MW级光伏并网电站发电量计算的方法

MW 级光伏并网电站发电量计算的方法邵 吉（尚德能源工程有限公司 技术部，无锡 新区 214008）摘 要 准确的发电量预测， 不仅可以成为光伏电站系统设计的依据， 更能给项目经济分析提供必要的数据支持。本文对 MW 级光伏并网电站发电量的计算方法进行了研究，通过一个相对复杂的案例，阐述了发电量的计算方法。关键词 MW 级光伏并网电站、辐射量、系统效率1 引言2010 年，国内的光伏发电成本如约降至 1 元 /瓦，发改委第二轮光伏特许权招标的总装机容量也达到了创新高的 280MW，可以预见，在成本下降和政策扶持的双重利好下， 国内的光伏应用产业将会获得爆发式的增长， 其中， MW 级光伏并网电站一定会是新能源领域中的重要构成部分。任何一个项目的开展，其先决条件是经济和技术的可行性分析，而在 MW级光伏并网电站中， 发电量则是决定建设方案是否可行的一个关键指标。 准确的发电量预测， 不仅可以成为光伏电站系统设计的依据， 更能给项目经济分析提供必要的数据支持。本文对 MW 级光伏并网电站发电量的计算方法进行了研究，通过一个相对复杂的案例，阐述了发电量的计算方法。2 项目概述项目场址位于宁夏中卫市东南约 24 km，宣和镇南侧 9km 处，场区坐标37o22′ 57″ N～ 37o23′ 16″ N， 105o26′ 3″ E～ 105o27′ 2″ E。项目总装机容量为 10.5MWp，其中固定式安装（倾角 35 度） 9.5MWp、极轴斜单轴跟踪 0.25MWp、双轴跟踪 0.75 MWp。项目分为 5 个光伏发电单元，每个发电单元 2.1MWp，每 2.1MWp建 1 个逆变器小室，固定方式的阵列采用 500kW不带隔离变的逆变器， 跟踪方式的阵列采用 250KW带隔离变的逆变器， 每个光伏发电单元设 2 台 1250kVA、 35/0.27-0.27kV （跟踪阵列变压器为 35/0.4-0.4kV ）升压变压器。 35KV母线采用单母线接线， 5 条进线， 1 条出线。每个光伏并网发电单元的电池组件采用串并联的方式组成多个太阳能电池阵列， 太阳能电池阵列输入光伏方阵初级防雷汇流箱后，经光伏并网逆变器和交流低压配电柜接入 35KV升压变压器。3 太阳能资源中卫市太阳辐射量大，日照时数多，日照百分率高，多年平均日照时数为2921.3h，全年日照月平均值达到 243.4h，日照百分率高达 66。根据中卫气象站 1971～ 2000 年日照时数和百分率资料，日照小时数最多的月份为 5 月和 6 月， 达 280 小时， 日照小时数最小的月份为 2 月， 日照小时数在200 小时左右。中卫气象站各月日照时数、日照百分率、总云量及低云量统计成果见表 1，晴天、阴天月平均日数统计成果见表 2。表 1中卫市多年各月日照小时数（ h）和日照百分率（ ）统计表项目月份日照时数（ h）日照百分率（ ）总云量（成）低云量（成）1 219.6 72 3.1 0 2 208.4 68 4.4 0.1 3 234.7 63 5.9 0.2 4 256.2 65 6.0 0.4 5 283.7 65 6.1 0.6 6 279.4 64 6.0 1.0 7 274.7 62 5.5 1.1 8 264.7 63 5.2 1.1 9 230.0 62 5.3 0.8 10 229.6 66 4.3 0.4 11 222.2 73 3.1 0.1 12 218.2 74 2.8 0.1 年 2921.3 66 4.8 0.5 表 2 中卫市多年各月晴天、阴天日数统计表月份项目 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 年晴天 d 14.2 8.4 4.3 4.3 4.1 3.9 5.8 7.5 6.9 10.6 14.5 15.0 99.5 阴天 d 2.7 4.8 9.0 9.5 9.4 8.6 8.5 8.1 7.9 6.1 2.7 2.0 79.2 由于中卫气象站对太阳辐射量不进行观测， 因此采用距离中卫市最近的银川市气象站多年逐月太阳总辐射量资料和中卫气象站多年逐月日照百分率资料， 根据经验公式计算出中卫地区水平地面月平均太阳总辐射量，计算结果见表 3表 3 中卫地区各月太阳总辐射量（ MJ/m 2）月份 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 全年中卫 312.6 356.6 492.4 604.1 706.3 706.9 694.1 636.5 509.3 426.8 332.3 288.8 6066.8 由表 3 可以看出，中卫地区夏季 6 月份的太阳总辐射量最大， 5 月份次之，均达到 700MJ/m2 以上，冬季 12 月份太阳总辐射量最小，仅为 288.8MJ/m2。根据我国太阳能资源区划标准，中卫地区年太阳总辐射量 6066.8MJ/m2，可归为二类资源较丰富地区，适合建设大型光伏电站。4 模型计算条件本模型计算的气象资料根据当地气象局及 NASA查询所得资料；支架建模、排布采用 PVSYST软件实现，阵列发电量采用 RETSCREEN能源模型进行计算分析。10． 5WMp电站包括 9.5MW固定安装的多晶硅太阳能电池组件方阵以及 0.75MW的跟踪方阵，固定方阵采用南北方向固定 35 度倾斜角排布以获得最大发电量，跟踪方阵包括 0.25MW的斜单轴跟踪和 0.75MW的双轴跟踪。本模型分段计算各个部分的功率输出， 太阳能电池板输出， 逆变器输出， 变压器输出，最后计算并网的输出到电网的电量。系统效率主要考虑的因素有 灰尘、 雨水遮挡引起的效率降低、 温度引起的效率降低、 组件串联不匹配产生的效率降低、 逆变器的功率损耗、 直流交流部分线缆功率损耗、变压器功率损耗等等。5 系统总体效率分析并网光伏发电系统的总效率由光伏阵列的效率， 逆变器效率和交流并网效率三部分组成。光伏阵列效率 η 1系指光伏阵列在 1000W/m2的太阳辐射强度下，实际的直流输出功率与标称功率之比。光伏阵列在能量转换和传输过程中的损失包括组件匹配损失、表面尘埃遮挡损失、不可利用太阳辐射损失、温度的影响、最大功率点跟踪（ MPPT）精度以及直流线路损失等。根据经验数据组件功率匹配损失小于 6；灰尘影响组件功率损失小于 6；直流线路损失小于 3；太阳能电池组件温度影响系数 -0.38/K ；除去以上损失，光伏阵列效率 η 1 85。逆变器转换效率 η 2指的是逆变器输出的交流电功率与直流输出功率之比。 对于高效并网逆变器可取 η 2 98。交流并网效率 η 3即从逆变器输出至高压电网的传输效率，其中是升压变压器的效率。对于本系统 10MW容量 , 升压至 35KV后再并入中高压公用电网 , 交流并网效率根据以往经验取 η 3 95。系统的总效率等于上述各部分效率的乘积η η 1 x η 2 x η 3 85 x 95 x 95 79.13 6 系统发电量计算6.1 固定安装部分本项目固定系统装机容量 9.5MW, 方阵采用 0 度方位角 , 南北固定 35 度倾斜角排列方式以获得最大发电量。月平均太阳辐射强度对比月份 水平面月平均辐射量 MJ/m2 水平面月平均辐射量 kWh/m2 光伏阵列表面月平均辐射量 kWh/m2 一月 312.60 86.83 148.92 二月 356.60 99.06 140.66 三月 492.40 136.78 161.47 四月 604.10 167.81 173.40 五月 706.30 196.19 183.27 六月 706.90 196.36 175.71 七月 694.10 192.81 175.96 八月 636.50 176.81 174.53 九月 509.30 141.47 157.52 十月 426.80 118.56 156.46 十一月 332.30 92.31 148.25 十二月 288.80 80.22 144.93 全年 6066.70 1685.19 1941.10 在当地纬度条件下 , 采用了 35 度固定倾角进行光伏方阵排布后，光伏组件表面所接受的辐射量得到了大幅提升，年辐射总量由 1685.19kWh/m2 提高到1941.10kWh/m2。电站 9.5MW固定阵列第一年各月均发电量计算表月份 组件阵列能量输出 （ kWh） 逆变器输出 （ kWh） 并网点计量输出 （ kWh）一月 1203543.13 1179472.27 1120498.65 二月 1136795.38 1114059.47 1058356.50 三月 1304984.60 1278884.91 1214940.66 四月 1401357.03 1373329.89 1304663.40 五月 1481134.70 1451512.01 1378936.41 六月 1420091.45 1391689.62 1322105.14 七月 1422113.78 1393671.50 1323987.93 八月 1410540.15 1382329.35 1313212.88 九月 1273077.93 1247616.37 1185235.55 十月 1264502.84 1239212.78 1177252.14 十一月 1198118.35 1174155.98 1115448.18 十二月 1171282.50 1147856.85 1090464.01 全年 15687541.83 15373791.00 14605101.45 电站 9.5MW固定阵列第一年各月平均发电量计算柱状图上图可以看到电站 9.5MW固定阵列第一年各月份组件阵列、逆变器交流输出、并网计量点各处的发电量。第一年月平均发电效率计算（每瓦发电量）月份月辐射总量MJ/m2 月 辐 射 总 量 - 水平面 kWh/m2 月辐射总量 - 阵列面 kWh/m2 每瓦发电量（ kWh/Wp. Year 一月 312.60 86.83 148.92 0.118 二月 356.60 99.06 140.66 0.111 三月 492.40 136.78 161.47 0.128 四月 604.10 167.81 173.40 0.137 五月 706.30 196.19 183.27 0.145 六月 706.90 196.36 175.71 0.139 七月 694.10 192.81 175.96 0.139 八月 636.50 176.81 174.53 0.138 九月 509.30 141.47 157.52 0.125 十月 426.80 118.56 156.46 0.124 十一月 332.30 92.31 148.25 0.117 十二月 288.80 80.22 144.93 0.115 全年 6066.70 1685.19 1941.10 1.536 由上表可以看出，电站 9.5MW固定阵列第一年月平均每瓦年发电量为1.529 度电 / 瓦。由上图得知 各月的发电效率为 5 月最高， 2 月最低，第一年的单位发电量为 1.536 度电 / 瓦。6.2 跟踪安装部分本项目在固定系统的基础上安装了 0.75MW的跟踪系统 , 包括 0.25MW的斜单轴系统以及 0.5MW的双轴跟踪系统。 斜单轴方阵采用 0 度方位角 , 南北 35 度倾斜角排列方式。斜单轴系统发电量估算月平均太阳辐射强度对比月份 水平面月平均辐射量 MJ/m2 水平面月平均辐射量 kWh/m2 光伏阵列表面月平均辐射量 kWh/m2 一月 312.60 86.83 185.32 二月 356.60 99.06 172.51 三月 492.40 136.78 204.83 四月 604.10 167.81 219.55 五月 706.30 196.19 245.81 六月 706.90 196.36 234.07 七月 694.10 192.81 232.60 八月 636.50 176.81 232.54 九月 509.30 141.47 198.56 十月 426.80 118.56 201.16 十一月 332.30 92.31 183.27 十二月 288.80 80.22 180.37 全年 6066.70 1685.19 2490.59 在当地纬度条件下 , 采用了 35 度倾角的斜单轴跟踪方式进行光伏方阵排布后 ， 光 伏 组 件 表 面 所 接 受 的 辐 射 量 得 到 了 大 幅 提 升 ， 年 辐 射 总 量 由1685.19kWh/m2提高到 2490.59kWh/m2。电站 0.25MW斜单轴跟踪方阵第一年各月均发电量计算表月份 组件阵列能量输出 （ kWh） 逆变器输出 （ kWh） 并网点计量输出 （ kWh）一月 39379.85 38592.25 36662.64 二月 36657.84 35924.69 34128.45 三月 43526.88 42656.34 40523.53 四月 46654.63 45721.54 43435.46 五月 52235.15 51190.45 48630.92 六月 49739.34 48744.55 46307.33 七月 49427.92 48439.37 46017.40 八月 49414.17 48425.89 46004.59 九月 42193.88 41350.00 39282.50 十月 42747.34 41892.40 39797.78 十一月 38944.60 38165.70 36257.42 十二月 38329.42 37562.83 35684.69 全年 529251.03 518666.01 492732.71 电站 0.25MW斜单轴阵列第一年各月平均发电量计算柱状图上图可以看到电站 0.25MW斜单轴跟踪阵列第一年各月份组件阵列、逆变器交流输出、并网计量点各处的发电量。双单轴系统发电量估算月平均太阳辐射强度对比月份 水平面月平均辐射量 MJ/m2 水平面月平均辐射量 kWh/m2 光伏阵列表面月平均辐射量 kWh/m2 一月 312.60 86.83 203.37 二月 356.60 99.06 178.00 三月 492.40 136.78 204.72 四月 604.10 167.81 222.02 五月 706.30 196.19 256.70 六月 706.90 196.36 249.66 七月 694.10 192.81 245.74 八月 636.50 176.81 237.98 九月 509.30 141.47 198.62 十月 426.80 118.56 203.21 十一月 332.30 92.31 193.34 十二月 288.80 80.22 199.94 全年 6066.70 1685.19 2593.31 在当地纬度条件下 , 采用了双轴跟踪方式进行光伏方阵排布后， 光伏组件表面所接受的辐射量得到了大幅提升，年辐射总量由 1685.19kWh/m2 提高到2593.31kWh/m2。电站 0.75MW双轴跟踪方阵第一年各月均发电量计算表月份 组件阵列能量输出 （ kWh） 逆变器输出 （ kWh） 并网点计量输出 （ kWh）一月 129645.75 127052.84 120700.19 二月 113475.58 111206.07 105645.77 三月 130507.75 127897.59 121502.71 四月 141539.67 138708.88 131773.44 五月 163648.51 160375.54 152356.77 六月 159160.65 155977.43 148178.56 七月 156659.38 153526.19 145849.88 八月 151712.60 148678.34 141244.43 九月 126620.57 124088.16 117883.75 十月 129547.87 126956.91 120609.07 十一月 123257.01 120791.87 114752.27 十二月 127462.56 124913.31 118667.65 全年 1653237.90 1620173.14 1539164.49 电站 0.75MW双轴阵列第一年各月平均发电量计算柱状图6.3 系统首年发电总量及单位发电量系统首年发电总量 （千瓦时） 9.5MWp固定 0.25MWp 斜单轴跟踪 0.75MWp 双轴跟踪 14605101.45 492732.71 1539164.49 16636998.65 系统首年单位发电量 （千瓦时 / 瓦） 系统首年发电总量 （千瓦时） / 系统安装容量 16636998.65 / 10500000 1.584 6.4 整个系统运行 25 年发电总量预测按照光伏组件 25 年衰减不超过 20， 可以预测电站 25 年运营周期总发电量。25 年发电量估算表年数 年平均发电量 累计发电量1 16636998.65 16636998.65 2 16603724.65 33240723.30 3 16570517.20 49811240.51 4 16537376.17 66348616.68 5 16504301.42 82852918.09 6 16471292.81 99324210.91 7 16438350.23 115762561.13 8 16405473.53 132168034.66 9 16372662.58 148540697.24 10 16339917.26 164880614.50 11 16307237.42 181187851.92 12 16274622.95 197462474.86 13 16242073.70 213704548.57 14 16209589.55 229914138.12 15 16177170.37 246091308.49 16 16144816.03 262236124.52 17 16112526.40 278348650.93 18 16080301.35 294428952.27 19 16048140.75 310477093.02 20 16016044.46 326493137.48 21 15984012.38 342477149.86 22 15952044.35 358429194.21 23 15920140.26 374349334.47 24 15888299.98 390237634.45 25 15856523.38 406094157.83 由上表可以得知整个光伏系统在 25 年运营周期中可实现总发电量 40,609多万度电 , 年平均发电量可达到 1624.37 万度电。7 发电量计算结果及修正中卫宣和 10MW光伏并网电站正式并网发电后第一年和第二年的预计发电量估算如下第一年和第二年的预计发电量年份 年预计发电量 千瓦时1 16636998.65 2 16603724.65 本文通过 PVSYST进行建模结构模型， 通过 RETSCREEEN模型进行太阳辐照强度的计算， 并根据相关气象资料信息进行理论电量计算， 该计算结果显示， 在中卫宣和项目所在地 10MWp光伏电站， 第 1 年预计发电量为 1663.69 万度电， 单位功率组件年发电效率为 1.584kWh/Wp.Year。 25 年平均发电量预计为 1624.37 万度电，而光伏电站实际发电量还受到以下因素影响 灰尘影响本项目建设所在地位于中卫宣和近郊戈壁 , 属于比较干旱的地区 , 风沙较大 ,年降水量较少 , 灰尘对组件发电的影响比较严重 , 再加上项目现场基础开挖、 回填等土方施工， 对植被产生破坏， 可能需要两三年时间来恢复， 这也会进一步加剧现场扬沙现象，影响发电量，因此电站所在地区 , 实际灰尘污染指数将比理论参考值增大。人为因素影响1）主要指的是每年当地电网定期检修。2）光伏电站定期自检 , 以及有组织的对组件表面进行的定期清洁工作。3）调度对发电量的限制。气候不可预见因素光伏电站运行前三年的气候条件不可能与当地气候的平均理论值完全吻合，有可能出现大幅度低于平均理论值的实际情况。在气候条件比较正常的下， 鉴于上述因素的影响， 计算所得的电站理论年发电量可能会有 10的变化。8 结论本文通过一个具体案例，分析了各种支架形式下的发电量计算，并综合考虑了发电效率和衰减因素的折算，以上内容基本涵盖了目前主流 MW级光伏并网电站的几种建设模式，可作为今后该类项目技术经济分析的参考。参考文献[1] 沈辉，曾祖勤 . 太阳能光伏发电技术 . 化学工业出版社[2] 赵春江，杨金焕，陈中华，等 . 太阳能光伏发电应用的现状及发展 . 节能技术[3] 马丁格林著，李秀文，谢鸿礼，赵海滨等译，太阳电池工作原理、工艺和系统的应用，北京电子工业出版社。 1987