溫度修正對光伏發電系統性能比影響分析

楊磊，周凱旋，賀凱，劉海濤

（中國科學院電工研究所，北京 100190）

0 引言

近年來，在全球降碳、減排的大背景下，光伏發電作為可再生、清潔能源得到迅猛發展。雖然光伏技術的革新促使光伏發電成本降低，但光伏發電由補貼上網轉變為平價上網，因此降低度電成本，提高收益成為當前關注重點。光伏電站發電量關系著度電成本，影響最終收益。光伏系統性能比（Performance Ratio，PR）客觀反映了整個電站的發電效能，是目前國內外評價光伏系統發電性能的關鍵綜合性指標[1，2]。

由于光伏電站現場限電、檢測周期限定等情況，檢測單位通?，F場安裝輻射表等氣象采集裝置和逆變器輸出采集裝置，通過短時間段（3 d，7 d等）的方陣發電量或未限電條件下電站總發電量計算系統PR來衡量光伏系統發電性能。這些測試時間短、不同月份環境溫度差異等情況造成不同時期測試結果存在明顯差異。主要是由于不同環境溫度下組件運行溫度存在明顯差異，而組件溫度明顯影響組件光電轉換效率[3，4]，產生不同程度的溫升損失，影響光伏系統PR，最終影響系統發電量輸出[5]。

目前，IEC 61724-1 2016年版本中提出標準測試條件下（STC）性能比和年度溫度等效性能比，對實際測試PR進行溫度修正，盡量減少溫度對光伏系統PR評價的影響，但其組件溫度采用平均值進行計算，未充分考慮輻照度權重影響。NREL與SunPower公司基于Sandia模型提出系統PR氣象修正方法，以修正季節性偏差，進一步提升系統PR測量結果的準確度。NREL又根據美國氣候環境條件，提出美國測試條件（PTC：1 000 W/m2，20℃）下參考溫度，通過此參考溫度對光伏系統PR進行修正[6，7]，提高系統PR測量評價準確性。國內檢測機構主要采用標稱測試條件下溫度修正系統性能比，組件溫度也主要采用平均值。

本文基于IEC 61724-1 2016中STC下性能比和年度溫度性能比修正方法的基礎上，通過實例數據驗證分析，比較采用不同組件溫度計算方法和修正至不同溫度的方法，總結出準確度較高的光伏系統PR溫度修正方法。

1 系統性能比（PR）計算方法

IEC 61724-1 2016中定義：性能比是系統等價發電時Yf與標準等價輻照時Yr比值[8]。表示系統由于方陣溫度、輻照度的不完全利用、系統部件失效或故障、系統平衡部件引起方陣的額定輸出損失而造成的綜合影響。計算式[8]為

式中：Eout為系統輸出發電量；P0為額定功率；Hi為總輻射量；Gi，ref為參考輻照度，定義為額定功率P0測試條件下輻照度，若P0是組件標稱功率下總容量，則Gi，ref為1 000 W/m2。

經過式（1）計算后，系統PR最終可擴展為系統輸出發電量Eout與理想發電量Eref的比值，其表達式為

式中：Gi，k為實時輻照度；τk為測試數據記錄間隔；k為記錄間隔次數；Eref為額定功率P0（裝機容量）與等價輻照時Yr乘積。

通過式（2）可以看出，系統PR計算未考慮組件運行溫度影響。在輻照度Gi，k相同時，系統時刻輸出功率Pout，k決定著系統PR的大小，而Pout，k與組件轉換效率有關,組件溫度越高，轉換效率越低[9，10]，進而系統功率輸出也越低。實驗室通過對組件溫度、輻照度矩陣進行測試，將數據通過PVsyst模擬后，結果見圖1。

圖1 組件溫度、輻照度矩陣效率Fig.1 PV module temperature，irradiance matrix efficiency diagram

從圖1（a）中可以明顯看出，當輻照度大于200 W/m2后，不同溫度下，組件最大功率點Pmax轉換效率隨著輻照度的變化比較小，相同輻照度下，組件溫度越高，組件轉換效率越低；從圖1（b）可以看出，在不同輻照度水平下，隨著組件溫度升高，組件轉換效率影響顯著，主要呈線性下降。組件的轉換效率的變化影響直接影響組件功率的輸出，最終影響系統PR，因此組件溫度是影響PR的重要因素。

在光伏系統實際運行中，輻照度、環境溫度、風速、風向等因素最終通過組件溫度變化來影響系統PR。并且不同季節、每天不同時刻，組件運行溫度Tmod，k存在明顯差異，造成不同季節、不同天的系統PR可能存在明顯差異。這種差異造成采用實際測量系統PR評定系統的性能的不準確性，為減少溫度影響，IEC 61724-1 2016中根據組件功率溫度系數和功率溫度修正關系，給出額定功率溫度補償系數，計算標準測試條件下（簡寫STC：1 000 W/m2，25℃）性能比PRSTC[8]為

其中溫度補償系數Ck[8]為

2 實測溫度、平均溫度、加權平均溫度修正PR差異

2.1 實測PR、平均溫度PR、加權平均溫度修正日PR對比

組件溫度Tmod，k為測量周期內組件實際平均溫度，或者根據環境溫度、風速、輻照進行計算得出。將式（4）代入式（3）進行分析推導，最終得到STC性能比與實測系統性能比之間的關系：

式中：Ck′為溫度補償系數，其表達式為

式中：Tmod，k[11]為加權平均溫度，其表達式為

從式（7）可以看出，系統組件表面輻照度應作為對組件溫度的影響權重來計算得到組件的加權平均溫度。溫度補償系數Ck′可以看做是PR修正系數，此系數與組件溫度、輻照相關。在實際應用中，通常直接將Tmod，k作為平均溫度進行計算。

利用實例電站記錄的數據，應用式（7）計算，得到1 a內光伏組件每天的加權平均溫度、平均溫度，如圖2所示。

圖2 平均與加權平均溫度對比Fig.2 Average and weighted average temperature comparison

從圖2可看出，由于加權平均溫度考慮日不同時刻輻照度的權重，其值明顯高于組件日平均溫度值，更符合輻照度高，影響組件溫度權重因子越高的規律[12]。

采用加權平均溫度、平均溫度，分別計算系統PR，并與實例電站系統實時PR對比，如圖3所示。

圖3 實測、加權平均、平均溫度PR對比Fig.3 PR comparison of measured,weighted average and average temperature

本文實例電站所在氣候區為寒溫氣候區，每日環境溫度及電量記錄時間為6：00-21：00，功率溫度系數取值為-0.32%/℃。

從圖2和圖3中平均溫度和實測PR曲線趨勢可看出，組件溫度變化趨勢與系統實測PR趨勢明顯相反，年中時期組件溫度比年初和年末偏高，而系統PR在年中時明顯低于年初和年末。這種現象主要是由于組件溫度影響組件效率，最終影響系統能量輸出所致。當進行全年不同時期短時間（3～7 d）系統PR測試時，此現象造成不同時期系統PR值不同，系統性能評價準確度不高。系統PR經兩種計算溫度修正后都呈現出年中高，向年末、年初減小。與實測PR趨勢明顯相反，修正不同時期溫度的影響，測試評價結果更準確。同時由于考慮輻照權重的影響，更能反映系統性能。

2.2 實測、平均溫度修正、加權平均溫度修正月度PR計算

當計算系統一個月度PR或者一個時期內PR時，也應考慮不同天輻照量、溫度影響，以日占月度輻射量權重計算月度加權平均溫度。系統PR雖能夠反映系統故障等影響損失，但會影響對系統真實發電性能的計算和評價。在實際測試評價中計算日系統PR時，通常不對有明顯不合理日的系統PR進行剔除，因為其可以充分體現當日系統運行狀況，并且以日為單元的系統PR能夠清晰甄別問題，不影響日系統PR評價。如圖3中實測系統PR在一段時間內某天明顯偏高或偏低現象，主要是由于陰雨天氣下組件溫度差異或故障、停電檢修等情況引起系統輸出的變化。但當計算一個月或者一段時期的PR時，如果不剔除明顯不合理日（限電、設備故障等情況）的數據，會影響月度或者一段時期的系統真實PR評價。

圖4為系統月度PR，圖4（a）為未剔除不合理日的月度系統PR，能夠看出8月和9月的月度系統PR明顯偏離真實值，數據可靠度明顯降低。圖4（b）為剔除不合理日數據后計算得到的系統PR，其值符合當地不同月的系統PR值變化值，數據準確度較高。

圖4 系統月度PRFig.4 System monthly PR

實測、平均溫度修正、加權平均溫度修正后系統PR整體趨勢與日系統PR擬合趨勢線比較一致，都體現出實測PR年中偏低，年初和年末偏高；溫度修正后系統PR年中偏高，年初和年末偏低。也可以發現修正后PR趨勢曲線與光伏組件入射角效應曲線形似，因為光伏組件輸出功率受入射角效應（IAM）影響[13，14]，存在IAM損失。由于地球公轉造成正午太陽高度角變化，相對于組件正表面法向方向的入射角度在年中時最小，年末入射角度最大，從而影響組件輸出效率，最終影響系統PR。

3 修正至年加權平均溫度、NMOT工作溫度與STC溫度PR對比

研究表明：溫度修正系數統一修正到25℃可能造成較大的修正誤差。因此本文需要考慮修正到不同溫度對光伏系統PR的影響和該修正方法實際操作性，以及是否能夠建立統一的修正溫度，盡量減少溫度對系統PR的評價影響。本文采用日加權平均溫度修正至年加權平均溫度、NMOT工作溫度與修正至STC溫度的系統PR進行對比分析。

通過式（7）計算實例項目的組件年加權平均溫度為33.66℃，本文選取常規組件的工作溫度（Nominal Module Operating Temperature，NMOT）[15]為45℃。在實際測試過程中，由于大部分電站系統未對組件運行溫度實時監控，難以獲得全年組件每天不同時刻溫度，無法計算得到年加權平均溫度。借助PVsyst軟件，模擬當地系統狀況，得到以1 h為一個點下的輻射度和組件溫度模擬值，計算年加權平均溫度。根據PVsyst歷史數據計算，得到實例項目地（N36.18°，E100.58°，海拔2 904 m，組件傾角37°）模擬年加權平均溫度為36.34℃。

分別用33.66，45，36.34℃替代式（5）中的25℃后計算系統PR，剔除明顯異常數據后，結果如圖5所示。

圖5 修正至STC溫度、NMOT溫度、年加權平均溫度系統PR對比Fig.5 Corrected to the system PR comparison of STC temperature,NMOT temperature and annual weighted average temperature

從圖5可以看出：修正至STC溫度、NMOT溫度、實測年加權平均溫度、模擬年加權平均溫度下的4種系統PR結果趨勢一致；但是，修正至NMOT溫度PR大部分明顯在實測值下，偏離實際情況，不能準確評價系統PR；修正至STC溫度的系統PR結果大部分在實測值之上，也存在偏離實際情況，不能準確評價系統PR；修正至兩種年加權平均溫度下，系統PR均能夠修正組件運行溫度過高或過低情況的PR，從而修正因不同月份溫度高低差異造成的結果偏差性，能夠較準確地評價系統PR，并且實測年加權平均溫度、模擬加權平均溫度兩種溫度之間差距較小，修正后PR結果也比較接近。所以本實例所在地或氣候類型地區的系統PR，在無法得到組件運行全年加權平均溫度的情況下，可以采用PVsyst模擬的當地傾斜面下輻照度、組件運行平均溫度計算的年加權平均溫度來修正實測PR。

4 結論

本文針對光伏系統PR的溫度修正方法，通過實例驗證分析，分析結果如下。

①當輻照度≥200 W/m2時，組件溫度變化對光伏系統PR影響較大，并且不同月份、不同天的環境差異影響組件溫度不同，造成不同時間段所測試光伏電站系統PR存在明顯差異，影響系統性能評估準確性，特別是現階段電站檢測周期短，以短時間（如3～7 d）測量來評價電站全年整體PR，存在較大偏差。

②由于輻照度對組件溫度的影響，考慮不同時段溫度、輻照度權重比的加權平均溫度，減小了輻照度差異對溫度的影響，利用其修正計算的系統PR準確度高于平均溫度計算的系統PR。

③計算分析日系統PR時，通過系統PR數據的明顯異常偏差可以看出系統可能出現故障、限電等問題，但在計算多天、月等時段的PR時，需剔除明顯異常偏差日PR數據，避免限電、故障等問題影響長時段的PR的分析評估準確性。

④通過修正至STC溫度、NMOT溫度、實測年加權平均溫度、模擬年加權平均溫度的系統PR對比，修正至年加權平均溫度下的系統PR更能較準確的評價系統PR。在無法獲取實際組件運行溫度、輻照度的情況下，可以采用軟件模擬的全年的每日時溫度、輻照度計算年加權平均溫度。