油田井场光伏发电系统测试方法研究及应用

张昌胜（中国石油天然气集团公司节能技术监测评价中心）

油田即是能源生产大户，也是能源消耗大户，为解决能源生产成本，降低企业生产能耗，光伏发电系统在油田上得到了快速的发展和应用。近年来，国家推出一系列政策和举措推动能源转型，调整和优化能源产业结构，推进能源生产和消费革命，构建清洁低碳、安全高效的能源体系，因地制宜发展分布式能源，推动非化石能源替代化石能源、低碳能源替代高碳能源。按照油田井场的布局及油井的生产特点，光伏发电系统的应用较为广泛。

1 现状

井场用光伏发电系统配备的电能数据采集功能还存在一些弊端，因为光伏发电系统的每组太阳能光板是多块太阳能光板串联到一起的，监控系统并不能采集每块太阳能光板的发电和电能使用情况。另外，太阳能光板在生产时，每块光板的电能利用效率也有差别，所以研究光伏发电系统的测试方法，并对光伏发电系统进行常规的节能监测是非常必要的。

通过节能监测可以随时掌握每块太阳能光板的电能利用效率，同时对于效率低的太阳能光板，可以进行数据分析，采取相应的技术措施，从而提高系统的电能利用效率。另外，通过对光伏发电系统测试，可以掌握光伏发电系统的各项能效指标，对采油井充分利用电能、余电上网起到重要的作用。所以研究光伏发电系统的测试方法，是油田节能监测中的一项重要工作。

2 光伏发电系统测试研究

2.1 发电原理

光伏发电是一种利用半导体界面的光伏效应将光能直接转化为电能的技术[1]。系统主要由太阳能发电板（模块）、控制器、逆变器组成。太阳能电池串联后进行封装和保护，形成大面积的太阳能电池模块，然后与功率控制器等组件组合，形成光伏发电装置。

光伏发电的主要原理是半导体的光电效应：不均匀的半导体或半导体的不同部分与金属结合后，由于光的作用而产生电位差现象，即太阳光照射金属时，其能量被金属中的电子完全吸收，但是当电子吸收的能量足够大，足以克服金属的内部引力，并从金属表面逃逸出来成为光电子时，就会形成电流，产生电量。这是一个光子（光波）转化为电子，光能转化为电能的过程。

2.2 评价指标

光伏发电系统的能效评价指标主要包括四项：光伏组件效率[2]、光伏组件串联失配率[3]、光伏组串并联失配率[4]和光伏逆变器转换效率[5]。

2.3 测试项目

光伏发电系统测试项目主要包括：

◇τ 时段光伏发电站输出的总发电量、τ 时段光伏方阵倾斜面单位面积总辐照量；

◇标准条件下的辐照度；

◇τ 时段光伏发电站发出的出口侧关口表发电量；

◇τ 时段光伏发电站发出的除站内用电外就地消纳的电量；

◇τ 时段光伏发电站为维持运行消耗的取自电网的电量；

◇τ 时段光伏发电单元输出的总发电量；

◇光伏发电单元安装容量；

◇τ 时段光伏发电单元光伏方阵倾斜面单位面积总辐照量；

◇光伏组件最大功率、被测光伏组件标称总面积；

◇被测光伏组串最大功率；

◇被测光伏组串中第n块被测光伏组件最大功率；

◇被测汇流箱最大功率；

◇被测汇流箱中第n串被测光伏组串最大功率；

◇逆变器交流侧电压采样瞬间值；

◇逆变器交流侧电流采样瞬间值；

◇逆变器交流侧连续两个采样值之间的时间间隔；

◇逆变器直流侧电压采样瞬间值；

◇逆变器直流侧电流采样瞬间值。

2.4 测试方法

2.4.1 测试条件

◇测试应选择晴天少云的天气；

◇测试周期应至少覆盖一个日历天；

◇测量数据取值时间间隔应精确到秒级。

2.4.2 测试方法及步骤

1）系统效率、光伏发电单元效率测试装置应包括气象数据采集装置和光伏发电站发电量采集装置。

系统效率具体测试步骤如下：①在光伏方阵中安装气象数据采集装置，测量光伏组件表面接收辐照度；②在光伏发电站交流输出侧测量光伏发电站出口侧关口表发电量、除站内用电外就地消纳的电量及为维持电站运行消耗的取自电网的电量。

光伏发电单元效率测试步骤如下：①在光伏发电单元光伏方阵中安装气象数据采集装置[6-7]，辐照度计应与被测光伏组件所在光伏方阵同倾角位置摆放，测量光伏组件表面接收辐照度；②在光伏发电单元交流输出侧测量光伏发电单元发电量。

2）光伏组件效率测试包括光伏组件转换效率测试及积尘损失率测试。

光伏组件效率测试步骤如下：①断开被测光伏组件所在组串的主回路；②记录被选光伏组件的基本参数与生产批号并清洁处理；③将被测光伏组件的温度预处理到25 ℃±1 ℃；④利用光伏组件最大功率[8]测试装置测试光伏组件电流和电压数据。

3）光伏组件串联失配率应采用同步在线测试装置进行测试，装置功能应满足光伏组件串联失配率同步测试需求。

光伏组件串联失配率测试步骤如下：①断开被测光伏组串的主回路；②将同步在线测试装置分别连接到被测光伏组串中全部光伏组件及光伏组串输出侧；③恢复光伏组串的主回路，测试并记录被测光伏组件和光伏组串最大功率。

4）光伏组串并联失配率应采用同步在线测试装置进行测试，装置功能应满足光伏组串并联失配率同步测试需求。

光伏组件串并联失配率测试步骤如下：①断开被测光伏汇流箱的主回路；②将同步在线测试装置分别连接到被测光伏汇流箱的输入、输出侧，输入侧应连接汇流箱中全部光伏组串；③恢复光伏汇流箱的主回路，测试并记录被测光伏组串和光伏汇流箱的最大功率。

5）组串式光伏逆变器效率测试应具备多路MPPT（最大功率点跟踪）同步测试全部支路的功能；集散式光伏逆变器效率测试应具备DC-DC 和DC-AC 转换效率测试功能。

光伏逆变器转换效率测试步骤如下：①分别在光伏逆变器的交流侧和直流侧接入数据采集装置；②测量并记录光伏逆变器的直流输入电压、直流输入电流、交流输出电压和交流输出电流；③给出实际输出功率与交流额定功率之比为5%、10%、20%、25%、30%、50%、75%、100%（可选）时的转换效率值，每个功率点记录时间不应小于10 min。

2.5 项目计算方法

2.5.1 系统效率

光伏发电站系统能效计算公式如下：

式中：TPR为系统能效，%；EOUT,τ为τ时段光伏发电站输出的总发电量，kWh；RCI为光伏发电站安装容量，kW；G为τ时段光伏方阵倾斜面单位面积总辐照量，kWh/m2；G0为标准条件下的辐照度，kW/m2；ETUN,τ为τ时段光伏发电站发出的出口侧关口表发电量，kWh；ECON,τ为τ时段光伏发电站发出的除站内用电外就地消纳的电量，kWh；EL,τ为τ时段光伏发电站为维持运行消耗的取自电网的电量，kWh。

2.5.2 光伏发电单元效率

光伏发电单元能效计算公式如下：

式中：PRSYS为光伏发电单元能效，%；ESYS,τ为τ时段光伏发电单元输出的总发电量，kWh；RCISYS为光伏发电单元安装容量，kW；GSYS为τ时段光伏发电单元光伏方阵倾斜面单位面积总辐照量，kWh/m2；G0为标准条件下的辐照度（通常情况下G0=1），kW/m2。

2.5.3 光伏组件效率

光伏组件转换效率计算公式如下：

式中：ηout为光伏组件转换效率，%；PMPP_STC为光伏组件最大功率，W/m2；Aout为被测光伏组件标称总面积，m2。

光伏组件积尘损失率应进行连续光伏组件测试，测试前均应清洗光伏组件，每种型号光伏组件测试宜不少于5 块，两次测试间隔一周时间。利用上述测试数据计算积尘损失率，公式如下：

式中：η'out光伏组件积尘损失率，%；P1为第一次清洗后测试得到的光伏组件最大功率，W；P2为第二次清洗后测试得到的光伏组件最大功率，W。

2.5.4 光伏组件串联失配率

光伏组件串联失配率计算公式如下：

式中：η串为被测光伏组串串联失配率，%；P串为被测光伏组串最大功率，W；Pn为被测光伏组串中第n块被测光伏组件最大功率，W；n为被测光伏组串中第n块被测光伏组件。

2.5.5 光伏组串并联失配率

光伏组串并联失配率计算公式如下：

式中：η汇为被测汇流箱光伏组串并联失配率，%；P汇为被测汇流箱最大功率，W；P串n为被测汇流箱中第n串被测光伏组串最大功率，W；n被测汇流箱中第n个被测光伏组串。

2.5.6 光伏逆变器转换效率

光伏逆变器转换效率计算公式如下：

式中：ηconv为光伏逆变器转换效率，%；N为交流采样点总数；UAC,i为交流侧电压采样瞬间值，V；IAC,i为交流侧电流采样瞬间值，A；ΔTi为交流侧连续两个采样值之间的时间间隔，s；M为直流采样点总数；ΔTi×N=ΔTj×M，采样时间取1 min；UDC,j为直流侧电压采样瞬间值，V；IDC,j为直流侧电流采样瞬间值，A；ΔTj为直流侧连续两个采样值之间的时间间隔，s。

3 现场应用

3.1 井场基本情况

某油田采油厂一生产区块共有9 座采油井场，包含30 口采油井、14 口注水井，抽油井电动机额定功率平均为7.5 kW，平均产液量8.33 t/d，平均含水率55.0%，平均泵挂深度2 250 m。井场周边空闲土地多，地势较为平坦，地质较好，无障碍形成阴影遮挡，有丰富的太阳能资源，适合光伏发电的场所需求。经充分考虑，在该区域建设光伏发电装置，形成油田生产区“绿电替代传统的火力发电”模式，降低油田企业生产综合能耗，同时实现节能减排的目的。

3.2 系统主要配置和设备选型

本系统主要由光伏组件方阵、逆变器及监控系统、并网配电柜等组成。

1）光伏组件：545 Wp 单面单晶硅组件。

2）光伏逆变器：选用组串式逆变器，额定功率为15～110 kW。

3）安装布置：落地固定安装，沿井场长边竖向布置。

4）容量选择：各井场安装容量推荐配套选取，不同井数井场光伏安装容量见表1。

表1 不同井数井场光伏安装容量Tab.1 Photovoltaic installation capacity at well sites with different wells

根据油区自然地形和建设现状，结合当地的太阳光照，考虑油田今后的滚动开发，经多次考察并结合井场实际，根据油井的负荷大小，井场光伏装置装机总容量设计为715 kWp。光伏装置设备的安装容量以及安装朝向如表2 所示。

表2 井场光伏发电安装容量情况Tab.2 Situation of photovoltaic installation capacity at well sites

5）光伏组串匹配计算：组件串联个数应保证满足逆变器的直流MPPT 电压和最大直流允许电压的要求[9]。该项目拟选用容量为15～100 kW 的组串式逆变器，其MPPT 电压跟踪范围为200～1 000 V，最大输入电压约为1 100 V；拟采用545Wp 单晶硅组件，其开路电压为49.5 V，开路电压温度系数为-0.27%/℃，峰值功率电压为41.5 V，峰值功率电压温度系数为-0.35%/℃。组件串联后，最低温度下的开路电压应低于逆变器的最大开路电压。一般情况下，-29.8 ℃和70 ℃下的最佳工作电压应在逆变器的MPPT 范围之内。综合考虑光伏电站的容量、光伏组件的尺寸、光伏电站的综合布局等因素，最终确定组件串联数16、18、20 块为一串。

6）并网配电箱：并网配电箱具备防雷接地、隔离、防逆流、过载保护等功能。在配电箱表面设置专用标识和“警告”“双电源”等提示性文字和符号。该配电箱在负荷设备与并网逆变器之间，公共电网与负荷设备之间都使用断路器设置了隔离开关，具有明显断开点指示及断零功能。

7）监控系统：采用GPRS 数据传输技术方案，每个站点配置1 台GPRS 数据采集器，采集器采集逆变器、计量表的数据发送至远程监控中心，查看项目运行数据。逆变器本身具有就地数据显示功能（现场监控）。

井场分布式光伏系统连接见图1。该工程防雷接地、系统接地、保护接地和工作接地共用一个接地系统。光伏系统所有外露的金属构件（包括光伏组件边框、光伏方阵支架、逆变设备的外壳等）都通过防雷接地引下线引入接地系统。采用镀锌扁钢，接地极采用DN50×2 500 镀锌钢管，极间距不小于5 m，接地装置埋深冻土层下0.1 m。

8）光伏支架：本项目采用预制桩光伏支架。

3.3 系统发电及并网

分布式光伏发电场所发电量以0.4 kV 并入所属区域10 kV 高压线路，通过10/0.4 kV 变压器低压侧母线，在0.4 kV 电网消纳，就地无法消纳的，余电经10/0.4 kV 变压器反送至10 kV 电网综合平衡消纳。光伏产生的电量为井场、站场等用电单元进行供电。光电并网系统原理见图2。

图2 光电并网系统原理Fig.2 Principle of photoelectric grid-connected system

分布式光伏发电场具备防孤岛保护功能[10]，确保系统失电时设备与人员安全，并配置具有通信功能的电能计量装置和相应的电量采集装置，电量采集信息接入调度系统，使控制系统实时掌握光伏发电情况及电量使用情况。光伏发电系统见图3。

图3 光伏发电系统Fig.3 Photovoltaic power generation system

4 效益分析

9 座井场布置分布式光伏发电装置，30 口采油井的电动机平均额定功率为7.5 kW，光伏装机总容量为715 kWp，现场充分利用光能转化为电能，项目建设后，具有很好的经济效益和社会效益。同时，对光伏发电系统进行定期监测，可以完善企业的能源管理体系，延长光伏发电系统的使用寿命，提高使用效率，对今后企业能源管控，起到积极促进作用。

1）井场光伏发电装置应用后，通过年用电量的统计、测算，每年可节约电量85.8×104kWh，节约标准煤261.69 t，减少CO2排放量572.37 t。

2）通过系统监测，实现数据共享，对现场采集数据进行能效分析，可以提高整个装置系统使用效率，降低企业生产运营成本，并对整个装置安全、稳定运行起到保障作用；另外，通过监测数据结果分析可以不断完善管理细则和能效管理体系，规范管理操作流程，对光伏系统的后续维护保养、延长使用寿命和节能减排工作具有重大意义。

3）每块光伏组件的转化效率都存在着一定的差异，通过监测数据结果分析，得出每块太阳能光板的转换效率，对效率低的太阳能光板采取可行的技术措施，可以提高光伏组件的发电效率，降低光伏发电系统的生产运行成本，对提升整个装置系统效率起到重要作用。

4）由于生产工艺问题导致不同组件之间功率以及电流存在一定偏差，单块电池组件对系统影响不大，但光伏并网后是由很多电池组件串并联后组成，因组件之间功率及电流的偏差，对光伏系统的发电效率会存在一定的影响。通过监测数据进行能效分析，可以对不匹配的太阳能光板进行更换或者重组，能有效解决组件串联不匹配产生的效率降低的问题，进而提高整个装置的发电效率。

5 结论

研究油田井场光伏发电系统的测试方法，对装置进行针对性的节能监测，解决了太阳能光板电量分级计量的问题，提高了光伏发电系统的电量使用效率；另外，对于井场的电能使用、余电上网可以提供数据支撑，通过监测结果，不但可以对采油井进行能耗分析，而且对后续光伏发电系统的电能科学评价及节能减排具有重要意义。井场周边空闲土地多、年平均日照时间长，油田采油井生产运行时，电量消耗大且稳定，光伏发电系统的应用为油田企业节约大量的电力资源，对油田积极推进绿电等清洁能源、助力油田企业降本增效、构建绿色产业结构和低碳能源供应体系起到关键性的作用。通过实践证明，光伏发电系统的应用不但可降低企业的生产综合能耗，并且对减少油田企业碳排放、实现碳中和具有一定的促进作用。