楊建衛(wèi)，張 寶，曹晟磊

(1. 中電華創(chuàng)電力技術(shù)研究有限公司，上海 200080；2. 大同中電光伏發(fā)電有限公司，大同 037000)

0 引言

近年來，光伏發(fā)電裝機(jī)容量不斷增加，隨著光伏發(fā)電平價(jià)上網(wǎng)時(shí)代的來臨，光伏電站的盈利空間被壓縮，如何提高光伏電站發(fā)電性能成為運(yùn)維人員關(guān)心的頭等大事。光伏電站發(fā)電性能測(cè)試是對(duì)電站發(fā)電能力進(jìn)行評(píng)估的方法，發(fā)電性能測(cè)試主要包括光伏方陣能效比(PR)、逆變器單元PR、匯流箱單元PR、光伏組串PR、光伏電站整體PR。目前傳統(tǒng)的光伏電站發(fā)電性能測(cè)試方法是針對(duì)單個(gè)光伏組串或單個(gè)逆變器單元在某一時(shí)刻進(jìn)行單點(diǎn)測(cè)試，無法實(shí)時(shí)連續(xù)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)出的PR 值僅能反映發(fā)電單元或光伏電站整體某一時(shí)刻的發(fā)電能力，無法對(duì)光伏電站整體的平均發(fā)電能力進(jìn)行客觀評(píng)估。

本文提出一種光伏電站發(fā)電性能測(cè)試方法，是一種基于云平臺(tái)的能量流測(cè)試方法，該測(cè)試方法需要在一定周期內(nèi)(5～7 天)實(shí)時(shí)連續(xù)采集某個(gè)光伏方陣內(nèi)各光伏組串、各匯流箱、各逆變器的發(fā)電功率，充分考慮不同氣象條件、不同外部資源影響下光伏電站的實(shí)際發(fā)電量，能夠排除地域和外部資源的影響，可客觀反映光伏電站整體的平均發(fā)電能力。利用云平臺(tái)存儲(chǔ)采集的數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)通過云平臺(tái)可實(shí)時(shí)查看數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)下載、分析。

1 基于云平臺(tái)的能量流測(cè)試系統(tǒng)

能量流測(cè)試方法適用于各種規(guī)模、各種類型的光伏電站現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)與分析評(píng)估，可對(duì)光伏電站所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行全時(shí)段連續(xù)記錄，測(cè)試數(shù)據(jù)上傳至云平臺(tái)，遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)可通過云平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的查看和處理，并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)光伏電站質(zhì)量評(píng)估和PR 分析，對(duì)光伏電站進(jìn)行故障診斷，實(shí)現(xiàn)光伏電站發(fā)電性能的提升。

基于云平臺(tái)的能量流測(cè)試系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。該測(cè)試系統(tǒng)包括各種可移動(dòng)的模塊化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)、云平臺(tái)、本地?cái)?shù)據(jù)中心、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)處理單元等。

圖1 基于云平臺(tái)的能量流測(cè)試系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Overall structure diagram of energy flow test system based on cloud platform

與傳統(tǒng)的光伏電站發(fā)電性能現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)方法相比，本測(cè)試系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于：1)可連續(xù)測(cè)試發(fā)電狀態(tài)下光伏電站各發(fā)電環(huán)節(jié)的電性能參數(shù)，通過累計(jì)能量分析方法，分析光伏電站各發(fā)電環(huán)節(jié)的能量流狀態(tài)；2)考慮了光伏電站環(huán)境、氣象條件、帶電狀態(tài)等綜合因素的影響，且各系統(tǒng)測(cè)量單元具有同步機(jī)制，可保障氣象參數(shù)和各發(fā)電單元采集數(shù)據(jù)的高度同步性；3)數(shù)據(jù)采集自動(dòng)化，具有保證數(shù)據(jù)連續(xù)性和完整性的檢查和修復(fù)機(jī)制，從而可全面客觀地評(píng)估光伏電站的綜合性能，在同步性、準(zhǔn)確性、連續(xù)性、拓展性等方面都具有突出的優(yōu)越性。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 氣象數(shù)據(jù)采集裝置

氣象數(shù)據(jù)采集裝置主要是獲取光伏電站現(xiàn)場(chǎng)的總太陽輻照度、環(huán)境溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向等實(shí)時(shí)氣象參數(shù)。為了保障數(shù)據(jù)的客觀性，該基于云平臺(tái)的能量流測(cè)試系統(tǒng)設(shè)置了4 套總輻照表，分別安裝在待測(cè)試發(fā)電單元的不同位置，以獲得不同區(qū)域的太陽輻照度，摒除云層、風(fēng)等外在氣象條件對(duì)所測(cè)試發(fā)電單元接收太陽輻照度的影響。采集通道為32 路，同步精度為10 ns，采樣頻率可在0～10 kHz 范圍內(nèi)獨(dú)立設(shè)置，每路通道配置低通濾波，具有RS485、以太網(wǎng)、無線WiFi 的拓展通信能力，擁有外觸發(fā)和同步接口。

2.2 模塊化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

模塊化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于高精度的傳感器和高性能的采集儀器設(shè)計(jì)，確保了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的高精度、高性能和高可靠性。數(shù)據(jù)采集內(nèi)容包括光伏組件、匯流箱、直流控制柜等直流側(cè)參數(shù)，逆變器(組串式)性能參數(shù)，以及交流控制柜等交流側(cè)參數(shù)。

模塊化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用分布式和模塊化設(shè)計(jì)，可根據(jù)光伏電站現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試對(duì)象的通道數(shù)和布局需求，任意組合、靈活配置測(cè)試設(shè)備的數(shù)量、分布和互連，實(shí)現(xiàn)模塊化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在光伏電站現(xiàn)場(chǎng)的快速安裝和連線。通過網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議(NTP)、全球定位系統(tǒng)(GPS)或IEEE 1588 協(xié)議等同步方式，可提高各分布式的模塊化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的同步性，同步精度可達(dá)到納秒級(jí)。

模塊化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可基于以太網(wǎng)、RS485、無線WiFi 等多種通信方式傳輸數(shù)據(jù)，內(nèi)置的斷線自動(dòng)重連和數(shù)據(jù)重發(fā)機(jī)制，可保證長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)性和完整性。

2.3 數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)

各室外數(shù)據(jù)傳感采集單元之間通過無線WiFi 或GPRS 組網(wǎng)，將數(shù)據(jù)通信至室內(nèi)數(shù)據(jù)采集單元，室內(nèi)數(shù)據(jù)采集單元通過移動(dòng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)傳送至云平臺(tái)。

2.4 本地?cái)?shù)據(jù)中心

測(cè)試數(shù)據(jù)在本地存儲(chǔ)卡和云平臺(tái)都進(jìn)行存儲(chǔ)，云平臺(tái)采用私有云，可保障數(shù)據(jù)的可靠性和安全性。每個(gè)室外數(shù)據(jù)傳感采集單元組成1 個(gè)分布式數(shù)據(jù)庫，多個(gè)分布式數(shù)據(jù)庫協(xié)同工作，室內(nèi)數(shù)據(jù)采集單元組成中央數(shù)據(jù)庫，可整合各個(gè)分布式數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)整個(gè)光伏電站數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與查詢。

2.5 數(shù)據(jù)分析處理軟件

數(shù)據(jù)分析處理軟件主要實(shí)現(xiàn)包括測(cè)試前配置測(cè)試參數(shù)、測(cè)試中查詢實(shí)時(shí)參數(shù)、測(cè)試后查詢歷史參數(shù)等在內(nèi)的功能。數(shù)據(jù)分析處理軟件還可以實(shí)現(xiàn)離線數(shù)據(jù)庫的合并、導(dǎo)入、導(dǎo)出等功能。

3 測(cè)試方案

3.1 光伏方陣的選取

根據(jù)光伏電站近期歷史發(fā)電量數(shù)據(jù)，將光伏電站發(fā)電量分為高、中、低3 個(gè)區(qū)域；根據(jù)光伏電站裝機(jī)容量，抽檢8 個(gè)光伏方陣，從中選取3個(gè)接近光伏電站中所有光伏方陣發(fā)電量平均值的光伏方陣作為被測(cè)對(duì)象，對(duì)逆變器、匯流箱及光伏組串進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)分別檢測(cè)匯流箱與逆變器的輸入、輸出側(cè)參數(shù)，測(cè)試時(shí)間為5～7 天；其余5 個(gè)光伏方陣分別在發(fā)電量高區(qū)域選2 個(gè)、發(fā)電量中區(qū)域選1 個(gè)、發(fā)電量低區(qū)域選2 個(gè)，以這5 個(gè)光伏方陣作為5 個(gè)測(cè)試單元，同樣進(jìn)行以上測(cè)試，測(cè)試時(shí)間為3～5 天。

若光伏電站存在不同型號(hào)的匯流箱或逆變器，抽檢應(yīng)覆蓋所有型號(hào)的設(shè)備，所有參數(shù)的采集時(shí)間間隔為1 s，記錄時(shí)間間隔為1 min。測(cè)試方案及采集點(diǎn)的布置如圖2 所示。

圖2 測(cè)試方案及測(cè)試點(diǎn)的布置Fig. 2 Test plan and layout of test points

3.2 測(cè)試內(nèi)容

根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)，可進(jìn)行測(cè)試單元PR、光伏電站整體PR、逆變器最大效率、直流損耗、交流損耗、遮擋損失、灰塵導(dǎo)致的功率衰減等項(xiàng)目的測(cè)試和計(jì)算。

光伏電站測(cè)試單元能效比PRu的計(jì)算式為：

式中：E為測(cè)試周期內(nèi)測(cè)試單元的發(fā)電量，kWh；P0為測(cè)試單元的總裝機(jī)容量，kW；Hi為測(cè)試單元傾斜面接收的太陽輻照量，kWh/m2；G為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下的太陽輻照度，為1 kW/m2。

4 測(cè)試案例分析

應(yīng)用本文所述的基于云平臺(tái)的能量流測(cè)試系統(tǒng)對(duì)光伏電站發(fā)電性能進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試的光伏電站位于山西省運(yùn)城市，光伏組件安裝容量約為90 MW。

測(cè)試時(shí)間為2019 年7 月9 日—8 月23 日，測(cè)試共選取9 個(gè)測(cè)試單元，包括4 個(gè)集散式測(cè)試單元和5 個(gè)組串式測(cè)試單元。其中，集散式測(cè)試單元包括1 個(gè)集散式逆變器，以及接入此逆變器的所有匯流箱和光伏組串，編號(hào)分別為A5-2測(cè)試單元、A6-2 測(cè)試單元、B28-1 測(cè)試單元、B25-2 測(cè)試單元；組串式測(cè)試單元包括1 個(gè)交流匯流開關(guān)，以及接入此開關(guān)的下級(jí)所有組串式逆變器和光伏組串，編號(hào)分別為A11-5 測(cè)試單元、B19-2 測(cè)試單元、B20-9 測(cè)試單元、B21-8 測(cè)試單元、B15-5 測(cè)試單元(所有測(cè)試單元的編號(hào)均采用光伏電站中的實(shí)際編號(hào))。

整個(gè)測(cè)試期間，集散式測(cè)試單元的PR 值及能量損耗分布圖分別如圖3、圖4 所示，組串式測(cè)試單元的PR值及能量損耗分布圖分別如圖5、圖6 所示。

從圖3、圖4 可以看出：整個(gè)測(cè)試期間，4 個(gè)集散式測(cè)試單元的PR 值由高到低排序依次為：B25-2 測(cè)試單元、A5-2 測(cè)試單元、B28-1 測(cè)試單元、A6-2 測(cè)試單元；其他綜合能量損耗由高到低排序依次為：A6-2 測(cè)試單元、B28-1 測(cè)試單元、A5-2 測(cè)試單元、B25-2 測(cè)試單元；單元線纜能量損耗由高到低排序依次為：A6-2 測(cè)試單元、B28-1 測(cè)試單元、B25-2 測(cè)試單元、A5-2 測(cè)試單元；逆變器能量損耗由高到低排序依次為：B25-2 測(cè)試單元、B28-1 測(cè)試單元、A6-2 測(cè)試單元、A5-2 測(cè)試單元。

圖3 整個(gè)測(cè)試期間，集散式測(cè)試單元的PR 值Fig. 3 During the entire testing period，PR value of distributed test units

圖4 整個(gè)測(cè)試期間，集散式測(cè)試單元的能量損耗分布圖Fig. 4 During the entire testing period，energy consumption distribution diagram of distributed test units

從圖5、圖6 可以看出：整個(gè)測(cè)試期間，5 個(gè)組串式測(cè)試單元的PR 值由高到低排序依次為：B20-9 測(cè)試單元、B21-8 測(cè)試單元、B19-2測(cè)試單元、B15-5 測(cè)試單元、A11-5 測(cè)試單元；其他綜合能量損耗由高到低排序依次為：A11-5測(cè)試單元、B15-5 測(cè)試單元、B19-2 測(cè)試單元、B21-8 測(cè)試單元、B20-9 測(cè)試單元；單元線纜能量損耗由高到低排序依次為：B20-9 測(cè)試單元、B21-8 測(cè)試單元、B15-5 測(cè)試單元、B19-2 測(cè)試單元、A11-5 測(cè)試單元；單元內(nèi)所有逆變器的能量損耗由高到低排序依次為：B15-5 測(cè)試單元、B19-2 測(cè)試單元、B21-8 測(cè)試單元、B20-9 測(cè)試單元、A11-5 測(cè)試單元。

圖5 整個(gè)測(cè)試期間，組串式測(cè)試單元的PR 值Fig. 5 During the entire testing period，PR value of string test units

因測(cè)試單元內(nèi)各個(gè)匯流箱、光伏組串的數(shù)據(jù)量較多，本文僅以1 個(gè)集散式測(cè)試單元為例進(jìn)行具體分析。選擇PR 值偏低的A6-2 測(cè)試單元，對(duì)所采集的A6-2 測(cè)試單元的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以便進(jìn)行故障診斷和低效率分析。整個(gè)測(cè)試期間，A6-2 測(cè)試單元的PR 值及各部分能量損耗的占比情況如圖7 所示。

圖7 整個(gè)測(cè)試期間，A6-2 測(cè)試單元的PR 值及各部分能量損耗的占比情況Fig. 7 During the entire testing period，PR value and proportion of energy consumption in each part of A6-2 test unit

不同日期下，A6-2 測(cè)試單元各匯流箱的PR分布情況如圖8 所示。整個(gè)測(cè)試期間，A6-2 測(cè)試單元各匯流箱的PR 值如圖9 所示。

圖9 整個(gè)測(cè)試期間，A6-2 測(cè)試單元各匯流箱的PR 值Fig. 9 During the entire testing period，PR values of each combiner box in A6-2 test unit

從圖8 可以看出：A6-2 測(cè)試單元各匯流箱在同一天的PR 值偏差范圍在2.56%～5.43%，其中，7 月13 日的PR 值偏差最大，7 月12 日的PR 值偏差最小。

圖8 不同日期下，A6-2 測(cè)試單元各匯流箱的PR 值分布情況Fig. 8 PR values distribution of each combiner box in A6-2 test unit at different dates

從圖9 可以看出：整個(gè)測(cè)試期間，A6-2 測(cè)試單元各匯流箱的PR 值在86.95%～89.64%之間，其中，23#匯流箱的PR 值最小。

不同日期下，A6-2 測(cè)試單元各匯流箱中各光伏組串的PR 值如圖10 所示。

圖10 不同日期下，A6-2 測(cè)試單元各匯流箱中各光伏組串的PR 值Fig. 10 PR values of each PV string in each combiner box of A6-2 test unit at different dates

從圖10 可以看出：不同日期下，A6-2測(cè)試單元各匯流箱中各光伏組串的PR 值在84.11%～91.34%，A6-2 測(cè)試單元所有光伏組串總PR 為88.25%。其中，19#匯流箱中各光伏組串的PR 值偏差比較明顯。產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因是多方面的，包括光伏組件存在破碎、嚴(yán)重隱裂的現(xiàn)象(隨后進(jìn)行的光伏組件電致發(fā)光抽檢的結(jié)果也佐證了這個(gè)原因)，個(gè)別光伏組串存在陰影遮擋現(xiàn)象，靠近路邊的光伏組串灰塵損失較明顯等。

5 結(jié)論

本文針對(duì)光伏電站發(fā)電性能測(cè)試，論述了一種基于云平臺(tái)的能量流測(cè)試方法，設(shè)計(jì)了基于該方法的新型測(cè)試系統(tǒng)，并運(yùn)用該測(cè)試系統(tǒng)對(duì)山西省運(yùn)城市某90 MW 光伏電站進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試，得到了詳細(xì)、客觀的測(cè)試結(jié)果，對(duì)全面客觀地評(píng)估光伏電站的綜合性能具有重要意義。本測(cè)試系統(tǒng)通過對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的深入分析，可以定位光伏方陣中的低效率光伏組串的位置，進(jìn)而可對(duì)低效率光伏組串進(jìn)行故障診斷和低效率分析，并最終定位故障類型，達(dá)到了對(duì)光伏電站運(yùn)維服務(wù)的目的。

相對(duì)于傳統(tǒng)測(cè)試設(shè)備及系統(tǒng)而言，本測(cè)試系統(tǒng)在同步性、準(zhǔn)確性、連續(xù)性、拓展性等方面均具有突出的優(yōu)越性，得出的測(cè)試數(shù)據(jù)詳細(xì)、全面，同時(shí)云平臺(tái)的應(yīng)用減少了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試人員的投入，提高了測(cè)試效率，降低了測(cè)試成本，本測(cè)試系統(tǒng)的應(yīng)用具有很高的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，具有一定的推廣性。