干熱氣候下的光伏電站失配損失研究

王炳楠，譚占鰲

(新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室(華北電力大學(xué))，北京 102206)

隨著地面光伏電站的容量逐年遞增以及光伏行業(yè)產(chǎn)品技術(shù)的不斷升級，行業(yè)的關(guān)注點已從單瓦成本(元/W)轉(zhuǎn)向至全壽命度電成本[1]，其主要取決于電站全壽命周期(25年)內(nèi)的發(fā)電量總和。然而，光伏電站的年發(fā)電量受到系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的衰減影響，成逐年下降的趨勢[2]。在系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的衰減中，光伏組件的衰減與失效為最主要的因素[3]。組件的衰減與失效受到氣候條件、環(huán)境應(yīng)力、運行周期、組件類型等因素的影響，不同組件的衰減特性也不同，這造成電站在經(jīng)過長期運行后出現(xiàn)顯著的失配損失，成為影響發(fā)電量的最主要原因之一[4-5]。

國內(nèi)外學(xué)者對組件的失配損失展開了較多研究，主要集中在對小型光伏系統(tǒng)進(jìn)行的實測與模擬分析上[6-7]，但這種方法不能真實反映長期運行的地面光伏電站的實際情況。文獻(xiàn)[8-9]模擬并研究了光伏組件25年衰減及失配情況，但未考慮氣候條件的實際影響。文獻(xiàn)[10]使用太陽模擬器在標(biāo)準(zhǔn)測試條件(standard test condition，STC)下對組件進(jìn)行測試及失配分析，但組件在拆裝和長距離運輸過程中都可能會造成新的衰減。文獻(xiàn)[11-12]在電站現(xiàn)場按照國際電工委員會(International Electrotechnical Commission，IEC)標(biāo)準(zhǔn)，使用便攜式儀器測試組件功率并折算至STC，但現(xiàn)場的測試條件不穩(wěn)定，且測量儀器存在測量誤差，對測試結(jié)果的準(zhǔn)確性產(chǎn)生了影響[13]。

本文使用高精度的戶外移動檢測平臺，在2019年6月期間對典型干熱氣候地區(qū)11個2009—2013年間并網(wǎng)運行的光伏電站共110塊光伏組件進(jìn)行了現(xiàn)場測試，對組件的衰減情況及失配損失情況進(jìn)行了分析，探究了光伏電站在干熱條件下長期運行后的失配情況。

1 方法

1.1 電站樣品情況

我國干熱地區(qū)主要集中在西北地區(qū)，該類氣候為典型的溫帶大陸性氣候，具有高輻照、高溫差、高紫外等氣象特點，主要分布在太陽能輻照資源Ⅰ類地區(qū)。據(jù)國家能源局公布的數(shù)據(jù)，截止2018年底，該類地區(qū)(主要包括寧夏、青海、甘肅、新疆、內(nèi)蒙古的部分地區(qū))累計裝機(jī)27.53 GW，光伏發(fā)電全年利用小時達(dá)到1 460～1 617 h[14-15]，存量電站規(guī)模較大，具備較強(qiáng)的代表性。

本次測試從寧夏中部地區(qū)選擇了11個光伏電站，由NASA數(shù)據(jù)庫得到的2009—2018年該區(qū)域氣象數(shù)據(jù)如表1所示。每個光伏電站選取2個規(guī)格型號的光伏組件各5件，總共選取22個批次110塊光伏組件，所選各型號的組件均為同期安裝使用的同一生產(chǎn)廠家、同一生產(chǎn)批號的產(chǎn)品。所選組件型號清單如表2所示。

表1 區(qū)域2009—2018 年氣象統(tǒng)計數(shù)據(jù)

表2 所選組件信息表

1.2 測試設(shè)備

為解決光伏組件在現(xiàn)場測試中所存在的問題，客觀掌握組件的實際情況，本次測試使用了戶外檢測移動平臺MaxSun-PV3，平臺包括一臺3 A級太陽模擬器，測試平臺內(nèi)裝有控溫系統(tǒng)，可在電站現(xiàn)場將拆卸的組件置于STC下進(jìn)行檢測，該模擬器已通過計量。電致發(fā)光(electroluminescent，EL)設(shè)備型號為NTEL2400，紅外(infrared，IR)掃描設(shè)備型號為Ti400。

1.3 測試項目

測試項目及參考標(biāo)準(zhǔn)如表3所示。

表3 光伏組件測試項目及參考標(biāo)準(zhǔn)

2 結(jié)果與分析

2.1 組件外觀檢查

結(jié)果顯示，所測110件光伏組件中共有57件存在不同程度的外觀缺陷，外觀缺陷發(fā)現(xiàn)率為51.82%。結(jié)果如圖1所示。

圖1 組件外觀檢查結(jié)果

2.2 EL檢查與IR掃描

結(jié)果顯示，所測110件光伏組件中共70件樣品存在不同程度的缺陷，該項目缺陷率為63.64%，IR掃描未發(fā)現(xiàn)異常情況，結(jié)果如圖2所示。

圖2 組件EL測試結(jié)果

2.3 功率測試結(jié)果

由于部分樣品缺乏組件初始的實際功率，本次實測衰減率是根據(jù)現(xiàn)場實測功率與組件標(biāo)稱功率計算得出，衰減率DR與年化衰減率DA公式如(1)(2)：

式中：Pref為組件標(biāo)稱功率值；Ptest為組件實測最大功率值；N為組件運行的年數(shù)。

經(jīng)現(xiàn)場測試，各個型號的5塊組件功率測試結(jié)果取平均值后的分布情況如表4所示。

表4 光伏組件衰減情況

2.4 測試結(jié)果分析

本次統(tǒng)計結(jié)果顯示光伏組件在經(jīng)過長期運行后，外觀產(chǎn)生了一定的缺陷，其中蝸牛紋、玻璃劃傷與背板缺陷為最主要的外觀缺陷。如圖3(a)所示，經(jīng)研究證明，蝸牛紋主要是由于組件的隱裂造成[16-17]，有蝸牛紋的組件在EL測試結(jié)果中均顯示有隱裂發(fā)生。由于組件只有在生產(chǎn)期間的EL測試結(jié)果顯示無隱裂后才會出廠，由此可以推測，組件在運輸或安裝過程中可能造成了電池片的隱裂，但蝸牛紋對組件正面的透光率并無較大影響，因此短期內(nèi)并不會直接造成組件功率的損失。玻璃劃傷直接影響到組件正面的透光率，進(jìn)而影響到組件的短路電流Isc和開路電壓Voc，對組件的輸出功率造成影響，一般認(rèn)為小于10%的玻璃劃傷面積對組件功率輸出并無影響。在電站實際運行中，日常運維會將存在明顯嚴(yán)重劃傷、玻璃碎裂的組件進(jìn)行更換，本次經(jīng)過外觀檢查的玻璃劃傷程度均對組件透光率的影響有限，如圖3(b)所示。背板問題在本次外觀檢查中較為突出，典型缺陷有劃傷與開裂兩種情況。由于所選樣品均安裝在固定支架上，可以推斷背板劃傷與開裂的物理缺陷主要集中在運輸與安裝階段。背板的劃傷與開裂會導(dǎo)致水汽與空氣侵入組件，與封裝膠膜(ethylene vinyl acetate，EVA)和金屬導(dǎo)體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成醋酸，導(dǎo)致金屬導(dǎo)體腐蝕[18-19]，繼而加速組件的功率衰減。本次測試發(fā)現(xiàn)的背板開裂情況較為嚴(yán)重，如圖3(c)所示，主要為聚酰胺背板，但該類組件功率衰減正常(如電站C、H、U)，推測其原因是由于干熱氣候條件下的環(huán)境濕度較低，水汽進(jìn)入組件內(nèi)部的幾率較小，因此造成金屬腐蝕的幾率也較小[20]。

圖3 外觀測試結(jié)果照片

光伏組件的衰減主要是由于外部環(huán)境因素影響，包括溫度、濕度、紫外輻射等條件的累積作用。通常來說，衰減的機(jī)理一般是由于組件在戶外工況條件下發(fā)生的物理化學(xué)變化形成的。本次測試結(jié)果顯示組件整體衰減率較低，從外觀檢查和EL測試結(jié)果的角度考慮，有以下幾個原因：

外觀核查沒有明顯缺陷的組件，其衰減率均低于1%，相對應(yīng)的是，組件外觀核查存在EVA退色、封裝失效、腐蝕等明顯缺陷的組件衰減率會顯著提高。

組件隱裂對組件的功率衰減程度沒有明顯影響，這是由于組件的衰減更多是由于封裝失效、電池片失效、焊接失效、EVA老化等原因造成[21]。

光伏電站在正常運行的條件下，光伏組件功率衰減可以分為誘導(dǎo)期、衰減期和飽和期。誘導(dǎo)期內(nèi)光伏組件功率衰減緩慢，隨著時間推移進(jìn)入衰減期，功率迅速衰減直至飽和期。根據(jù)本次樣品的運行時間分析，較多組件處于誘導(dǎo)期，功率衰減緩慢，因此無顯著的功率衰減情況發(fā)生。

3 失配損失范圍分析

實際的光伏發(fā)電系統(tǒng)由于組件出廠參數(shù)一致性差異、組件性能衰減程度不同以及所處環(huán)境影響因素不同等原因造成失配損失。通常的光伏陣列，都是將一定數(shù)量組件串聯(lián)成一路，串聯(lián)的組件數(shù)量由逆變器輸入電壓窗口決定，串聯(lián)后的每一路組串進(jìn)行并聯(lián)，以達(dá)到逆變器的額定輸入功率，由于光伏組件的最大工作點電流與最大工作點電壓會受到輻照、溫度、光譜等環(huán)境因素的影響，因此其輸出功率為一個實時變化值，通過在STC這種歸一化的環(huán)境下確定的組件之間電性能差異，可以確定組件之間失配損失的范圍。如圖4所示，對一個包括M個組串，每個組串串聯(lián)N塊組件的光伏陣列，根據(jù)基爾霍夫定律可以推斷，陣列輸出電流IA由每一串組件中工作電流最小的組件決定，而陣列輸出電壓VA由工作電壓最低的組串決定，組串電壓由組串內(nèi)各塊組件的工作電壓相加所決定。

圖4 光伏陣列電氣結(jié)構(gòu)圖

如公式所示：

式中：Is為組串工作電流；Ij為組件最大工作電流；Vs為組串工作電壓；Vj為組件最大工作電壓。

對于整個陣列的直流功率P，可得：

在光伏電站的電氣結(jié)構(gòu)中，由于光伏組件運行特性不一致，使得陣列的最大輸出功率小于所有組件最大功率之和，導(dǎo)致陣列的運行效率降低，類似木桶效應(yīng)，電性能較好的組件無法工作在最大功率點，影響整個陣列的輸出效率，造成了能量損失。因此陣列的功率輸出下限Pmin由陣列中最大工作電流與最大工作電壓最低的組件決定，而功率的輸出上限Pmax由陣列中最大工作電流與最大工作電壓最高的組件決定，即：

此處IAmin與VAmin均由所測組件中的實測參數(shù)中進(jìn)行篩選，統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)同批次組件中有3種情況：

(1)最大工作點電流與最大工作點電壓都有明顯衰減(1.5%～2.0%)，最大功率顯著下降(大于4.5%)，如E、H、K、P、R。

(2)最大工作點電流衰減明顯(1.5%～2.0%)，最大工作點電壓衰減不明顯(小于1.0%)，最大功率沒有顯著下降(小于2.5%)，如D、G、J、Q。

(3)最大工作點電流衰減不明顯(小于1.0%)，最大工作點電壓衰減明顯(1.5%～2.0%)，最大功率沒有顯著下降(小于2.5%)，如F、O、V。

本文將所測組件按照批次進(jìn)行分類，以同批次組件的差異統(tǒng)計情況代表其電站的組件功率差異情況，如公式(9)(10)。

式中：μ為各批次的參數(shù)平均值；n為各批次組件數(shù)，此處為5。根據(jù)以上公式首先計算出組件功率間的標(biāo)準(zhǔn)偏差σ，為了便于比較，計算出每個批次的功率變異系數(shù)Cp，電流變異系數(shù)CI與電壓變異系數(shù)Cv，結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同批次組件變異系數(shù)

可以看到，同批次間Cp較高的組件所對應(yīng)的CI與CV并不是最高，這是由于組件間的衰減程度不同造成的，通過計算可知CP與CI、CP與CV的相關(guān)系數(shù)分別為 0.621、0.265，可見線性正相關(guān)程度不高。

IAmin與VAmin可能為同一塊組件的工作參數(shù)，亦有可能為兩塊不同組件的參數(shù)，由于每塊組件的性能特性不同，根據(jù)結(jié)果計算，同一批次組件中IAmin對應(yīng)的組件工作電壓與VAmin平均差值為0.054 V，約為單塊組件的平均工作電壓(30.29 V)的0.17%，因此近似認(rèn)為IAmin與VAmin為同一塊組件的工作參數(shù)。IAmax與VAmax的選取同理?？紤]到每個批次的組件在實際運行中可假設(shè)為經(jīng)歷相同的氣候狀態(tài)，因此以組件的工作電流為基準(zhǔn)，選擇同一批次組件工作電流最大值與最小值的組件進(jìn)行對比，可以推算出電站的失配損失范圍。

組件經(jīng)過衰減后的失配損失范圍，可以通過公式(11)進(jìn)行計算：

陣列功率的失配損失ΔP為光伏陣列中最大工作電流的組件一致性相同的情況，與光伏陣列中最小工作電流的組件一致性相同的情況的功率差值。光伏陣列失配率按照公式(12)可以得到：

經(jīng)過化簡，可以看到光伏陣列失配率范圍與組件串聯(lián)數(shù)N與M無關(guān)?？梢缘贸?1個光伏電站組件的失配損失范圍介于1.63%～5.2%。

根據(jù)Bucciarelli的隨機(jī)模型[22-23]，可以計算同批次組件的失配損失PMMB：

式中：c為組件的特性系數(shù)；FF為同型號組件的平均填充因子；N為組串所串聯(lián)的組件數(shù)量，此處按照實際情況取22；M為并聯(lián)的組串?dāng)?shù)量，此處按照實際情況取16。

可以得到同批次組件的失配損失，如表5所示。

表5 不同批次組件的失配損失 %

通過Bucciarelli的隨機(jī)模型進(jìn)行對比，可以看到不同批次間的匹配損失范圍趨勢一致[24]。

4 總結(jié)

通過對典型干熱氣候地區(qū)11個2009—2013年間并網(wǎng)運行的光伏電站的共110塊光伏組件進(jìn)行現(xiàn)場測試，以及對各電站組件的衰減及失配損失進(jìn)行了分析，可以得到以下結(jié)論：

11個光伏電站失配損失的范圍介于1.63%～5.2%，并與長期衰減后的光伏組件間的工作電流差異系數(shù)正向相關(guān)。

外觀核查沒有明顯缺陷的組件，這類組件的年化衰減率均低于1%。

組件的蝸牛紋、玻璃劃傷、背板開裂、隱裂在干熱氣候條件下對組件的功率衰減程度未出現(xiàn)明顯或加速的影響，這是由于組件的衰減更多是由于封裝失效、電池片失效、焊接失效、EVA老化等原因造成。

根據(jù)光伏陣列的電氣結(jié)構(gòu)特性，同批次組件的工作電流差異情況較功率差異情況能更顯著反映出陣列的失配損失情況。