武漢市光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變器效率分析

武漢市光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變器效率分析

0光伏電站發(fā)電效率與光伏陣列轉換效率模型采用光能伏打效應，將光能電池的光生伏打效應（當半體材料表面受到光的輻射時，它們內生大量電子空孔和電子表格的變化，從而導致光生流。）能直接轉化為導電能耗的發(fā)電形式。通過一個非常獨特的裝置，同時向電網(wǎng)提供大量的能源，即波形和網(wǎng)絡矩陣。負責動態(tài)調整波形輸出的輸出流量，跟蹤和控制最大功率點，最終將波形輸出的直流電變換為交流能源并將其連接到電網(wǎng)。太陽能(輻射)資源評估與預報、光伏陣列轉換效率及并網(wǎng)逆變器效率研究是從物理角度估算或預測并網(wǎng)光伏電站發(fā)電功率(或發(fā)電量)的基礎性工作[1~3]。目前,關于太陽能資源評估、中尺度數(shù)值預報模式的輻射預報以及輻照度、溫度、大氣質量等對光電轉換效率的影響分析(多是實驗室室內條件下對電池、組件或陣列轉換效率瞬時變化規(guī)律分析),已有大量學者開展了相關研究工作。而在進行并網(wǎng)光伏電站發(fā)電量估算或短期預報時,要么將并網(wǎng)光伏逆變器效率在常值區(qū)間取值、或直接使用歐洲效率、或假定為小于1的常數(shù),認為與氣象因子無關。本文利用華中科技大學并網(wǎng)光伏電站2010年電量資料以及同期武漢站氣象資料,分析并網(wǎng)光伏電站(戶外)的陣列轉換效率、逆變器效率的一些統(tǒng)計特征及其與氣象因子的關系;進而建立逆變器非線性動態(tài)效率模型(可用于光伏發(fā)電量的短期預報),推算出逆變器效率進入穩(wěn)定時對應的光伏組件斜面入射輻照量臨界范圍,以利于光伏電站設計時降低低輻照量下的損失;從能量平均角度,定量計算出并網(wǎng)光伏電站年綜合效率,為評估武漢市并網(wǎng)光伏電站發(fā)電潛能和經(jīng)濟效益提供依據(jù)。1數(shù)據(jù)和方法1.1光伏并網(wǎng)變壓器測試電量資料來自華中科技大學電力電子研究中心2005年建立的18kWp并網(wǎng)光伏電站,其中光伏陣列安裝傾角40°,朝向南偏東9°,材料為單晶硅和多晶硅兩種,采用3臺型號為SMC6000的并網(wǎng)逆變器經(jīng)由交流開關柜并入低壓市電電網(wǎng)。選取其中一臺并網(wǎng)逆變器對應的光伏陣列為研究對象,資料為2010年1~12月份逐日每5min的陣列直流輸出電壓/電流及光伏并網(wǎng)逆變器輸出交流功率,其中缺少1月1~6日、13~15日,2月8~18日,6月16~19日,10月25~31日的資料。太陽能輻射、氣溫、降水、降雪等實況資料取自武漢市氣象站,該觀測站位于武漢市東西湖慈惠農場。1.2光伏陣列面積及參數(shù)1)光伏陣列轉換效率η,即一段時間內光伏陣列最大可能輸出直流發(fā)電量與光伏陣列斜面接收的太陽總輻照量之比:式中,Edc、Qt———分別表示在一段時間內,光伏陣列最大直流發(fā)電量(kWh)和單位面積陣列斜面接收的太陽輻照量(kWh·m-2);S———光伏陣列面積,m2。2)逆變器效率ηe,為一段時間內并網(wǎng)逆變器輸出的交流發(fā)電量與輸入的直流發(fā)電量(即光伏陣列輸出)之比:式中,Pdc(t)、Pac(t)———分別表示并網(wǎng)逆變器從光伏陣列獲得的實時輸入直流功率和輸出的實時交流功率;Eac———在一段時間內,并網(wǎng)逆變器輸出的交流發(fā)電量,kWh。3)電站綜合效率(PR,performanceratio),為一段時間內并網(wǎng)光伏電站的交流發(fā)電量與光伏陣列所在地水平面太陽總輻照量之比:式中,Yf———并網(wǎng)光伏電站滿發(fā)時數(shù),即一段時間內電站的交流發(fā)電量與額定裝機容量之比;Yr———并網(wǎng)光伏電站所在地的峰值日照時數(shù),即一段時間內的水平面總輻照量(曝輻量)與標準輻照度(其值為1kW·m-2)之比。2結果分析2.1陣風斜面總輻照量與光伏陣列直流發(fā)電量的關系采用文獻基于各向同性假設的方法,將逐時水平面總輻照量轉化為光伏陣列斜面的逐時總輻照量;并將光伏電站逐5min(北京時)功率資料進行處理,得到以地方時為時基的逐時發(fā)電量資料。2010年1~12月份逐時光伏陣列直流發(fā)電量與陣列斜面總輻照量的散點圖(共3408個樣本)如圖1,陣列斜面總輻射量與光伏陣列直流發(fā)電量呈極顯著正相關,Pearson相關系數(shù)為0.9,且通過了0.01的顯著性檢驗,即陣列斜面輻射為影響光伏直流發(fā)電量最直接的決定性因素(符合光生伏打效應原理);此外,通過分析可得,水平面小時總輻照量與斜面小時輻照量的Pearson相關系數(shù)為0.991,水平面小時總輻照量與光伏陣列小時直流發(fā)電量的Pearson相關系數(shù)為0.895,且均通過了0.01的顯著性檢驗。這也從側面驗證了陣列斜面輻射比水平面輻射更能代表并網(wǎng)光伏電站發(fā)電量變化規(guī)律,并為通過統(tǒng)計方法分析并網(wǎng)光伏電站性能提供了依據(jù)。2.2陣列轉換效率隨立地時輻照量的變化以往文獻分析光伏電池、組件或陣列光電轉換效率多是基于實驗室條件,研究瞬時的入射輻照度、溫度、大氣質量等一種或幾種氣象因子對光電轉換效率的影響,本文針對戶外條件,基于能量角度進行分析。由于戶外陣列轉換效率與氣象要素(斜面輻照量、氣溫等)之間是較復雜的多變量耦合關系,為便于研究,以氣溫0℃為限劃分溫度等級,分析在不同溫度等級下陣列轉換效率隨斜面輻射變化情況。此外,硅太陽電池實驗室效率,目前公認的理論極限為30%,而工業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)的商業(yè)電池效率比實驗室效率落后,截至2010年7月份商業(yè)單晶硅電池效率最高為22%。大致上廣泛使用的商業(yè)單晶硅電池效率為16%~22%,組件效率為13%~19%,多晶硅電池效率為14%~18%,組件效率為11%~15%,因此統(tǒng)計分析中刪除了陣列轉換效率超過20%的畸點。在不同溫度等級下,光伏陣列逐時轉換效率隨陣列斜面逐時輻照量變化如圖2。由圖可見,斜面逐時輻照量較低(小于0.20kW·m-2)時,光伏陣列轉換損失較大,這與光伏陣列遠離額定輸入工作范圍有關;隨著斜面逐時輻照量的增加,光伏陣列轉換效率呈先變大,而達到一定程度后反而下降的趨勢,這主要與溫度有關。高溫情形下斜面輻照量雖然很大,但由于硅電池的負溫度效應,陣列轉換效率反而會降低。`圖2中,當氣溫超過30℃,即使斜面逐時輻照量接近標準輻照度1kW·m-2,陣列轉換效率仍較低(低于10%);而出現(xiàn)輻照量較大(大于0.5kW·m-2)且氣溫較低(小于5℃)轉換效率很低的散點,主要由于冬季降雪,光伏陣列表面有積雪引起。2.3兩種并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的輻照效率模型并網(wǎng)逆變器效率受輸入功率等級(光伏陣列輸出功率)的影響較大[14~16],且間接受輻照量(或輻照度)變化的影響,與氣象條件密切相關,并非簡單常數(shù)模型可描述。利用2010年1~12月份逐時直流發(fā)電量、交流發(fā)電量和斜面總輻射量資料,進行逆變器效率模型研究。逆變器效率隨斜面總輻射量變化如圖3,逆變器效率隨陣列斜面總輻照量的變化趨勢近似于指數(shù)曲線,并可分為兩段:在斜面總輻照量較低時,瞬時轉換效率較低且不穩(wěn)定,有可能出現(xiàn)小值的斜面總輻照量增加而轉換效率反而降低的畸點;斜面總輻照量達到一定值后隨著斜面總輻照量繼續(xù)增加,曲線平緩,斜率幾乎為零,逆變器效率接近最大值。對于低輻照量,并網(wǎng)逆變轉換損失更大,因此在實際工程應用中計算光伏電站年發(fā)電量時,以斜面接收的年總輻照量最大為標準來選擇最佳傾角并非完全合理,需要研究有效輻照量范圍,使得一年內電站高效率工作的時間最長。根據(jù)圖3所示數(shù)據(jù),建立逆變器效率與斜面總輻照量的非線性回歸方程(Mistcherlich模型),其數(shù)學表達為:式中,b1、b2、b3———回歸系數(shù)。利用SPSS軟件進行分析,逆變器效率模型見圖3中曲線,其詳細的參數(shù)說明見表1。結合表1的數(shù)據(jù)可知,并網(wǎng)逆變器效率穩(wěn)態(tài)值為95.6%,指數(shù)衰減系數(shù)為8.52。根據(jù)電路理論時間常數(shù)(指數(shù)衰減系數(shù))及工程上4~5個周期結束過渡過程進入穩(wěn)態(tài)的定義,可推導出并網(wǎng)逆變器效率進入穩(wěn)態(tài),臨界的逐時入射總輻照量K范圍為:對于武漢市運行的光伏并網(wǎng)逆變器SMC6000,當光伏陣列斜面小時總輻照量達0.469~0.587kWh·m-2時,認為逆變器效率進入穩(wěn)態(tài)運行,在設計時使得并網(wǎng)光伏系統(tǒng)全年內在超過這一段范圍累積的輻照量最大,而不是全段總輻照量最大。對建立的并網(wǎng)逆變器效率模型進行擬合檢驗,如圖4。由圖可見,模型計算值與實際值呈極顯著正相關,樣本擬合Pearson相關系數(shù)為0.802,且通過了0.01的顯著性檢驗,表明該非線性模型可用于并網(wǎng)光伏電站發(fā)電量或發(fā)電功率短期預測,并可提高低輻照量下(早、晚或陰雨天)的預測精度。2.4月內最大輻照量圖5為2010年武漢市并網(wǎng)光伏電站綜合效率的日變化規(guī)律,日綜合效率多集中在0.5~0.7之間,冬季相對波動較大。圖6為2010年武漢市峰值日照時數(shù)、滿發(fā)時數(shù)、電站綜合效率的月變化。其中,月峰值日照時數(shù)、月滿發(fā)時數(shù)、月電站綜合效率分別在44.5~149.8h、15.2~91.8h、0.34~0.75之間變化。在8月份,月峰值日照時數(shù)、月滿發(fā)時數(shù)均出現(xiàn)最大值,月電站綜合效率在3月份出現(xiàn)最大值0.75。全年峰值日照時數(shù)為1120.6h,年滿發(fā)時數(shù)為622.0h,年電站綜合效率為0.56。而根據(jù)武漢站1981~2010年近30年(缺少1984年的資料)的輻射觀測資料,計算出年平均(29年平均)總輻照量為1147.5kWh,年平均峰值日照時數(shù)為1147.5h,相當于平均每瓦的光伏裝機容量,以40°傾角安裝,在武漢市每年可發(fā)電約0.64kWh。由于采用傾角40°安裝方式,計算時發(fā)現(xiàn)在5~8月份太陽輻射較好的夏半年,光伏陣列的斜面月總輻照量反而比水平面月總輻照量反而要小,所以該傾角方式安裝并不合適,在合適的安裝傾角下,武漢市光伏電站年綜合效率應大于0.56,每瓦光伏裝機容量的年發(fā)電量應大于0.64kWh,具體數(shù)據(jù)需進一步搜集光伏電站資料進行研究。3光伏并網(wǎng)變壓器效率與光伏發(fā)電效率的關系1)光伏陣列斜面輻照量是影響并網(wǎng)光伏電站直流發(fā)電量最直接的決定性因素,兩者之間呈極顯著正相關,Pearson相關系數(shù)為0.9;2)隨著斜面逐時輻照量的增加,陣列逐時轉換效率呈先變大而達到一定程度后反而下降的趨勢,效率下降主要與高溫的負影響有關;3)建立并網(wǎng)逆變器效率與斜面總輻照量的非線性模型,其擬合精度較高,可作為并網(wǎng)光