基于PVsyst软件模拟发电量数据的光伏电站电能损耗的分析方法研究

杨俊虎 郭晨彪 丁晓霞

摘 要：电能损耗是光伏电站非常重要的综合性指标，对其进行分析可以为光伏电站能效管理提供数据支持。在电能损耗的计算过程中，最大负荷损耗小时数的选取非常关键。提出了一种基于PVsyst软件模拟所得的发电量数据来分析光伏电站电能损耗的方法，结合工程实际情况给出了精确计算年最大负荷损耗小时数的改进算法数学模型，并对采用不同算法得到的年最大负荷损耗小时数进行了比较分析；以山西省大同市鸦儿崖乡100 MW光伏电站为算例，对其电气设备及线缆的电能损耗进行详细分析，验证了所提出光伏电站电能损耗分析方法的正确性。研究结果表明：1）由于光伏电站容配比的影响，应分别计算光伏电站直流侧和交流侧的年最大负荷损耗小时数，直流侧和交流侧的电能损耗也需要分别计算。2）该方法基于PVsyst软件模拟得到的光伏电站全年各小时的发电量数据，可准确计算出光伏电站的年最大负荷损耗小时数，在数学逻辑上合理，可以提高光伏电站电能损耗计算的准确度。该方法也可应用于其他实际运行的发电项目的电能损耗分析。

关键词：光伏电站；最大负荷利用小时数；最大负荷损耗小时数；电能损耗；发电量；直流侧；交流侧；PVsyst软件

中图分类号：TM615 文献标志码：A

0  引言

光伏发电的发电过程无污染、无废弃物，作为一种新能源发电技术已经在世界范围内得到广泛应用。光伏组件的标称功率（即峰值功率）是指光伏组件在标准测试条件（STC，即AM1.5、太阳辐照度为1000 W/m2、工作温度为25 ℃）下的输出功率，随着季节和天气的变化，太阳辐照度和环境温度不断变化，光伏组件的输出功率也会不断变化。

电能损耗是光伏电站非常重要的综合性指标，与光伏电站的综合效率息息相关。与常规电网电能损耗的计算方式不同，由于光伏组件只在白天发电，且发电具有波动性大、稳定性差的特点，导致光伏电站内各电缆、架空线路、变压器等输出的功率也具有相同特点，因此其电能损耗计算应该考虑这些因素的影响。光伏电站的电能损耗除了变压器类、线路类的电能损耗外，还包括逆变器、静止无功发生器（SVG）等设备的电能损耗。

工程中的电网线路和变压器的年电能损耗计算通常需利用最大负荷损耗小时数来计算。《电力工程设计手册24：电力系统规划设计》[1]（下文简称为“《手册》”）中推荐的电能损耗计算方法（下文简称为“《手册》算法”）在工程中得到了广泛应用。《手册》算法首先计算最大负荷时的功率损耗ΔPmax，然后根据最大负荷利用小时数Tmax与功率因数cosφ，通过从《手册》中查表或利用插值计算，得到最大负荷损耗小时数τ。电能损耗ΔW的计算式可表示为：

ΔW=ΔPmaxτ                                                     （1）

以最大负荷损耗小时数的方法计算电能损耗的关键是最大负荷损耗小时数的计算和选取。而《手册》算法给出的最大负荷损耗小时数与功率因数的函数关系在物理概念上不够清晰，在数学上也论据不足[2]；另外，《手册》中给出的最大负荷损耗小时数与最大负荷利用小时数和功率因数的关系数据是基于火力发电、水力发电等常规能源发电方式得到的经验数据，并不适用于光伏电站的电能损耗计算。

DL/T 985—2012《配电变压器能效技术经济评价导则》[3]的附录A对最大负荷损耗小时数的取值方法进行了改进（下文简称为“DL/T 985—2012算法”），考虑了最大持续时间、低谷負载率、高峰负载率等因素产生的影响。但若用该方法计算光伏电站的电能损耗，采用的最大负荷损耗小时数通常取值为最大负荷利用小时数，显然误差较大。

PVsyst软件是一款权威的光伏发电系统建模与仿真软件，得到了业界人士的认可和推崇，采用该软件可以模拟计算出光伏电站全年各小时的发电量数据。本文提出一种基于PVsyst软件模拟发电量数据来分析光伏电站电能损耗的方法，并给出计算年最大负荷损耗小时数的改进算法数学模型；对采用不同算法得到的年最大负荷损耗小时数进行比较分析；以山西省大同市鸦儿崖乡100 MW光伏电站为算例，对其电气设备及线缆的电能损耗进行详细分析，以验证所提出光伏电站电能损耗分析方法的正确性。

1  改进算法数学模型分析

线路的电能损耗ΔWL的计算式可表示为：

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

V2            V2

式中：S为线路输出的视在功率，MVA；V为线路的线电压，kV；R为线路的电阻，Ω；Smax为线路的最大负荷视在功率，MVA；ΔPL，max为线路最大负荷时的有功功率损耗，MW；t为时间，h。

假设线路输出的视在功率一直保持为最大负荷视在功率，则线路在τ小时内的能量损耗等于线路全年实际的电能损耗，此时称τ为年最大负荷损耗小时数。假定线路的线电压恒定不变，可得到年最大负荷损耗小时数的计算式[4]为：

τ =S 2dt                                                    （3）

S2max

从式（3）可以看出：年最大负荷损耗小时数与线路输出的视在功率负荷曲线的形状和线路的最大负荷视在功率有关。

可以将式（3）改写为：

τ = S2avi                                                                                              （4）

S2h

式中：Savi为全年各小时线路输出的视在功率平均值，MVA；Sh为光伏电站的安装容量或额定容量，MW；i为1年中第i个小时。

应用PVsyst软件对光伏电站发电量进行模拟计算时，可以得出光伏电站1年中各小时的发电量，即得到8760个数据，此时可应用式（4）计算光伏电站的年最大负荷损耗小时数。

光伏电站安装的光伏组件标称功率之和称为光伏电站安装容量，逆变器的额定有功功率之和称为光伏电站额定容量，安装容量和额定容量之比为光伏电站的容配比。适当调整容配比可以降低光伏电站的平准化度电成本（LCOE），提高其收益率。但是由于光伏电站的容配比通常不是1：1，会造成光伏电站安装容量与额定容量的数值不相等，因此，光伏电站直流侧和交流侧的电能损耗应当分别计算，计算过程中的最大负荷时的功率损耗应与年最大负荷损耗小时数对应。

分别计算光伏电站直流侧和交流侧的年最大负荷损耗小时数。光伏电站直流侧的电能损耗仅包括直流线缆的电能损耗，采用光伏组件标称功率对应的工作电流计算直流侧最大负荷时的功率损耗ΔPmax，1，因此相应的直流侧年最大负荷损耗小时数τ1应以直流侧安装容量为基准进行计算。光伏电站交流侧线缆、变压器等均以所接逆变器的额定有功功率之和或额定功率对应的电流计算交流侧最大负荷时的功率损耗ΔPmax，2，因此交流侧的年最大负荷损耗小时数τ2应以交流侧额定容量为基准进行计算。

直流侧年最大负荷损耗小时数和交流侧年最大负荷损耗小时数的计算式分别为：

τ1 =S2avi                                                                                         （5）

S2ha

τ2 = S2avi                                                                                         （6）

S2he

式中：Sha為光伏电站直流侧的安装容量，MW；She为光伏电站交流侧的额定容量，MW。

2  年最大负荷损耗小时数的算法比较分析

以山西省大同地区、太原地区和运城地区的光伏电站为例，分别采用《手册》算法、DL/T 985—2012算法和改进算法计算光伏电站的年最大负荷损耗小时数，并对不同算法得到的计算结果进行分析，计算过程中各光伏电站的容配比均按照1.2：1设置。不同算法计算得到的3个地区光伏电站的年最大负荷损耗小时数如表1所示。

对表1数据进行分析后可以看出：采用不同算法计算得到的各光伏电站年最大负荷损耗小时数的值相差甚远，这些差别会直接影响光伏电站电能损耗的计算结果。由于容配比不等于1：1，改进算法得到的直流侧年最大负荷损耗小时数和交流侧年最大负荷损耗小时数的值也存在很大差别，说明计算光伏电站电能损耗时有必要分别采用直流侧和交流侧的年最大负荷损耗小时数进行计算，改进算法比其他两种算法的结果更准确。

3  光伏电站电能损耗的计算步骤

本文提出的基于PVsyst软件模拟发电量数据来分析光伏电站电能损耗的方法的计算步骤可以总结为以下6个步骤：

1）根据光伏电站直流侧安装容量、交流侧额定容量等信息，应用PVsyst软件模拟计算光伏电站全年各小时的发电量数据；

2）应用式（5）和式（6）分别计算直流侧和交流侧的年最大负荷损耗小时数；

3）将直流侧的年最大负荷损耗小时数代入相关公式计算光伏电站直流线缆的电能损耗；

4）将交流侧年最大负荷损耗小时数代入相关公式计算光伏电站交流线缆的电能损耗、箱式变压器的电能损耗、主变压器的电能损耗、电抗器的电能损耗等；

5）计算逆变器、无功补偿装置、辅助系统等的电能损耗；

6）将得到的所有数据汇总，对电能损耗指标等进行分析。

4  算例分析

4.1  工程概况

以山西省大同市鸦儿崖乡100 MW光伏电站为算例，对本文提出的基于PVsyst软件模拟发电量数据来分析光伏电站电能损耗的方法进行验证。

该光伏电站的直流侧安装容量为100.7 MW，交流侧额定容量为99.2 MW；采用合肥晶澳太阳能科技有限公司生产的标称功率为310 W的光伏组件及锦州阳光能源有限公司生产的标称功率为310 W的光伏组件。建设有1座110 kV升压站，站内主要耗能设备为主变压器、站用变压器、SVG，以及辅助系统。

光伏场区的主要耗能设备为逆变器、箱式变压器、集散式箱逆变一体机及线缆。采用阳光电源股份有限公司生产的SG80BF型组串式逆变器，特变电工股份有限公司生产的S11-1700/37箱式变压器，上能电气股份有限公司生产的CP-2000-B-0D/35/2×1000型集散式箱逆变一体机。

该光伏电站的主要耗能电气设备、线缆参数及工程量如表2所示，忽略直流汇流箱的电能损耗。

4.2  年最大负荷损耗小时数的确定

根据现场收资，该光伏电站的首年等效利用小时数为1668 h。采用PVsyst软件模拟光伏电站的发电量和年等效利用小时数。为了保证计算结果与工程实际情况的可比性，需保证PVsyst软件模拟的年等效利用小时数与收资情况一致。根据式（5）、式（6），可计算得到直流侧年最大负荷损耗小时数为992.6 h，交流侧年最大负荷损耗小时数为1022.9 h。

4.3  光伏电站用电工序中的电能损耗分析

4.3.1  逆变器的电能损耗计算

逆变器的电能损耗计算式可表示为：

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

式中：ΔWN为逆变器的年耗电量，kWh；Q为逆变器直流进线的总电量，即光伏组件发电量减去直流线缆电能损耗，kWh；η为逆变器满负荷运行时的效率，%；PN为单台逆变器待机时的自耗电功率，kW；Tm为项目所在地的年日照时数，h；N为逆变器的总数量，台。

该光伏电站采用的是组串式逆变器，逆变器满负荷运行时的效率按98%计算（该效率值已计及其工作时的自耗电），单台待机时的自耗电功率按1 W计算；项目所在地的年日照时数为2728 h。根据式（7），可计算得到该光伏电站组串式逆变器的年电能损耗约为43.742万kWh。

4.3.2  箱式变压器和主变压器的电能损耗计算

箱式变压器和主变压器的电能损耗ΔWT的计算式可表示为：

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

式中：?P0为变压器的空载有功损耗，kW；?Pk为变压器的短路有功损耗，kW；Sc为变压器的计算负荷，kVA；Sr为变压器的额定容量，kVA。此时τ的取值为交流侧年最大负荷损耗小时数（即τ2值）。

4.3.3  光伏电站线缆的电能损耗计算

光伏电站线缆的电能损耗按式（1）计算。计算直流线缆电能损耗时，年最大负荷损耗小时数取直流侧年最大负荷损耗小时数（即τ1值），对应的线路最大负荷时的有功功率损耗根据光伏组件峰值功率对应的工作电流计算。计算交流线缆电能损耗时，年最大负荷损耗小时数取交流侧年最大负荷损耗小时数（即τ2值），对应的线路最大负荷时的有功功率损耗根据逆变器的额定工作电流计算。

4.3.4  SVG的电能损耗计算

SVG的功率损耗包括通态损耗、开关损耗、短态漏电流损耗和驱动损耗；SVG的功率损耗与其补偿的功率成正比，近似呈线性关系[5]。SVG运行时的功率损耗在0.8%以下[6]。

SVG的电能损耗ΔWSVG计算式可表示为：

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

式中：SSVG为SVG的平均补偿容量，Mvar；T为SVG的工作时长，h。

该光伏电站安装了1套容量为±25 Mvar的SVG，可满足电网-5～25 Mvar无功补偿的要求。

SVG的电能损耗包括发容性无功和发感性无功所产生的总电能损耗，白天光伏电站发电时，SVG发容性无功，无功补偿装置的运行时间取最大负荷利用小时数（即首年等效利用小时数，为1668 h），平均功率取12.5 Mvar，此阶段SVG的电能损耗约为16.680万kWh；晚上光伏电站不发电时，SVG发感性无功，无功补偿装置的运行时间为全年小时数（8760 h）减去项目所在地的年日照时数（2728 h），即6032 h，平均功率取-2.5 Mvar，此阶段SVG的电能损耗约为12.064万kWh。综合计算，SVG的总电能损耗为28.744萬kWh。

4.3.5  辅助系统的电能损耗计算

辅助系统包括站用变压器，升压站的采暖设备、空调、照明系统，以及站用电其他负荷。

升压站采暖设备的年耗电量为3.56万kWh，空调的年耗电量为3.98万kWh，照明系统的年耗电量为0.58万kWh；不间断电源（UPS）、直流电源、水泵、厨房、热水器等站用电其他负荷的电能损耗总量为27.19万kWh。综合计算，辅助系统的总电能损耗为35.31万kWh。

4.4  光伏电站的电能损耗统计

根据前文公式，计算该100 MW光伏电站在正常运行年份时的电气设备及线缆的电能损耗，结果如表3所示。

现场收资的实测数据只针对逆变器之后用电工序的数据进行了记录。在计算综合场用电量时，统计表3中的第3～8项电能损耗值，合计为1027.453万kWh，占理论发电量的5.76%。该光伏电站的现场收资结果为平均综合场用电率为6.15%，最大综合场用电率为7.80%，最小综合场用电率为5.43%，与计算值基本一致。

5  结论

电网线路和变压器的电能损耗计算过程中，最大负荷损耗小时数的选取非常关键。《电力工程设计手册24：电力系统规划设计》给出的算法和DL/T 985—2012给出的算法均不适用于光伏电站最大负荷损耗小时数的计算。本文提出一种基于PVsyst软件模拟发电量数据来分析光伏电站电能损耗的方法，并给出了计算年最大负荷损耗小时数的改进算法数学模型；对采用不同算法得到的年最大负荷损耗小时数进行了比较分析；以山西省大同市鸦儿崖乡100 MW光伏电站为算例，对其电气设备及线缆的电能损耗进行详细分析，验证了所提出光伏电站电能损耗分析方法的正确性。研究得出以下结论：

1）由于光伏电站容配比的影响，该方法提出应分别计算光伏电站直流侧和交流侧的年最大负荷损耗小时数，直流侧和交流侧的电能损耗也需要分别计算。

2）该方法结合PVsyst软件模拟得到的光伏电站全年各小时的发电量数据，可准确计算出光伏电站的年最大负荷损耗小时数，在数学逻辑上合理，可以提高计算光伏电站电能损耗的准确度。该方法运用excel等计算工具，计算方案简单可行。

另外，本文提出的方法同样适用于风力发电项目的电能损耗计算，只要能够模拟计算出1年8760 h中各小时的发电量数据即可。对于实际运行的发电项目，只要能够完整记录1年中各小时的发电量数据，均可采用本文提出的方法进行项目的电能损耗计算。

[参考文献]

[1] 中国电力工程顾问集团有限公司，中国能源建设集团规划设计有限公司. 电力工程设计手册24：电力系统规划设计[M]. 北京：中国电力出版社，2019.

[2] 陆广香，单渊达，龚乐年，等. 最大负荷损耗小时数求取方法质疑[J]. 电工技术学报，1996，11（1）：54-59.

[3] 中国电力企业联合会. 配电变压器能效技术经济评价导则：DL/T 985—2012[S]. 北京：中國电力出版社，2012.

[4] 付学谦，陈皓勇. 平均电流损耗时间法在配网线损计算中的应用[J]. 电工技术学报，2015，30（12）：377-382.

[5] 陈炜炜，刘春松，杨铁成，等. 基于水冷SVG的IGBT损耗及结温研究[J]. 电力电子技术，2021，55（1）：137-140.

[6] 庄文柳，张秀娟，刘文华. 静止无功发生器SVG原理及工程应用的若干问题[J]. 华东电力，2009，37（8）：1295-1299.