光伏电站不同统计时段计算的发电量对比分析(20180814140812)

第 ２８ 卷 第 １１ 期２０１２ 年 １１ 月电网与清洁能源PowerSystemand Clean EnergyVol.28 No.11Nov. 2012文章编号： １６７４－ ３８１４ （ ２０１２ ） １１－ ００８５－ ０５ 中图分类号： ＴＭ ６１５ 文献标志码： A光伏电站不同统计时段计算的发电量对比分析艾英枝 1， 王样强 1， 李霸军 2， 段静静 1（ 1. 北京 木联 能 软件 技术 有限公司， 北京 100085； 2. 中国 水 电 顾问 集团 风 电 张 北有限公司，河 北 张 北 076450）Comparative Analysis of the Power Generation Capacity in Different StatisticalPeriods in PV Power PlantAI Ying-Zhi 1， WANG Yang-qiang 1， LI Ba-jun 2， DUAN Jing-jing 1（ 1. Beijing Millennium Engineering SoftwareCo.， Ltd.， Beijing 100085， China； 2. Hydro China Zhangbei Wind Power Co.， Ltd.，Zhangbei 076450， Hebei， China）ABSTRACT ： The paper introduces the basic idea of thecalculation for PV power generationcapacity, and based on theactual data of a certain place, it carries out calculation of thePV power generation with the data measured in three statisticalperiods: the hourly, daily and monthly to obtain differences ofthe generating capacity calculation in different statisticalperiods. The author hopes that the study can provide somevaluable reference for designers and decision makers ofphotovoltaic power generationsystems.KEY WORDS ： PV power plant； statistical periods； solarradiation； powergenerating capacity； battery component.摘要： 介绍了光伏电站发电量计算的基本思路，并针对某地的实际数据利用介绍的方法对不同统计时段小时 、 每天 、每月的测量数据进行了光伏理论发电量分析计算， 旨在得出不同统计时段测量的数据对于光伏工程设计而言， 计算的发电量的区别， 希望为光伏发电系统设计人员和决策人员提供参考 。关键词： 光伏电站； 统计时段； 太阳辐射量； 发电量； 电池组件太阳能光伏发电作为无污染的发电技术， 具有寿命长 、 发电不用水 、 运行可靠 、 资源永不枯竭 、 生产资料丰富等优点， 正逐渐为世界各国所重视 。 目前测量仪器的分辨率各不相同， 光伏系统设计时采用的数据的统计时段也不尽相同， 这些在光伏工程应用中没有明确标准 。 目前光伏电站设计时常用的软件有 PVSYST和 retscreen软件等， PVSYST软件在气象数据库中保存的辐射量等数据统计时段一般为每小时， retscreen plus导入天气数据时统计时段为每天， 而目前我国光伏发电工程设计中一般采用每月的辐射量数据计算倾斜面上辐射量和电站理论发电量 。 统计时段不同， 计算的电站发电量有多大差异， 这方面的研究相对较少 [1]。 鉴于此， 本文简要介绍了光伏电站发电量计算的基本思路， 针对某地的实际数据对不同统计时段的数据进行了光伏理论发电量分析计算， 旨在得出不同统计时段测量的数据对于光伏工程设计而言，计算的发电量的区别， 希望为光伏发电系统设计人员和决策人员提供参考 。1 光伏电站发电量计算的基本思路虽然计算发电量的数据统计时间不同， 但整体思路是一致的 。1.1 数据基础水平面总辐射 、 水平面散射辐射 、 水平面直接辐射 、 温度 、 反射率等 。数据基础指项目计算时需要的数据，包括数据来源如气象站 、 卫星或测站； 发电量计算开始时间和结束时间； 统计时段如每月 、 每天 、 每小时 、 每10 min等 。1.2 倾斜面辐射量计算倾斜面总辐射量 HT由倾斜面直接辐射量 Hbt、 倾斜面天空散射量 Hdi和倾斜面地面反射量 Hrt3部分组成 [2-4] 。HT =Hbt+Hdt+Hrt （ 1）清洁能源Clean Energy艾英枝， 等： 光伏电站不同统计时段计算的发电量对比分析 Vol.28 No.11H bt=Hb Rb （ 2）Hdt =H d[K T × Rb+ 12（ 1+cos β ） （ 1- KT） ] （ 3）Hrt =ρ H 1-cos β2 （ 4）式中， Hb为水平面上直射量； Hd为水平面上天空散射量； H为水平面上辐射总量； ρ 为反射系数； Rb为斜面上直射量与水平面上直射量之比； KT为水平面直接辐射与大气层外水平面太阳辐射之比 。倾斜面上任一时刻计算原理为Rb= 1-cos θ TcosθZ（ 5）统计时段为每小时， 将计算时刻与下一时刻之间的时间分成 n份，并将 Rb， i ＞ 0与 KT， i ＞ 0的数值的平均值 Rb与 KT作为计算时刻的 Rb及 KT， 根据式 （ 1） ~式（ 5） 得出计算时刻倾斜面辐射量 。 统计时段为每日，根据文献 [5]将逐日辐射量分配到逐小时， 根据统计时段为每小时的计算原理计算倾斜面辐射量 。 统计时段为每月， 计算每月的日平均辐射量， 根据统计时段为每日计算原理计算倾斜面辐射量 。1.3 设备选型根据电站装机 、 设备技术经济综合比较等因素，选择电池组件 、 逆变器 、 汇流箱 、 配电柜等设备， 其中电池组件 、 逆变器为系统最重要的设备 。1.4 电池组件串并联1.4.1 串联个 数光伏系统子阵列是由电池组件串并联组成， 其中串联个数需综合考虑设备型号及项目现场气候 、地形地貌等条件， 选取合适的串联个数 。根据设备型号确定串联个数范围：INT（ Vdc min/V mp） ≤ N≤ INT（ V dc max/V oc） （ 6）式中， V dc max为逆变器 “ 最大直流电压 ” ； V dc min为逆变器 “ 最大功率跟踪 （ MPPT） 范围 ” 最小值； Voc为电池组件标况下开路电压； Vmp为电池组件标况下最佳工作电压； N为电池组件串联数 。根据项目的气象条件确定 1 a内最不利条件的时间 。 由于统计时段不同， 选出最不利条件的方法不同 。INT（ V dc min/Um′） ≤ N≤ INT（ V dc max/Uoc） （ 7）式中， Um′ 为实际辐射量下的电池组件最佳工作电压；Uoc′ 为实际辐射量下的电池组件开路电压 。统计时段为每小时， 将倾斜面上每小时总辐射量累加为每月的总辐射量 。 从 12个数据中选出辐射量最大值和最小值对应的月份 。 再从最小值对应的月份中选出日辐射量最小的日期， 从最大值对应的月份中选出日辐射量最大的日期 。 然后从日辐射量最小的日期中计算有辐射量数据的小时平均值， 从日辐射量最大的日期中计算有辐射量数据的小时平均值 。 用辐射量最小的日期确定串联个数范围的小值， 用辐射量最大的日期确定串联个数范围的大值 。 统计时段为每日与每月， 利用倾斜面辐射量计算结果 （将辐射量数据分到逐小时后计算的倾斜面辐射量 ） ，根据统计时段为每小时计算原理得出串联个数 。1.4.2 并联个 数并联个数根据逆变器型号和电池组件串联个数确定：N′ =INT（ Pi vt /（ p× N） ） （ 8）式中， N′ 为并联个数； Pi vt为逆变器额定输出功率； p为电池组件标况下得峰值功率； N为串联个数 。1.5 电站发电量计算电站发电量计算首先需要确定任意日照强度和温度下的电池组件参数， 包括： 电池温度 、 最佳工作电压 、 最佳工作电流 、 开路电压 、 短路电流， 进而得出每个时间点的输出功率和理论发电量 [6-9] 。1.5.1 任意日照强度 和 温度 下的 电 池组件参 数采用下列模型确定 [10-13] ：T=Tair +K· S （ 9）Δ T=T- Tref （ 10）Δ S=S- Sref （ 11）I ′sc=IscSSref（ 1+aΔ T） （ 12）I ′m=Im SSref（ 1+aΔ T） （ 13）U ′oc=Uoc × （ 1- cΔ T） × ln（ e+bΔ S） （ 14）U ′m=Um × （ 1- cΔ T） × ln（ e+bΔ S） （ 15）式中， T为实际辐射强度和环境温度下的电池温度， ℃ ； Tair 为环境温度， ℃ ； K为 0.03 ℃ · m2/W； S为辐射强度实际值， W/m2； Δ T为电池温度实际值与标况下电池温度的差值； Tref 为标况下电池温度， 25 ℃ ； Δ S为辐射强度实际值与辐射强度标况值的差值； Sref 为辐射强度标况值， 1 000 W/m2； e为自然对数的底数，取 2.718 28； a为补偿系数， 0.002 5/℃ ； b为补偿系数，0.000 5/℃ ； c为补偿系数， 0.002 88/℃ ； I sc、 Im、 Uoc、 Um分别为标况下电池组件的短路电流， A； 最佳工作电清洁能源Clean Energy86第 ２８ 卷 第 １１ 期 电网与清洁能源流， A； 开路电压， V； 最佳工作电压， V； Isc′ 、 Im′ 、 Uoc′ 、Um′ 分别为实际辐射强度和环境温度下的短路电流，A； 最佳工作电流， A； 开路电压， V； 最佳工作电压， V。上述模型， 由于对太阳电池特性的拟合的点数有限， 其精度只能满足通常的工程要求， 经相关专家验证， 可以控制在 6%的范围内， 这和世界上大部分太阳电池生产厂商提供太阳电池组件的参数允许波动范围是相适应的 [10-12]。统计时段不同， 辐射强度实际值 S的取值不同 。统计时段为每小时， S为每个时间点的实际辐射强度； 统计时段为每天和每月， S为将逐日和逐月数据分到逐小时后计算的逐小时倾斜面辐射强度 。1.5.2 输出功率 和理 论发 电 量在光伏电站设计中， 电站的输出功率和发电量是重要环节 。 计算方法如下 :电站输出功率 =Um′× Im′× 电池组件个数 （ 16）理论发电量 =电站输出功率 × 时间 （ 17）式中， I m′ 、 Um′ 分别为实际辐射强度 、 实际环境温度下的最佳工作电流， A； 最佳工作电压， V； 时间单位为h， 统计时段为每小时时， 取 1。统计时段为每天和每月， 需将逐日和逐月辐射数据分配到逐小时后计算每小时的理论发电量， 即时间取 1 h。 但统计时段为每月的理论发电量， 需将日平均发电量乘以当月天数得出每月发电量， 再累加为年发电量 。2 计算实例2.1 项目简介某项目地海拔 2 980 m， 测站所在纬度 N97° 21′ ，经度 97° 16′ 。 本项目总装机容量为 10 MW， 主要任务是并网发电， 推荐采用分块发电 、 集中并网方案 。 经论证，该项目选用艾默生 SSL500型逆变器， TSM-235PC05型 235 Wp多晶硅电池 。 电池组件采用固定安装式 。 10 MW太阳能电池阵列由 11个多晶硅子方阵组成，每个子方阵由若干路电池组件串并联而成 。 每个太阳电池子方阵由电池组件 、 汇流设备 、 逆变设备 、 配电设备及升压设备构成 。2.2 项目计算约定本项目采用以下几个工程计算约定：1）在计算倾斜面上辐射量时， 采用的计算纬度为测站的纬度， 即 N97° 21′ 。2）该工程采用 2001年 1月 1日至 2001年 12月 31日的数据进行计算 。3）该工程逆变器个数为 22个 。 综合考虑设备型号及项目现场气候 、 地形地貌等条件， 电池组件选取串联个数为 22个 。4）统计时段按每小时 、 每天 、 每月 3种情况进行分析计算；每天的辐射量由每小时辐射量累加得到， 每天的温度由每小时温度算数平均而得； 每月的辐射量为每天辐射量累加得到， 每月的温度由每天温度算数平均而得 。2.3 结果分析2.3.1 3种 统 计 时段 的 逐月倾斜 面 辐射 量 对比 分 析各月倾斜面辐射量对比见图 1。 由图 1得出， 统计时段为每天的倾斜面辐射量最小，为 2 544.95kW· h/m2，统计时段为每小时的倾斜面辐射量最大， 为 2 559.47 kW· h/m2， 统计时段为每小时比每天的全年倾斜面辐射量多 0.57% ，二者全年辐射量相差 14.52 kW· h/m2， 平均每天相差 39.78 W· h/m2。 这也说明将逐日与逐月数据分配到逐小时， 再计算倾斜面辐射量的计算原理具有科学合理性，同时说明了统计时段不同对全年倾斜面辐射量的影响较小 。2.3.2 3种 统 计 时段 的 逐月发 电 量 对比 分 析通过计算，统计时段为每月的全年发电量最大， 为 2 661.26万 kW· h； 其次为统计时段为每小时，全年发电量 2 592.89万 kW· h；统计时段为每天的全年发电量最小， 为 2 587.74万 kW· h。 同时， 由图 2可知， 统计时段为每月的年输出功率最大， 故年发电量最大 。 并由图 3得出， 统计时段为每月的年发电量与统计时段为每天的年发电量相差最大， 统计时段为每月的发电量比统计时段为每天的发电量多 2.84%，图 1 各月倾斜面辐射量对比图Fig. 1 Collation map of monthly radiations of the tiltedsurface清洁能源Clean Energy87全年发电量相差 73.51万 kW· h， 平均每天发电量相差0.201万 kW· h；统计时段为每小时的年发电量与统计时段为每天的年发电量相差不大， 相差 0.20%， 平均每天发电量相差 0.014万 kW· h。 其中， 在 3月份， 统计时段为每月和统计时段为每天的发电量相差最大， 为 10.95万 kW· h； 在 9月份， 统计时段为每小时和每天的发电量相差最小， 为 0.07万 kW· h。 工程设计人员可根据设计精度的要求， 选择数据的统计时段 。3 结论本文介绍的光伏电站发电量计算方法是一种相对较为成熟的方法， 该方法计算简单， 理论清晰 。通过该方法， 针对不同统计时段的测量数据对某项目设计得出的电站发电量的计算结果表明：1）不同的统计时段，在通过水平辐射量计算倾斜辐射量时， 得出的月倾斜辐射量结果差别不大 。2）不同的统计时段计算的电站发电量不同 。 采用小时统计时段与采用天统计时段计算的年发电量差异较小， 相差约 0.2%， 而采用月统计时段与小时 、天统计时段计算的年发电量相差较大， 约大 2.8%。3）为了不同统计时段计算的结果具有更好的可比性， 本文在计算过程中设定了某些假定， 例如假定的逆变器的个数及电池组件的串联个数等， 该假定是根据某工程实际情况假定的 。 针对不同的假定条件对计算结果可能会有些差异 。该结论是在特定项目的基础上得出的结论， 对于其他光电项目得出的结论是否具有相同特点， 需要进一步的研究 。参考文献[1] 张抒阳，张沛，刘珊珊 . 太阳能技术及其并网特性综述 [J]. 南方电网技术， 2009， 3（ 4） ： 64-67.ZHANG Shu-yang， ZHANG Pei， LIU Shan-shan. Overviewof solar energy technology and its integration issues[J].Southern Power System Technology， 2009， 3（ 4） : 64-67（ in Chinese） .[2] 杨金焕， 毛家俊， 陈中华 . 不同方位倾斜面上太阳辐射量及最佳倾角的计算 [J]. 上海交通大学学报， 2002， 36（ 7） ： 1032-1036.YANGJin-huan， MAO Jia-jun， CHEN Zhong-hua.Calculationof solar radiation on variously oriented tilted surface andoptimum ttilt angle[J].Journalof ShanghaiJiaotongUniversity，2002， 36（ 7） ： 1032-1036（ in Chinese） .[3] 刘祖明， 李迎军， 谢建， 等 . 固定式联网光伏方阵的最佳倾角 [J]. 云南师范大学学报， 2000， 20（ 6） ： 24-28.LIU Zu -ming ， LI Ying -jun ， XIE Jian， et al. Optimumdesign for fixed grid connected photovoltaic array[J].Journalof Yunnan Normal University， 2000， 20（ 6） : 24-28 （ inChinese） .[4] 韩斐， 潘玉良， 苏忠贤 . 固定式太阳能光伏板最佳倾角设计方法研究 [J]. 工程设计学报， 2009， 16（ 5） ： 348-353.HAN Fei， PAN Yu-liang ， SU Zhong-xian. Research onoptimal tilt angle of fixed PV panel[J].Journal of EngineeringDesign， 2009， 16（ 5） ： 348-353 （ in Chinese） .[5] Antonio Luque， StevenHegedus. Handbook of PhotovoltaicScience and Engineering[M]. England: John Wiley & SonsInc， 2003.[6] 武卫革， 翟志强， 赵志强， 等 . 光伏组件逆变器控制系统设计 [J]. 电力科学与工程， 2012， 28（ 3） ： 17-20.WU Wei -ge， ZHAI Zhi -qiang ， Zhao Zhi -qiang， et al.Control system design of PV cells inverter[J].Electric PowerScienceand Engineering， 2012， 28（ 3） ： 17-20（ in Chinese） .[7] 赵波， 薛美东， 葛晓慧， 等 . 光伏发电系统输出功率计算方法研究 [J]. 电网与清洁能源， 2010， 26（ 7） ： 19-24.ZHAO Bo， XUE Mei-dong， GE Xiao-hui ， et al. Researchon calculating methods of output power of the photovoltaicsystem[J].Power Systemand Clean Energy， 2010， 26（ 7） :图 2 电站输出功率对比图Fig. 2 Collation map of power outputs in photovoltaicplants图 3 各月发电量差值对比图Fig. 3 Collation map of monthly power generatingcapacity differences艾英枝， 等： 光伏电站不同统计时段计算的发电量对比分析 Vol.28 No.11清洁能源Clean Energy88第 ２８ 卷 第 １１ 期 电网与清洁能源55-565.[2] 吴持恭 . 水力学 [M]. 2版 .北京： 高等教育出版社， 1998：392-403.[3] P· 阿克尔斯， 等 . 测流堰槽 [M].北京市水利科学研究所译 .北京： 北京市水利科技情报站， 1984： 113-126.[4] 禹华谦 . 用临界淹没法计算宽顶堰流 [J]. 重庆交通学院学报， 1998， 17（ 1） ： 28-30.YU Hua -qian. Critical submerged method applied to thecomputation of flow over broad- crested weirs[J]. Journal ofChongqing Jiaotong University， 1998， 17（ 1） ： 28-30 （ inChinese） .[5] 华子平 . 对淹没宽顶堰泄流能力计算公式的探讨 [J]. 河海大学学报， 1998， 26（ 3） ： 97-101.HUA Zi-ping. A calculating formula for spillway capacityof drowned wide-crest weirs[J].Journal of Hohai University，1998， 26（ 3） ： 97-101 （ in Chinese） .[6] 张志昌， 肖宏武， 毛兆民 . 明渠测流的理论和方法 [M].西安： 陕西人民出版社， 2004： 111-119.[7] 清华大学水力学教研组 . 水力学 [M]. 北京： 高等教育出版社， 1983： 309-312.[8] 张志昌 . 水力学： 下册 [M]. 北京： 中国水利水电出版社，2011： 155-156.——— —— —— —— —— —— —— —— ——收稿日期： 2012-10-15 。作者简介：王学斌 （ 1986— ） ， 男， 中国水电建设集团第十五工程局助理工程师 。（ 编辑 李沈 ）19-24（ in Chinese） .[8] 王博， 李安， 向铁元， 等 . 三相光伏并网系统的运行控制研究 [J]. 电力科学与工程， 2011， 27（ 1） ： 5-10.WANG Bo， LI An， XIANG Tie-yuan ， et al. Researchonthree-phasegrid-connected photovoltaicsystemoperation[J].Electric PowerScienceandEngineering， 2011， 27（ 1） : 5-10（ in Chinese） .[9] 沈友朋， 宋平岗 . 三相非隔离型光伏并网逆变器共模电流分析 [J]. 电力科学与工程， 2011， 27（ 4） ： 1-5.SHEN You-peng, SONG Ping-gang. Analysis on common-mode current of nonisolated three-phase PV inverter[J].Electric PowerScienceandEngineering， 2011， 27（ 4） : 1-5（ in Chinese） .[10] 苏建徽， 余世杰， 赵为， 等 . 硅太阳电池工程用数学模型 [J]. 太阳能学报， 2001， 22（ 4） ： 409-412.SU Jian-hui ， YU Shi-jie ， ZHAO Wei， et al. Investigationon engineering analytical model of silicon solar cells [J].Acta Energiae Solaris Sinica， 2001， 22（ 4） ： 409-412 （ inChinese） .[11] 鲍雪娜， 强玉尊， 周阳， 等 . 联网光伏电站可调度性研究 [J]. 电力科学与工程， 2012， 28（ 2） ： 1-6.BAO Xue-na， QIANG Yu-zun， ZHOU Yang， et al. Researchon schedulability of networking photovoltaic power plants[J].Electric PowerScienceand Engineering， 2012， 28（ 2） ： 1-6（ in Chinese） .[12] 张兴，曹仁贤 . 太阳能光伏并网发电及其逆变控制 [M].北京 :机械工业出版社， 2011.[13] 胡静， 张建成 . 基于数值方法的光伏发电系统 MPPT 控制算法研究 [J]. 电力科学与工程， 2009， 25（ 7） ： 1-6.HU Jing， ZHANG Jian-cheng. Research on MPPT controlalgorithm based on numerical method for PV generationsystems[J].Electric PowerScience and Engineering， 2009，25（ 7） : 1-6 （ in Chinese） .——— —— —— —— —— —— —— —— ——收稿日期： 2012-07-13 。作者简介：艾英枝 （ 1984— ） ， 女， 硕士研究生， 从事光伏发电技术方面的研究 。（ 编辑 董小兵 ）（ 上 接第 84 页 ）!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!清洁能源Clean Energy89