CN105514975B - 一种光伏发电***的能效预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种光伏发电***的能效预测方法，该能效预测方法包括：将光伏发电***分为光伏阵列组件、直流线缆组件、光伏汇流箱组件及逆变器组件，分别计算光伏阵列组件的输出功率、直流线缆组件的功率损耗、光伏汇流箱组件的功率损耗及逆变器组件的功率损耗；根据光伏阵列组件的输出功率、直流线缆组件的功率损耗、光伏汇流箱组件的功率损耗及逆变器组件的功率损耗计算光伏发电***的能效。通过本发明，可以为未建光伏电站的建站选址提供能效预测结果并作为理论参考；针对正常运行中的光伏电站，通过监测数据与理论计算的对比，可实现光伏电站运行状态的评估与故障诊断，为最大限度地利用光伏阵列所产生的能量提供依据。
Description
技术领域
本发明是关于光伏电站的能效分析技术，特别是关于一种光伏发电***的能效预测方法。
背景技术
太阳能光伏发电是新能源的重要组成部分，被认为是当前世界上最有发展前景的新能源技术，各发达国家均投入巨额资金竞相研究开发，并积极推进产业化进程，大力开拓市场应用。在我国，太阳能光伏发电虽然只有小规模应用，但具有开发前景。相比传统发电方式，太阳能光伏发电具有数量大、清洁、获取方便、时间长久的优点，是取之不尽，用之不竭的理想能源。长远来看，太阳能将是未来人类主要的能源来源，据预计，2020年时光伏发电在世界电力生产中所占比例将达1％左右，到2050年时将占到25％。光伏发电正在快速进入电力能源结构，并且将逐步成为其重要的组成部分。近年来光伏发电虽然从技术和市场上都得到了飞速发展，太阳能的利用虽然无地域限制，随处可得，但目前光伏发电***发电效率偏低、发电成本偏高是光伏发电大规模推广应用的瓶颈。
发明内容
本发明实施例提供了一种光伏发电***的能效预测方法，以为未建光伏电站的建站选址提供能效预测结果并作为理论参考，针对正常运行中的光伏电站，通过监测数据与理论计算的对比，实现光伏电站运行状态的评估与故障诊断。
为了实现上述目的，本发明实施例提供了一种光伏发电***的能效预测方法，该能效预测方法包括：
将光伏发电***分为光伏阵列组件、直流线缆组件、光伏汇流箱组件及逆变器组件，分别计算光伏阵列组件的输出功率、直流线缆组件的功率损耗、光伏汇流箱组件的功率损耗及逆变器组件的功率损耗；
根据光伏阵列组件的输出功率、直流线缆组件的功率损耗、光伏汇流箱组件的功率损耗及逆变器组件的功率损耗计算光伏发电***的能效。
一实施例中，计算光伏阵列组件的输出功率，包括：
根据光伏阵列组件工程模型计算光伏阵列组件的最大输出功率；
根据MPPT效率及所述最大输出功率计算光伏阵列组件的输出功率。
一实施例中，计算直流线缆组件的功率损耗，包括：
根据所述光伏阵列组件的输出功率计算所述直流线缆组件的直流输出电流；
根据所述直流输出电流计算直流线缆的压降与最大功率点电压的比值；
根据光伏汇流箱的光伏组串的电流、光伏组串到汇流箱的电缆等效电阻及所述压降与最大功率点电压的比值计算直流线缆组件的功率损耗。
一实施例中，计算光伏汇流箱组件的功率损耗，包括：
根据防反二极管的数量、导通电流及通态压降计算所述光伏汇流箱组件中的防反二极管的功率损耗。
一实施例中，该能效预测方法还包括；
根据所述光伏阵列组件的输出功率及所述直流线缆组件的功率损耗计算直流线缆组件输出功率。
一实施例中，该能效预测方法还包括：根据所述防反二极管的功率损耗及所述直流线缆组件输出功率计算光伏汇流箱组件的输出功率。
一实施例中，计算逆变器组件的功率损耗，包括：
根据逆变器的效率及所述光伏汇流箱组件的输出功率计算所述逆变器组件的功率损耗Pinverterloss：
Pinverterloss＝P·(1-ηinv)；
其中，ηinv为逆变器的效率，ηinv＝f(Pin)，Pin为逆变器输入功率，P为光伏汇流箱组件的输出功率。
一实施例中，所述光伏阵列组件工程模型为：
其中，T为修正温度，Im为最大功率点电流，Um为最大功率点电压，Tair是空气温度，k为温度系数，S为光照辐射强度，Imref为最大功率参考电流，Umref为最大功率参考电压，Sref为参考光照幅度，Tref为参考温度，e为自然对数底数，a、b、c均为常数。
一实施例中，所述光伏阵列组件的输出功率Pout为：
其中，ηMPPT为MPPT效率。
一实施例中，所述防反二极管的功率损耗PD为：
其中，Nb为防反二极管的数量、If为导通电流，Vf为通态压降，Pout为光伏阵列组件的输出功率，Um为最大功率点电压，Uoc为开路电压，为光伏阵列组件的瞬时最大输出功率，为光伏汇流箱的最大功率损耗。
一实施例中，所述光伏汇流箱组件的输出功率P为：
其中，为直流线缆的最大功率损耗；为光伏汇流箱的最大功率损耗；P1为直流线缆组件的功率损耗。
一实施例中，根据光伏阵列组件的输出功率、直流线缆组件的功率损耗、光伏汇流箱组件的功率损耗及逆变器组件的功率损耗计算光伏发电***的能效，包括：
根据光伏阵列组件的输出功率、直流线缆组件的功率损耗、光伏汇流箱组件的功率损耗及逆变器组件的功率损耗计算光伏发电***的总输出功率：
根据所述总输出功率及光伏阵列组件的输出功率Pout计算光伏发电***的能效。
通过本发明，可以为未建光伏电站的建站选址提供能效预测结果并作为理论参考；针对正常运行中的光伏电站，通过监测数据与理论计算的对比，可实现光伏电站运行状态的评估与故障诊断，为最大限度地利用光伏阵列所产生的能量提供依据。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的能效预测方法流程图；
图2为本发明实施例的光伏发电***结构图；
图3为本发明实施例的光伏阵列组件的输出功率的计算方法流程图；
图4为本发明实施例的直流线缆组件的功率损耗计算方法流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供一种光伏发电***的能效预测方法，如图1所示，该能效预测方法包括：
S101：将光伏发电***分为光伏阵列组件、直流线缆组件、光伏汇流箱组件及逆变器组件，分别计算光伏阵列组件的输出功率、直流线缆组件的功率损耗、光伏汇流箱组件的功率损耗及逆变器组件的功率损耗；
S102：根据光伏阵列组件的输出功率、直流线缆组件的功率损耗、光伏汇流箱组件的功率损耗及逆变器组件的功率损耗计算光伏发电***的能效。
光伏发电***如图2所示，光伏发电***包括：光伏电池阵列、直流线缆、光伏汇流箱及光伏逆变器，各部分的电气端口特性、能效特性均受前级组件的影响，因此在分析光伏发电***的能效特性时，需要考虑前级相邻组件的影响。基于光伏发电***的上述结构，本发明将光伏发电***分为光伏阵列组件、直流线缆组件、光伏汇流箱组件及逆变器组件，然后分别计算光伏阵列组件的输出功率、直流线缆组件的功率损耗、光伏汇流箱组件的功率损耗及逆变器组件的功率损耗，下面分别说明如何计算光伏阵列组件的输出功率、直流线缆组件的功率损耗、光伏汇流箱组件的功率损耗及逆变器组件的功率损耗。
由于各部分组件的端口特性及能效特性均受前级组件的影响，因此本发明需要依次分别计算光伏阵列组件的输出功率、直流线缆组件的功率损耗、光伏汇流箱组件的功率损耗及逆变器组件的功率损耗。
首先计算光伏阵列组件的输出功率，如图3所示，光伏阵列组件的输出功率的计算方法包括：
S301：根据光伏阵列组件工程模型计算光伏阵列组件的最大输出功率；
光伏阵列组件工程模型为：
光伏阵列组件工程模型中，T为修正温度，Im为最大功率点电流，Um为最大功率点电压，Tair是空气温度，k为温度系数，S为光照辐射强度，Imref为最大功率参考电流，Umref为最大功率参考电压，Sref为参考光照幅度，Tref为参考温度，e为自然对数底数，a、b、c均为常数。温度系数k的典型值为0.03℃·m2/W，e的近似取值为2.71828。a、b、c的取值可以为：a＝0.0025/℃，b＝0.5m2/W，c＝0.00288/℃。
根据公式(1)，可以得到光伏阵列组件的最大输出功率如下：
S302：根据MPPT效率及所述最大输出功率计算光伏阵列组件的输出功率。
假设MPPT效率为定值ηMPPT，则光伏组件输出功率Pout为：
其中，ηMPPT为MPPT效率。
基于光伏阵列组件的输出功率，可以计算直流线缆组件的功率损耗。如图4所示，计算直流线缆组件的功率损耗，包括如下步骤：
S401：根据光伏阵列组件的输出功率计算所述直流线缆组件的直流输出电流I。
由于光伏阵列组件输出功率变化时，直流线缆的输出特性随之改变，其对应的损耗及压降也相应变化。通常情况下，认为光伏阵列的最大功率点电压Um变换不大(近似为开路电压的0.8倍)；该思路也即光伏发电***最大功率跟踪控制方式中的CVT(constantvoltage tracking)方式的基本思想。因此，直流输出电流近似与功率成正比，即：
公式(4)中，Uoc为开路电压。
S402：根据所述直流输出电流计算直流线缆的压降与最大功率点电压的比值
直流电缆的压降的计算公式如下：
ΔU＝IR＝IρL/S (1)
式中：ΔU为线缆电压降，单位为V；I为直流输出电流，单位为A。
公式(6)中，R为直流线缆的等效电阻，ρ为直流线缆的电阻率，L为直流线缆的长度，s为直流线缆的横截面积。
一般认为直流线缆的压降ΔU/Um不超过2％。则
ΔUmax为最大线缆电压降，I为最大直流输出电流。
令
K为系数，(0<k≤1)。
则一般情况下的压降比值为：
公式(9)中，为光伏阵列组件的瞬时最大输出功率
可见，此时压降比值与光伏组件的输出功率近似成正比。
S403：根据光伏汇流箱的光伏组串的电流、光伏组串到汇流箱的电缆等效电阻及所述压降与最大功率点电压的比值计算直流线缆组件的功率损耗。
光伏阵列到汇流箱的电缆损耗(直流线缆组件的功率损耗)P1为：
公式(10)中，Iik代表第i台汇流箱中第k个光伏组串的输出电流，即光伏组串在实际情况下的输出最大功率点电流；Rik、ρik、Lik、Sik分别代表该光伏组串到汇流箱的电缆(直流线缆)等效电阻、电缆电阻率、电缆长度以及电缆的横截面面积；mi为第i台汇流箱的光伏组串数，n代表汇流箱台数。
根据公式(10)及(6)可得：
公式(11)中，为直流线缆的最大功率损耗。直流线缆损耗与输入功率近似成平方关系。
直流线缆输出功率为
可见，直流线缆输出功率为输入功率的二次函数。
由于光伏汇流箱内部电缆长度相比外部电缆长度要短得多，因此光伏汇流箱内部电缆损耗相对于外部电缆损耗非常小，可忽略不计。其中的避雷器在正常电压下对地相当于断路，没有电流通过，由于在对稳态发电效率进行研究时不考虑雷电或其他原因导致的过电压情况，即认为避雷器不工作，因此不计入避雷器损耗。其中的熔断器和断路器在正常情况下内阻都很小，一般在微欧级，因此熔断器、断路器的通态损耗对于整个***来说也可忽略不计。故，汇流箱的损耗主要为防反二极管的损耗。
光伏汇流箱组件的功率损耗如下：
PD＝NbIfVf (8)
二极管的导通压降近似不变，则光伏汇流箱组件的功率损耗与输入电流成正比。
由于输入电压基本不变，因此该损耗近似与输入功率成正比：
其中，Nb为防反二极管的个数，为光伏汇流箱的最大功率损耗。
光伏汇流箱的直流输出功率为：
逆变器的功率-效率关系较为复杂，无法用简单的解析表达式描述。其效率与输入功率的关系由厂商测试得到，并由产品手册给出。假设插值后的效率-输入功率关系为：
ηinv＝f(Pin) (11)
其中，ηinv为逆变器的效率，大小为0～100％；Pin为逆变器输入功率，其范围为0～额定最大功率。
则由如下公式(17)-(19)，可得不同光伏组件输出功率条件下的效率、功率损耗及输出功率：
ηinv＝ηinv(Pout) (12)
Pinverterloss＝P·(1-ηinv) (13)
Pinverterout＝P·ηinv＝P·ηinv(Pout) (14)
其中，P为汇流箱的输出功率，由式(15)给出。
设公式(3)中表示的功率与气象环境关系为Pout＝Pout(S,T)，则式公式(17)及式(19)可表示为：
ηinv＝ηinv(S,T) (15)
Pinverterout＝P·ηinv＝P·ηinv(S,T) (16)
根据公式(11)、(17)及(18)，可以得到光伏发电***的总输出功率P总为：
输出效率(即光伏发电***的能效)为：
通过本发明，可以为未建光伏电站的建站选址提供能效预测结果并作为理论参考；针对正常运行中的光伏电站，通过监测数据与理论计算的对比，可实现光伏电站运行状态的评估与故障诊断，为最大限度地利用光伏阵列所产生的能量提供依据。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、***、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(***)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (11)
1.一种光伏发电***的能效预测方法，其特征在于，包括：
将光伏发电***分为光伏阵列组件、直流线缆组件、光伏汇流箱组件及逆变器组件，分别计算光伏阵列组件的输出功率、直流线缆组件的功率损耗、光伏汇流箱组件的功率损耗及逆变器组件的功率损耗；
根据光伏阵列组件的输出功率、直流线缆组件的功率损耗、光伏汇流箱组件的功率损耗及逆变器组件的功率损耗计算光伏发电***的能效；
根据光伏阵列组件的输出功率、直流线缆组件的功率损耗、光伏汇流箱组件的功率损耗及逆变器组件的功率损耗计算光伏发电***的能效，包括：
根据光伏阵列组件的输出功率、直流线缆组件的功率损耗、光伏汇流箱组件的功率损耗及逆变器组件的功率损耗计算光伏发电***的总输出功率：
其中，Pout为光伏阵列组件的输出功率，P1为直流线缆组件的功率损耗，PD为防反二极管的功率损耗，Pinverterloss为逆变器组件的功率损耗，为光伏阵列组件的瞬时最大输出功率，为直流线缆的最大功率损耗，为光伏汇流箱的最大功率损耗，P为光伏汇流箱组件的输出功率，ηinv为逆变器的效率；
根据所述总输出功率及光伏阵列组件的输出功率Pout计算光伏发电***的能效。
2.根据权利要求1所述的光伏发电***的能效预测方法，其特征在于，计算光伏阵列组件的输出功率，包括：
根据光伏阵列组件工程模型计算光伏阵列组件的最大输出功率；
根据MPPT效率及所述最大输出功率计算光伏阵列组件的输出功率。
3.根据权利要求2所述的光伏发电***的能效预测方法，其特征在于，计算直流线缆组件的功率损耗，包括：
根据所述光伏阵列组件的输出功率计算所述直流线缆组件的直流输出电流；
根据所述直流输出电流计算直流线缆的压降与最大功率点电压的比值；
根据光伏汇流箱的光伏组串的电流、光伏组串到汇流箱的电缆等效电阻及所述压降与最大功率点电压的比值计算直流线缆组件的功率损耗。
4.根据权利要求3所述的光伏发电***的能效预测方法，其特征在于，计算光伏汇流箱组件的功率损耗，包括：
根据防反二极管的数量、导通电流及通态压降计算所述光伏汇流箱组件中的防反二极管的功率损耗。
5.根据权利要求4所述的光伏发电***的能效预测方法，其特征在于，还包括；
根据所述光伏阵列组件的输出功率及所述直流线缆组件的功率损耗计算直流线缆组件输出功率。
6.根据权利要求5所述的光伏发电***的能效预测方法，其特征在于，还包括：根据所述防反二极管的功率损耗及所述直流线缆组件输出功率计算光伏汇流箱组件的输出功率。
7.根据权利要求6所述的光伏发电***的能效预测方法，其特征在于，计算逆变器组件的功率损耗，包括：
根据逆变器的效率及所述光伏汇流箱组件的输出功率计算所述逆变器组件的功率损耗Pinverterloss：
Pinverterloss＝P·(1-ηinv)；
其中，ηinv为逆变器的效率，ηinv＝f(Pin)，Pin为逆变器输入功率，P为光伏汇流箱组件的输出功率。
8.根据权利要求7所述的光伏发电***的能效预测方法，其特征在于，所述光伏阵列组件工程模型为：
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其中，T为修正温度，Im为最大功率点电流，Um为最大功率点电压，Tair是空气温度，k为温度系数，S为光照辐射强度，Imref为最大功率参考电流，Umref为最大功率参考电压，Sref为参考光照幅度，Tref为参考温度，e为自然对数底数，a、b、c均为常数。
9.根据权利要求8所述的光伏发电***的能效预测方法，其特征在于，所述光伏阵列组件的输出功率Pout为：
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其中，ηMPPT为MPPT效率。
10.根据权利要求9所述的光伏发电***的能效预测方法，其特征在于，所述防反二极管的功率损耗PD为：
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其中，Nb为防反二极管的数量、If为导通电流，Vf为通态压降，Pout为光伏阵列组件的输出功率，Um为最大功率点电压，Uoc为开路电压，为光伏阵列组件的瞬时最大输出功率，为光伏汇流箱的最大功率损耗。
11.根据权利要求10所述的光伏发电***的能效预测方法，其特征在于，所述光伏汇流箱组件的输出功率P为：
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其中，为直流线缆的最大功率损耗；为光伏汇流箱的最大功率损耗；P1为直流线缆组件的功率损耗。
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| 直流配电网电压等级序列研究;王丹 等;《电力***自动化》;20150510;第39卷(第9期);第19-25页 * |
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