光伏电站系统标准能效比的修正方法研究_陆江.pdf

电力科技与环保2023,39(3):194 200Electric Power Technology and Environmental Protection194光光伏电站系统标准能效比的修正方法研究伏电站系统标准能效比的修正方法研究陆 江1,2，王文彬1，袁廷璧1*，段震清1，柳殿彬1，崔亚辉1(1.国家能源集团新能源技术研究院有限公司，北京102200;2.华北电力大学（保定）,河北 保定071000)摘要：为减小光伏系统标准能效比（Corrective Performance Ratio，CPR）的计算误差，降低运维成本，提高电站管理水平，基于光伏组件工程简化模型计算考虑组件温度、辐照度变化的电能变化量，并利用该变化量计算 CPR。将该方法运用于实际电站，对比行业标准 NB/T 10394-2020 的计算方法并分析其差异，结果表明，该方法的计算结果与行业标准的计算结果在日总辐照量大于 6(kWh)/m2时差值小于 2%，且在日总辐照量小于 6(kWh)/m2时，可减少因组件自身特性造成的误差，相比于行业标准 NB/T 10394-2020 的计算方法更具优势。关键词：能效;光伏电站;功率温度系数;辐照度;CPR中图分类号:TK519文章编号:1674-8069(2023)03-194-07文献标识码:ADOI 编号:10.19944/j.eptep.1674-8069.2023.03.002引用本文格式陆江,王文彬,袁廷璧,等.光伏电站系统标准能效比的修正方法研究J.电力科技与环保,2023,39(3):194-200.LU Jiang,WANG Wenbin,DUAN Zhenqing,et al.SStudy on Correction Method of CPR of PV Power StationJ.Electric Power Technologyand Environmental Protection,2023,39(3):194-200.Study on correction method of CPR of PV power stationLU Jiang1,2,WANG Wenbin1,YUAN Tingbi1*,DUAN Zhenqing1,WANG Wenbin1,CUI Yahui1(1.China Energy New Energy Technology Research Institute,Beijing 102200,China;2.North China Electric PowerUniversity,Baoding 071000,China)Abstract：In order to reduce the calculation error of the standard energy efficiency ratio(Corrective Performance Ratio,CPR)of photovoltaic systems,reduce operation and maintenance costs,and improve the management level of power plants,asimplified model of photovoltaic module engineering is used to calculate the changes in electrical energy consideringchanges in module temperature and irradiance,and the CPR is calculated using this change.Applying this method toactual power plants,comparing the calculation methods of the industry standard NB/T 10394-2020 and analyzing theirdifferences,the results show that the difference between the calculation results of this method and the industry standard isless than 2%when the total daily irradiation is greater than 6(kWh)/m2,and when the total daily irradiation is less than 6(kWh)/m2,it can reduce errors caused by the inherent characteristics of the components,which is more advantageouscompared to the calculation method of the industry standard NB/T 10394-2020.Key words:energy efficiency;photovoltaic power station;power temperature coefficient;irradiance;CPR收稿日期：2023-04-28基金项目：国家能源集团技术标准项目（BZ2021-022XN）2023 年陆 江等：光伏电站系统标准能效比的修正方法研究第 3 期1951引言系统能效比(Performance Ratio，PR)是光伏电站某时段内等效利用小时数与光伏组件倾斜面峰值日照小时数的比值1。系统标准能效比是修正到标准测试条件下的系统能效比。目前绝大多数光伏电站采用 PR 值和 CPR 值来分析电站的发电效率，以此制定运维决策，其计算结果的准确性对光伏电站的经济效益至关重要。随着光伏发电规模的快速增加，光伏电站能效评估方法的研究开始受到重视。Wei-jun LI 等2提出一种基于层次分析法和模糊综合评判的光伏发电系统能效评价方法，分析了光伏发电系统能效影响因素，建立了光伏发电系统能效评价指标体系。钱吉红3通过构建光伏电站各环节的精细损耗模型，结合实际定义了三类能效指标，开发了分布式光伏能效测评系统软件。马三妹4针对目前并网光伏电站能效计算步骤繁琐、测算方法复杂，专业性太强以及操作麻烦等难题，提出了三段式并网光伏电站系统能效分析模型。贠旭明5基于传统的发电量估算方法进行改进，忽略次要因素的影响，建立了光伏发电系统的发电量和发电效率评估算法，在保证准确性的情况下降低了计算难度。上述文献提出的光伏电站发电效率计算方法需考虑诸多因素，计算过程繁琐，并未得到推广应用。目前光伏电站发电效率的计算普遍采用行业标准NB/T10394-2020 中的计算方法6，其中 CPR 值的计算方法使用组件功率温度系数进行计算，但是组件功率温度系数随着辐照度的变化而变化7，且厂家往往只提供标准测试条件下的组件参数，导致计算结果并不准确8-11，光伏电站实际的 CPR 值往往大于计算结果。本文根据系统能效比 PR 计算式推导出组件理论发电量，基于组件模型估算组件发电量，提出光伏系统标准能效比 CPR 的修正方式。根据光伏电站实际运行数据和气象数据计算 CPR，对比相同环境下两种计算方法的结果，结果表明，本文方法在辐照强度较低的情况下可减少因组件自身特性造成的计算误差。2CPR 修正原理及方法2.1计算发电单元理论发电量标准 NB/T10394-2020 中发电单元系统能效比计算公式为：0P100%GGACEPR=*单元（1）式中：EAC为某发电单元在该时段内变压器二次侧累计的发电量，单位为(kWh)，P单元为某发电单元安装容量，单位为kWp，G为该时段内光伏组件接收的总辐照量，单位为(kWh)/m2，G0=1kW/m2为标准测试条件下的太阳辐照强度。在标准测试条件下组件光电转化效率为：%1000*=GAPPV标（2）式中：A为组件单面全面积，单位为m2，PPV为组件标准测试条件下的最大输出功率，单位为W；标准测试条件为大气质量AM1.5，光照强度1000W/m2，组件背板温度25。认为某光伏电站全部采用统一规格的光伏组件，根据式(1)、(2)，令PR=1以定义理论发电量：1100%PGAPVPVEEPRGPnGEPnGn=*=*=*理论理论单元理论标（3）式中：E理论为该时段内发电单元理论发电量，单位为(kWh)，n为该发电单元包含的光伏组件个数。2.2根据辐照度和组件表面温度估算发电量采用公式（4）所述光伏组件工程简化模型12-14估算组件最大输出功率Pm：)T(1 GI)G(eln)T(1 Urefrefmrefrefrefmref-+*-+*-*=ccmTGGTP（4）式中，Tc为当前组件背板温度，单位为；Umref为组件标称最大功率点电压，单位为V，Imref为组件标称最大功率点电流，单位为A；Gref=1000w/m2为标准测试条件下的太阳辐照强度，G为当前组件正面辐照度，单位为W/m2，Tref=25为标准测试条件下 的 组 件 背 板 温 度；e 为 自 然 对 数 底 数；=0.039%*-1为 组 件 短 路 电 流 温 度 系 数；2023 年 6 月电力科技与环保第 39 卷第 3 期19600107381.0ln00015095.0+-=G；=0.00463。故在不考虑损耗的情况下，当前环境下某光伏发电单元的发电功率为：Pm单元=n*Pm（5）式中n为该光伏发电单元包含的光伏组件个数。设采样周期为t(min)，组件因温度、辐照度变化所导致的电能变化量可由式（6）计算：m11*t*A*()*t1000*60itptpiiitGnPtE=-=标单元（6）其中 Gi为第 i 次采样所得的太阳辐照强度，单位为 W/m2，Pm单元(ti)为第 i 次采样所计算出的发电单元最大输出功率，t 为采样周期，tp 为当前时段下的数据采样总数。2.3CPR 修正方法光伏发电系统效能规范（NB/T 10394-2020）中CPR值计算方式如式（7）所示，选取某个时间段内的采样数据进行计算：.dc0100%(*P*)/Gp itECPRGK=*（7）式中：CPR为系统标准能效比；Kt为该时段内的温度修正系数；Pdc为光伏发电系统直流侧安装容量，单位为kWp；）（251mod,-+=itTK（其中为组件功率温度系数；mod,iT为组件表面温度）；.p iE为某个采样区间内光伏发电系统上网电量，单位为(kWh)。从式（7）可知，CPR与PR的区别在于引入了温度修正系数，而温度修正系数由当前的组件温度与其功率温度系数决定，但厂家仅提供STC下的组件参数，这导致了该计算方法无法应用在辐照度较低的工况中。从式（3）可知，E理论表示为某发电单元内所有组件在标准测试条件下，根据总辐照量转换所得的发电量；而EG,T则表示考虑了实际背板温度、辐照度变化的组件发电量，两者之差则表示组件因温度、辐照度变化所导致的电能变化量，将该差值补充到发电单元发电量中，即为发电单元在等同辐照能量下、标准测试条件下的发电量。本文提出的CPR计算方式为：.1dc01()100%(*P)/np iiniiEECPRGG=+=*（8）3结果与讨论现对以上方法进行验证，选取甘肃敦煌光伏电站中某个发电单元的一组历史数据，其中环境数据及设备运行数据的采样周期为5 min/次，以天为周期进行分析。其中，光伏电站组件参数如下：开路电压为49.65 V，短路电流为11.24 A，最大功率点电压参考值为41.44 V，最大功率点电流参考值为10.74 A，最大点功率为445 W，组件功率温度系数为-0.39%，组件光电转化效率为20.47%，单面面积2.174 m2，单元组件数量为546块。分别用式（8）和标准NB/T 10394-2020的方法计算该发电单元的CPR值，中间变量和计算结果如表1所示，其中CPR1是按标准方式计算的结果，CPR2是根据式（8）计算的结果，太阳辐照强度数据如表2所示。表 1本组数据各中间变量及计算结果Tab.1Intermediate variables and calculation results ofthis group of data日期G/(kWh)当日平均气温E 理论/(kWh)EG,T/(kWh)E/(kWh)CPR1%CPR2%4.277.1316.31732.01639.692.4288.888.14.305.5513.41347.71246.5101.2074.478.65.17.2615.11762.91662.4100.5084.684.75.27.2818.91769.91664.2105.6970.370.35.37.2222.31753.21642.2111.0158.859.45.47.1425.71734.81617.9116.8360.960.85.216.7526.71639.71515.5124.2285.383.95.225.9926.81456.31328.0128.2677.378.85.235.2527.51275.31143.9131.3885.588.75.252.3827.4577.3489.687.765.878.2计算结果如图 1 所示，CPR1 为标准公式的计算结果，CPR2 为本文公式的计算结果。图中横坐标表示当日总辐照量，纵坐标表示 CPR 值。2023 年陆 江等：光伏电站系统标准能效比的修正方法研究第 3 期197表 2本文所选取的日期的辐照度数据Tab.2Irradiance data of the date selected in this paper数据日期当日最高辐照度当日总辐照量2022 年 4 月 27 日9997.132022 年 4 月 30 日11715.552022 年 5 月 1 日9677.262022 年 5 月 2 日9897.282022 年 5 月 3 日9627.222022 年 5 月 4 日9567.142022 年 5 月 21 日9066.752022 年 5 月 22 日10235.992022 年 5 月 23 日7685.252022 年 5 月 25 日4062.38从图1可以看出，在当日总辐照量大于6(kWh)/m2时两种CPR值相差小于2%，且随着辐照量的增加而趋于0；在日总辐照量小于6(kWh)/m2时，其差异随辐照度减小而逐渐增大。这10组数据中有4组数据的总辐照量小于6(kWh)/m2，尤其是5月25日的总辐照量仅有2.38(kWh)/m2，查看气象站数据并未发现有数据漏传的情况，再查看敦煌当地历史气象数据，发现5月多为多云和强风天气，相邻日期的气象条件差异较大，且该地区昼夜温差大，5月份最高气温为34，最低气温为-2，敦煌春季多风，夏季炎热，而5月正值春夏交替的时节，容易出现气温高而辐照量较低的现象。标准公式的计算结果 CPR1 与本文公式的计算结果 CPR2 差异性分析如表 3、图 2 所示。表 3差异性分析Tab.3Difference analysis图 1 两种计算方式的计算结果对比Fig.1Calculation results of two calculation methods图 2差异变化趋势Fig.2Difference trend从表 3、图 2 可知，在当日总辐照量大于6(kWh)/m2时，两者的差异在 2%以内，计算两者之差的绝对值与总辐照量的相关系数：(,)(,)()()Cov x Gr x GVar x Var G=（9）式中：x 为 CPR1 与 CPR2 之差的绝对值，(,)Cov x G为 x 与G的协方差，()Var x、()Var G分别为 x 与G的方差。计算结果为-0.96，为强相关、负相关。为验证组件模型的可靠性，利用电站某一串经过清洗后的、正常运行的组串的数据进行分析，分别选取2022 年 10 月 16 日与 2022 年 10 月 17 日两天内辐照度处于 150700 W/m2时刻的数据，对比模型输出112CPRCPRCPR-21 CPRCPR-当日总辐照量0.00%0.0%7.280.12%0.1%7.261.02%0.6%7.220.16%0.1%7.140.79%0.7%7.131.64%1.4%6.751.94%1.5%5.995.65%4.2%5.553.74%3.2%5.2518.84%12.4%2.382023 年 6 月电力科技与环保第 39 卷第 3 期198值与实际值，结果如图 3 和图 4 所示。图 3 中，Pm表示模型估算功率值，Ps表示组串实际功率值，图4 为相对误差曲线图。(a)16 日功率曲线(b)17 日功率曲线图 3组串实际功率与模型功率曲线Fig.3Actual power and model power curve of string从图3、图4可知，该模型估计值与实际值拟合较好，光伏组件工程简化模型可靠性并不随辐照度的减小而降低。图 1 展示的计算结果表明，在当日总辐照量较高的情况下，NB/T 10394-2020 标准公式和本文公式两种方法计算结果相近。在总辐照量较高的日期内，中午时段的辐照度接近 1 kW/m2，功率温度系数可以采用厂家提供的参数直接计算，以上两种方式取得相同的计算结果证明了本文计算方法的正确性。(a)16 日误差曲线(b)17 日误差曲线图 4相对误差Fig.4relative error若组件温度升高，组件内部电子的布朗运动加剧，从而影响组件输出的电流大小，在当日总辐照量较低的情况下，组件内电势较低，更容易受到电子布朗运动的影响16-20，即温度对组件输出功率的影响增大。本文方法计算所得 CPR 值大于标准公式计算所得的 CPR 值，并且在相同环境下两者的差异随着总辐照量的减小而增大，由式（9）计算结果得知，其差异主要由辐照度降低导致，而辐照度降低并未使模型的误差增大，而是加剧了温度对组件输出功率的影响，符合实际情况。4结论本文分析了电站发电单元理论发电量和模型发电量的物理意义，提出系统标准能效比（CPR）的修正方式，根据案例计算结果分析，结论如下：（1）不仅本文方法的计算结果在总辐照量较高的情况下高度接近于标准方式的计算结果，且在总辐照量较低的情况下考虑了光伏组件的特性，减少计算误差，可以认为本方法比行业标准 NB/T10394-2020 的计算方法更具优势。（2）两种计算结果的差异受到组件简化模型拟2023 年陆 江等：光伏电站系统标准能效比的修正方法研究第 3 期199合精度的影响，模型精度和可靠性越高，计算结果越准确。（3）两种方法所用数据相同，故本文方法具有实用意义。参考文献：1 中国电力科学研究院.光伏发电效率技术规范:GB/T 39857-2021S.北京:国家标准化管理委员会,2021.2 LI Wei-jun,Wang Ding-mei,Zhou Qiang et cl.Energy EfficiencyEvaluation of Photovoltaic Power Generation System Based on AnalyticHierarchy Process and FuzzyComprehensive EvaluationC/IEEEInternational.Conference on Energy Internet and Energy SystemIntegration,Taiyuan,China,2021,DOI:10.1109/EI252483.2021.9713643.3 钱吉红.分布式光伏发电系统能效测评关键技术研究与开发D.湖南大学,2016.QIAN Jihong.Research and development of key technologies for energyefficiency evaluation of distributed photovoltaic power generationsystem D.Hunan University,2016.4 马三妹.分布式光伏电站监测及能效分析系统的研究与开发D.电子科技大学,2021.MA Sanmei.Research and development of distributed photovoltaicpower station monitoring and energy efficiency analysis system D.University of Electronic Science and Technology,2021.5 贠旭明.光伏发电系统发电效率评估D.华北电力大学,2017.YUNXuming.Evaluationofpowergenerationefficiencyofphotovoltaic power generation system D.North China Electric PowerUniversity,2017.6 水利规划设计总院.光伏发电系统效能规范:NB/T 10394-2020S.北京:国家能源局,2020.7 王喜炜,白建波,宋 昊,等.基于温度系数试验的光伏组件性能评估J.太阳能学报,2020,41（7）:129-136.WANG Xiwei,BAI Jianbo,SONG Hao,et al.Performance evaluation ofphotovoltaic modules based on temperature coefficient test J.Journalof Solar Energy,2020,41(7):129-136.8 方祖捷,陈高庭,叶青,等.太阳能发电技术的研究进展J.中国激光,2009,36（1）:5-10.FANG Zujie,CHEN Gaoting,YE Qing,et al.Research progress of solarpower generation technology J.China Laser,2009,36(1):5-10.9 陈金鑫.分布式光伏发电积灰损耗及系统综合能效评估研究D.浙江工业大学,2020.CHENJinxin.Researchonashdepositionlossandsystemcomprehensive energy efficiency evaluation of distributed photovoltaicpower generation D.Zhejiang University of Technology,2020.10李 敏.分布式光伏电站监测及能效分析系统的研究与开发D.华北电力大学,2016.LI Min.Research and development of distributed photovoltaic powerstation monitoring and energy efficiency analysis system D.NorthChina Electric Power University,2016.11郑伟烁,郑文悦,李志伟,等.光伏电站在线监测技术现状与进步趋势展望J.电测与仪表,2021,58（9）:1-7.ZHENG Weishuo,ZHENG 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ofphotovoltaicpowergenerationD.NorthChinaElectricPowerUniversity,2018.16丁 坤,陈富东,翁 帅,等.基于 I-V 特性灰色关联分析的光伏阵列健康状态评估J.电网技术,2021,45(8):3087-3095.DING Kun,CHEN Fudong,WENG Shuai,et al.Photovoltaic arrayhealth assessment based on I-V characteristic grey correlation analysisJ.Power Grid Technology,2021,45(8):3087-3095.17彭 硕,苏中元.基于热电耦合模型的光伏组件功率模拟J.电源技术,2022,46(11):1330-1335.PENG Shuo,SU Zhongyuan.Photovoltaic module power simulationbased on thermoelectric coupling model J.Power Technology,2022,46(11):1330-1335.18W.H.Bloss,H.P.Hertlein,W.Knaupp et cl.Photovoltaic PowerStationsJ.Solar Power Plants,1991:283-335.19RawiaChakroun,RamziBenAyed&NabilDerbel.CombinedSHE-LLCL Design for a Real Case Photovoltaic Power StationJ.Journal of Control,Automation and Electrical Systems,2020,31:1558-1566.20Chong Li.Evaluation of the viability potential of four grid-connectedsolarphotovoltaicpowerstationsinJiangsuProvinceJ.CleanTechnologies and Environmental Policy volume,2021,23:2117-2131.21王爱超.光伏发电系统中单相并网逆变器的研究.曲阜师范学院,2013.WANG Aichao.Research on single-phase grid-connected inverter inphotovoltaic power generation system.Qufu Normal University,2013.22陈明会.基于 DSP 的单相推挽式高频逆变电源的研究D.青岛大学,2020.2023 年 6 月电力科技与环保第 39 卷第 3 期200CHEN Minghui.Research on single-phase push-pull high-frequencyinverter based on DSP D.Qingdao University,2020.23辛培裕.太阳能发电技术的综合评价及应用前景研究D.华北电力大学,2015.XIN Peiyu.Research on comprehensive evaluation and applicationprospect of solar power generation technology D.North China ElectricPower University,2015.24袁雅迪.太阳能光伏发电的并网控制技术研究D.中国矿业大学，2020.YUAN Yadi.Research on grid-connected control technology of solarphotovoltaic power generation D.China University of Mining andTechnology,2020.25邓康.一种微型光伏逆变器的设计D.上海电机学院,2019.DENG Kang.Design of a miniature photovoltaic inverter D.ShanghaiInstitute of Electrical Engineering,2019.19.第一作者简介：陆 江（1997-）,男，硕士研究生，主要从事光伏发电技术的研究。E-mail:通讯作者简介：袁廷璧（1983-），男，高级工程师，主要从事光伏发电技术的研究。E-mail:国家能源局组织发布新型电力系统发展蓝皮书国家能源局组织发布新型电力系统发展蓝皮书6 月 2 日，由国家能源局主办，电力规划设计总院、中国能源传媒集团有限公司承办的新型电力系统发展蓝皮书(以下简称蓝皮书)发布仪式在京举行。蓝皮书全面阐述新型电力系统的发展理念、内涵特征，制定“三步走”发展路径，并提出构建新型电力系统的总体架构和重点任务。国家能源局党组成员、副局长余兵出席会议并致辞，国家能源局监管总监黄学农发布蓝皮书。2021 年 3 月 15 日，习近平总书记在中央财经委员会第九次会议上作出构建新型电力系统的重要指示，党的二十大报告强调加快规划建设新型能源体系，为新时代能源电力高质量发展提供了根本遵循，指明了前进方向。为指导电力行业科学推进新型电力系统建设，国家能源局在组织 11 家研究机构开展碳达峰碳中和背景下电力系统转型若干重大问题研究的基础上编制了蓝皮书。余兵在蓝皮书发布会上表示，实现“双碳”目标，能源是主战场，电力是主力军。构建新型电力系统是建设新型能源体系的重要内容，是一项复杂而艰巨的系统工程，点多面广、时间跨度长，不同发展阶段特征差异明显，需统筹谋划路径布局，科学部署、有序推进。蓝皮书的发布，有助于统一行业内外对新型电力系统的认识，也标志着新型电力系统建设进入全面启动和加速推进的重要阶段。黄学农介绍，蓝皮书由国家能源局统筹组织 11 家研究机构共同编制而成，旨在为电力行业转型发展指明战略方向，全面助力推进能源革命、构建新型能源体系、推动能源绿色发展。蓝皮书明确，新型电力系统是以确保能源电力安全为基本前提，以满足经济社会高质量发展的电力需求为首要目标，以高比例新能源供给消纳体系建设为主线任务，以源网荷储多向协同、灵活互动为有力支撑，以坚强、智能、柔性电网为枢纽平台，以技术创新和体制机制创新为基础保障的新时代电力系统，是新型能源体系的重要组成部分和实现“双碳”目标的关键载体。新型电力系统具备安全高效、清洁低碳、柔性灵活、智慧融合四大重要特征，其中安全高效是基本前提，清洁低碳是核心目标，柔性灵活是重要支撑，智慧融合是基础保障，共同构建起新型电力系统的“四位一体”框架体系。蓝皮书提出，按照党中央提出的新时代“两步走”战略安排，锚定“3060”战略目标，以 2030 年、2045 年、2060 年为构建新型电力系统的重要时间节点，制定新型电力系统“三步走”发展路径，即加速转型期（当前至 2030 年）、总体形成期（2030 年至 2045 年）、巩固完善期（2045 年至 2060 年），有计划、分步骤推进新型电力系统建设。在总体架构与重点任务方面，蓝皮书提出要加强电力供应支撑体系、新能源开发利用体系、储能规模化布局应用体系、电力系统智慧化运行体系等四大体系建设，强化适应新型电力系统的标准规范、核心技术与重大装备、相关政策与体制机制创新的三维基础支撑作用。发布会上，电力规划设计总院院长杜忠明作蓝皮书内容解读。（来源：国家能源局）