一种光伏发电系统性能评估方法及装置

摘要

本发明提供一种光伏发电系统性能评估方法及装置，应用于电力技术领域，该方法包括：获取光伏发电系统的运行数据和气象数据；计算设定参考温度情况下光伏发电系统的理论输出功率与太阳辐照度之间的函数关系；获取光伏发电系统的实际输出功率、光伏组件温度及太阳辐照度之间的对应关系；将实际输出功率换算到设定参考温度情况下，得到参考实际输出功率；确定参考实际输出功率与太阳辐照度之间的对应关系；绘制理论输出功率曲线；绘制参考实际输出功率散点图；评估光伏发电系统的性能。本发明提供的方法及装置有利于按需制定维护计划，优化光伏发电系统的运维水平，减少设备的全寿命维护成本。

说明书

技术领域

本发明涉及电力技术领域，具体地，涉及一种光伏发电系统性能评估方法及装置。

背景技术

随着计算机软件和传感技术的发展，在传统发电领域，近几年出现了基于电力设备状 态的检修及维护模式，这种模式能够对设备的健康衰退状态进行持续地监测、评估和预测， 并按需制定维护计划，在防止设备失效的同时，最大限度地延长设备的维护周期，减少设 备的全寿命维护成本。这种模式的关键在于对设备的健康状态做出快速、科学的评估。

若要在光伏发电领域采用前述传统发电领域的基于电力设备状态的检修及维护模式， 则需要对光伏发电设备的健康状态做出快速、科学的评估，分析光伏发电设备的性能是否 达到设计标准，是否处于亚健康状态，是否需要状态检修。然而不同于传统发电系统，光 伏发电系统具有性能分散的特点，其涉及的制造商较多、设备数量较大，设备巡检及维护 需要考虑天气、交通等多方面的因素，因此，光伏发电系统并不能简单地照搬传统发电领 域对于设备健康状态的评估方法。

经过文献检索发现，审定公告日为2011年09月21日，公开号为102195342A的中国发明 专利“一种光伏电站组件状态实时监测系统”，主要是介绍了一种光伏监测系统，该系统 在每一个太阳能电池组件的接线盒内设置有监测该太阳能电池组件的监测芯片，如果某一 块组件出现故障能快速发现、迅速定位具体位置，从而可以迅速检修，提高发电量，其主 要的实现技术手段是通过芯片技术实现故障的快速监测；审定公告日为2012年2月17日， 公开号为102566435A的中国发明专利“一种光伏电站的性能预报及故障报警方法”，该方 法主要是通过建立电站性能预测的经验模型或多项式回归模型，实现电站性能预报和故障 预警，性能预报的基础依然是大量的指标，而并没有形成性能评估的统一指标体系，即该 方法仅仅是提出了一种计算光伏指标的新思路；审定公告日为2012年01月04日，公开号为 103197131A的中国发明专利“光伏发电系统的性能检测系统”，主要是介绍了一种光伏发 电系统的性能检测硬件系统，主要是实现光伏发电系统运行时各类信号的有效采集、转化 和传递等，最终通过接收到的电压信号来检测光伏发电系统的性能；审定公告日为2011年 12月14日，公开号为102279327A的中国发明专利“光伏并网发电在线监测与状态评估系 统”，介绍了一种基于CPU全嵌入式设计的分布式新能源监测平台，主要是强调硬件的处 理能力、实时性、可靠性、可扩展性等。

目前国内外还没有专门针对光伏发电系统健康状态进行综合评估的体系和方法，前述 已应用于传统发电领域的基于设备状态的检修及维护模式在光伏发电领域还没有得到发 展，也没有可参考的理论和经验。

发明内容

本发明实施例的主要目的在于提供一种光伏发电系统性能评估方法及装置，以提供一 种将传统发电领域的基于设备状态的检修及维护模式应用于光伏发电领域，实现对光伏发 电系统的健康状态进行综合评估的技术。

为了实现上述目的，本发明实施例提供一种光伏发电系统性能评估方法，包括：

获取光伏发电系统的运行数据和气象数据；

根据所述光伏发电系统的运行数据和气象数据，计算设定参考温度情况下所述光伏发 电系统的理论输出功率与太阳辐照度之间的函数关系；

获取所述光伏发电系统的实际输出功率、光伏组件温度及太阳辐照度之间的对应关 系；

根据所述光伏发电系统的实际输出功率及对应的光伏组件温度，将所述实际输出功率 换算到所述设定参考温度情况下，得到参考实际输出功率；

确定所述参考实际输出功率与太阳辐照度之间的对应关系；

根据所述设定参考温度情况下所述光伏发电系统的理论输出功率与太阳辐照度之间 的函数关系，绘制理论输出功率曲线；

根据所述参考实际输出功率与太阳辐照度之间的对应关系，绘制参考实际输出功率散 点图；

根据所述理论输出功率曲线与所述参考实际输出功率散点图之间的关系，评估所述光 伏发电系统的性能。

本发明还提供一种光伏发电系统性能评估装置，包括：

数据获取模块，用于获取光伏发电系统的运行数据和气象数据；

理论功率函数关系模块，用于根据所述光伏发电系统的运行数据和气象数据，计算设 定参考温度情况下所述光伏发电系统的理论输出功率与太阳辐照度之间的函数关系；

实际功率对应关系模块，用于获取所述光伏发电系统的实际输出功率、光伏组件温度 及太阳辐照度之间的对应关系；

参考实际功率换算模块，用于根据所述光伏发电系统的实际输出功率及对应的光伏组 件温度，将所述实际输出功率换算到所述设定参考温度情况下，得到参考实际输出功率；

参考实际功率对应关系模块，用于确定所述参考实际输出功率与太阳辐照度之间的对 应关系；

理论输出功率曲线绘制模块，用于根据所述设定参考温度情况下所述光伏发电系统的 理论输出功率与太阳辐照度之间的函数关系，绘制理论输出功率曲线；

实际输出功率散点图绘制模块，用于根据所述参考实际输出功率与太阳辐照度之间的 对应关系，绘制参考实际输出功率散点图；

性能评估模块，用于根据所述理论输出功率曲线与所述参考实际输出功率散点图之间 的关系，评估所述光伏发电系统的性能。

借助于上述技术方案，本发明首先计算出光伏发电系统理论输出功率与太阳辐照度之 间的函数关系，以及将光伏发电系统的实际输出功率数据折算到设定参考温度，然后绘制 光伏发电系统理论输出功率曲线及参考实际输出功率散点图，最后通过对相同条件下的参 考实际输出功率散点图与理论输出功率曲线进行对比分析，实现了对光伏发电系统的健康 状态进行快速且科学的评估。本发明将传统发电领域中基于电力设备状态的检修和维护模 式引入了光伏发电领域，有利于按需制定维护计划，优化光伏发电系统的运维水平，减少 设备的全寿命维护成本。

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性的前提下，还可以根据这些附 图获得其他的附图。

图1是本发明提供的光伏发电系统性能评估方法的流程示意图；

图2是本发明提供的理论输出功率曲线与参考实际输出功率散点图；

图3是本发明提供的光伏发电系统性能评估装置的结构示意图。

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。

本发明提供一种光伏发电系统性能评估方法，如图1所示，该方法包括：

步骤S11，获取光伏发电系统的运行数据和气象数据；

步骤S12，根据所述光伏发电系统的运行数据和气象数据，计算设定参考温度情况下 所述光伏发电系统的理论输出功率与太阳辐照度之间的函数关系；

步骤S13，获取所述光伏发电系统的实际输出功率、光伏组件温度及太阳辐照度之间 的对应关系；

步骤S14，根据所述光伏发电系统的实际输出功率及对应的光伏组件温度，将所述实 际输出功率换算到所述设定参考温度情况下，得到参考实际输出功率；

步骤S15，确定所述参考实际输出功率与太阳辐照度之间的对应关系；

步骤S16，根据所述设定参考温度情况下所述光伏发电系统的理论输出功率与太阳辐 照度之间的函数关系，绘制理论输出功率曲线；

步骤S17，根据所述参考实际输出功率与太阳辐照度之间的对应关系，绘制参考实际 输出功率散点图；

步骤S18，根据所述理论输出功率曲线与所述参考实际输出功率散点图之间的关系， 评估所述光伏发电系统的性能。

本发明将光伏发电系统理论输出功率与太阳辐照度之间的函数关系，以及实际输出功 率与太阳辐照度之间的对应关系都换算到同一温度（设定参考温度）下，从而能够实现科 学、准确地评估光伏发电系统健康状态的目的。

本发明中的设定参考温度可以根据实际需要进行设置，本发明对此不作具体限定。在 一种较佳的实施例中，可以选择欧洲委员会针对光伏组件设定的STC（Standard Test  Condition，标准测试条件）中的测试温度25℃。

本发明对步骤S16绘制理论输出功率曲线与步骤S17绘制参考实际输出功率散点图所 采用的绘图方法不作具体限定，例如可以采用Excel、Matlab等第三方绘图工具，也可以根 据实际需要自行设计专业绘图软件实现上述绘制过程。

上述方法首先计算出光伏发电系统理论输出功率与太阳辐照度之间的函数关系，以及 将光伏发电系统的实际输出功率数据折算到设定参考温度，然后绘制光伏发电系统理论输 出功率曲线及参考实际输出功率散点图，最后通过对相同条件下的参考实际输出功率散点 图与理论输出功率曲线进行对比分析，实现了对光伏发电系统的健康状态进行快速且科学 的评估。该方法将传统发电领域中基于电力设备状态的检修和维护模式引入了光伏发电领 域，有利于按需制定维护计划，优化光伏发电系统的运维水平，减少设备的全寿命维护成 本。

在一种较佳的实施例中，本发明提供的光伏发电系统性能评估方法，在步骤S11与步 骤S12之间，还包括步骤：根据设定筛除条件，对步骤S11获取的光伏发电系统的运行数据 和气象数据进行筛选。

该步骤的目的是剔除步骤S11获取的光伏发电系统的运行数据和气象数据中不能正确 反映光伏发电系统理论输出情况的数据，例如，剔除光伏发电系统在非正常运行状态（如 限功率控制状态、故障状态等）下的运行数据及气象数据，保留光伏发电系统在正常运行 状态下的运行数据及气象数据。该步骤中的设定筛选条件可以根据实际需要进行设置，本 发明的保护范围涵盖采用任意方法达到对步骤S11获取的光伏发电系统的运行数据和气象 数据进行筛选，以剔除其中不能正确反映光伏发电系统理论输出情况的数据的目的。

在一种较佳的实施例中，上述设定的筛选条件为：保留步骤S11获取的光伏发电系统 的运行数据和气象数据中，太阳辐照度及光伏发电系统的平均输出功率处于设定正常范围 内且光伏组件处于最大输出功率下的数据，筛除其余数据。

在一种较佳的实施例中，步骤S11获取的光伏发电系统的运行数据包括：光伏发电系 统的运行状态、逆变器输出功率及逆变器台数、逆变器效率曲线、汇流箱效率及汇流箱台 数、配电柜效率及配电柜台数、光伏组件衰退因子及光伏组件个数、光伏组件的安装倾角；

步骤S11获取的气象数据主要包括：太阳总辐射度、太阳水平面辐射度或太阳倾斜面 辐射度、气象站温度。

在一种较佳的实施例中，步骤S12根据所述光伏发电系统的运行数据和气象数据，计 算设定参考温度情况下所述光伏发电系统的理论输出功率与太阳辐照度之间的函数关系， 采用如下公式：

其中，S为倾斜面上实时太阳辐照度；

H_B为水平面上直接太阳辐照度，可通过相应的传感器获取；

H为水平面上太阳总辐照度，可通过相应的传感器获取；

H_d为水平面上散射度，可通过相应的传感器获取；

β为方针倾角，为固定值；

ρ为地面反射率；

φ为当地纬度，为固定值；

n为从当日开始到年末的天数，n为自然数，且1≤n≤365；

δ为太阳赤纬；

ω_s为水平面上日落时角；

ω_ST为倾斜面上日落时角；

H_dT为天空散射辐射分量；

H_RT为地面反射辐射分量；

R_B为倾斜面上的直接辐射分量与水平面上直接辐射分量的比值；

P_s为光伏发电系统的理论输出功率；

P_h为每路汇流箱的理论输出功率；

ξ_sy为光伏组件的衰减率，光伏组件厂家会给出；

η_sy为光伏发电系统设备效率，光伏组件厂家会给出；

P_st为每路光伏组串的理论输出功率；

L_h为每路汇流箱中包含的光伏组串的个数：

P_p为每块光伏组件的理论输出功率；

L_st为每路光伏组串中包含的光伏组件的个数；

V'_m为实测最大功率点跟踪电压；

V_m为设定参考条件下的最大功率点跟踪电压，光伏组件厂家会给出；

c为光伏组件电压温度系数，光伏组件厂家会给出；

ΔT为与设定参考条件下光伏组件温度差；

e为自然对数；

b为光伏组件辐射度系数，光伏组件厂家会给出；

ΔS为与设定参考条件下的辐照度差；

I'_m为实测最大功率点跟踪电流；

I_m为设定参考条件下最大功率点跟踪电流，光伏组件厂家会给出；

S_REF为设定参考条件下辐照度；

a为光伏组件电流温度系数，光伏组件厂家会给出；

T_REF为设定参考条件下温度，与步骤S12中的设定参考温度一致；

T为实时光伏组件温度；

T_air为环境温度，可从气象数据中得到；

NOCT为光伏组件的额定工作温度，参照光伏设备厂家的给定值；

E_tot为太阳能总辐照强度，可通过相应的传感器获取。

需要说明的是，上述公式中的T_REF为设定参考条件下的温度，与步骤S12中的设定参考 温度一致。

本发明对上述公式中用到的设定参考条件不作具体限定，可以根据实际需要进行设 置。在一种较佳的实施例中，上述公式中的设定参考条件为欧洲委员会针对光伏组件设定 的STC，其条件是：太阳能电池组件表面温度25℃，光谱分布AM1.5，辐照度1000W/m²；即， T_REF=25℃。

需要说明的是，除以上计算公式外，本发明的保护范围涵盖采用其他方法计算得到设 定参考温度情况下光伏发电系统的理论输出功率与太阳辐照度之间的函数关系。

在一种较佳的实施例中，步骤S14根据所述光伏发电系统的实际输出功率及对应的光 伏组件温度，将所述实际输出功率换算到所述设定参考温度情况下，得到参考实际输出功 率，采用如下公式：

$P_{r\_t}=\frac{P_r}{1+(a-c)\times \mathrm{\Delta T}-a\times c\times {\left(\mathrm{\Delta T}\right)}^2}$

其中，P_{r_t}为参考实际输出功率；

P_r为光伏发电系统的实际输出功率；

a为光伏组件电流温度系数，光伏组件厂家会给出；

c为光伏组件电压温度系数，光伏组件厂家会给出；

ΔT为与设定参考条件下光伏组件温度差。

本发明对上述公式中用到的设定参考条件不作具体限定，可以根据实际需要进行设 置。在一种较佳的实施例中，上述公式中的设定参考条件为欧洲委员会针对光伏组件设定 的STC，其条件是：太阳能电池组件表面温度25℃，光谱分布AM1.5，辐照度1000W/m²。

需要说明的是，除以上计算公式外，本发明的保护范围涵盖采用其他方法将实际输出 功率换算到所述设定参考温度情况下，得到参考实际输出功率。

在一种较佳的实施例中，步骤S18根据所述理论输出功率曲线与所述参考实际输出功 率散点图之间的关系，评估所述光伏发电系统的性能，具体为：

当确定所述参考实际输出功率散点图中出现于所述理论输出功率曲线周边设定范围 内的点的数量占全部点总数的百分比大于设定参考百分比时，判断所述光伏发电系统的性 能为处于正常状态。

根据光伏发电系统的实际运行经验可知，当光伏发电系统处于最佳运行状态时，其实 际输出功率与理论输出功率最为接近，而当光伏发电系统处于非正常状态（如故障状态） 时，其实际输出功率与理论输出功率相差较大，当在同一设定参考温度下，将不同太阳辐 照度对应的参考实际输出功率散点图及理论输出功率曲线进行比对时，其表现就是：当光 伏发电系统处于最佳运行状态时，参考实际输出功率散点出现在理论输出功率曲线上面或 者附近很近的距离处，当光伏发电系统处于非正常状态时，参考实际输出功率散点就会出 现在理论输出功率曲线上方或者下方较远的距离处。

针对不同的光伏发电系统，该步骤中设定范围及设定参考百分比可根据实际经验进行 设置。例如如图2（横坐标为太阳辐照度，纵坐标为光伏发电系统输出功率）所示为同一 设定参考温度（T=T_REF）下，不同太阳辐照度对应的参考实际输出功率散点分布及理论输 出功率曲线，根据该图中参考实际输出功率的散点分布情况，即可确定当前光伏发电系统 的性能状态，若散点中出现于理论输出功率曲线周边设定范围内的点的数量占全部点总数 的百分比大于设定参考百分比时，则可判定光伏发电系统处于正常状态；否则，就可判定 光伏发电系统处于非正常状态。由于光伏发电系统的非正常状态有多种情况，因此对于具 体原因的判定还需根据实际经验进行，例如，若散点集中出现在理论功率曲线下方且不在 设定范围内，则可判定系统性能处于亚健康或严重状态；若散点集中出现在理论功率曲线 上方且不在设定范围内，则系统可能处于严重状态或故障状态（如气象站故障）。

本发明还提供一种光伏发电系统性能评估装置，如图3所示，该装置包括：

数据获取模块31，用于获取光伏发电系统的运行数据和气象数据；

理论功率函数关系模块32，用于根据所述光伏发电系统的运行数据和气象数据，计算 设定参考温度情况下所述光伏发电系统的理论输出功率与太阳辐照度之间的函数关系；

实际功率对应关系模块33，用于获取所述光伏发电系统的实际输出功率、光伏组件温 度及太阳辐照度之间的对应关系；

参考实际功率换算模块34，用于根据所述光伏发电系统的实际输出功率及对应的光伏 组件温度，将所述实际输出功率换算到所述设定参考温度情况下，得到参考实际输出功率；

参考实际功率对应关系模块35，用于确定所述参考实际输出功率与太阳辐照度之间的 对应关系；

理论输出功率曲线绘制模块36，用于根据所述设定参考温度情况下所述光伏发电系统 的理论输出功率与太阳辐照度之间的函数关系，绘制理论输出功率曲线；

实际输出功率散点图绘制模块37，用于根据所述参考实际输出功率与太阳辐照度之间 的对应关系，绘制参考实际输出功率散点图；

性能评估模块38，用于根据所述理论输出功率曲线与所述参考实际输出功率散点图之 间的关系，评估所述光伏发电系统的性能。

在一种较佳的实施例中，上述光伏发电系统性能评估装置，还包括：

筛选模块，用于在所述理论功率函数关系模块32根据所述光伏发电系统的运行数据和 气象数据，计算设定参考温度情况下所述光伏发电系统的理论输出功率与太阳辐照度之间 的函数关系之前，根据设定筛除条件，对所述数据获取模块31获取的光伏发电系统的运行 数据和气象数据进行筛选。

在一种较佳的实施例中，上述述筛选模块具体用于保留所述光伏发电系统的运行数据 和气象数据中，太阳辐照度及光伏发电系统的平均输出功率处于设定正常范围内且光伏组 件处于最大输出功率下的数据，筛除其余数据。

在一种较佳的实施例中，所述光伏发电系统的运行数据包括：光伏发电系统的运行状 态、逆变器输出功率及逆变器台数、逆变器效率曲线、汇流箱效率及汇流箱台数、配电柜 效率及配电柜台数、光伏组件衰退因子及光伏组件个数、光伏组件的安装倾角；

所述气象数据主要包括：太阳总辐射度、太阳水平面辐射度或太阳倾斜面辐射度、气 象站温度。

在一种较佳的实施例中，理论功率函数关系模块32根据所述光伏发电系统的运行数据 和气象数据，计算设定参考温度情况下所述光伏发电系统的理论输出功率与太阳辐照度之 间的函数关系时，采用如下公式：

其中，S为倾斜面上实时太阳辐照度；

H_B为水平面上直接太阳辐照度；

H为水平面上太阳总辐照度；

H_d为水平面上散射度；

β为方针倾角；

ρ为地面反射率；

φ为当地纬度；

n为从当日开始到年末的天数，1≤n≤365；

δ为太阳赤纬；

ω_s为水平面上日落时角；

ω_ST为倾斜面上日落时角；

H_dT为天空散射辐射分量；

H_RT为地面反射辐射分量；

R_B为倾斜面上的直接辐射分量与水平面上直接辐射分量的比值；

P_s为光伏发电系统的理论输出功率；

P_h为每路汇流箱的理论输出功率；

ξ_sy为光伏组件的衰减率；

η_sy为光伏发电系统设备效率；

P_st为每路光伏组串的理论输出功率；

L_h为每路汇流箱中包含的光伏组串的个数：

P_p为每块光伏组件的理论输出功率；

L_st为每路光伏组串中包含的光伏组件的个数；

V'_m为实测最大功率点跟踪电压；

V_m为设定参考条件下的最大功率点跟踪电压；

c为光伏组件电压温度系数；

ΔT为与设定参考条件下光伏组件温度差；

e为自然对数；

b为光伏组件辐射度系数；

ΔS为与设定参考条件下的辐照度差；

I'_m为实测最大功率点跟踪电流；

I_m为设定参考条件下最大功率点跟踪电流；

S_REF为设定参考条件下辐照度；

a为光伏组件电流温度系数；

T_REF为设定参考条件下温度；

T为实时光伏组件温度；

T_air为环境温度；

NOCT为光伏组件的额定工作温度；

E_tot为太阳能总辐照强度；

T为光伏组件温度。

在一种较佳的实施例中，参考实际功率换算模块34根据所述光伏发电系统的实际输出 功率及对应的光伏组件温度，将所述实际输出功率换算到所述设定参考温度情况下，得到 参考实际输出功率时，采用如下公式：

$P_{r\_t}=\frac{P_r}{1+(a-c)\times \mathrm{\Delta T}-a\times c\times {\left(\mathrm{\Delta T}\right)}^2}$

其中，P_{r_t}为参考实际输出功率；

P_r为光伏发电系统的实际输出功率；

a为光伏组件电流温度系数；

c为光伏组件电压温度系数；

ΔT为与设定参考条件下光伏组件温度差。

在一种较佳的实施例中，性能评估模块38具体用于：当确定所述参考实际输出功率散 点图中出现于所述理论输出功率曲线周边设定范围内的点的数量占全部点总数的百分比 大于设定参考百分比值时，判断所述光伏发电系统的性能为处于正常状态。

本发明提供的光伏发电系统性能评估装置与光伏发电系统性能评估方法基于同样的 实现原理，具体实施方式可参见前述对光伏发电系统性能评估方法的介绍，此处不再赘述。

上述光伏发电系统性能评估装置实现了对光伏发电系统的健康状态进行快速且科学 的评估，将传统发电领域中基于电力设备状态的检修和维护模式引入了光伏发电领域，有 利于按需制定维护计划，优化光伏发电系统的运维水平，在防止设备失效的同事，最大限 度地延长设备的维护周期，减少设备的全寿命维护成本。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说 明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护 范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在 本发明的保护范围之内。