光伏逆變器負載率的分析與應用研究

上海電力能源科技有限公司 熊偉銘 莫 裘 呂志鋼 上海霖石科技發展有限公司 李偉強 李詩洋

隨著光伏發電成本的不斷降低，以及國家的政策傾斜和財政支持，光伏發電行業實現了迅猛發展。截止至2020年底，全國并網太陽能發電裝機容量253吉瓦，全年光伏新增裝機48吉瓦，同比增長24.1%，光伏發電作為全面實現“碳達峰、碳中和”的重要支撐，具有廣闊的發展前景[1]。

新能源光伏電站在規模不斷提升的同時，涌現出大量具有指導意義的理論指標，如功率離散率、利用小時數、能效比、負荷率和負載率等。理論指標可以從不同角度反映出光伏的發電性能，許多指標仍具有深度分析意義，如逆變器負載率（LR）的深入應用，近年來開始受到國內外專家學者的關注。研究[2]基于外部環境溫度和輸入逆變器的負載率建立了逆變器溫升模型，從而實現高低溫和不同負載率下逆變器內元器件溫升預測。研究[3]則將逆變器負載率作為逆變器效率和電能質量測試的指導標準，更多地選取逆變器在50%和75%負載率的轉換效率。研究[4]利用傳輸通道負載率期望評估傳輸通道的負載率水平，以此判定傳輸通道發生阻塞的可能性，進一步提升光伏消納能力。研究[5]根據直流端設備成本率計算了負載率從1.0至1.5的逆變器超載損失，并對大型并網光伏電站的逆變器負載率進行了優化，使得電站整體發電能力提升了126%。

不難發現，目前研究大多以負載率作為系統測試與評價的輔助指標，或以逆變器負載率與經濟性進行對比分析，而缺乏對逆變器負載率的體系化和全面性研究。本文以逆變器負載率在光伏發電實際中的指導意義為出發點，從運行監控、設備管理和系統分析等多個角度分析負載率與能效比、設備運行效率、光伏容配比尋優和生產管理中的作用，不僅有助于發現亟待解決的問題，更能進一步保證新能源光伏電站穩定高效運行。

1 逆變器負載率的指導意義

光伏電站發電功率曲線特征與輻照度曲線呈正相關性，晴天午間逆變器往往處于較高負載率區間，而其它時段及非晴天天氣，逆變器則長時間處于低負載率狀態運行，分析不同負載率下的時間劃分、發電時長和發電量對設備運行監控管理和場站運維都有著較強的指導意義。

1.1 設備運行監控管理和系統分析

低負載率狀態下電氣設備運行效率較低，評價設備運行效率只有在同等負載率條件下更為科學和準確。分析逆變器歷史負載率還可以精確了解容配比提升帶來的發電量提升空間，從而更便于計算超配經濟性以及最優容配比方案，實現“一機一策”。

從系統分析角度，描述全天隨時間變動的環境參數和技術參數（如溫度、濕度、風速等）都可按照全天負載率對應的發電量為權重進行加權計算，從而避免簡單的算術平均帶來的較大誤差。

1.2 場站運維和日常生產管理

將光伏發電站當日分鐘級負載率按設定區間歸類，可得各負載率下的發電時長及發電量，并得出各負載率發電量和發電時長占比，如圖1（a）和圖1（b）所示。從圖中不難看出，高負載率時段內的發電量貢獻最大，低負載率下發電時長雖多，發電量貢獻卻很小。

圖1 晴天發電量和發電時長分負載率占比

因此，就場站運維角度而言，日常運維保養工作若在低負載率時段分區域開展，對電站整體發電量影響較小，必要的維護、清洗、消缺、實驗工作可選擇在逆變器未脫網低負載率時段開展，既減少夜間照明用電，又有利于保障設備安全及人身安全。此外，從運維KPI考核角度來看，單純考核故障時長缺乏合理性，而根據故障時段的負載率計算損失電量則更為精準有利于光伏電站精細化管理工作的開展。

2 負載率計算和區間劃分

以逆變器為例，負載率定義為逆變器輸出功率與裝機容量之比，如式（1）所示，其計算并不復雜，但統計當日不同負載率下的發電量和發電時長需要巨大的人力資源，利用系統采集到的輸出功率，系統自動對實時功率數據進行計算，可使負載率的統計分類工作得以輕松實現。首先以分鐘級時間單位將日發電時長劃分為若干區間，對區間內功率進行均值化處理后即可計算出分鐘級負載率，實現數據實時處理和展示。典型日負載率與輻照度曲線如圖2所示，負載率曲線與輻照度曲線特征高度重合。

圖2 典型日負載率與輻照度曲線 圖3 分負載率平均效率分布

式中，LR為逆變器負載率（%）；Pac為逆變器輸出功率（kW）；ACip為逆變器額定容量（kWp）。

負載率的區間劃分可任意分檔，在進行逆變器效率分析時建議保持與《光伏并網逆變器技術規范》[6]一致的分檔要求，即5%、10%、20%、25%、30%、50%、75%和100%八檔，也便于進行“中國效率”的計算。若需進行負載率的其它應用，可根據需求自行劃分。

3 基于負載率的電站能效比PR分析

PR損失構成主要分為：光能損失（占比約1%）、直流側損失（占比約15%）、交流側損失（占比約4%）和其它損失（占比約2%）。其中，直流側損失中光伏組件溫升損失占比最大，約占直流側損失的50%。目前PR的溫度指標是以現場組件運行溫度Tmod，n為指標，但實際組件溫度有明顯的波動區間，選取合理的有代表性的Tmod，n在現有的PR分析中顯得十分重要。

目前現場組件運行溫度的確定有實測法、估算法、實測加計算修正，如《光伏發電站現場組件檢測規程》[7]和《并網光伏電站性能檢測與質量評估技術規范》[8]中提及的溫度測量及修正方案，但以上方案僅適用于確認某個短時區間內的數值，隨著工作狀態的波動，組件實際溫度出現較大的波動。根據《光伏發電系統效能規范》[9]計算PR需確認周期內組件運行溫度Tmod，n，若簡單對區間內所有數值的算術平均，更多考慮時間的影響，忽略了發電量的影響，誤差顯然較大。因此，更合理的處理方法是將組件運行的周期內所有溫度數值按照負載率劃分為若干區間，對區間內數值進行均值化處理，再以該區間發電量為權重進行加權平均計算，可增加發電量高的區間內溫度數值比重，所得數值更為合理。

算術平均計算方法下夏末初秋季節某日組件日平均溫度為42.26℃，根據式（2）和式（3）加權計算得到對應溫度則為47.61℃，二者相差11.2%。

其中，Tmod，i為逆變器i對應的周期內光伏組件運行溫度（℃）；Tcell，1至Tcell，7分別為逆變器i在5%至100%負載率區間的平均組件運行溫度（℃）；η5%至η100%分別為逆變器i在負載率區間為5%至100%的占比（%）；Tmod，n為場站周期內光伏組件運行溫度（℃）；m為場站逆變器總數（臺）。

分負載率溫度分布以不同負載率下發電量百分比為權重計算當日加權平均溫度，更符合實際運行情況，也更為合理準確，PR分析具有更高可信度。

對應于PR分析中所需的其它環境參數比如環境溫度、濕度、風速等參數取值也應采用實際工作狀態下的加權平均數據。本節所述方案針適用于全站逆變器規格一致，若場站逆變器存在多種規格或多種容配比，方案需要根據實際情況進行調整。

4 基于負載率的設備運行效率分析

設備運行效率是衡量逆變器性能的重要指標，通過監控逆變器運行效率，有助于管理人員了解設備健康狀態。以光伏逆變器為例逆變器低負荷運行下逆變效率偏低。按照工信部《光伏制造行業規范條件（2021年本）》要求[10]，含變壓器型的光伏逆變器中國加權效率不得低于96.5%，不含變壓器型的光伏逆變器中國加權效率不得低于98%（單相二級拓撲結構的光伏逆變器相關指標分別不低于94.5%和97.3%），微型逆變器相關指標分別不低于95%和95.5%。由于中國效率為長周期運行的總體效率，低負荷狀態下其效率會有所下降，因此單純地監控逆變器實時效率而不考慮負載率缺乏科學性。

在逆變器運行過程中易觀察到，不同負載率下逆變器運行效率波動明顯，較佳的方案是對日負載率進行分檔處理以消除該影響。首先，對每檔負載率的逆變器運行效率進行均值化和缺失數據插值補缺處理，然后歸類至各負載率數據集，達到多層次更為精準的分析效果。2021年11月中下旬某逆變器在0-5%、5-10%、10-20%和50-75%負載率下的效率分布如圖3所示，在記錄時間內的平均效率分別為94.56%、96.01%、97.58%和98.21%，顯然，逆變器負載率與其運行效率呈正相關關系，且負載率越低，效率波動范圍越大。通過對相同負載率下逆變器效率的觀察和分析，有助于掌握設備實際運行狀態。

5 基于負載率的容配比分析

光伏組件使用一段時間后，其輸出功率難以達到標稱功率，加上光伏發電自身特性，若逆變器容量與直流裝機容量保持一致，則使逆變器在多數運行工作時間內無法達到滿負荷狀態，這就為光伏的直流側超配提供了空間，最優容配比的選取就是關鍵。

現有增發電量計算方法需考慮復雜多樣的影響因素，如組件安裝朝向、傾角、輻照度、組件衰減、直流線損、串并聯損失和逆變器功耗等，且難以考慮到運行過程中組件的損壞、更換、遮擋和清洗等諸多不確定性因素。本節針對的存量電站技術改造與效益提升，以逆變器負載率大數據分析為基礎，改進超配發電量的計算方法，能大幅降低計算復雜度，同時可保證更高的準確度。

該方法能夠涵蓋輻照不足、組件衰減、串并聯損失、直流線損以及組件的損壞、更換、遮擋和清洗等一系列不確定因素，降低了計算復雜度，提升了計算精確度；同時，利用大數據分析，對涉及逆變器進行差異化負載率分級，且根據管理者需求和MPPT接入組串數量執行超配策略，實現不同逆變器的個性化超配方案，為存量電站提升經濟效益提供有力指導。本節提供的是忽略組件衰減影響、逆變器允許超發功率的相對簡潔方案，需要考慮這部分的影響只需對個別參數進行微調就能實現。

綜上，本文以分析逆變器負載率的實際指導意義為目標，以數據采集和分析系統為支撐，闡明了在實際應用中負載率區間劃分的重要性和賦權計算的合理性，為設備運行效率和電站能效比PR分析提供了合理的技術方案。針對存量電站效益提升，提出基于負載率的增發電量計算模型，凸顯了計算復雜度低和計算精確度高的優勢。本研究對于光伏逆變器負載率的深入分析與應用研究，為光伏發電的精細化管理工作提供了理論和實踐指導，在指導運維日常工作上有著不可替代的作用。本文負載率以組串式逆變器為分析對象，對集中式逆變器的分析有同等參考價值。