光伏系统综合量化评价体系探讨

目前，国内外还没有业内普遍认同的和完整的光伏系统评价体系。我国自2015年开始实施的光伏“领跑者计划”则提出了4项评价指标，如表1所示。

表1 光伏“领跑者计划”的评价指标

注：后3项为基本准入要求；第3项指标来自工信部《光伏制造行业规范条件-2015》

毫无疑问，上述4项评价指标非常重要，但是还不够全面，有些指标在验收测试时还存在参考基准缺失和准确数据不易获得的困难。

本文基于“领跑者计划”和国际上流行的评价指标提出基于现场测试的光伏发电系统综合量化评价体系，供大家讨论。

2.1 评价周期

建议自光伏系统建成1年后，对系统进行评价，这是因为1年是沙尘、雨季、高低温等气候变化和太阳运行轨迹的完整周期，也有利于客观判断光伏组件、逆变器和太阳跟踪器等部件的质量和运行特性。若评价周期过短，比如系统建成后1~3个月，则会在组件效率衰降、遮挡损失、温度损失、太阳跟踪器的跟踪效果、逆变器的负荷条件等多个技术指标的测试上出现较大偏差。

2.2 光伏部件的评价指标

2.2.1 光伏组件额定功率和组件效率

光伏组件的额定功率和组件效率是“领跑者计划”中对光伏组件最重要的考核指标，这一指标必须在光伏系统建成后立即抽查，以评价开发商选用的光伏组件是否达到了投标时承诺的效率水平。抽查要求生产厂家提供至少3块同型号组件的出厂测试技术参数，以提高可信度和冗余度，并将抽查组件的技术参数备案，作为1年后测试和评价光伏组件衰降率时的参考基准。

为了保证参考基准组件参数的准确性，应当对基准组件进行现场测试，测试结果与出厂技术参数的差异不应超过2%。如果偏差大于2%，则应查找原因，排除问题，务必使基准组件参数可信，从而才能保证1年后组件衰降率的测试结果可信。

现场抽检可以在组件检测车中的标准条件（STC）下进行，依据标准为GB/T 6495.1-1996《光伏器件 第1部分：光伏电流－电压特性的测量》；也可以在现场室外进行，依据标准为IEC 61829-1995《晶体硅光伏方阵 I-V特性现场测量》。

2.2.2 光伏组件功率衰降率

功率衰降率是“领跑者计划”对于光伏组件的重要考核指标。

对于设备停机或非正常工作状态，需要区分是由外部原因导致还是由设备本身原因导致。外部原因导致的停机时间不应算作故障时间，一般包括：

全年正常工作时间= 3650－20－60－30 = 3540 h

设备故障停机时间= 24 + 30 + 6 = 60 h

逆变器正常运行率= 3540/(3540+60)= 98.33%

在计算正常运行率时需要注意：

1）正常运行率原则上仅适用于光伏系统的逆变器、太阳跟踪器、变压器等电气设备，而不适用于光伏组件。因为非正常运行状态是以停机或偏离设计精度（针对太阳跟踪器）为准，而光伏组件没有或很少有停机状态，功率偏离也没有参照标准。而且，既然光伏组件已经有功率衰降率的测试和评价，没有必要再用正常运行率对光伏组件进行评价。

2）正常运行率可以是基于时间（h）的，也可以是基于发电量（kWh）的（参照IEC 61724-3），建议采用基于“时间（小时）”的正常运行率。若采用基于发电量的正常运行率，不但需要记录正常运行时间，还需要实时记录发电功率的变化，较为复杂。基于时间的正常运行率完全可以反映设备的可靠性，没必要计算能量利用率，能量评价用PR即可。

3）当前，风力发电的正常运行率的公式采用“正常工作小时除以全年小时数（即8760 h）”。由于光伏系统和设备夜晚不工作，所以不建议沿用风电的计算公式，建议采用IEC标准给出的计算公式。当然，这对于数据采集系统提出了更高的要求。

2.2.5 太阳跟踪器的正常运行率

太阳跟踪器正常运行率的定义和计算公式与逆变器的正常运行率一致，差别在于太阳跟踪器有跟踪精度的要求，因此对于太阳跟踪器的非正常工作时间除了故障停机，还应包括跟踪轴的跟踪偏差超过设计值的时间段；同时也要求数据采集系统能够准确判断这一故障现象，并准确记录故障时间。

2.3 光伏系统的评价指标

光伏系统的评价指标应至少包括系统的电气质量、系统设计的先进性、系统占地和系统的经济性。

2.3.1 光伏系统能效比

能效比（Performance Ratio，PR）是国际通用的光伏系统质量评价指标，这一指标代表了光伏系统评价时段内的可靠性和综合效率的高低，但不代表项目的经济性，也不代表设计的先进性。IEC 61724-1给出能效比的定义为：

PR评价指标排除了地区之间的太阳能资源差异和同一地点年度太阳能资源的差异，客观评价了光伏系统的质量。比如太阳能资源好的地方，发电量多，分子大，但当地辐射量也高，分母也大，所以PR结果并不一定就高。此外，很多项目业主要求建设单位担保发电量，由于太阳能资源的年际差异，这一要求并不科学，科学的担保指标应当是PR值。PR值是系统的能量效率指标，代表了系统和部件的可靠性和效率水平的高低，可以分解成表2中的14个分项，PR值是这14个效率项的乘积。

表2 PR的14个影响因素和判定指标

关于PR值需要注意以下几点：

1）PR值可以是整个光伏系统，也可以是特定的逆变单元；

2）具体分析PR值高或低的原因时，需要分别检测表2中的14个分项；

3）表2给出的PR值是在满足14个效率项的基本合格指标要求下的结果，实际情况应该可以做得更好

图1为IEA PVPS依据TUV的测试数据给出的世界各国大约400个电站的PR统计数据。可以看出，1998~2004年，绝大部分项目的PR值在0.7~0.8之间。对于光伏系统PR的分级标准建议指标如表3所示。

图1 IEA PVPS 给出的PR统计值

表3 光伏系统PR的分级标准

PR虽然排除了不同地区之间太阳能资源条件的差异，但并没有排除不同地区间环境温度的差异，而不同地区环境温度的差异会直接影响到PR值。对于晶体硅光伏组件而言，如果环境温度相差20 ℃，由温度损失造成的PR差异会高达8%以上。因此，在比较不同地区光伏电站的质量时，应对PR值进行温度修正。

PRSTC不但排除了不同地区太阳能资源的差异，而且还排除了环境温度的差异，对不同地区的光伏项目更加公平。而对于同一地区的光伏项目，没有必要一定要修正到PRSTC，普通PR即可比较不同项目间质量的高低。

2.3.2 光伏系统功率比

PR虽然普遍用于评价光伏系统的质量，但很多情况下PR值并不容易获取。例如：对于户用光伏系统和屋顶光伏系统而言，没有安装辐照度测试仪，没有光伏方阵面的辐射量数据，这样就无法计算PR值；再有，很多光伏电站虽然安装了小型气象站，但是只有水平面辐射量的测量，而PR值的计算需要光伏方阵面的辐射量数据；另外，还有一些光伏电站，虽然安装了光伏方阵面的辐射量测试仪器，但由于准确度不高或维护不当，得到的数据不准确，也无法准确得到PR值。在这些情况下，我们可以采用“功率比”代替PR，也能够基本判定光伏系统质量好坏，而采用功率比最大的优点是在现场可以准确测量。

IEC 61724-4《光伏系统性能 第四部分：衰降率评价方法》给出了功率比的计算公式和修正公式。功率比，即功率转换率（Responsivity，简写为R），为安装的光伏组件总功率转换成交流并网点的交流功率的比例。

功率比的计算公式为：

在实际测试中，到现场只需要带1个修整过的辐照度仪、1个测试背板温度的温度传感器即可。如果不测背板温度，知道环境温度也行，晶体硅光伏组件结温可进行简单估算，为“背板温度+2 ℃”或“环境温度+25 ℃”。同时，读取并网点的交流功率和方阵面上的太阳辐照度，确定所有对应组件的额定功率之和，即可通过式（6）、式（7）计算出准确的功率比R。

测试过程10 min之内即可搞定，尤其便于快速判断没有辐射量数据的户用光伏和屋顶光伏的质量。

功率比R比较的是瞬时功率，因此不包含受时间影响的遮挡损失、反射损失（阳光入射角小于45°），逆变器的早晚“死区”损失等，积尘损失也只是随机值；由于进行了温度修正，所以也不包括温升损失。但功率比R包含了绝大部分PR的效率项，具体如表4所示。

表4 功率比R的9个影响因素和判定指标

关于功率比需要注意以下几点：

1）功率比的指标可以针对整个光伏系统，也可以针对特定的逆变单元；

2）由于需要进行辐照度修正，因此测试必须在辐照度≥700 W/m2时进行，只有在这样的辐照度条件下，才允许进行线性修正；

3）当要具体分析功率比的指标高或低的原因时，需要分别检测表4中的9个分项；

4）功率比对于光伏系统的输出功率进行了辐照度和温度修正，其结果不受资源条件和环境温度差异的影响，比没有排除温度影响的普通PR更加公平；由于排除了温度的影响，功率比的判定指标要比PR相对提高很多。

5）表5列出的判定指标是基本要求，应该可以做得更好。

表5 光伏系统功率比R的分级标准

2.3.3 年等效利用小时数

年等效利用小时数是国内比较不同发电方式时的参照条件，例如燃煤火电典型的年等效利用小时数为5000 h，风电的典型值是2000 h，光伏发电的典型值是1500 h等。而国际上采用年kW发电量（Yield）作为比较不同发电方式时的参照条件，二者数值相同，意义相同，但单位不同，Yield的单位是kWh/kW，而年等效利用小时数的单位是h（其实是将分子和分母的kW约分约掉了）。

年等效利用小时数（kW发电量），对于不同地域的项目，代表了资源条件的好坏；对于同一地域的项目，则代表了资源利用率和设计方案的先进性，值越高越好，因为在同样的资源条件下，kW发电量越高，说明对于资源的利用率也越高。提高年等效利用小时数的有效方法通常有提高PR（减少遮挡、减少组件衰降、提高各个环节效率、减少积尘损失等）、增加光伏/逆变器的容配比、采用太阳跟踪器等。

年等效利用小时数的计算公式为：

关于年等效利用小时数，需要注意的是：

1）一定要用并网点的交流额定功率，而不能用直流侧的光伏组件功率，否则就体现不出增加容配比的优势；

2）增加容配比和采用太阳跟踪器可以大幅提高kW发电量，改善项目的收益，但并不改善PR值。

2.3.4 土地利用率

国际上常用土地占用率（Ground Cover Rate，GCR），而国内常用kW占地作为土地利用率的指标。无论是GCR还是kW占地，都是辅助性指标，在PR或等效利用小时数相同的条件下，占地越少越好。

关于土地利用率，需要注意的是：

1）计算土地利用率应该用额定交流功率计算，便于比较不同光伏/逆变器容配比条件下的占地差异；

2）土地利用率虽然仅是一个辅助性指标，但必须有，因为计算度电成本时还会用到。

2.3.5 光伏项目的度电成本

度电成本（LCOE）是国际上通用的比较不同发电方式度电成本的指标，是客观评价光伏项目经济性的重要指标，能够间接评价项目的收益水平，更能直接判断项目是亏损还是盈利。但LCOE并不是具体项目经济性评价指标，并不包含电价、收益、贷款利息、贷款周期、贷款比例等因素。低的LCOE是光伏项目最终追求的目标，越低越好。

LCOE虽然包含贴现率一项，但贴现率不同于贷款利息，这二者最大不同在于贷款利息每一个项目都不相同，而贴现率对于同一种货币是一样的。如果比较国内的项目，由于(1+r)t对于所有的项目都一样，在比较时就相互约分约掉了，因此，对于国内同期建设的项目，可以不必考虑贴现率（实际上，我们在比较不同期建设的电站投资时，都是以实际投资为比较基准，也从未折算贴现率后再进行比较）。

因此，公式（11）可简化为

表6 不同条件下光伏系统LCOE比较

关于表6中的数据，需要说明的是：

1）虽然在同一地点，项目2的初投资低，但PR值也低，初始衰降率又高，造成LCOE偏高；

2）西藏资源超好，因此虽然初投资高，但LCOE仍然是最低的；

3）采用太阳跟踪器，虽然初投资、占地和运维费用都相应增高，但由于提升了20%的发电量，因此LCOE依然低于固定式安装；

4）为了准确计算LCOE，根据首年的PR值、首年的组件衰降率、首年的运行维护成本及首年的发电量，合理推算20年的发电量和成本十分重要；

5）再次强调，LCOE是用于比较不同发电项目之间度电成本的一个指标，并不是具体项目的经济性指标。对于具体项目的经济性评价通常采用IRR（资金内部收益率），IRR中不但包括了初投资、运行维护费用、发电量，还包括贷款利息、贷款比例、贷款年限、电价、收益水平、税收、折旧等诸多因素。

2.3.6 系统（交流）效率

IEC 61724-1《光伏系统性能-第1部分：监测系统》中，提出了系统效率（System (AC) efficiency）的概念：

如果把方阵效率看成光伏组件效率，那么这里系统效率就等于光伏组件效率与光伏系统PR的乘积，其物理意义是方阵面辐射量转换成并网发电量的比值。例如：假设方阵（组件）效率=18%，PR=80%，则系统效率=14.4%。由于组件效率是光伏部件的评价指标，而PR是光伏系统的评价指标，二者的乘积其意义相互干扰，因此建议仅作为辅助性评价指标。由于本文的评价指标已经包含了光伏组件效率和PR的测试，如果需要，将这2个指标相乘即可得到系统效率。

2.4 光伏系统综合测试项目和判定指标

在2.2和2.3节，本文分别介绍了5项光伏部件评价指标和6项光伏系统评价指标，其中一些指标，如PR和功率比，还可以分解成多个子项进行测试，从而能够定量化地评价光伏发电系统的电气性能和质量。

除了系统自身的电气性能和质量，光伏系统的并网特性和安全性也非常重要，而且也能够通过测试进行量化评价。表7给出了20个光伏系统电气性能、安全性和并网特性的测试项目及其判定的依据，表8给出了10个光伏系统评价指标，供大家参考和讨论。

表7 光伏电站验收测试项目和判定标准

表8 光伏系统评价指标

来源：索比光伏网