光伏逆變器負(fù)載率的分析與應(yīng)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(fā)展有限公司 李偉強(qiáng) 李詩洋

隨著光伏發(fā)電成本的不斷降低，以及國家的政策傾斜和財(cái)政支持，光伏發(fā)電行業(yè)實(shí)現(xiàn)了迅猛發(fā)展。截止至2020年底，全國并網(wǎng)太陽能發(fā)電裝機(jī)容量253吉瓦，全年光伏新增裝機(jī)48吉瓦，同比增長24.1%，光伏發(fā)電作為全面實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”的重要支撐，具有廣闊的發(fā)展前景[1]。

新能源光伏電站在規(guī)模不斷提升的同時(shí)，涌現(xiàn)出大量具有指導(dǎo)意義的理論指標(biāo)，如功率離散率、利用小時(shí)數(shù)、能效比、負(fù)荷率和負(fù)載率等。理論指標(biāo)可以從不同角度反映出光伏的發(fā)電性能，許多指標(biāo)仍具有深度分析意義，如逆變器負(fù)載率（LR）的深入應(yīng)用，近年來開始受到國內(nèi)外專家學(xué)者的關(guān)注。研究[2]基于外部環(huán)境溫度和輸入逆變器的負(fù)載率建立了逆變器溫升模型，從而實(shí)現(xiàn)高低溫和不同負(fù)載率下逆變器內(nèi)元器件溫升預(yù)測。研究[3]則將逆變器負(fù)載率作為逆變器效率和電能質(zhì)量測試的指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)，更多地選取逆變器在50%和75%負(fù)載率的轉(zhuǎn)換效率。研究[4]利用傳輸通道負(fù)載率期望評估傳輸通道的負(fù)載率水平，以此判定傳輸通道發(fā)生阻塞的可能性，進(jìn)一步提升光伏消納能力。研究[5]根據(jù)直流端設(shè)備成本率計(jì)算了負(fù)載率從1.0至1.5的逆變器超載損失，并對大型并網(wǎng)光伏電站的逆變器負(fù)載率進(jìn)行了優(yōu)化，使得電站整體發(fā)電能力提升了126%。

不難發(fā)現(xiàn)，目前研究大多以負(fù)載率作為系統(tǒng)測試與評價(jià)的輔助指標(biāo)，或以逆變器負(fù)載率與經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行對比分析，而缺乏對逆變器負(fù)載率的體系化和全面性研究。本文以逆變器負(fù)載率在光伏發(fā)電實(shí)際中的指導(dǎo)意義為出發(fā)點(diǎn)，從運(yùn)行監(jiān)控、設(shè)備管理和系統(tǒng)分析等多個(gè)角度分析負(fù)載率與能效比、設(shè)備運(yùn)行效率、光伏容配比尋優(yōu)和生產(chǎn)管理中的作用，不僅有助于發(fā)現(xiàn)亟待解決的問題，更能進(jìn)一步保證新能源光伏電站穩(wěn)定高效運(yùn)行。

1 逆變器負(fù)載率的指導(dǎo)意義

光伏電站發(fā)電功率曲線特征與輻照度曲線呈正相關(guān)性，晴天午間逆變器往往處于較高負(fù)載率區(qū)間，而其它時(shí)段及非晴天天氣，逆變器則長時(shí)間處于低負(fù)載率狀態(tài)運(yùn)行，分析不同負(fù)載率下的時(shí)間劃分、發(fā)電時(shí)長和發(fā)電量對設(shè)備運(yùn)行監(jiān)控管理和場站運(yùn)維都有著較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

1.1 設(shè)備運(yùn)行監(jiān)控管理和系統(tǒng)分析

低負(fù)載率狀態(tài)下電氣設(shè)備運(yùn)行效率較低，評價(jià)設(shè)備運(yùn)行效率只有在同等負(fù)載率條件下更為科學(xué)和準(zhǔn)確。分析逆變器歷史負(fù)載率還可以精確了解容配比提升帶來的發(fā)電量提升空間，從而更便于計(jì)算超配經(jīng)濟(jì)性以及最優(yōu)容配比方案，實(shí)現(xiàn)“一機(jī)一策”。

從系統(tǒng)分析角度，描述全天隨時(shí)間變動的環(huán)境參數(shù)和技術(shù)參數(shù)（如溫度、濕度、風(fēng)速等）都可按照全天負(fù)載率對應(yīng)的發(fā)電量為權(quán)重進(jìn)行加權(quán)計(jì)算，從而避免簡單的算術(shù)平均帶來的較大誤差。

1.2 場站運(yùn)維和日常生產(chǎn)管理

將光伏發(fā)電站當(dāng)日分鐘級負(fù)載率按設(shè)定區(qū)間歸類，可得各負(fù)載率下的發(fā)電時(shí)長及發(fā)電量，并得出各負(fù)載率發(fā)電量和發(fā)電時(shí)長占比，如圖1（a）和圖1（b）所示。從圖中不難看出，高負(fù)載率時(shí)段內(nèi)的發(fā)電量貢獻(xiàn)最大，低負(fù)載率下發(fā)電時(shí)長雖多，發(fā)電量貢獻(xiàn)卻很小。

圖1 晴天發(fā)電量和發(fā)電時(shí)長分負(fù)載率占比

因此，就場站運(yùn)維角度而言，日常運(yùn)維保養(yǎng)工作若在低負(fù)載率時(shí)段分區(qū)域開展，對電站整體發(fā)電量影響較小，必要的維護(hù)、清洗、消缺、實(shí)驗(yàn)工作可選擇在逆變器未脫網(wǎng)低負(fù)載率時(shí)段開展，既減少夜間照明用電，又有利于保障設(shè)備安全及人身安全。此外，從運(yùn)維KPI考核角度來看，單純考核故障時(shí)長缺乏合理性，而根據(jù)故障時(shí)段的負(fù)載率計(jì)算損失電量則更為精準(zhǔn)有利于光伏電站精細(xì)化管理工作的開展。

2 負(fù)載率計(jì)算和區(qū)間劃分

以逆變器為例，負(fù)載率定義為逆變器輸出功率與裝機(jī)容量之比，如式（1）所示，其計(jì)算并不復(fù)雜，但統(tǒng)計(jì)當(dāng)日不同負(fù)載率下的發(fā)電量和發(fā)電時(shí)長需要巨大的人力資源，利用系統(tǒng)采集到的輸出功率，系統(tǒng)自動對實(shí)時(shí)功率數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，可使負(fù)載率的統(tǒng)計(jì)分類工作得以輕松實(shí)現(xiàn)。首先以分鐘級時(shí)間單位將日發(fā)電時(shí)長劃分為若干區(qū)間，對區(qū)間內(nèi)功率進(jìn)行均值化處理后即可計(jì)算出分鐘級負(fù)載率，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理和展示。典型日負(fù)載率與輻照度曲線如圖2所示，負(fù)載率曲線與輻照度曲線特征高度重合。

圖2 典型日負(fù)載率與輻照度曲線 圖3 分負(fù)載率平均效率分布

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

負(fù)載率的區(qū)間劃分可任意分檔，在進(jìn)行逆變器效率分析時(shí)建議保持與《光伏并網(wǎng)逆變器技術(shù)規(guī)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(jìn)行“中國效率”的計(jì)算。若需進(jìn)行負(fù)載率的其它應(yīng)用，可根據(jù)需求自行劃分。

3 基于負(fù)載率的電站能效比PR分析

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

目前現(xiàn)場組件運(yùn)行溫度的確定有實(shí)測法、估算法、實(shí)測加計(jì)算修正，如《光伏發(fā)電站現(xiàn)場組件檢測規(guī)程》[7]和《并網(wǎng)光伏電站性能檢測與質(zhì)量評估技術(shù)規(guī)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(rèn)某個(gè)短時(shí)區(qū)間內(nèi)的數(shù)值，隨著工作狀態(tài)的波動，組件實(shí)際溫度出現(xiàn)較大的波動。根據(jù)《光伏發(fā)電系統(tǒng)效能規(guī)范》[9]計(jì)算PR需確認(rèn)周期內(nèi)組件運(yùn)行溫度Tmod，n，若簡單對區(qū)間內(nèi)所有數(shù)值的算術(shù)平均，更多考慮時(shí)間的影響，忽略了發(fā)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(yùn)行的周期內(nèi)所有溫度數(shù)值按照負(fù)載率劃分為若干區(qū)間，對區(qū)間內(nèi)數(shù)值進(jìn)行均值化處理，再以該區(qū)間發(fā)電量為權(quán)重進(jìn)行加權(quán)平均計(jì)算，可增加發(fā)電量高的區(qū)間內(nèi)溫度數(shù)值比重，所得數(shù)值更為合理。

算術(shù)平均計(jì)算方法下夏末初秋季節(jié)某日組件日平均溫度為42.26℃，根據(jù)式（2）和式（3）加權(quán)計(jì)算得到對應(yīng)溫度則為47.61℃，二者相差11.2%。

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

分負(fù)載率溫度分布以不同負(fù)載率下發(fā)電量百分比為權(quán)重計(jì)算當(dāng)日加權(quán)平均溫度，更符合實(shí)際運(yùn)行情況，也更為合理準(zhǔn)確，PR分析具有更高可信度。

對應(yīng)于PR分析中所需的其它環(huán)境參數(shù)比如環(huán)境溫度、濕度、風(fēng)速等參數(shù)取值也應(yīng)采用實(shí)際工作狀態(tài)下的加權(quán)平均數(shù)據(jù)。本節(jié)所述方案針適用于全站逆變器規(guī)格一致，若場站逆變器存在多種規(guī)格或多種容配比，方案需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。

4 基于負(fù)載率的設(shè)備運(yùn)行效率分析

設(shè)備運(yùn)行效率是衡量逆變器性能的重要指標(biāo)，通過監(jiān)控逆變器運(yùn)行效率，有助于管理人員了解設(shè)備健康狀態(tài)。以光伏逆變器為例逆變器低負(fù)荷運(yùn)行下逆變效率偏低。按照工信部《光伏制造行業(yè)規(guī)范條件（2021年本）》要求[10]，含變壓器型的光伏逆變器中國加權(quán)效率不得低于96.5%，不含變壓器型的光伏逆變器中國加權(quán)效率不得低于98%（單相二級拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的光伏逆變器相關(guān)指標(biāo)分別不低于94.5%和97.3%），微型逆變器相關(guān)指標(biāo)分別不低于95%和95.5%。由于中國效率為長周期運(yùn)行的總體效率，低負(fù)荷狀態(tài)下其效率會有所下降，因此單純地監(jiān)控逆變器實(shí)時(shí)效率而不考慮負(fù)載率缺乏科學(xué)性。

在逆變器運(yùn)行過程中易觀察到，不同負(fù)載率下逆變器運(yùn)行效率波動明顯，較佳的方案是對日負(fù)載率進(jìn)行分檔處理以消除該影響。首先，對每檔負(fù)載率的逆變器運(yùn)行效率進(jìn)行均值化和缺失數(shù)據(jù)插值補(bǔ)缺處理，然后歸類至各負(fù)載率數(shù)據(jù)集，達(dá)到多層次更為精準(zhǔn)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(fù)載率下的效率分布如圖3所示，在記錄時(shí)間內(nèi)的平均效率分別為94.56%、96.01%、97.58%和98.21%，顯然，逆變器負(fù)載率與其運(yùn)行效率呈正相關(guān)關(guān)系，且負(fù)載率越低，效率波動范圍越大。通過對相同負(fù)載率下逆變器效率的觀察和分析，有助于掌握設(shè)備實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)。

5 基于負(fù)載率的容配比分析

光伏組件使用一段時(shí)間后，其輸出功率難以達(dá)到標(biāo)稱功率，加上光伏發(fā)電自身特性，若逆變器容量與直流裝機(jī)容量保持一致，則使逆變器在多數(shù)運(yùn)行工作時(shí)間內(nèi)無法達(dá)到滿負(fù)荷狀態(tài)，這就為光伏的直流側(cè)超配提供了空間，最優(yōu)容配比的選取就是關(guān)鍵。

現(xiàn)有增發(fā)電量計(jì)算方法需考慮復(fù)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(lián)損失和逆變器功耗等，且難以考慮到運(yùn)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(jié)針對的存量電站技術(shù)改造與效益提升，以逆變器負(fù)載率大數(shù)據(jù)分析為基礎(chǔ)，改進(jìn)超配發(fā)電量的計(jì)算方法，能大幅降低計(jì)算復(fù)雜度，同時(shí)可保證更高的準(zhǔn)確度。

該方法能夠涵蓋輻照不足、組件衰減、串并聯(lián)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(jì)算復(fù)雜度，提升了計(jì)算精確度；同時(shí)，利用大數(shù)據(jù)分析，對涉及逆變器進(jìn)行差異化負(fù)載率分級，且根據(jù)管理者需求和MPPT接入組串?dāng)?shù)量執(zhí)行超配策略，實(shí)現(xiàn)不同逆變器的個(gè)性化超配方案，為存量電站提升經(jīng)濟(jì)效益提供有力指導(dǎo)。本節(jié)提供的是忽略組件衰減影響、逆變器允許超發(fā)功率的相對簡潔方案，需要考慮這部分的影響只需對個(gè)別參數(shù)進(jìn)行微調(diào)就能實(shí)現(xiàn)。

綜上，本文以分析逆變器負(fù)載率的實(shí)際指導(dǎo)意義為目標(biāo)，以數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)為支撐，闡明了在實(shí)際應(yīng)用中負(fù)載率區(qū)間劃分的重要性和賦權(quán)計(jì)算的合理性，為設(shè)備運(yùn)行效率和電站能效比PR分析提供了合理的技術(shù)方案。針對存量電站效益提升，提出基于負(fù)載率的增發(fā)電量計(jì)算模型，凸顯了計(jì)算復(fù)雜度低和計(jì)算精確度高的優(yōu)勢。本研究對于光伏逆變器負(fù)載率的深入分析與應(yīng)用研究，為光伏發(fā)電的精細(xì)化管理工作提供了理論和實(shí)踐指導(dǎo)，在指導(dǎo)運(yùn)維日常工作上有著不可替代的作用。本文負(fù)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(jià)值。