基于PVsyst軟件模擬發電量數據的光伏電站電能損耗的分析方法研究

楊俊虎 郭晨彪 丁曉霞

摘 要：電能損耗是光伏電站非常重要的綜合性指標，對其進行分析可以為光伏電站能效管理提供數據支持。在電能損耗的計算過程中，最大負荷損耗小時數的選取非常關鍵。提出了一種基于PVsyst軟件模擬所得的發電量數據來分析光伏電站電能損耗的方法，結合工程實際情況給出了精確計算年最大負荷損耗小時數的改進算法數學模型，并對采用不同算法得到的年最大負荷損耗小時數進行了比較分析；以山西省大同市鴉兒崖鄉100 MW光伏電站為算例，對其電氣設備及線纜的電能損耗進行詳細分析，驗證了所提出光伏電站電能損耗分析方法的正確性。研究結果表明：1）由于光伏電站容配比的影響，應分別計算光伏電站直流側和交流側的年最大負荷損耗小時數，直流側和交流側的電能損耗也需要分別計算。2）該方法基于PVsyst軟件模擬得到的光伏電站全年各小時的發電量數據，可準確計算出光伏電站的年最大負荷損耗小時數，在數學邏輯上合理，可以提高光伏電站電能損耗計算的準確度。該方法也可應用于其他實際運行的發電項目的電能損耗分析。

關鍵詞：光伏電站；最大負荷利用小時數；最大負荷損耗小時數；電能損耗；發電量；直流側；交流側；PVsyst軟件

中圖分類號：TM615 文獻標志碼：A

0? 引言

光伏發電的發電過程無污染、無廢棄物，作為一種新能源發電技術已經在世界范圍內得到廣泛應用。光伏組件的標稱功率（即峰值功率）是指光伏組件在標準測試條件（STC，即AM1.5、太陽輻照度為1000 W/m2、工作溫度為25 ℃）下的輸出功率，隨著季節和天氣的變化，太陽輻照度和環境溫度不斷變化，光伏組件的輸出功率也會不斷變化。

電能損耗是光伏電站非常重要的綜合性指標，與光伏電站的綜合效率息息相關。與常規電網電能損耗的計算方式不同，由于光伏組件只在白天發電，且發電具有波動性大、穩定性差的特點，導致光伏電站內各電纜、架空線路、變壓器等輸出的功率也具有相同特點，因此其電能損耗計算應該考慮這些因素的影響。光伏電站的電能損耗除了變壓器類、線路類的電能損耗外，還包括逆變器、靜止無功發生器（SVG）等設備的電能損耗。

工程中的電網線路和變壓器的年電能損耗計算通常需利用最大負荷損耗小時數來計算。《電力工程設計手冊24：電力系統規劃設計》[1]（下文簡稱為“《手冊》”）中推薦的電能損耗計算方法（下文簡稱為“《手冊》算法”）在工程中得到了廣泛應用。《手冊》算法首先計算最大負荷時的功率損耗ΔPmax，然后根據最大負荷利用小時數Tmax與功率因數cosφ，通過從《手冊》中查表或利用插值計算，得到最大負荷損耗小時數τ。電能損耗ΔW的計算式可表示為：

ΔW=ΔPmaxτ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

以最大負荷損耗小時數的方法計算電能損耗的關鍵是最大負荷損耗小時數的計算和選取。而《手冊》算法給出的最大負荷損耗小時數與功率因數的函數關系在物理概念上不夠清晰，在數學上也論據不足[2]；另外，《手冊》中給出的最大負荷損耗小時數與最大負荷利用小時數和功率因數的關系數據是基于火力發電、水力發電等常規能源發電方式得到的經驗數據，并不適用于光伏電站的電能損耗計算。

DL/T 985—2012《配電變壓器能效技術經濟評價導則》[3]的附錄A對最大負荷損耗小時數的取值方法進行了改進（下文簡稱為“DL/T 985—2012算法”），考慮了最大持續時間、低谷負載率、高峰負載率等因素產生的影響。但若用該方法計算光伏電站的電能損耗，采用的最大負荷損耗小時數通常取值為最大負荷利用小時數，顯然誤差較大。

PVsyst軟件是一款權威的光伏發電系統建模與仿真軟件，得到了業界人士的認可和推崇，采用該軟件可以模擬計算出光伏電站全年各小時的發電量數據。本文提出一種基于PVsyst軟件模擬發電量數據來分析光伏電站電能損耗的方法，并給出計算年最大負荷損耗小時數的改進算法數學模型；對采用不同算法得到的年最大負荷損耗小時數進行比較分析；以山西省大同市鴉兒崖鄉100 MW光伏電站為算例，對其電氣設備及線纜的電能損耗進行詳細分析，以驗證所提出光伏電站電能損耗分析方法的正確性。

1? 改進算法數學模型分析

線路的電能損耗ΔWL的計算式可表示為：

ΔWL= S2? Rdt= S2max Rτ =ΔPL，maxτ? ? ? ? ? ? ?（2）

V2? ? ? ? ? ? V2

式中：S為線路輸出的視在功率，MVA；V為線路的線電壓，kV；R為線路的電阻，Ω；Smax為線路的最大負荷視在功率，MVA；ΔPL，max為線路最大負荷時的有功功率損耗，MW；t為時間，h。

假設線路輸出的視在功率一直保持為最大負荷視在功率，則線路在τ小時內的能量損耗等于線路全年實際的電能損耗，此時稱τ為年最大負荷損耗小時數。假定線路的線電壓恒定不變，可得到年最大負荷損耗小時數的計算式[4]為：

τ =S 2dt? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

S2max

從式（3）可以看出：年最大負荷損耗小時數與線路輸出的視在功率負荷曲線的形狀和線路的最大負荷視在功率有關。

可以將式（3）改寫為：

τ = S2avi? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

S2h

式中：Savi為全年各小時線路輸出的視在功率平均值，MVA；Sh為光伏電站的安裝容量或額定容量，MW；i為1年中第i個小時。

應用PVsyst軟件對光伏電站發電量進行模擬計算時，可以得出光伏電站1年中各小時的發電量，即得到8760個數據，此時可應用式（4）計算光伏電站的年最大負荷損耗小時數。

光伏電站安裝的光伏組件標稱功率之和稱為光伏電站安裝容量，逆變器的額定有功功率之和稱為光伏電站額定容量，安裝容量和額定容量之比為光伏電站的容配比。適當調整容配比可以降低光伏電站的平準化度電成本（LCOE），提高其收益率。但是由于光伏電站的容配比通常不是1：1，會造成光伏電站安裝容量與額定容量的數值不相等，因此，光伏電站直流側和交流側的電能損耗應當分別計算，計算過程中的最大負荷時的功率損耗應與年最大負荷損耗小時數對應。

分別計算光伏電站直流側和交流側的年最大負荷損耗小時數。光伏電站直流側的電能損耗僅包括直流線纜的電能損耗，采用光伏組件標稱功率對應的工作電流計算直流側最大負荷時的功率損耗ΔPmax，1，因此相應的直流側年最大負荷損耗小時數τ1應以直流側安裝容量為基準進行計算。光伏電站交流側線纜、變壓器等均以所接逆變器的額定有功功率之和或額定功率對應的電流計算交流側最大負荷時的功率損耗ΔPmax，2，因此交流側的年最大負荷損耗小時數τ2應以交流側額定容量為基準進行計算。

直流側年最大負荷損耗小時數和交流側年最大負荷損耗小時數的計算式分別為：

τ1 =S2avi? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（5）

S2ha

τ2 = S2avi? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（6）

S2he

式中：Sha為光伏電站直流側的安裝容量，MW；She為光伏電站交流側的額定容量，MW。

2? 年最大負荷損耗小時數的算法比較分析

以山西省大同地區、太原地區和運城地區的光伏電站為例，分別采用《手冊》算法、DL/T 985—2012算法和改進算法計算光伏電站的年最大負荷損耗小時數，并對不同算法得到的計算結果進行分析，計算過程中各光伏電站的容配比均按照1.2：1設置。不同算法計算得到的3個地區光伏電站的年最大負荷損耗小時數如表1所示。

對表1數據進行分析后可以看出：采用不同算法計算得到的各光伏電站年最大負荷損耗小時數的值相差甚遠，這些差別會直接影響光伏電站電能損耗的計算結果。由于容配比不等于1：1，改進算法得到的直流側年最大負荷損耗小時數和交流側年最大負荷損耗小時數的值也存在很大差別，說明計算光伏電站電能損耗時有必要分別采用直流側和交流側的年最大負荷損耗小時數進行計算，改進算法比其他兩種算法的結果更準確。

3? 光伏電站電能損耗的計算步驟

本文提出的基于PVsyst軟件模擬發電量數據來分析光伏電站電能損耗的方法的計算步驟可以總結為以下6個步驟：

1）根據光伏電站直流側安裝容量、交流側額定容量等信息，應用PVsyst軟件模擬計算光伏電站全年各小時的發電量數據；

2）應用式（5）和式（6）分別計算直流側和交流側的年最大負荷損耗小時數；

3）將直流側的年最大負荷損耗小時數代入相關公式計算光伏電站直流線纜的電能損耗；

4）將交流側年最大負荷損耗小時數代入相關公式計算光伏電站交流線纜的電能損耗、箱式變壓器的電能損耗、主變壓器的電能損耗、電抗器的電能損耗等；

5）計算逆變器、無功補償裝置、輔助系統等的電能損耗；

6）將得到的所有數據匯總，對電能損耗指標等進行分析。

4? 算例分析

4.1? 工程概況

以山西省大同市鴉兒崖鄉100 MW光伏電站為算例，對本文提出的基于PVsyst軟件模擬發電量數據來分析光伏電站電能損耗的方法進行驗證。

該光伏電站的直流側安裝容量為100.7 MW，交流側額定容量為99.2 MW；采用合肥晶澳太陽能科技有限公司生產的標稱功率為310 W的光伏組件及錦州陽光能源有限公司生產的標稱功率為310 W的光伏組件。建設有1座110 kV升壓站，站內主要耗能設備為主變壓器、站用變壓器、SVG，以及輔助系統。

光伏場區的主要耗能設備為逆變器、箱式變壓器、集散式箱逆變一體機及線纜。采用陽光電源股份有限公司生產的SG80BF型組串式逆變器，特變電工股份有限公司生產的S11-1700/37箱式變壓器，上能電氣股份有限公司生產的CP-2000-B-0D/35/2×1000型集散式箱逆變一體機。

該光伏電站的主要耗能電氣設備、線纜參數及工程量如表2所示，忽略直流匯流箱的電能損耗。

4.2? 年最大負荷損耗小時數的確定

根據現場收資，該光伏電站的首年等效利用小時數為1668 h。采用PVsyst軟件模擬光伏電站的發電量和年等效利用小時數。為了保證計算結果與工程實際情況的可比性，需保證PVsyst軟件模擬的年等效利用小時數與收資情況一致。根據式（5）、式（6），可計算得到直流側年最大負荷損耗小時數為992.6 h，交流側年最大負荷損耗小時數為1022.9 h。

4.3? 光伏電站用電工序中的電能損耗分析

4.3.1? 逆變器的電能損耗計算

逆變器的電能損耗計算式可表示為：

ΔWN=Q（1–η）+NPN（8760–Tm）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（7）

式中：ΔWN為逆變器的年耗電量，kWh；Q為逆變器直流進線的總電量，即光伏組件發電量減去直流線纜電能損耗，kWh；η為逆變器滿負荷運行時的效率，%；PN為單臺逆變器待機時的自耗電功率，kW；Tm為項目所在地的年日照時數，h；N為逆變器的總數量，臺。

該光伏電站采用的是組串式逆變器，逆變器滿負荷運行時的效率按98%計算（該效率值已計及其工作時的自耗電），單臺待機時的自耗電功率按1 W計算；項目所在地的年日照時數為2728 h。根據式（7），可計算得到該光伏電站組串式逆變器的年電能損耗約為43.742萬kWh。

4.3.2? 箱式變壓器和主變壓器的電能損耗計算

箱式變壓器和主變壓器的電能損耗ΔWT的計算式可表示為：

ΔWT=?P0t +?Pk? ?Sc? ?2τ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（8）

式中：?P0為變壓器的空載有功損耗，kW；?Pk為變壓器的短路有功損耗，kW；Sc為變壓器的計算負荷，kVA；Sr為變壓器的額定容量，kVA。此時τ的取值為交流側年最大負荷損耗小時數（即τ2值）。

4.3.3? 光伏電站線纜的電能損耗計算

光伏電站線纜的電能損耗按式（1）計算。計算直流線纜電能損耗時，年最大負荷損耗小時數取直流側年最大負荷損耗小時數（即τ1值），對應的線路最大負荷時的有功功率損耗根據光伏組件峰值功率對應的工作電流計算。計算交流線纜電能損耗時，年最大負荷損耗小時數取交流側年最大負荷損耗小時數（即τ2值），對應的線路最大負荷時的有功功率損耗根據逆變器的額定工作電流計算。

4.3.4? SVG的電能損耗計算

SVG的功率損耗包括通態損耗、開關損耗、短態漏電流損耗和驅動損耗；SVG的功率損耗與其補償的功率成正比，近似呈線性關系[5]。SVG運行時的功率損耗在0.8%以下[6]。

SVG的電能損耗ΔWSVG計算式可表示為：

ΔWSVG=SSVG·0.8%·T·103? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （9）

式中：SSVG為SVG的平均補償容量，Mvar；T為SVG的工作時長，h。

該光伏電站安裝了1套容量為±25 Mvar的SVG，可滿足電網-5～25 Mvar無功補償的要求。

SVG的電能損耗包括發容性無功和發感性無功所產生的總電能損耗，白天光伏電站發電時，SVG發容性無功，無功補償裝置的運行時間取最大負荷利用小時數（即首年等效利用小時數，為1668 h），平均功率取12.5 Mvar，此階段SVG的電能損耗約為16.680萬kWh；晚上光伏電站不發電時，SVG發感性無功，無功補償裝置的運行時間為全年小時數（8760 h）減去項目所在地的年日照時數（2728 h），即6032 h，平均功率取-2.5 Mvar，此階段SVG的電能損耗約為12.064萬kWh。綜合計算，SVG的總電能損耗為28.744萬kWh。

4.3.5? 輔助系統的電能損耗計算

輔助系統包括站用變壓器，升壓站的采暖設備、空調、照明系統，以及站用電其他負荷。

升壓站采暖設備的年耗電量為3.56萬kWh，空調的年耗電量為3.98萬kWh，照明系統的年耗電量為0.58萬kWh；不間斷電源（UPS）、直流電源、水泵、廚房、熱水器等站用電其他負荷的電能損耗總量為27.19萬kWh。綜合計算，輔助系統的總電能損耗為35.31萬kWh。

4.4? 光伏電站的電能損耗統計

根據前文公式，計算該100 MW光伏電站在正常運行年份時的電氣設備及線纜的電能損耗，結果如表3所示。

現場收資的實測數據只針對逆變器之后用電工序的數據進行了記錄。在計算綜合場用電量時，統計表3中的第3～8項電能損耗值，合計為1027.453萬kWh，占理論發電量的5.76%。該光伏電站的現場收資結果為平均綜合場用電率為6.15%，最大綜合場用電率為7.80%，最小綜合場用電率為5.43%，與計算值基本一致。

5? 結論

電網線路和變壓器的電能損耗計算過程中，最大負荷損耗小時數的選取非常關鍵。《電力工程設計手冊24：電力系統規劃設計》給出的算法和DL/T 985—2012給出的算法均不適用于光伏電站最大負荷損耗小時數的計算。本文提出一種基于PVsyst軟件模擬發電量數據來分析光伏電站電能損耗的方法，并給出了計算年最大負荷損耗小時數的改進算法數學模型；對采用不同算法得到的年最大負荷損耗小時數進行了比較分析；以山西省大同市鴉兒崖鄉100 MW光伏電站為算例，對其電氣設備及線纜的電能損耗進行詳細分析，驗證了所提出光伏電站電能損耗分析方法的正確性。研究得出以下結論：

1）由于光伏電站容配比的影響，該方法提出應分別計算光伏電站直流側和交流側的年最大負荷損耗小時數，直流側和交流側的電能損耗也需要分別計算。

2）該方法結合PVsyst軟件模擬得到的光伏電站全年各小時的發電量數據，可準確計算出光伏電站的年最大負荷損耗小時數，在數學邏輯上合理，可以提高計算光伏電站電能損耗的準確度。該方法運用excel等計算工具，計算方案簡單可行。

另外，本文提出的方法同樣適用于風力發電項目的電能損耗計算，只要能夠模擬計算出1年8760 h中各小時的發電量數據即可。對于實際運行的發電項目，只要能夠完整記錄1年中各小時的發電量數據，均可采用本文提出的方法進行項目的電能損耗計算。

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