基于PVsyst 的“跟踪支架+双面组件”光伏发电系统的发电量评估方法研究

潘巧波，何梓瑜，李 昂

(华电电力科学研究院有限公司，杭州 310030)

0 引言

为应对全球气候变化，中国政府提出碳达峰、碳中和目标的重大战略部署，进一步要求加快构建以清洁的可再生能源为主体的新型电力系统[1-2]。光伏发电作为可再生能源的重要利用方式，占有举足轻重的地位，因此，增加光伏发电装机容量在所有能源装机容量中的占比尤为重要和迫切。光伏电站所有权的并购是提升各发电集团公司光伏发电装机容量比例的一种有效手段，在项目收购过程中，对现有光伏电站的设备运行情况、整体发电水平、企业效益进行准确有效评估极为重要。

目前，光伏市场上关于发电量评估测算的主流软件包括RETScreen、PVsyst、Meteonorm、PV*SOL 等，通过对比大量实验数据和分析文献报道后发现，PVsyst 是一款能够快速建立仿真模型，且具有较高评估准确性的仿真计算软件。众多专家学者基于PVsyst 开展了光伏发电项目选型设计和发电量分析的研究。文献[3]利用PVsyst 对3 个太阳辐射量差异较大的典型地区等差设置地面反射率和平单轴跟踪支架高度，分析了这两个因素对双面光伏组件发电量的影响。文献[4]基于PVsyst 建立了一种双面光伏组件发电量增益非线性评估模型，利用通径分析全面解释了安装因素对双面光伏组件发电量增益影响的机理。文献[5]利用PVsyst 进行仿真分析，完成了对某山地光伏发电项目的设备选型和光伏组件排布。文献[6]通过PVsyst 对采用倾角可调的斜单轴跟踪支架的光伏发电项目的发电量进行了计算分析。

本文以内蒙古自治区鄂尔多斯地区某个拟转移所有权的新建光伏领跑者项目为例，对双面光伏组件分别与平单轴和斜单轴跟踪支架结合时光伏发电系统第0 年的理论上网电量进行分析，进而得到该项目寿命期内各年的理论上网电量、等效满负荷利用小时数，以及25 年的理论年平均上网发电量和年平均等效满负荷利用小时数。

1 项目概况

该光伏发电项目位于内蒙古自治区鄂尔多斯地区达拉特旗库布齐沙漠光伏发电基地，地理坐标为40°15′53′N、109°38′39′E，不属于高纬度地区。项目规划装机容量为100 MW，实际装机容量为114.27 MW，于2021 年6 月初步并网发电。

该项目选用405 W 高效双面单晶硅光伏组件，数量共计282152 块，每26 块光伏组件为1串光伏组串。光伏组件安装实际采用斜单轴与平单轴跟踪支架两种支架方式，采用斜单轴跟踪支架时，每24 串光伏组串接入1 台逆变器；采用平单轴跟踪支架时，每26 串光伏组串接入1 台逆变器。项目采用组串式逆变器直接接入箱变，实现并网发电。

该项目的可研报告显示，项目运行首年的上网电量为28052 万kWh，寿命期25 年内合计上网电量为642390.40 万kWh，年平均上网电量为25695.61 万kWh，年平均等效利用小时数为2563.27 h。另外，项目所在地太阳总辐射量最小月与最大月的比值为0.359，根据QX/T 89—2018《太阳能资源评估方法》判断，该区域太阳能资源稳定度属于一般级别。

2 场址光资源评估

该项目所在场址的海拔为1006 m，除部分沙尘日外，其余日的大气粒子浓度较低。光资源评估采用太阳辐射资源分析软件SolarGIS 中的太阳辐射数据，较为可靠。基于SolarGIS 得到的项目场址月太阳辐射量统计如图1 所示。

由图1 可知：项目场址的月太阳辐射量变化较大，其值在267.84～746.28 MJ/m2之间；4—8 月的太阳辐射量较高，其中，5 月的最高，为746.28 MJ/m2；11—次年2 月的太阳辐射量较低，其中，12 月达到最低值，为267.84 MJ/m2。

图1 项目场址的月太阳辐射量统计图Fig. 1 Monthly solar radiation statistics of project site

3 设备选型

该项目采用的405 W 高效双面单晶硅光伏组件的性能参数如表1 所示，采用的组串式逆变器的性能参数如表2 所示。

表2 本项目组串式逆变器的性能参数Table 2 Performance parameters of string inverter for this project

该项目采用的平单轴跟踪支架与斜单轴跟踪支架的主要技术参数如表3 所示。

表3 本项目中平单轴跟踪支架与斜单轴跟踪支架的主要技术参数Table 3 Main technical parameters of flat single axis tracking bracket and inclined single axis tracking bracket in this project

4 仿真分析

4.1 系统效率分析

根据设备参数和项目场址的月太阳辐射量，基于PVsyst 仿真计算得出采用不同跟踪支架类型时，光伏阵列最佳安装倾角下倾斜面(下文简称为“最佳倾斜面”)接收的太阳总辐射量，如表4 所示。

表4 采用不同跟踪支架类型时，光伏阵列最佳倾斜面接收的太阳总辐射量Table 4 Total solar radiation received by PV array optimal inclined plane when using different types of tracking bracket

由于PVsyst 无法实现双面光伏组件与斜单轴跟踪支架联合建模，因此，考虑阴影遮挡、灰尘遮挡、光伏组件的匹配损失、直流线损、逆变器效率等影响后，预先建立斜单轴跟踪支架与单面光伏组件结合的光伏发电系统模型，得到该模型的系统效率为88%；进而由PVsyst 仿真计算得到双面光伏组件相对于单面光伏组件的背面发电量增益约为3.91%；在此基础上，考虑双面光伏组件与跟踪支架结合应用后的发电量增益程度，得到“斜单轴跟踪支架+双面组件”光伏发电系统模型的系统效率为91.4%。由于PVsyst 可以实现双面光伏组件与平单轴跟踪支架的联合建模，因此可仿真计算得到“平单轴跟踪支架+双面组件”光伏发电系统模型的系统效率为91.3%。

4.2 项目上网电量计算

根据所确定的光伏发电项目所在地的光伏阵列最佳倾斜面各月接收的平均太阳总辐射量，结合项目选用的光伏组件类型和施工布置情况，对项目年上网电量进行估算。根据项目光伏阵列最佳倾斜面各月接收的平均太阳总辐射量可得到该项目的月峰值日照小时数及年峰值日照小时数。将光伏组件所在安装平面上某一时间段内所能接收到的太阳辐射量转换成1000 W/m2太阳辐射强度工况下的等效利用小时数(也称为“峰值日照小时数”)[7]。

假设某安装倾角下光伏组件在1 h 内接收到的太阳辐射量为1 MJ/m2，根据上述等效利用小时数的定义，可以得到：

因此，若光伏组件在1 h 内所接收到的太阳辐射量为1 MJ/m2，则其在1000 W/m2工况下的等效利用小时数为1/3.6 h。由于市场上光伏组件的铭牌标称功率均在1000 W/m2工况下标定，因此可以采用年等效利用小时数与该项目装机容量的乘积计算得到项目的理论年发电量

光伏发电项目建成后寿命期内每年的理论上网电量Qa可采用式(2)计算，即：

式中：η为当年的光伏发电系统发电效率。该项目中采用平单轴跟踪支架的光伏组件装机总容量为11.44 MW，光伏阵列最佳倾斜面上的年太阳总辐射量为2300.70 kWh/m2，光伏发电系统效率为91.3%，第0 年等效满负荷利用小时数(即等效利用小时数与系统效率的乘积)为2100.50 h，则第0 年的理论上网电量为2402.97万kWh。该项目中采用斜单轴跟踪支架的光伏组件装机总容量为102.83 MW，光伏阵列最佳倾斜面上的年太阳总辐射量为2528.00 kWh/m2，光伏发电系统效率为91.4%，第0 年等效满负荷利用小时数为2310.50 h，则第0 年理论上网电量为23758.87 万kWh。

4.3 项目寿命期上网电量预测

根据该项目中采用不同类型光伏支架时光伏组件的理论年上网电量计算结果，其第0 年理论上网电量为26161.84 万kWh，考虑双面单晶硅光伏组件第1 年理论衰减率为2%，之后每年理论衰减率为0.5%，可计算得到该项目25 年寿命期内各年的理论上网电量及年等效满负荷利用小时数，具体如表5 所示。

从表5 中可以看出：该项目在25 年寿命期的理论年平均上网电量为24068.89 万kWh，理论年平均等效满负荷利用小时数为2106.32 h。

表5 项目寿命期内的理论年上网电量及年等效满负荷利用小时数Table 5 Theoretical annual on-grid power generation capacity and annual equivalent full load utilization hours within the project life cycle

5 对比分析

5.1 理论上网电量分析

该项目的可研报告显示：分别采用平单轴和斜单轴跟踪支架时，光伏阵列最佳倾斜面上的年太阳总辐射量分别为2266 及2448 kWh/m2，与本文的计算结果接近；在光伏支架下方铺设高反射率材料后，双面光伏组件的背面发电量增益约为28%。在此情况下，测算得到该项目首年上网电量为28052 万kWh，寿命期25 年内理论年平均上网电量为25695.61 万kWh，理论年平均等效满负荷利用小时数为2563.27 h。

5.2 实际上网发电量统计分析

该项目于2021 年6 月初步并网，跟踪支架未投入运行，集电线路未全部建设完成，采取限电输送措施(限电率约为50%)，2021 年6—10 月实际上网电量为6298.40 万kWh。为分析该年中其他月份的上网电量情况，采用Solargis软件模拟得到项目场址光伏阵列最佳倾斜面上其他月份的理论太阳辐照量数据，进而计算得到该项目2021 年全年的理论上网电量为15829.24万kWh。由此测算得到25 年的年平均等效满负荷利用小时数为1678.79 h，低于可研设计值(2563.27 h)。

5.3 小结

本文测算得到的项目年平均等效满负荷利用小时数为2106.32 h，低于可研设计值，高于根据实际上网电量测算得到的值。由于该项目现场光伏支架下未铺设高反射率材料，双面光伏组件背面发电量增益采用可研设计值28%后，导致可研报告的理论年上网电量估算过高。由于项目未全面建成，受送出线路容量限制，实际的年上网电量统计数据无法体现该项目的实际发电能力，且缺乏准确的限电率数据。综上所述，在该项目收购评估过程中，采用由本文所述方法得到的上网电量结果进行经济性分析较为合理。

6 结论

本文以内蒙古自治区鄂尔多斯地区某个拟转移所有权的新建光伏领跑者项目为例，对双面光伏组件分别与平单轴和斜单轴跟踪支架结合时光伏发电系统的第0 年理论上网发电量进行分析，进而得到该项目寿命期内各年的理论上网电量、等效满负荷利用小时数，以及25 年的理论年平均上网电量和年平均等效满负荷利用小时数。结果显示：本文所述计算方法得到的项目年平均等效满负荷利用小时数为2106.32 h，低于可研设计值，高于根据实际上网电量测算得到的值。以期本研究可为项目收购决策和经济性分析提供科学参考及依据。