一种光伏电站实时发电效率计算方法

摘要

本发明公开了一种光伏电站实时发电效率计算方法，通过对光伏电站实时发电功率的计算；采集光伏电站需要分析效率的断面的功率，实现了光伏电站实时发电效率的计算。本发明为光伏电站提供了科学决策的依据，首先分析了常规光伏电站的可采集数据；再分别根据经典天球坐标系统理论、太阳辐射理论计算出光伏组件的理论发电量；最后经过温度修正后结合光伏电站实际发电功率计算出发电效率。

主权项

一种光伏电站实时发电效率计算方法，其特征是，采用如下步骤：1)光伏电站的可采集数据采用数据监控系统，对光伏电站的包括太阳能电池方阵、并网逆变器、升压站及站用电电气系统的设备运行状况，实时气象数据进行监测；其中，电站各断面设置的数据采集点包含：(1)气象站采集太阳总辐射、散射辐射、直接辐射、温度、湿度数据；其数据作为监测光伏电站能量输入原始数据；(2)汇流箱采集光伏组串直流电流、汇流箱出口直流电流；其数据分别作为监测光伏组串、汇流箱正常工作与否的作用；(3)逆变器直流侧采集逆变器直流侧电压、直流侧电流、直流功率；其数据作为监测直流配电柜正常工作与否、监控逆变器过载、为计算逆变器本体效率提供参考作用；其数据用于逆变器本体的效能监测；部分电站中，汇流箱出口直流电流、逆变器直流侧电流只监测后者；(4)逆变器交流侧采集逆变器交流电压、交流电流、交流功率、频率、日发电量、累计发电量；其结合数据3为计算逆变器本体效率提供参考作用；(5)集电线路开关柜采集交流电压、交流电流、交流功率；其数据作为保护、测量、计量的作用；(6)主变进线开关柜与数据5特点一致；(7)电站关口表采集交流电压、交流电流、交流功率；其数据作为保护、测量、计量的作用，其为电力系统内变电站的必要配置，为变电站的送出净功率；2)太阳方位计算按照球面天文学理论，与太阳观测相关的天球坐标系为以下两种：(1)赤道坐标系其基本圈是天球赤道，由地球的自转轴确定的；在赤道坐标系上，太阳的位置就由两个坐标确定：①太阳赤纬δ：太阳位置的连心线与天赤道面的夹角，即太阳离赤道的角距；②太阳时角ω：子午圈与通过太阳赤道副圈之间的夹角；(2)地平坐标系其基本圈为地平圈，即观测者的真地平；太阳的位置由两个坐标来确定：①太阳高度角α：观测点与太阳的连线和地平面夹角；②太阳方位角γ：观测者到太阳的视线在地平面上的投影与南北方向的夹角；(3)赤道坐标系与地平坐标系的选择本方法在进行太阳位置计算时，采用地平坐标系作为基准坐标系，并借助赤道坐标系来进行空间坐标转换以获得即时的太阳高度角和方位角；故，太阳的位置通过下列球面公式求出：①太阳赤纬δ：$\delta =23.45\sin \left[\frac{\pi }{2}(\frac{{\alpha }_1}{N_1}+\frac{{\alpha }_2}{N_2}+\frac{{\alpha }_3}{N_3}+\frac{{\alpha }_4}{N_4})\right]---\left(1\right)$式中：N₁：92.975即春分日到夏至日的天数，α₁为从春分日开始计算的天数；N₂：93.629即夏至日到秋分日的天数，α₂为从夏至日开始计算的天数；N₃：89.865即秋分日到冬至日的天数，α₃为从春分日开始计算的天数；N₄：89.012即冬至日到春分日的天数，α₄为从春分日开始计算的天数；②太阳高度角α：式中：地理纬度δ：太阳赤纬ω：太阳时角③太阳时角ω：ω＝15(12‑T_h‑T_m/60)   (3)式中：T_h：小时采用真太阳时T_m：分钟采用真太阳时由于国内各地时间均采用北京时间，根据下式将北京时间换算成当地的真太阳时；式中：T_solar：当地真太阳时T_st：北京时间地理经度E：校正时差，由下式计算：E＝229.2(0.000075+0.001868cosB‑0.032077sinB‑0.014615cos2B‑0.04089sin2B)   (5)其中B由下式计算：n：一年中的日期序号；   (6)④太阳方位角γ：3)光伏电站理论实时发电量(1)根据太阳辐射原理，Q_n水平面逐时理论辐照值包含直接辐射、散射辐射；即：Q_P＝S_P+D_P   (8)式中：Q_P：水平面接收的总辐射(MJ)；S_P：水平面接收的直接辐射(MJ)；D_P：水平面接收的散射辐射(MJ)；根据Erbs等人提出的计算小时散射辐射量与总辐射的比值可分解出直接辐射：$\left\{\begin{array}{c}\frac{D_P}{Q_P}=1.0-0.09k_t,k_t\le 0.22\\ \frac{D_P}{Q_P}=0.9511-0.1607k_t+4.388k_t^2+16.638k_t^3+12.336k_t^4,0.22<k_t\le 0.80\\ \frac{D_P}{Q_P}=0.165,k_t>0.80\end{array}\right.---\left(9\right)$式中，k_t为小时清晰度指数，其由下式确定：其中Q_sc：时刻所处的小时内累计总辐射(MJ)；(2)而光伏电站为提高发电量，光伏组件均以一定角度朝向赤道；计算光伏组件倾斜面上的太阳辐射量，采用Klein法计算：Q_t＝S_t+D_t+R_t   (10)式中：Q_t：倾斜面接收的总辐射(MJ)；S_t：倾斜面接收的直接辐射(MJ)D_t：倾斜面接收的散射辐射(MJ)；R_t：倾斜面接收的地面反射(MJ)；其中：S_t＝S_Pcosθ   (11)$D_t=D_P\frac{1+\cos \beta }{2}---\left(12\right)$$R_t={\mathrm{\rho Q}}_P\frac{1-\cos \beta }{2}---\left(13\right)$式中：β：斜面倾角ρ：地表物体表面反射率，取值如下：干燥土地取14％、湿黑土取8％、干灰色地面取25～30％、湿灰色地面取10～12％、干草地取15～25％、湿草地取14～26％、森林取4～10％、干砂地取18％、湿砂地取9％、新雪取81％、残雪取46～70％；式10中倾斜面的太阳入射角cosθ的通式为：cosθ＝sinαcosβ+cosαsinβcos(γ‑γ_s)   (14)式中：θ：太阳入射角β：斜面倾角γ_s：倾斜面方位角(3)倾斜面的太阳入射角cosθ可根据当地纬度、时刻计算获得；而电站在运行时采集水平面的太阳总辐射，需将总辐射分解为直接辐射和散射辐射后，再根据式9～13、结合光伏组件的设备参数获得倾斜光伏组件的理论发电量；4)实时发电量校正考虑到温度对光伏组件发电量的影响，再根据光伏组件的工作温度校正出实际的发电量，G_R＝G_T(1‑(T_R‑25)co_g)   (15)式中：G_R：倾斜面实时计算发电量(kWh)G_T：倾斜面理论计算发电量(未考虑温度因素)(kWh)T_R：光伏组件表面实时温度(℃)co_g：光伏组件温度系数(％/℃)根据以上计算方法，采集电站几个代表时刻的辐射数据、逆变器出口发电量、组件工作温度的参数进行计算，得出光伏电站实时发电效率；5)实时效率计算则电站各断面的效率如下：η_i＝G_R/W_i   (16)式中：η_i：各断面的实时发电效率；W_i：各断面的实时发电功率。