并网型分布式太阳能光伏电站运行特征分析*

2021-10-28刘俊峰

南方农机 2021年19期

李清，刘俊峰

（南通理工学院电气与能源工程学院，江苏南通 226001）

0 引言

近年来，光伏发电迅猛发展，已经成为新能源发电的重要组成部分，而且随着“碳达峰”和“碳中和”计划的实施，预计光伏电站将迎来新的建设高峰期[1-2]。光伏电站的工作性能主要受到光照强度、温度等气象条件的影响，因此，一年中不同月份、一月中不同日子、一天中不同时间段，光伏电站的工作状态都会存在明显的差异[3]。准确地分析不同条件下各时间段光伏电站的运行参数，对于光伏电站的设计、运营与维护以及发电量的预测有着重要的意义[4]。

不同于传统的火力发电和水力发电，光伏发电的功率输出存在明显的间歇性和波动性特征，进而会影响电气设备的工作稳定性[5-6]。本研究着眼于此，针对不同天气条件下的光伏电站，对其一年中的运行数据进行监测，分析电站一年中发电量的季节性分布特征，研究影响光伏电站运行稳定性的因素。研究结论与建议将会为光伏电站的设计选址、运营和维护等方面提供参考。

1 研究对象

如图1所示，以南通理工学院2 kW分布式光伏示范电站为研究对象。该电站由10块光伏组件串联而成，单块光伏组件的开路电压Voc=45.21 V，短路电流Isc=5.72 A，最大功率Pmax=200 W。

图1 2 kW分布式光伏电站

2 结果与分析

2.1 发电量

通过对2 kW光伏单晶硅固定电站一整年的运行数据进行监测，统计每天每个时间段的发电量，得到每月的总发电量，从而获得该电站一年的运行趋势，如图2所示。从图中可以看出，一年中每个月的发电量呈现明显的波动，这是由于南通地区属亚热带季风气候，受海洋性气候影响，四季分明，从而导致光伏电站的运行呈现季节性变化特点。1—4月份气象条件逐渐变好，光照强度增大，温度升高等，从而使得1—4月份光伏电站的发电量逐月呈现明显的增长趋势。8—12月份进入秋冬季节，天气条件逐渐变差，因此，8—12月光伏电站的发电量逐月呈现明显的降低趋势。

图2 一年中各月发电量

但是，5月份和7月份的发电量出现很明显的下降，一方面，这是由于雷雨天气时为保护电站，将电站停止运行；另一方面，是由于电站出现故障，进行了停机维护。实际上，5月份电站只工作了16天，7月份工作了28天。6月份并没有发生电站停机维护等情况，且正值夏季，理论上气候条件更好，尤其是太阳的辐照度更大，但实际上的发电量反而较低，这就与南通地区的气候特点有关。6月份南通地区的雨水量较大，光照条件实际并不好。如图3所示，为南通理工学院自动气象站监测到的6月份每天的太阳最大辐照度分布，由于传感器故障造成部分数据丢失，只获取到6月13日到6月30日的辐照强度，但这些数据仍然能够说明问题。从图中可以看出，每天的太阳辐照度波动性明显，变化幅度较大。在这18天中，太阳辐照度最大值超过1 000 W/m2的仅有6天，辐照度最大值低于600 W/m2的有7天，这就导致光伏电站实际的有效工作天数较少。因此，6月份的发电量相对较低。

图3 6月份每天太阳最大辐照度

2.2 光伏电站运行因素分析

2.2.1 辐照度

如图4所示，为某2 h时间间隔，天气温度相差2℃范围内，太阳辐照度与光伏电站运行功率之间的关系。从图中可以看出，随着太阳辐照度降低，光伏电站的发电功率也随之减小，整体呈近似线性趋势变化。当太阳辐照度低于1 000 W/m2时，光伏电站的实际发电功率仅为1 400 W，远低于光伏电站的2 kW的设计功率。当辐照度为800 W/m2时，光伏电站的工作功率仅为设计功率的1/2。由此可以看出，太阳辐照度是保证光伏电站高效率发电的关键因素。因此，在设计光伏电站时应充分考虑当地的太阳能资源，从而可以缩短投资回报周期。

图4 不同辐照度条件下光伏电站的功率变化

2.2.2 温度

在监测的一年数据中，选取正午12点到13点时间段内太阳辐照度差距在10 W/m2内、温度不同时的光伏电站实际的运行功率作为一组数据进行分析，如图5所示。从散点图的对比中可以看出，当温度较低时，光伏电站的工作功率相对较高；当温度升高时，功率相对降低。可以说明光伏电站的光电转换效率随着温度的上升而降低，该规律符合太阳能电池的温度效应。由于电站在实际运行过程中，可能存在云的遮蔽现象，导致图中个别数据与所分析的规律不一致。同时，由于不同季节和不同时间的太阳高度角和方位角不同，本研究分析的数据是电站实际运行情况下采集的数据，无法严格地进行变量控制，所列的数据只能作为电站运行的参考。

图5 不同温度条件下光伏电站的功率

2.2.3 覆盖率

如图6所示，为某一次下雪过后，光伏电站中的太阳能组件表面完全覆盖雪以及除雪后的对比效果。

图6 除雪前后对比图

对短时间内光伏电站的运行状态进行监测，获得三种雪覆盖情况下的光伏电站的工作电压、电流和功率，如表1所示。从表中可以看出，光伏电站中的太阳能组件被雪完全覆盖时，光伏电站仍然能够保持低功率运行发电。随着表面覆盖的雪量减少，光伏电站的工作电流明显地在增大，工作电压没有显著的变化，从而使得光伏电站的工作功率大幅度提高，进一步地保证了电站的发电量。因此，不论是在雨雪天气，还是电站建造在沙漠等尘沙较多的区域，都应及时地对太阳能组件表面进行清理，使得光伏电站始终能够保持良好的状态运行，从而保证电站的发电量。