上海电力能源科技有限公司 熊伟铭 莫 裘 吕志钢 上海霖石科技发展有限公司 李伟强 李诗洋

随着光伏发电成本的不断降低，以及国家的政策倾斜和财政支持，光伏发电行业实现了迅猛发展。截止至2020年底，全国并网太阳能发电装机容量253吉瓦，全年光伏新增装机48吉瓦，同比增长24.1%，光伏发电作为全面实现“碳达峰、碳中和”的重要支撑，具有广阔的发展前景[1]。

新能源光伏电站在规模不断提升的同时，涌现出大量具有指导意义的理论指标，如功率离散率、利用小时数、能效比、负荷率和负载率等。理论指标可以从不同角度反映出光伏的发电性能，许多指标仍具有深度分析意义，如逆变器负载率（LR）的深入应用，近年来开始受到国内外专家学者的关注。研究[2]基于外部环境温度和输入逆变器的负载率建立了逆变器温升模型，从而实现高低温和不同负载率下逆变器内元器件温升预测。研究[3]则将逆变器负载率作为逆变器效率和电能质量测试的指导标准，更多地选取逆变器在50%和75%负载率的转换效率。研究[4]利用传输通道负载率期望评估传输通道的负载率水平，以此判定传输通道发生阻塞的可能性，进一步提升光伏消纳能力。研究[5]根据直流端设备成本率计算了负载率从1.0至1.5的逆变器超载损失，并对大型并网光伏电站的逆变器负载率进行了优化，使得电站整体发电能力提升了126%。

不难发现，目前研究大多以负载率作为系统测试与评价的辅助指标，或以逆变器负载率与经济性进行对比分析，而缺乏对逆变器负载率的体系化和全面性研究。本文以逆变器负载率在光伏发电实际中的指导意义为出发点，从运行监控、设备管理和系统分析等多个角度分析负载率与能效比、设备运行效率、光伏容配比寻优和生产管理中的作用，不仅有助于发现亟待解决的问题，更能进一步保证新能源光伏电站稳定高效运行。

1 逆变器负载率的指导意义

光伏电站发电功率曲线特征与辐照度曲线呈正相关性，晴天午间逆变器往往处于较高负载率区间，而其它时段及非晴天天气，逆变器则长时间处于低负载率状态运行，分析不同负载率下的时间划分、发电时长和发电量对设备运行监控管理和场站运维都有着较强的指导意义。

1.1 设备运行监控管理和系统分析

低负载率状态下电气设备运行效率较低，评价设备运行效率只有在同等负载率条件下更为科学和准确。分析逆变器历史负载率还可以精确了解容配比提升带来的发电量提升空间，从而更便于计算超配经济性以及最优容配比方案，实现“一机一策”。

从系统分析角度，描述全天随时间变动的环境参数和技术参数（如温度、湿度、风速等）都可按照全天负载率对应的发电量为权重进行加权计算，从而避免简单的算术平均带来的较大误差。

1.2 场站运维和日常生产管理

将光伏发电站当日分钟级负载率按设定区间归类，可得各负载率下的发电时长及发电量，并得出各负载率发电量和发电时长占比，如图1（a）和图1（b）所示。从图中不难看出，高负载率时段内的发电量贡献最大，低负载率下发电时长虽多，发电量贡献却很小。

图1 晴天发电量和发电时长分负载率占比

因此，就场站运维角度而言，日常运维保养工作若在低负载率时段分区域开展，对电站整体发电量影响较小，必要的维护、清洗、消缺、实验工作可选择在逆变器未脱网低负载率时段开展，既减少夜间照明用电，又有利于保障设备安全及人身安全。此外，从运维KPI考核角度来看，单纯考核故障时长缺乏合理性，而根据故障时段的负载率计算损失电量则更为精准有利于光伏电站精细化管理工作的开展。

2 负载率计算和区间划分

以逆变器为例，负载率定义为逆变器输出功率与装机容量之比，如式（1）所示，其计算并不复杂，但统计当日不同负载率下的发电量和发电时长需要巨大的人力资源，利用系统采集到的输出功率，系统自动对实时功率数据进行计算，可使负载率的统计分类工作得以轻松实现。首先以分钟级时间单位将日发电时长划分为若干区间，对区间内功率进行均值化处理后即可计算出分钟级负载率，实现数据实时处理和展示。典型日负载率与辐照度曲线如图2所示，负载率曲线与辐照度曲线特征高度重合。

图2 典型日负载率与辐照度曲线 图3 分负载率平均效率分布

式中，LR为逆变器负载率（%）；Pac为逆变器输出功率（kW）；ACip为逆变器额定容量（kWp）。

负载率的区间划分可任意分档，在进行逆变器效率分析时建议保持与《光伏并网逆变器技术规范》[6]一致的分档要求，即5%、10%、20%、25%、30%、50%、75%和100%八档，也便于进行“中国效率”的计算。若需进行负载率的其它应用，可根据需求自行划分。

3 基于负载率的电站能效比PR分析

PR损失构成主要分为：光能损失（占比约1%）、直流侧损失（占比约15%）、交流侧损失（占比约4%）和其它损失（占比约2%）。其中，直流侧损失中光伏组件温升损失占比最大，约占直流侧损失的50%。目前PR的温度指标是以现场组件运行温度Tmod，n为指标，但实际组件温度有明显的波动区间，选取合理的有代表性的Tmod，n在现有的PR分析中显得十分重要。

目前现场组件运行温度的确定有实测法、估算法、实测加计算修正，如《光伏发电站现场组件检测规程》[7]和《并网光伏电站性能检测与质量评估技术规范》[8]中提及的温度测量及修正方案，但以上方案仅适用于确认某个短时区间内的数值，随着工作状态的波动，组件实际温度出现较大的波动。根据《光伏发电系统效能规范》[9]计算PR需确认周期内组件运行温度Tmod，n，若简单对区间内所有数值的算术平均，更多考虑时间的影响，忽略了发电量的影响，误差显然较大。因此，更合理的处理方法是将组件运行的周期内所有温度数值按照负载率划分为若干区间，对区间内数值进行均值化处理，再以该区间发电量为权重进行加权平均计算，可增加发电量高的区间内温度数值比重，所得数值更为合理。

算术平均计算方法下夏末初秋季节某日组件日平均温度为42.26℃，根据式（2）和式（3）加权计算得到对应温度则为47.61℃，二者相差11.2%。

其中，Tmod，i为逆变器i对应的周期内光伏组件运行温度（℃）；Tcell，1至Tcell，7分别为逆变器i在5%至100%负载率区间的平均组件运行温度（℃）；η5%至η100%分别为逆变器i在负载率区间为5%至100%的占比（%）；Tmod，n为场站周期内光伏组件运行温度（℃）；m为场站逆变器总数（台）。

分负载率温度分布以不同负载率下发电量百分比为权重计算当日加权平均温度，更符合实际运行情况，也更为合理准确，PR分析具有更高可信度。

对应于PR分析中所需的其它环境参数比如环境温度、湿度、风速等参数取值也应采用实际工作状态下的加权平均数据。本节所述方案针适用于全站逆变器规格一致，若场站逆变器存在多种规格或多种容配比，方案需要根据实际情况进行调整。

4 基于负载率的设备运行效率分析

设备运行效率是衡量逆变器性能的重要指标，通过监控逆变器运行效率，有助于管理人员了解设备健康状态。以光伏逆变器为例逆变器低负荷运行下逆变效率偏低。按照工信部《光伏制造行业规范条件（2021年本）》要求[10]，含变压器型的光伏逆变器中国加权效率不得低于96.5%，不含变压器型的光伏逆变器中国加权效率不得低于98%（单相二级拓扑结构的光伏逆变器相关指标分别不低于94.5%和97.3%），微型逆变器相关指标分别不低于95%和95.5%。由于中国效率为长周期运行的总体效率，低负荷状态下其效率会有所下降，因此单纯地监控逆变器实时效率而不考虑负载率缺乏科学性。

在逆变器运行过程中易观察到，不同负载率下逆变器运行效率波动明显，较佳的方案是对日负载率进行分档处理以消除该影响。首先，对每档负载率的逆变器运行效率进行均值化和缺失数据插值补缺处理，然后归类至各负载率数据集，达到多层次更为精准的分析效果。2021年11月中下旬某逆变器在0-5%、5-10%、10-20%和50-75%负载率下的效率分布如图3所示，在记录时间内的平均效率分别为94.56%、96.01%、97.58%和98.21%，显然，逆变器负载率与其运行效率呈正相关关系，且负载率越低，效率波动范围越大。通过对相同负载率下逆变器效率的观察和分析，有助于掌握设备实际运行状态。

5 基于负载率的容配比分析

光伏组件使用一段时间后，其输出功率难以达到标称功率，加上光伏发电自身特性，若逆变器容量与直流装机容量保持一致，则使逆变器在多数运行工作时间内无法达到满负荷状态，这就为光伏的直流侧超配提供了空间，最优容配比的选取就是关键。

现有增发电量计算方法需考虑复杂多样的影响因素，如组件安装朝向、倾角、辐照度、组件衰减、直流线损、串并联损失和逆变器功耗等，且难以考虑到运行过程中组件的损坏、更换、遮挡和清洗等诸多不确定性因素。本节针对的存量电站技术改造与效益提升，以逆变器负载率大数据分析为基础，改进超配发电量的计算方法，能大幅降低计算复杂度，同时可保证更高的准确度。

该方法能够涵盖辐照不足、组件衰减、串并联损失、直流线损以及组件的损坏、更换、遮挡和清洗等一系列不确定因素，降低了计算复杂度，提升了计算精确度；同时，利用大数据分析，对涉及逆变器进行差异化负载率分级，且根据管理者需求和MPPT接入组串数量执行超配策略，实现不同逆变器的个性化超配方案，为存量电站提升经济效益提供有力指导。本节提供的是忽略组件衰减影响、逆变器允许超发功率的相对简洁方案，需要考虑这部分的影响只需对个别参数进行微调就能实现。

综上，本文以分析逆变器负载率的实际指导意义为目标，以数据采集和分析系统为支撑，阐明了在实际应用中负载率区间划分的重要性和赋权计算的合理性，为设备运行效率和电站能效比PR分析提供了合理的技术方案。针对存量电站效益提升，提出基于负载率的增发电量计算模型，凸显了计算复杂度低和计算精确度高的优势。本研究对于光伏逆变器负载率的深入分析与应用研究，为光伏发电的精细化管理工作提供了理论和实践指导，在指导运维日常工作上有着不可替代的作用。本文负载率以组串式逆变器为分析对象，对集中式逆变器的分析有同等参考价值。