CN103605891A - 一种并网光伏逆变器户外运行综合效率的评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种并网光伏逆变器户外运行综合效率的评价方法，包括以下步骤：对光伏电站建设地辐照度进行评估；评价光伏电站建设地辐照度及其对应的并网光伏逆变器运行综合效率。本发明提供的并网光伏逆变器户外运行综合效率的评价方法，通过综合光伏电站建设地辐照资源等情况，将光伏逆变器效率按照辐照度分区间，根据不同功率等级下的辐照资源确定光伏逆变器效率加权系数，进而得到光伏逆变器实际运行下的综合效率性能。

Description

一种并网光伏逆变器户外运行综合效率的评价方法

技术领域

本发明涉及一种评价方法，具体涉及一种并网光伏逆变器户外运行综合效率的评价方法。

背景技术

近些年来，以风能、太阳能为代表的新能源在全球得到迅猛发展。截止2011年底，全球太阳能发电累计装机容量达到6740万千瓦。其中，光伏组件产量增速惊人，2010年太阳电池组件出货量达20GW，2011年光伏组件出货量达27.7GW，预计至2020年，光伏组件年产量将达40GW。而光伏逆变器作为光伏系统的重要部件，其效率也受到广泛关注。

对于光伏逆变器效率的研究，经历了由传统电力电子电能转换设备效率测试方法到专门针对不同光伏组件的光伏逆变器效率测试的研究。传统电力电子电能转换设备效率测试方法仅测试逆变器交直流转换效率，该效率无法全面反映光伏逆变器整体效率情况。目前，被大众接受的光伏逆变器效率测试主要包含如下内容：静态MPP效率、动态MPP效率以及交直流转换效率。

H.Haeberlin,L Borgn等人于2005年发表论文《Total efficiency n-a new quantity for bettercharacterization of grid-connected PV inverters》提出利用总效率η_tot对光伏逆变器性能进行评价。总效率定义如下式所示，其中，η为光伏逆变器交直流转换效率，η_MPPT为光伏逆变器静态MPP效率，P_AC为逆变器交流侧测试功率，P_MPP为光伏组件最大MPP点功率。

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{tot}}={\mathrm{\η\η}}_{\mathrm{MPPT}}=\frac{P_{\mathrm{AC}}}{P_{\mathrm{MPP}}}$

分别测试不同直流侧功率等级下的光伏逆变器静态MPP效率与交直流转换效率，并乘以欧洲效率系数，即可得到逆变器整体效率。文献针对NT4000与IG30两台逆变器效率进行测试后指出，逆变器整体转换效率与动态MPP效率无太大关联。因此，在未来对光伏逆变器效率进行研究时，应分别给出光伏逆变器整体效率以及动态MPP效率从而可以全面判断光伏逆变器性能。该效率评价方法已经被标准BS EN50530：2010《Overall efficiency of grid connectedphotovoltaic inverters》所采用。

在BS EN50530:2010中，除了对逆变器整体效率测试方法进行详细定义之外，还对逆变器动态MPP测试方法进行了详细规定。标准根据辐照度大小和辐照度变化将逆变器动态MPP效率分为中低辐照度、中高辐照度以及逆变器开启关断三种情况。中低辐照度情况为辐照度从100W/㎡～500W/㎡，采用不同步长测试在此区间内光伏逆变器动态MPP跟踪性能；中高辐照度为300W/㎡～1000W/㎡，采用不同步长测试在此区间内光伏逆变器动态MPP跟踪性能；开启关断测试辐照度从10W/㎡～100W/㎡区间内，步长为0.1W/㎡/s的动态MPP跟踪。在动态MPP测试前，都需要让逆变器稳定运行300s，以保证测试结果的有效性。同时，标准还对光伏仿真模拟器的技术参数和效率计算方法有一个较为详细的规定。根据该标准，目前可以评价光伏逆变器的欧洲效率以及加州效率。但是，由于气象、温度以及地理环境等不同，该标准评价方法在我国的适用性还有待商榷，特别是其效率系数仅采用欧洲效率系数以及加州效率系数，使得标准的推广受到一定程度的限制。

Massimo Valentin，H.Haeberlin在其相关文献《PV inverter test setup for european efficiency,static and dynamic MPPT efficiency evaluation》以及《Optimum DC operating voltage forGrid-connected PV plants》针对光伏逆变器静/动态MPP效率测试方法搭建了测试平台，通过光伏组件模型建立，确定光伏方阵模拟器的技术参数要求。文献其中Massimo Valentin还通过LABView软件，开发了逆变器效率测试软件平台。利用该测试平台对光伏逆变器转换效率、静态MPP效率进行测试，并按照欧洲效率系数来评价光伏逆变器效率。在动态MPP测试中，文献选用了一个梯形开关曲线而非EN50530中三角形开关曲线，同时，文献给出动态MPP效率曲线，而非EN50530中仅给出动态效率值。利用该文献可准确测试光伏逆变器相关效率，但是文献中没有说明所搭建的光伏方阵模拟平台如何校准，以及在测试静态MPP时如何确定光伏方阵模拟器静态最大功率点。

Chuck Whitaker和Jeff Newmiller等人在其论文《Inverter performance certification resultsfrom the Sandia test protocol》根据加州效率系数计算的光伏逆变器效率，建立三种逆变器效率预测模型，第一种是交直流转换效率模型，采用逆变器平均效率。第二种采用一个回归方程损耗模型，如下式，根据测试得到的P_ac和V_dc可以求出上式中的待定系数。第三种模型在逆变器不同电压和功率下采用线性内插法。

$P_{\mathrm{loss}}=P_{\mathrm{dc}}-P_{\mathrm{ac}}=a_0+a_1{P}_{\mathrm{ac}}+a_2{P}_{\mathrm{ac}}^2+a_3{P}_{\mathrm{ac}}{V}_{\mathrm{dc}}+a_4{V}_{\mathrm{dc}}+a_5\frac{P_{\mathrm{ac}}}{V_{\mathrm{dc}}}+a_6\frac{P_{\mathrm{ac}}^2}{V_{\mathrm{dc}}}$

比较了测试结果与三种模型预测结果的测试精度，结果表明内插法和模型2对逆变器效率预测较为准确。

Benoit Bletterie和Roland Brundlinger在其文献《Redefinition of the European efficiencyfinding the compromise between simplicity and accuracy》针对逆变器欧洲效率系数进行研究，提出最大可达到欧洲效率。针对欧洲效率系数进行重新考虑，提出由辐照度、温度和年发电量分布映射得到光伏系统最大功率P_mpp、MPP点电压U_mpp与年发电量的分布，将这个分布作为权重因子，该权重因子可以更加真实反映逆变器在实际环境中的效率情况。同时，文献根据逆变器效率与温度的关系，建立了光伏逆变器工作电压带，在工作电压带中，将逆变器效率与权重因子相乘，得到最大可达到欧洲效率。采用该值对光伏逆变器效率进行重新评价。

陈正洪，李芬，王丽娟在其论文《并网光伏逆变器效率变化特征及其模型研究》主要分析光伏逆变器转换效率，定义三种方法，分别为瞬时转换效率η=P_ac/P_dc、能量转换效率η=E_ac/E_dc以及次平均转换效率η=（1/N）Σηi。

采用瞬时转换效率分析短时逆变器效率，能量转换效率与次平均转换效率分析长时逆变器效率，根据功率转换效率分布点，建立转换效率非线性回归方程：

η＝b₁+b₂exp(b₃P_dc)

求得方程中相关系数（SPSS软件），从而可以对逆变器转换效率进行预测。但是由其预测结果看出，在低转换效率下，其转换实际值与预测值偏差较大，模型的精确性需要进一步验证。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种并网光伏逆变器户外运行综合效率的评价方法，通过综合光伏电站建设地辐照资源等情况，将光伏逆变器效率按照辐照度分区间，根据不同功率等级下的辐照资源确定光伏逆变器效率加权系数，进而得到光伏逆变器实际运行下的综合效率性能。

为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：

本发明提供一种并网光伏逆变器户外运行综合效率的评价方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1：对光伏电站建设地辐照度进行评估；

步骤2：评价光伏电站建设地辐照度及其对应的并网光伏逆变器运行综合效率。

所述步骤1包括以下步骤：

步骤1-1：获取光伏电站建设地常年辐照历史数据，并划分辐照区间；

步骤1-2：计算测试时间段内光伏电站建设地总辐照累计辐照量；

步骤1-3：计算不同辐照区间内的能量占比，并判断所采用的加权系数形式。

所述步骤1-1中，以1000W/m²为基准，将现场辐照度划分为0.1%～7.5%、7.5%～15%、15%～25%、25%～35%、35%～60%、60%～90%和90%～100%各辐照区间，记为I_i，i＝1,2,…，7；

0.1%～7.5%、7.5%～15%、15%～25%、25%～35%、35%～60%、60%～90%和90%～100%对应的辐照点分别为5%、10%、20%、30%、50%、75%和100%。

所述步骤1-2包括以下步骤：

步骤1-2-1：计算光伏电站建设地平均辐照度I_mean-i，有

$I_{\mathrm{mean}-i}=\frac{1}{7}\underset{i=1}{\overset{7}{\mathrm{\Σ}}}{I}_i---\left(1\right)$

步骤1-2-2：确定现场辐照度累计时间t_i，有

t_i＝n·t_si   （2）

其中，n为辐照区间内记录的辐照度个数，t_si为测试点的采样时间间隔；

步骤1-2-3：计算不同辐照区间内的累计辐照量I_sum-i，有

I_sum-i＝I_mean-i·t_i   （3）

步骤1-2-4：测试时间段内光伏电站建设地总辐照累计辐照量I_sum，有

$I_{\mathrm{sum}}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{\mathrm{sum}-i}---\left(4\right).$

所述步骤1-3中，计算不同辐照区间内的能量占比用α_i，其中i＝1,2,…，7，有

${\mathrm{\α}}_i=\frac{I_{\mathrm{sum}-i}}{I_{\mathrm{sum}}}---\left(5\right)$

若α₁＞α₆，则采用欧洲效率加权系数；

若α₁＜α₆，则采用加州效率加权系数。

所述步骤2包括以下步骤：

步骤2-1：将实测并网光伏逆变器效率按照不同的辐照度归类到辐照区间内，同时，以辐照点为基准，求出归类后各辐照点±1%内光伏逆变器平均效率η_mean，有

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{mean}}=\frac{1}{7}\underset{i=1}{\overset{7}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\η}}_{\mathrm{mean}-i}---\left(6\right)$

其中，η_mean-i为第i个辐照点±1%内光伏逆变器平均效率；

步骤2-2：计算并网光伏逆变器户外运行综合效率η_inverter-all，完成并网光伏逆变器户外运行综合效率的评价；η_inverter-all表达式为：

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{inverter}-\mathrm{all}}=\frac{1}{6}\underset{i=1}{\overset{6}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_{\mathrm{EUR}\_\mathrm{CEC}\_i}\·{\mathrm{\η}}_{\mathrm{mean}}---\left(7\right)$

其中，α_{EUR_CEC_i}对应的欧洲效率加权系数或加州效率加权系数。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1）相对于实验室测试，该方法可评价光伏逆变器在实际运行环境下效率，使得逆变器效率更接近于真实情况；

2）相对于大多实验室测试中仅测试欧洲效率，本方法综合考虑光伏电站建设地点辐照资源，合理选择欧洲效率系数或加州效率系数；

3）通过数据过滤方法，将测试不准确以及有误差数据进行过滤，保证逆变器效率处理结果的精确性。

附图说明

图1是并网光伏逆变器户外运行综合效率的评价方法流程图；

图2是并网光伏逆变器测试示意图；

图3是辐照仪安装示意图；

图4是直流电压探头安装示意图；

图5是交/直流电流探头安装示意图；

图6是光伏电站接线示意图；

图7是并网光伏逆变器功率变化测试结果示意图；

图8是辐照度占时间比重示意图；

图9不同辐照区间内的累计辐照量示意图；

图10是不同辐照区间内发电量所占比重示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

逆变器室外效率测试设备主要有：辐照仪、功率分析仪以及交直流电压/电流探头。

在测试时，将辐照仪倾角调整至与光伏阵列表面平齐，保证辐照计接受的辐照度为光伏阵列表面辐照，如图3。将功率分析仪直流侧电压探头与光伏逆变器直流侧输入端相连，如图4，功率分析仪直流侧电流探头套在光伏逆变器直流输入线缆上，如图5。功率分析仪交流侧电压探头与逆变器交流侧输出端口的A相、B相相连，功率分析仪交流侧电流探头套在逆变器交流侧三相电流输出线缆上，如图5。

该电站装机容量为3MW光伏电站地理位置为：北纬33.3°，东经118.9°，海拔10m。

光伏电站采用多晶硅光伏组件，固定式安装，组件安装倾角30°，光伏组件相关参数如表1所示：

表1

组件型号	ET-P660245WB
		组件类型	多晶硅
标称功率	245W
		组件效率	15.06%
最大功率点电压	29.40V
		最大功率点电流	8.32A
开路电压	37.41V
		短路电流	8.86A
功率偏差	±3%
		最大系统电压	1000V
NOCT	45.3±2℃
		旁路二极管数	3
电池片尺寸	156mm×156mm
		电池片个数	60
组件尺寸	1640mm×992mm×50mm
		短路电流温度系数	0.065%/℃
开路电压温度系数	-0.346%/℃
		最大功率温度系数	-0.46%/℃

光伏电站采用6台SolarOcean500TL型逆变器，每台逆变器单机容量为500kW，逆变器相关参数如表2所示：

表2

光伏电站接线如图6所示，电站中光伏组件为固定式安装，6台500kW并网光伏逆变器并入10kV母线电网中。

光伏电站数据整理如下：

1）数据时间：2011年12月20日18:15起至2013年1月10日16:45止。

2）数据采样间隔：5分钟。

数据采集内容包括：

①气象数据：辐照度、环境温度；

②逆变器数据：直流侧电压、电流、交流侧电压、电流、交流侧有功功率。

在实际数据处理时，首先滤除效率为0的时间点上并网光伏逆变器直流侧、交流侧数据，该数据出现情况主要是并网光伏逆变器未工作或在工作中出现数据断点，滤除之后对并网光伏逆变器整体实际效率无影响。

选用并网光伏逆变器测试交流侧有功功率与并网光伏逆变器输入直流功率进行比较，得到辐照度-效率、直流侧功率-效率关系曲线如图7所示。

针对本地辐照度进行分析，将辐照度按表1所示分为7个辐照等级，首先计算不同等级辐照度在测试时间内出现时长占总时长百分比，如图8所示。

辐照区间及对应的辐照点如表3所示：

表3

辐照区域	0.1%～7.5%	7.5%～15%	15%～25%	25%～35%	35%～60%	60%～90%	90%～100%
								辐照点	5%	10%	20%	30%	50%	75%	100%

计算各辐照区间下平均辐照强度分布，如表4所示：

表4

辐照范围（W/㎡）	0.1%～7.5%	7.5%～15%	15%～25%	25%～35%
					平均辐照强度（W/㎡）	43.3696	112.1014	220.7930	293.1957
辐照范围（W/㎡）	35%～60%	60%～90%	90%～100%
					平均辐照强度（W/㎡）	462.0372	623.9757	745.2276

将图7与表4综合可得不同等级下该地区的累计能量以及相应直流侧功率比重。与总能量比较，得到不同辐照区间的加权系数，如图9、图10所示。由图9及图10可以看出，当地低辐照度情况较少，因此可采用加州效率甲醛系数对并网光伏逆变器实际运行效率进行计算。

利用式（7）计算得到地区逆变器综合加州效率为94.60%。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种并网光伏逆变器户外运行综合效率的评价方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

步骤1：对光伏电站建设地辐照度进行评估；

步骤2：评价光伏电站建设地辐照度及其对应的并网光伏逆变器运行综合效率。

2.根据权利要求1所述的并网光伏逆变器户外运行综合效率的评价方法，其特征在于：所述步骤1包括以下步骤：

步骤1-1：获取光伏电站建设地常年辐照历史数据，并划分辐照区间；

步骤1-2：计算测试时间段内光伏电站建设地总辐照累计辐照量；

步骤1-3：计算不同辐照区间内的能量占比，并判断所采用的加权系数形式。

3.根据权利要求2所述的并网光伏逆变器户外运行综合效率的评价方法，其特征在于：所述步骤1-1中，以1000W/m²为基准，将现场辐照度划分为0.1%～7.5%、7.5%～15%、15%～25%、25%～35%、35%～60%、60%～90%和90%～100%各辐照区间，记为I_i，i＝1,2,…，7；

0.1%～7.5%、7.5%～15%、15%～25%、25%～35%、35%～60%、60%～90%和90%～100%对应的辐照点分别为5%、10%、20%、30%、50%、75%和100%。

4.根据权利要求2所述的并网光伏逆变器户外运行综合效率的评价方法，其特征在于：所述步骤1-2包括以下步骤：

步骤1-2-1：计算光伏电站建设地平均辐照度I_mean-i，有

$I_{\mathrm{mean}-i}=\frac{1}{7}\underset{i=1}{\overset{7}{\mathrm{\Σ}}}{I}_i---\left(1\right)$

步骤1-2-2：确定现场辐照度累计时间t_i，有

t_i＝n·t_si   （2）

其中，n为辐照区间内记录的辐照度个数，t_si为测试点的采样时间间隔；

步骤1-2-3：计算不同辐照区间内的累计辐照量I_sum-i，有

I_sum-i＝I_mean-i·t_i   （3）

步骤1-2-4：测试时间段内光伏电站建设地总辐照累计辐照量I_sum，有

$I_{\mathrm{sum}}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{\mathrm{sum}-i}---\left(4\right).$

5.根据权利要求2所述的并网光伏逆变器户外运行综合效率的评价方法，其特征在于：所述步骤1-3中，计算不同辐照区间内的能量占比用α_i，其中i＝1,2,…，7，有

${\mathrm{\α}}_i=\frac{I_{\mathrm{sum}-i}}{I_{\mathrm{sum}}}---\left(5\right)$

若α₁＞α₆，则采用欧洲效率加权系数；

若α₁＜α₆，则采用加州效率加权系数。

6.根据权利要求1所述的并网光伏逆变器户外运行综合效率的评价方法，其特征在于：所述步骤2包括以下步骤：

步骤2-1：将实测并网光伏逆变器效率按照不同的辐照度归类到辐照区间内，同时，以辐照点为基准，求出归类后各辐照点±1%内光伏逆变器平均效率η_mean，有

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{mean}}=\frac{1}{7}\underset{i=1}{\overset{7}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\η}}_{\mathrm{mean}-i}---\left(6\right)$

其中，η_mean-i为第i个辐照点±1%内光伏逆变器平均效率；

步骤2-2：计算并网光伏逆变器户外运行综合效率η_inverter-all，完成并网光伏逆变器户外运行综合效率的评价；η_inverter-all表达式为：

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{inverter}-\mathrm{all}}=\frac{1}{6}\underset{i=1}{\overset{6}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_{\mathrm{EUR}\_\mathrm{CEC}\_i}\·{\mathrm{\η}}_{\mathrm{mean}}---\left(7\right)$

其中，α_{EUR_CEC_i}对应的欧洲效率加权系数或加州效率加权系数。

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