CN113435038A - 一种光伏发电系统损耗在线分析系统及方法 - Google Patents

一种光伏发电系统损耗在线分析系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供的一种光伏发电系统损耗在线分析系统及方法，包括以下步骤：步骤1，在STC条件下，从光伏发电系统的历史数据中获取初级采样数据；步骤2，根据步骤1中得到的初级采样数据计算光伏系统总损耗量；步骤3，根据步骤2中得到的光伏系统总损耗量对光伏发电系统的损耗进行评价，进而对光伏发电系统的运行健康水平进行判断；本发明确保数据的准确性，进而根据光伏发电系统总损耗率评价结果，来判定光伏发电系统运行的健康水平，从而提高光伏电站的管理水平。

Description

一种光伏发电系统损耗在线分析系统及方法
技术领域
本发明属于新能源技术领域，涉及一种光伏发电系统损耗在线分析系统及方法。
背景技术
近年来我国光伏电站的数量越来越多，因光伏组件、汇流箱和逆变器等设备长期在户外运行，受环境影像较大。随着电站运行时间的增长，光伏组件功率衰减也越来越大，遮挡、温升损失、直流线损、逆变器损失等对电站发电量的影响较大，很多电站的实际能效低于75％。
目前技术中并不能对光伏电站中组串、汇流箱和逆变器设备损耗进行实时监测，实现光伏电站发电状态损耗量的在线计算，并实现评价功能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光伏发电系统损耗在线分析方法，解决了现有技术中不能对光伏电站中组串、汇流箱和逆变器设备损耗进行实时监测，不能实现光伏电站发电状态损耗量的在线计算，并不能实现评价功能。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
本发明提供的一种光伏发电系统损耗在线分析方法，包括以下步骤：
步骤1，在STC条件下，从光伏发电系统的历史数据中获取初级采样数据；
步骤2，根据步骤1中得到的初级采样数据计算光伏系统总损耗量；
步骤3，根据步骤2中得到的光伏系统总损耗量对光伏发电系统的损耗进行评价，进而对光伏发电系统的运行健康水平进行判断。
优选地，步骤1中，从光伏发电系统的历史数据中获取初级采样数据，具体方法是：
从光伏发电系统的历史数据中清除异常数据，剩余的历史数据作为初级采样数据；所述异常数据是指在某一周期内，任意一个采样测点的历史数据中的某个参数为近零数据或某个参数的数值范围超出其物理意义约束的数值范围。
优选地，步骤2中，根据步骤1中得到的初级采样数据计算光伏发电系统的总损耗，具体方法是，通过下式计算光伏发电系统的总损耗：
TAL＝DUL+TL+MIL+DCL+INVL
其中，TAL为光伏系统总损耗量；DUL为遮挡损失；TL为温度损失；MIL为组件匹配损失；DCL为直流线路损失；INVL为逆变器转化损失。
优选地，遮挡损失DUL为组串遮挡损失之和，如下式所示：
Figure BDA0003133929190000021
其中，fi(s)为第i个组串表面脏污计算值；ki为第i个组串修正系数，ki的取值为0.85≤ki≤1.1；n为计算组串的数量；T为时间，单位为秒。
优选地，温度损失TL为各个组串温度损失之和，如下式所示：
Figure BDA0003133929190000022
其中，Pmpi′为第i个组串的温度损失功率值；n为计算组串的数量。
优选地，组件匹配损失MIL为组串并联失配和组串串联失配之和，如下式所示：
MIL＝MIL1+MIL2
其中，MIL1为组串并联失配；MIL2为组串串联失配。
优选地，直流线路损失DCL为所有组串直流线损之和，通过下式表示：
Figure BDA0003133929190000023
其中，DCLi为第i个组串的直流线损。
优选地，逆变器转化损失INVL为所有逆变器转化损失之和，通过下式所示：
Figure BDA0003133929190000031
其中，INVLi为第i个逆变器转化损失。
优选地，步骤3中，根据步骤2中得到的光伏系统总损耗量对光伏发电系统的损耗进行评价，具体方法是：当光伏系统总损耗量≤3％时，则光伏发电系统的损耗为优秀；
当3％<光伏系统总损耗量≤5％时,则光伏发电系统的损耗为良；
当5％<光伏系统总损耗量≤8％时,则光伏发电系统的损耗为中；
当8％<光伏系统总损耗量时,则光伏发电系统的损耗为差。
一种光伏发电系统损耗在线分析系统，该系统能够运行所述的一种光伏发电系统损耗在线分析方法，包括采集单元、计算单元和评价单元，具体地：
采集单元用于在STC条件下，从光伏发电系统的历史数据中获取初级采样数据；
计算单元用于根据得到的初级采样数据计算光伏系统总损耗量；
评价单元用于根据中得到的光伏系统总损耗量对光伏发电系统的损耗进行评价，进而对光伏发电系统的运行健康水平进行判断。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供的一种光伏发电系统损耗在线分析方法，首先对数据进行清洗，确定了主要参数物理意义约束的数值范围和稳定性判据，确保数据的准确性。然后将光伏发电系统损耗总量定义为TAL，TAL包括DUL遮挡损失、TL温度损失、MIL组件匹配损失、DCL直流线路损失和INVL逆变器转化损失，随后确定了各种损失在线计算的数学模型。最后确定了光伏发电系统总损耗率和其评价标准。光伏电站可根据光伏发电系统总损耗率评价结果，来判定光伏发电系统运行的健康水平，从而提高光伏电站的管理水平；本发明保证了光伏电站的运行效率和经济收益。
附图说明
图1是本发明的光伏发电系统结构示意图；
图2是本发明的流程图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明进一步详细说明。
本发明提供了一种光伏发电系统损耗在线分析方法，针对的光伏发电系统包括光伏组件、光伏组串、汇流箱和逆变器。
其中，光伏发电系统相关设备的参数信息：
组串STC条件(AM1.5标准光谱，辐照度1000W/m2，电池温度25℃)下：组串峰值功率PW(单位为瓦特)、组串电压Vstc(单位为伏特)、组串电流Istc(单位为安培)、开路电压Voc(单位为伏特)、短路电压Isc(单位为安培)；组件衰减率δ(单位为％)；
光伏发电系统的测量数据包括：组串表面脏污传感器值s(单位为％)、组串电流Imp(单位为安培)；组串电压Vmp(单位为伏特)；汇流箱直流母线电流Ih(单位为安培)；汇流箱直流母线电压Vh(单位为伏特)；逆变器直流侧电流Iin(单位为安培)、电压Uin(单位为伏特)；逆变器输出实时功率Pout(单位为千瓦)。
光伏发电系统的相关环境数据包括组件温度t(单位为℃)、辐照度F(单位为W/m2)和光谱特性AM。
如图1所示，①为光伏方阵；②为光伏组串；③为汇流箱；④为逆变器。一种光伏发电系统损耗在线分析方法，选取某个光伏方阵F，该方阵有n个组串，m个汇流箱和k个逆变器。
如图2所示，本发明提供的一种光伏发电系统损耗在线分析方法，包括以下步骤：
步骤1，从光伏发电系统的历史数据获取采样数据；具体地：
对光伏发电系统中的历史数据进行初步筛选，得到初级采样数据：
从光伏发电系统的历史数据中清除异常数据，剩余的历史数据作为初级采样数据；所述异常数据是指在某一周期内，任意一个采样测点的历史数据中的某个参数为近零数据，近零数据定义为该数据小于等于0.5；或某个参数的数值范围超出其物理意义约束的数值范围；
主要参数物理意义约束的数值范围：
Imp在0至20之间；Vmp在0至1600之间；Ih在0至100之间；Vh在0至1600之间；Iin在0至500之间；Uin在0至1600之间；Pout在0至4000之间；组件温度t在-50至+80之间；辐照度F在0至1000之间。
根据稳定性判据，从初级采样数据中选取光伏电站一个月内每日上午7：00至晚上19：00间的数据，数据记录时间单位为每秒。
稳定性判据为：
Imp在2分钟前后的变化量不超过2％，10分钟前后的变化量不超过5％；
Vmp在3分钟前后的变化量不超过2.5％，10分钟前后的变化量不超过5％。
步骤2，根据步骤1中得到的采样数据，并结合下式计算光伏发电系统的总损耗：
TAL＝DUL+TL+MIL+DCL+INVL
其中，TAL为光伏系统总损耗量；DUL为遮挡损失；TL为温度损失；MIL为组件匹配损失；DCL为直流线路损失；INVL为逆变器转化损失。
遮挡损失DUL为组串遮挡损失之和，如下式所示：
Figure BDA0003133929190000051
其中，fi(s)为第i个组串表面脏污计算值；ki为第i个组串修正系数，根据经验获得，范围为不小于0.85，不大于1.1；n为计算组串的数量；T为时间，单位为秒；
组串表面脏污计算值和组串表面脏污传感器值的关系如下：
fi(s)＝PWi×α×β×γ×δ×(bs2+cs+d)
Figure BDA0003133929190000061
其中，PWi为第i个组串在STC条件下的峰值功率；α为辐照度修正系数；β为温度修正系数；γ为光谱特性修正系数；δ为组件衰减率；b、c、d为某一常数，通过现场实验得出。
温度损失TL为各个组串温度损失之和，如下式所示：
Figure BDA0003133929190000062
其中，Pmpi′为第i个组串的温度损失功率值。
若组件温度t≥25，则：
Figure BDA0003133929190000063
若组件温度t＜25，则：
Figure BDA0003133929190000064
其中，f(t)1和f(t)2为考虑辐照度不同条件下的温度损失修正函数。
f(t)1＝a1t2+b1t+c1
f(t)2＝b2t+c2
其中，a1，b1，c1，b2，c2为0到1之间的修正系数，通过实验获得。
Pmpi＝Vmpi×Impi
其中，Vmpi为第i个组串的电压值；Impi为第i个组串的电流值。
组件匹配损失MIL为组串并联失配和组串串联失配之和，如下式所示：
MIL＝MIL1+MIL2
其中，MIL1为组串并联失配；MIL2为组串串联失配。
Figure BDA0003133929190000065
其中，εi为第i个组串的功率修正系数；Hmpi为第i个汇流箱的输出功率。
Hmpi＝Vh×Ih
其中，Vh和Ih为汇流箱直流母线电流、直流母线电压。
定义：
Figure BDA0003133929190000071
为该组串对应方阵n个组串电流算数平均值；
Figure BDA0003133929190000072
为该组串对应方阵n个组串电压算数平均值；当某一组串电流
Figure BDA0003133929190000073
时，定义为该组串发生串联失配：
Figure BDA0003133929190000074
其中，δi为第i个组件衰减率的修正系数；Pi为某一组串串联失配损失功率。
Figure BDA0003133929190000075
直流线路损失DCL为所有组串直流线损之和，通过下式表示：
Figure BDA0003133929190000076
Figure BDA0003133929190000077
ΔVstc＝Istc×RDC
Figure BDA0003133929190000078
式中，DCLi为第i个组串的直流线损；stc表示标准测试条件，即辐照度1000W/m2，组件温度为25℃；Istc表示光伏组串STC条件下工作电流；Vstc表示光伏组串STC条件下工作电压；Vh和Ih为汇流箱直流母线电流、直流母线电压；Uini是第i个逆变器的直流侧电压；ΔVstc为直流电缆的电压降；RDC为直流电缆的电阻值(单位为欧姆)。
逆变器转化损失INVL为所有逆变器转化损失之和，通过下式所示：
Figure BDA0003133929190000079
INVLi＝Pini-Pouti
其中，INVLi为第i个逆变器转化损失；Pini为第i个逆变器输入功率，Pouti为第i个逆变器输出实时功率；INVLi为第i个逆变器损耗功率。
Pini＝Uini×Iini
其中，Uini为第i个逆变器直流侧电压；Iini为第i个逆变器直流侧电流。
步骤3，光伏发电系统损耗在线评价。
在上述步骤2计算得到的光伏发电系统的总损耗的基础上，本发明提供一种光伏发电系统损耗在线评价方法，方法如下：
根据得到的光伏发电系统的总损耗计算光伏发电系统的总损耗率，如下式所示：
Figure BDA0003133929190000081
Figure BDA0003133929190000082
Pst＝PW×K1×K2×K3×K4
其中，Em为光伏发电系统总损耗率；TINV为应发实时功率之和。Pst为修正后的发电功率。K1为温度修正系数。K2为辐照度修正系数。K3为衰减率修正系数。K4为综合修正系数，根据现场经验确定。b为组件总数量。
对计算得到的总损耗率进行评价，具体地：
Em≤3％,定义为总损耗优秀；
3％<Em≤5％,定义为总损耗良；
5％<Em≤8％,定义为总损耗中；
8％<Em,定义为总损耗差。
实施例：
我国某光伏电站光伏方阵安装容量2MWp，逆变器容量0.2MWp。光伏电站于2015年6月21日并网。测试时间为2020年6月30日。
组件STC条件(AM1.5标准光谱，辐照度1000W/m2，电池温度25℃)下，组串峰值功率PW为450Wp、开路电压Voc为49.3V、短路电压Isc为11.6A；厂家说明书中组件衰减率δ首年不高于2％，次年每年衰减率δ低于0.45％。
30个组件为一个组串，15个组串接入一个汇流箱和一个逆变器。该光伏方阵共有10个逆变器，10个汇流箱，150个组串，4500个组件，发电峰值功率为2MWp。
由于篇幅原因，本实验介绍一个组串，一个汇流箱和一个逆变器的损耗计算及评价方法。
原始数据表为：
Figure BDA0003133929190000091
步骤1，从光伏发电系统的历史数据获取采样数据；剔除零数据和不稳定数据后，数据表如下：
Figure BDA0003133929190000092
Figure BDA0003133929190000101
步骤2，根据步骤1中得到的采样数据，并结合下式计算光伏发电系统的总损耗：
TAL＝DUL+TL+MIL+DCL+INVL
其中，TAL为光伏系统总损耗量；DUL为遮挡损失；TL为温度损失；MIL为组件匹配损失；DCL为直流线路损失；INVL为逆变器转化损失。
经计算，10：00时，DUL＝18.7；TL＝16.89；MIL＝8.76；DCL＝9.1；INVL＝10.08；TAL＝63.53；TINV＝1295KW；Em＝4.91％；
经计算，13：00时，DUL＝220；TL225.2；MIL＝120；DCL＝130；INVL＝140；TAL＝835.2KW；TINV＝1856KW；Em＝4.5％；
经计算，17：00时，DUL＝13.2；TL＝16.21；MIL＝7.2；DCL＝7.8；INVL＝8.4；TINV＝1110KW；Em＝4.76％；
步骤3，光伏发电系统损耗在线评价。
三个时间段，3％<Em≤5％,定义为总损耗良。

Claims (10)

1.一种光伏发电系统损耗在线分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，在STC条件下，从光伏发电系统的历史数据中获取初级采样数据；
步骤2，根据步骤1中得到的初级采样数据计算光伏系统总损耗量；
步骤3，根据步骤2中得到的光伏系统总损耗量对光伏发电系统的损耗进行评价，进而对光伏发电系统的运行健康水平进行判断。
2.根据权利要求1所述的一种光伏发电系统损耗在线分析方法，其特征在于，步骤1中，从光伏发电系统的历史数据中获取初级采样数据，具体方法是：
从光伏发电系统的历史数据中清除异常数据，剩余的历史数据作为初级采样数据；所述异常数据是指在某一周期内，任意一个采样测点的历史数据中的某个参数为近零数据或某个参数的数值范围超出其物理意义约束的数值范围。
3.根据权利要求1所述的一种光伏发电系统损耗在线分析方法，其特征在于，步骤2中，根据步骤1中得到的初级采样数据计算光伏发电系统的总损耗，具体方法是，通过下式计算光伏发电系统的总损耗：
TAL＝DUL+TL+MIL+DCL+INVL
其中，TAL为光伏系统总损耗量；DUL为遮挡损失；TL为温度损失；MIL为组件匹配损失；DCL为直流线路损失；INVL为逆变器转化损失。
4.根据权利要求3所述的一种光伏发电系统损耗在线分析方法，其特征在于，遮挡损失DUL为组串遮挡损失之和，如下式所示：
Figure FDA0003133929180000011
其中，fi(s)为第i个组串表面脏污计算值；ki为第i个组串修正系数，ki的取值为0.85≤ki≤1.1；n为计算组串的数量；T为时间，单位为秒。
5.根据权利要求3所述的一种光伏发电系统损耗在线分析方法，其特征在于，温度损失TL为各个组串温度损失之和，如下式所示：
Figure FDA0003133929180000021
其中，Pmpi′为第i个组串的温度损失功率值；n为计算组串的数量。
6.根据权利要求3所述的一种光伏发电系统损耗在线分析方法，其特征在于，组件匹配损失MIL为组串并联失配和组串串联失配之和，如下式所示：
MIL＝MIL1+MIL2
其中，MIL1为组串并联失配；MIL2为组串串联失配。
7.根据权利要求3所述的一种光伏发电系统损耗在线分析方法，其特征在于，直流线路损失DCL为所有组串直流线损之和，通过下式表示：
Figure FDA0003133929180000022
其中，DCLi为第i个组串的直流线损。
8.根据权利要求3所述的一种光伏发电系统损耗在线分析方法，其特征在于，逆变器转化损失INVL为所有逆变器转化损失之和，通过下式所示：
Figure FDA0003133929180000023
其中，INVLi为第i个逆变器转化损失。
9.根据权利要求1所述的一种光伏发电系统损耗在线分析方法，其特征在于，
步骤3中，根据步骤2中得到的光伏系统总损耗量对光伏发电系统的损耗进行评价，具体方法是：当光伏系统总损耗量≤3％时，则光伏发电系统的损耗为优秀；
当3％<光伏系统总损耗量≤5％时,则光伏发电系统的损耗为良；
当5％<光伏系统总损耗量≤8％时,则光伏发电系统的损耗为中；
当8％<光伏系统总损耗量时,则光伏发电系统的损耗为差。
10.一种光伏发电系统损耗在线分析系统，其特征在于，该系统能够运行权利要求1-9中任一项所述的一种光伏发电系统损耗在线分析方法，包括采集单元、计算单元和评价单元，具体地：
采集单元用于在STC条件下，从光伏发电系统的历史数据中获取初级采样数据；
计算单元用于根据得到的初级采样数据计算光伏系统总损耗量；
评价单元用于根据中得到的光伏系统总损耗量对光伏发电系统的损耗进行评价，进而对光伏发电系统的运行健康水平进行判断。
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