復雜山地場景下大方位角光伏項目光伏發電量精準評估

黃佳琦，穆思睿

特變電工新疆新能源股份有限公司，陜西西安，710119

0 引言

國內復雜山地光伏項目逐步增多，前期山地光伏項目的開發工作面臨著諸多難點，尤其針對復雜山地的光資源評估方面，需要在冬至日上午9點至下午3點的光照時間內，保證子陣南北方向無遮擋。山地光伏項目場址地形復雜多變，地形起伏大、組件傾角過大、方位角多變等因素對發電量的影響較為顯著，若將每個不同的方位角都進行建模分析，則會耗費大量的時間且效率低下，因此需要將方位角合理歸類，并分析研究影響規律，采取相應的措施以提高發電量評估的準確性。

為了滿足對山地光伏項目發電量的精準評估以及前期對項目場址區域的選擇需求，研究人員設計出多種計算模型，成功模擬分析出山地太陽能資源與地形、陰影之間的關系，以保證方陣的南北向不被遮擋。本項目以云南某光伏項目為例，項目北部地塊坡度較平緩，南部地塊坡度較大，東側兩個地塊由梯田組成，項目東南坡、西南坡較多，若按照傳統的PVsyst軟件建模計算，則工作量大且發電量與實際的偏差較大，因此需要充分考慮地形因素，通過分析不同坡度、不同的方位角，從而計算出項目發電量，提高山地光伏項目發電量評估的準確性。

1 光資源測算的方法

《光伏發電站設計規范》（GB 50797—2012）第6.6條中表明：光伏發電站發電量預測應根據站址所在地的太陽能資源情況，并考慮光伏發電站系統設計、光伏方陣布置和環境條件等各種因素后計算確定。

1.1 引用國家規范中的規定

依據《光伏發電站設計規范》（GB 50797—2012）式6.6.2，上網發電量的計算方法如下所述（圖1）。

圖1 上網發電量計算公式

上述提到的計算方法是對上網發電量的標準算法，但是對于K（綜合效率系數）的精準取值目前存在一定難度，包含電纜線損的計算、逆變器損耗、變壓器損耗、組件損耗、塵埃損失等等，因此若采用公式的單一算法會出現一定的偏差[1]。

1.2 PVsyst仿真

目前國內常用的發電量計算軟件PVsyst，是一款光伏系統設計輔助軟件，用于指導光伏系統設計以及對光伏系統進行發電量的模擬計算。此軟件適用于并網光伏發電系統（地面電站、屋頂電站、農光互補、水面光伏等）、內置氣象數據庫、光伏組件、逆變器數據庫及定額輔助分析工具等。通過將項目坐標輸入，選擇合適的數據源建模，設置相應的損失，從而計算出項目的發電量。影響山地光伏電站發電效率的重要因素之一就是陰影遮擋，由于山地的地形復雜多變，常規的公式計算只能將山地視為相對一致的坡度進行計算，若將每個方位角朝向都計算一遍，則計算工作量非常大，因此需要尋求一種快速簡便的方法計算出項目的發電量[2]。

2 工程實例分析

2.1 項目概述

該工程位于云南省某縣，海拔約為2000m，項目為農光互補光伏項目，根據當地政策要求，組件最低點的離地高度為2.5m，按照冬至日早晨9點到下午3點不遮擋的原則進行總圖排布和光資源評估。該項目采用570Wp單晶雙面組件，固定傾角支架；項目共分三個地塊，地塊一較為平緩，地塊二較陡，山地坡度約為30度，地塊三為梯田，根據項目基本概況，本項目將結合Candela3D軟件以及PVsyst軟件完成對復雜山地項目的光資源評估[3]。

2.2 發電量分析

通過分析方位角劃分區間的不同，計算不同區間個數的發電量，之后根據地塊容量的占比加權計算總的發電量，得到山地光伏項目資源測算的高效方法，以此達到評估精度的目的[4]。

步驟一：將本項目的測繪圖導入Candela3D軟件，生成帶坡度的地形圖，完成山地項目的總圖排布。

表1為Candela3D軟件對組件方位角的數據分析，根據項目實際情況設置方位角分組精度，可以得出不同方位角的占比，例如該項目的方位角存在于-30°～30°，其中集中在-10°～5°。山地項目總圖布置如圖2所示。

圖2 山地項目總圖布置

步驟二：利用Candela3D軟件，將dae格式的文件導出，導入PVsyst軟件的模型中，劃分出不同方位角的區間。導入PVsyst的山地模型如圖3、圖4所示。

圖3 導入PVsyst 的山地模型1

圖4 導入PVsyst 的山地模型2

利用PVsyst軟件，設置不同的閾值，可以完成對方位角方陣的劃分，閾值的取值影響方陣的個數，最多可將整個項目按照一個方陣進行分析，本項目對比方位角細分對于發電量的影響，因此本項目將方位角按照1種、3種、5種、7種分類分別進行發電量計算[5]。

步驟三：根據不同方陣的容量選擇合適的逆變器型號。

由于部分方位角及傾角可能存在容量過小的情況。因此，建議一次導入PVsyst軟件的布置容量在30MW以上。方位角分類如表2所示。

表2 方位角分類

步驟四：通過PVsyst進行不同方位角的發電量測算，統計各個導入地塊容量在整個項目中的占比，加權不同利用小時數數值計算出本項目最終的首年利用小時數。

根據圖5，將所有方陣（單面）按照一種朝向、三種朝向、五種朝向、七種朝向進行劃分，計算出的首年發電小時數分別為1281h、1274h、1274h、1277h；將所有方陣按照平地單面建模計算所得首年發電小時數為1287h。

圖5 四種分類下的首年小時數數值（單面）統計

由于上述方法只能進行單面組件發電量計算，因此需要計算出該項目雙面率后，將單面發電量折算為雙面發電量。本項目為農光互補光伏項目，根據當地政策文件要求，光伏組件的最低點距地高度為2.5m，地面反射率按照12%取值，得到本項目雙面率為3.962%，因此，所有方陣（雙面）按照一種朝向、三種朝向、五種朝向、七種朝向進行劃分，計算出的首年發電小時數（雙面）分別為1332h、1324h、1324h、1328h，如圖6所示。

圖6 四種分類下的首年小時數數值（雙面）統計

本項目基于Candela3D軟件得到光伏陣列的布置模型，再利用PVsyst軟件進行方陣發電量仿真，由于山地電站光伏陣列存在不同的傾角和方位角，因此，對四種不同的方位角分類方法進行了對比，根據后續調研情況，該項目實際首年發電小時數為1330h，采用劃分的區間越多，計算出的發電量越接近實測的數據。且項目場址東西向坡度越大，或項目緯度越高，分組與不分組方案的發電量差距會越發明顯[6]。因此，在后續的山地項目評估過程中，建議對項目進行方位角劃分。

2.3 與傳統計算方式相比的優勢

（1）標準化程度高（地形生成、模型導入、方位角分類等均為軟件操作，避免人為建模及分類導致的誤差）。

（2）與傳統計算山地項目發電量相比，過程便捷，易于操作。

（3）計算結果更加準確，更符合項目的實際情況（通常PVsyst軟件建模以一個方陣為主，而本方案能夠將整個項目的容量導入進行計算）。

3 結語

本項目首先利用Candela3D軟件，通過項目測繪圖的導入，生成帶坡度的地形，設置日照時長、坡度與坡向，通過分析山體與山體之間陰影，解決場區內及周邊地形高差或其他物體對場內組件造成的陰影遮擋問題，從而確定組件之間的南北向間距，完成光伏項目總圖的排布，有效解決山地光伏電站組件布置難的問題。之后再利用PVsyst軟件，進行項目不同方位角方陣的發電量仿真分析，即可準確并快速地模擬發電量結果，為山地光伏電站的前期開發和合理設計提供了參考。