光伏组件热斑率最高，约为1.99%；西北地区光伏电站存在较多光伏组件表面玻璃碎裂的现象，该地区光伏电站的光伏组件破碎率最高，达到0.14%。

3.3.5 不同类型光伏电站的缺陷率分布情况

不同类型光伏电站的缺陷率分布情况如表5所示。

表5 不同类型光伏电站的缺陷率分布情况Table 5 Distribution of defect rate of PV power stations in different types

从表5可以看出，盐碱地光伏电站的未达标光伏组串的比率最高，为31.97%；山地光伏电站的光伏组件热斑率最高，达到3.00%；平原光伏电站中光伏组件表面玻璃碎裂的现象最多，该类型光伏电站的光伏组件破碎率最高，达到0.09%。

3.3.6 综合分析

尽管华北地区光伏电站的未达标光伏组串的比率最高，但对该数据进行深入分析后发现，该地区未达标光伏组串中PRstring下降严重的光伏组串的数量相对较少，即光伏组件的“受灾”程度不严重，因此未造成光伏电站整体PR严重下降。

与之相反的是，华东地区屋顶光伏电站的未达标光伏组串的比率较高，且局部汇流箱存在大量PRstring值远低于80%的光伏组串，导致华东地区屋顶光伏电站的整体PR被拉低。

针对上述情况，以华东地区某屋顶光伏电站为例进行分析。该屋顶光伏电站中，某汇流箱(编号为8A05)共连接了16串光伏组串，各光伏组串的PRstring如图5所示。

图5 某汇流箱中各光伏组串的PRstring情况Fig. 5 PRstring value of each PV module string in a combiner box

从图5可以看出，8A05汇流箱中连接的16串光伏组串中，有10串光伏组串的PRstring值低于60%，甚至其中有4串光伏组串的PRstring值低于25%，揭示出该汇流箱中存在大量的光伏组件失效的情况，需要对这些光伏组件进行维修，严重的甚至需要更换。需要说明的是，部分光伏组串的PRstring值高于100%是因为部分光伏组件存在铭牌功率正偏差，且检测时光伏组件的表面温度低于STC下的标准温度(25 ℃)，使光伏组件温升损失为负值，导致最终该光伏组串的实际发电量高于理论发电量，PRstring值超过了100%。

未达标光伏组串的比率及其PRstring值“双偏低”说明该光伏电站中存在大量的失效光伏组件，导致该光伏电站的整体PR偏低，也造成了该光伏电站的PR损失中的其他损失值偏高。

4 结论

本文对国内15座装机规模为10 MWp以上的早期光伏电站进行了大规模实地检测，研究了早期光伏电站的系PR和PR损失的构成，并提出了运用缺陷指标科学分析光伏电站缺陷率的方法。通过检测得出以下结论：

1)本次实地检测的15座早期光伏电站的PR平均值为81.60%。

2)光伏电站所处的环境条件对其PR存在显著影响，灰尘附着、温度变化、环境酸碱度、光伏阵列布置环境等均会对光伏发电系统产生各种影响，并导致不同的故障缺陷。

3)PR及PR损失的构成可以从宏观上揭示光伏电站的运行状况是否良好；采用多维度的缺陷指标考核，有助于现场运维人员开展深层次的故障分析，从而可以快速明晰光伏发电系统的故障区域。其中，通过综合分析未达标光伏组串的比率及其PRstring值，可揭示出光伏阵列的“受灾”范围和严重程度。