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1、總覽

由于天氣狀況直接影響光伏電站的發(fā)電量，所以光伏電站性能評(píng)估的核心參數(shù)離不開(kāi)準(zhǔn)確的氣象數(shù)據(jù)。因此每個(gè)光伏電站監(jiān)測(cè)系統(tǒng)都需要一組氣象監(jiān)測(cè)傳感器以計(jì)算電站核心評(píng)估指標(biāo)，例如場(chǎng)站效率和有效工作時(shí)間。數(shù)據(jù)的采樣與處理方法、傳感器的部署安裝方式也會(huì)對(duì)評(píng)估結(jié)果產(chǎn)生部分影響。

2、光伏系統(tǒng)氣象站常用的傳感器

氣象站只需要少量的傳感器即可充分覆蓋評(píng)估需求：

輻照儀：電站需要使用輻照儀測(cè)量一系列的輻照強(qiáng)度，且該輻照儀的響應(yīng)波段應(yīng)覆蓋組件可吸收光譜的波段。通常我們會(huì)同時(shí)使用多個(gè)輻照儀來(lái)監(jiān)測(cè)不同安裝方式下的輻照。

水平安裝輻照儀，用于監(jiān)測(cè)全局水平輻照（該安裝方法應(yīng)盡量避免地面反射，因?yàn)榈孛娣瓷淇赡軙?huì)使測(cè)量結(jié)果增大20%）；

與陣列相同傾角及朝向安裝的輻照儀，用于監(jiān)測(cè)陣列平面所接收的輻照；

定制的散射輻照儀，用于監(jiān)測(cè)散射輻照，即全局水平輻照減去直接輻照（該輻照儀并不常用）；

基準(zhǔn)電池組：包含一個(gè)或多個(gè)光伏電池單元，可以同時(shí)測(cè)量輻照和電池片溫度，基準(zhǔn)電池組中電池片的材質(zhì)應(yīng)與陣列所用組件中電池片的材質(zhì)相同；雖然基準(zhǔn)電池組以其低廉的價(jià)格會(huì)被用作正規(guī)輻照儀的替代品，但是實(shí)際上并不能這么用。原因是很難找到與陣列所使用的組件具有相同光譜響應(yīng)區(qū)間的基準(zhǔn)電池組，而且其精度、靈敏度穩(wěn)定性等都是沒(méi)有經(jīng)過(guò)認(rèn)證的。

組件背板溫度傳感器：直接安裝在光伏組件的背面以測(cè)量組件中電池片的溫度。該測(cè)量方法利用一個(gè)熱交換模型把組件背板溫度換算到組件內(nèi)部電池片的溫度。換算過(guò)程還需要輸入環(huán)境溫度以及風(fēng)速、風(fēng)向進(jìn)行修正。通常情況下，組件背板溫度常常錯(cuò)誤地被直接引用為電池片溫度。

環(huán)境溫度傳感器：用于監(jiān)測(cè)實(shí)際運(yùn)行陣列周?chē)目諝鉁囟取?br />
濕度計(jì)，氣壓傳感器，風(fēng)速、風(fēng)向傳感器和雨量計(jì)：這些要素與發(fā)電量有一定關(guān)聯(lián)，但是在電站績(jī)效評(píng)估中一般不使用這些要素。

3、氣象傳感器正確使用的重要性

氣象數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性是電站績(jī)效評(píng)估的關(guān)鍵。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)必須集成異常值（無(wú)效值）檢測(cè)及剔除的算法，以保證最后存儲(chǔ)的歷史數(shù)據(jù)的可靠性。由于異常值會(huì)污染現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫(kù)，所以數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有必要檢測(cè)這些數(shù)據(jù)的出現(xiàn)，并對(duì)其及時(shí)處理。另一種方法是識(shí)別出引起錄入錯(cuò)誤值的觸發(fā)事件，設(shè)置采集器系統(tǒng)在該事件發(fā)生時(shí)停止采集，例如當(dāng)輻照儀處于陰影中時(shí)采集器停止錄入其數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集的各個(gè)環(huán)節(jié)都有可能導(dǎo)致異常值的出現(xiàn)，且傳感器與通訊線纜是最容易導(dǎo)致數(shù)據(jù)異常的環(huán)節(jié)。一些策略可以大幅度減少異常值出現(xiàn)的概率，其中多數(shù)都與傳感器和光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)的連接方法有關(guān)。

加裝冗余的傳感器，是一種可以非常有效地保證測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的方法。如此以來(lái)，可以極大地提高數(shù)據(jù)采集質(zhì)量的方案就是：

如果一個(gè)傳感器失效，直接獲取備份數(shù)據(jù)；

對(duì)不同傳感器輸出的相同時(shí)段的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，以排除一些與統(tǒng)計(jì)趨勢(shì)不符的異常值；

氣象傳感器另一個(gè)非常重要的參數(shù)是數(shù)據(jù)采集周期。對(duì)于監(jiān)測(cè)電站運(yùn)行參數(shù)的行業(yè)經(jīng)驗(yàn)是采用15分鐘平均值。但是對(duì)于輻照強(qiáng)度這種隨瞬時(shí)波動(dòng)比較大的氣象要素，進(jìn)行15分鐘步長(zhǎng)的瞬時(shí)值采樣是非常不明智的。所以采集器需要更快的采樣頻率（可能高達(dá)1s），同時(shí)輸出在此采樣頻率獲取的15分鐘連續(xù)數(shù)據(jù)的平均值。該處理過(guò)程必須慎重考慮所有參與數(shù)據(jù)采集的儀器可能出現(xiàn)的異常值和時(shí)間戳的同步性。采樣異常或者處理出錯(cuò)都會(huì)降低評(píng)估的質(zhì)量。

氣象狀況不僅瞬時(shí)波動(dòng)大，而且大型電站場(chǎng)站內(nèi)各局部區(qū)域的差異也非常明顯。對(duì)于一個(gè)面積足夠大的電站來(lái)說(shuō)，站內(nèi)特定區(qū)域的關(guān)鍵績(jī)效指標(biāo)必須使用臨近的氣象數(shù)據(jù)。根據(jù)相關(guān)技術(shù)績(jī)效評(píng)估的計(jì)算文件聲明，并不希望核心的氣象監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在整個(gè)場(chǎng)站空間內(nèi)劇烈波動(dòng)，因?yàn)閯×业牟▌?dòng)會(huì)對(duì)長(zhǎng)時(shí)間尺度下電站關(guān)鍵績(jī)效的計(jì)算產(chǎn)生不利影響。假設(shè)遇到一些疏散云團(tuán)飄過(guò)數(shù)兆瓦的陣列造成的局部遮擋的情景，雖然對(duì)陣列局部瞬時(shí)的影響非常顯著，但是劇烈的波動(dòng)會(huì)隨當(dāng)天的時(shí)長(zhǎng)累計(jì)被平滑到對(duì)整個(gè)場(chǎng)站的穩(wěn)定影響。由于評(píng)估的對(duì)象為整個(gè)場(chǎng)站，所以輸入計(jì)算的氣象數(shù)據(jù)需要使用場(chǎng)站氣象數(shù)據(jù)的空間平均值，該數(shù)值只能通過(guò)匯總電站各局部區(qū)域測(cè)量數(shù)據(jù)加工取得。

對(duì)于建設(shè)在地形起伏較大區(qū)域的光伏電站，例如光伏組件被安裝在不同的斜坡上，還需要充分考慮斜坡的朝向、傾角以及安裝在每個(gè)斜坡上的組件的標(biāo)稱功率對(duì)關(guān)鍵績(jī)效指標(biāo)計(jì)算的影響，以保證計(jì)算的準(zhǔn)確性。對(duì)于使用差異顯著的技術(shù)要求安裝的陣列也有必要在績(jī)效評(píng)估計(jì)算時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的修正。在場(chǎng)站不同的區(qū)域部署多個(gè)氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以有效降低傳感器全部毀損的概率，例如自然災(zāi)害、盜竊和物理破壞。
最后，高質(zhì)量的氣象傳感器需要周期性地校準(zhǔn)或者其本身使用壽命有限，例如輻照儀至少1年至2年需要校準(zhǔn)1次，機(jī)械式風(fēng)速儀的壽命只有半年至1年。預(yù)防性維護(hù)、校準(zhǔn)以及換新對(duì)于支持電站的長(zhǎng)久運(yùn)行是至關(guān)重要的。

4、氣象站應(yīng)用

光伏電站氣象監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)對(duì)氣象傳感器的安裝方式有明確的定義，原因如下：

冗余氣象傳感器的應(yīng)用；

在計(jì)算方位敏感的關(guān)鍵績(jī)效時(shí)，需要使用指定安裝方式的傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)；

氣象站的概念是對(duì)一個(gè)氣象傳感器與它安裝位置關(guān)系的最佳闡釋。氣象站集成了一組氣象傳感器及其備件、支架、供電設(shè)備、本地的數(shù)采集器用于處理及存儲(chǔ)測(cè)量的數(shù)據(jù)。這些傳感器以指定方式安裝，并且電站監(jiān)控系統(tǒng)可以讀取這些它們的坐標(biāo)和配置。氣象站并非新鮮概念，全球所有的氣象服務(wù)都以其作為氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。氣象站安裝便利且安裝開(kāi)銷(xiāo)低廉，因此相比于單買(mǎi)各個(gè)氣象傳感器，有理由購(gòu)買(mǎi)稍貴的集成系統(tǒng)。

自從氣象站概念被定義以來(lái)，氣象站配置標(biāo)準(zhǔn)化和對(duì)場(chǎng)站特征進(jìn)行氣象站配額是非常實(shí)用的實(shí)施策略。加之實(shí)踐中一般使用額定輸出功率、物理面積和斜坡的數(shù)量來(lái)定義電站內(nèi)局部區(qū)域的典型特征。二者相輔相成不僅可以同步排線與供電設(shè)計(jì)，也簡(jiǎn)化了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、場(chǎng)站的建設(shè)以及電站全生命周期儀表校準(zhǔn)的實(shí)施。

5、輻照測(cè)量案例

為了計(jì)算最重要的電站績(jī)效，我們需要獲取精確可靠的主要?dú)庀髷?shù)據(jù)，所以各種類(lèi)型輻照測(cè)量?jī)x表的評(píng)估是其中至關(guān)重要的一步。現(xiàn)階段主流的光伏用輻照測(cè)量?jī)x表有兩種，輻照儀與基準(zhǔn)電池組。

基于輻照監(jiān)測(cè)系統(tǒng)從各種類(lèi)型的儀表采集到的真實(shí)輻照數(shù)據(jù)，比較研究之后的結(jié)果顯示出各儀表間的顯著差異。該實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)取自某1.7兆瓦光伏電站，其中安裝了各類(lèi)型的氣象傳感器，明細(xì)如下：

2只WMO二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)輻照儀；

7只WMO二等標(biāo)準(zhǔn)輻照儀；

2個(gè)基準(zhǔn)電池組；

選擇的觀測(cè)時(shí)段是適宜進(jìn)行儀表比對(duì)實(shí)驗(yàn)的10月中沒(méi)有故障或重大問(wèn)題發(fā)生的兩周。在本次實(shí)驗(yàn)開(kāi)始之前，該光伏電站已經(jīng)投運(yùn)一年有余。

輻照數(shù)據(jù)的采集頻率是1秒，且以15分鐘的步長(zhǎng)把已記錄數(shù)據(jù)求平均值。所有用于采樣的輻照模擬信號(hào)電流區(qū)間為4-20mA，原因如下：

更好的故障檢測(cè)；

更好的抗噪聲性能；

為了消除早晚陰影的影響，過(guò)濾掉了輻照值低于200W瀖-2的數(shù)據(jù)。同樣，在計(jì)算系統(tǒng)效率時(shí)也不會(huì)使用輻照值低于200W瀖-2的數(shù)據(jù)。

二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)輻照儀的數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)數(shù)據(jù)。二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)輻照儀的技術(shù)要求是最高規(guī)格，而且根據(jù)相關(guān)要求需要對(duì)其進(jìn)行獨(dú)立校準(zhǔn)。相關(guān)要求還規(guī)定了小時(shí)累計(jì)與日累計(jì)精確的不確定性水平。為了保證兩只部署在不同區(qū)域的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)輻照儀都滿足規(guī)范要求，它們的時(shí)序不確定性水平測(cè)試結(jié)果都需要在規(guī)定值以內(nèi)，明細(xì)如下：


上圖顯示，數(shù)個(gè)二等標(biāo)準(zhǔn)輻照儀的百分比誤差在+-10%，極大誤差達(dá)到了20%。這種程度的誤差確實(shí)非常有爭(zhēng)議，也許這些輻照數(shù)據(jù)已經(jīng)不適合使用。另外，各二等標(biāo)準(zhǔn)輻照儀之間也有顯著的差異。結(jié)果表明需要后續(xù)測(cè)試、維護(hù)甚至是對(duì)這些二等標(biāo)準(zhǔn)輻照儀進(jìn)行校準(zhǔn)以維持其數(shù)據(jù)質(zhì)量水平。

上圖表明，基準(zhǔn)電池組的測(cè)量值不僅維持負(fù)百分比誤差，甚至在早晨還會(huì)出現(xiàn)極大的波動(dòng)。