提高“容配比”是降低光伏發電成本的最有效方法

協鑫集團設計研究總院 ■ 崔楠 吳洪寬

1 應提高容配比的原因

光伏組件的功率是在標準測試條件(Standard Test Condition，STC)下測試的，其標準測試條件為：輻照度1000 W/m2、溫度25±1 ℃、標準光譜AM1.5。但通過分析各地區的氣象數據可以發現，在光照資源很高的Ⅰ類資源區，全年輻照度能夠達到或超過1000 W/m2的時間段只有幾十個小時，而在光照資源較差的地區，能夠達到要求的時間段只有幾個小時，甚至有的地區全年都無法達到標準測試條件下的輻照度。另外，溫度、灰塵、線損帶來的功率損失，導致逆變器能夠得到的輸入功率僅為組件功率的85%。

圖1為青海格爾木地區一年中天氣晴朗的一天里，光伏-逆變器容配比在1.0∶1～1.8∶1時，逆變器輸出功率曲線圖，逆變器額定功率為3.5 kW。

圖1 格爾木地區不同容配比下逆變器輸出功率曲線對比圖

由圖1可以看出：

1)容配比小于1.3∶1時，逆變器幾乎全天都不能達到額定輸出功率，屬于長期低功率運行。

2)容配比達到1.4∶1時，逆變器才能夠在大多數時間達到額定功率，但是受到天氣、溫度的影響，功率曲線波動較大。

3)容配比達到1.5∶1后，全天大部分時間逆變器都可以達到最大輸出功率(為額定功率的1.1倍，3850 W)，達到了較高的設備利用率。

4)容配比達到 1.6∶1 后，在 07∶00 ～ 16∶00 之間，逆變器功率曲線是一條直線，輸出功率十分穩定；且隨著容配比的進一步提高，能夠達到穩定的輸出功率的時間段越長。

因此，提高容配比的好處為：

1)可以補償光照的不足，降低溫度、灰塵、線損、串并聯失配、組件衰減帶來的功率損失，可以使光伏電站達到額定輸出功率，為電網提供穩定的電能。

2)配以一定比例的儲能系統后，光伏發電也可以“壓得下、拉得起”，具備成為電力系統中“骨干電源”的條件。

3)逆變器在早晚時段的工作時間更長。由于逆變器需要在直流輸入功率達到其啟動閾值后才能夠啟動，因此，在同樣的日照強度下，提高容配比可以使光伏組件輸出更高的功率，逆變器啟動更早，停機更晚，發電時間更長，能夠更好的利用當地的光照資源。

4)提高了逆變器、就地升壓變、配電、變電設備的利用率，攤薄了公用設施的投資成本，大幅降低了工程造價并降低了發電成本。

2 容配比對于發電量的影響

由于逆變器限功率運行的時間會隨著容配比的提高而增加，因此，以直流側裝機容量計算的等效利用小時會發生變化。以青海格爾木地區與江蘇蘇州地區為例，不同容配比下的電站首年利用小時如圖2所示。

圖2 不同容配比下的電站首年利用小時

由圖2可知：

1)隨著容配比逐漸提高，首年利用小時會減少。

2)在容配比達到1.4∶1之前，首年利用小時基本沒有降低多少，尤其在蘇州地區，甚至略有增加。原因有2個方面：首先，逆變器早晚運行時間增加；其次，容配比提高后，逆變器低功率運行的時間減少，逆變器轉換效率增加。

3)容配比達到1.5∶1時，與容配比為1.0∶1時相比，首年利用小時略有下降，但降幅很小。格爾木地區首年利用小時降低2.24 h，降幅僅為0.116%；蘇州地區首年利用小時降低1.73 h，降幅為0.134%。

4)容配比超過1.6∶1后，首年利用小時下降較為明顯，但降幅仍然不大。格爾木地區容配比為1.8∶1時的首年利用小時較容配比為1.0∶1時降低了74.76 h，降幅為3.87%；蘇州地區容配比為1.8∶1時的首年利用小時較容配比為1.0∶1時降低了31.89 h，降幅為2.47%。

3 度電成本分析

3.1 不考慮直流側補裝的度電成本分析

3.1.1 假設直流側容量一定，提高容配比可降低工程造價

以50 kW組串式逆變器、1.6 MVA箱變為例，按照逆變器0.25元/W、箱變17萬元/臺進行工程造價計算。提高容配比以后，逆變器、箱變的設備數量會減少，所以工程造價降低。不同容配比下的工程造價水平如表1所示，目前光伏電站總體造價水平約5.4元/W。

表1 不同容配比下的工程造價水平

3.1.2 度電成本(LCOE)分析

式中，Ci為電站計算期第i年的成本，包括投資成本、運維成本、土地成本等；Ei為電站計算期第i年的發電量；n為運行時間，年，取n=20；IRR為折現率，按8%計算。

經計算，不考慮直流側補裝，格爾木地區和蘇州地區在不同容配比下的LCOE如圖3所示。

圖3 不考慮直流側補裝，不同容配比下的LCOE

從圖3可以看出，容配比為1.5∶1時，LCOE最低。格爾木地區容配比為1.5∶1時的LCOE較容配比為1.0∶1時低0.0067元/kWh；蘇州地區容配比為1.5∶1時的LCOE較容配比為1.0∶1時降低了0.01元/kWh。

3.2 考慮直流側補裝的度電成本分析

通過前文的分析可以發現，若想使光伏電站達到備案容量的額定輸出功率，只有在提高容配比的同時，在直流側增加裝機容量。

雖然目前各省電網公司對光伏電站直流側裝機容量提出了嚴格的限制，如山東電網公司明確規定，電站直流側裝機容量不得超過備案容量的1%；其他省份雖然沒有明確規定，總體還是控制在10%左右。但筆者認為，光伏電站建設必須要符合當地電網公司的政策要求，而政策的制定也應與當前的電力系統現狀及光伏行業發展現狀相符。

目前電力系統及光伏行業發展主要存在的問題為：1)光伏發電尚未實現平價上網，仍然依賴國家補貼，光伏補貼資金壓力大；2)近年來，國內經濟增長放緩，電力消納困難，部分地區限電嚴重；3)目前，光伏發電在整個電力系統中所占的比例仍然很低，經常被描述為“間歇能源”“垃圾電”。

然而，隨著能源結構的調整，光伏發電成本逐年下降，其在整個能源結構中的比例逐步提高，也將逐漸成為能源結構中重要的組成部分。電力系統不會一直供大于求，隨著經濟走暖，電力需求增長，需要光伏發電滿足全社會的電力需求。

從光伏發電的機理與發電成本的角度來看：

1)提高容配比并在直流側補充裝機，才能使光伏電站達到備案裝機容量的額定出力。

2)容配比提高后，光伏電站受到溫度、天氣、組件衰減的影響減小，光伏發電輸出的功率更加穩定；若再增加一定比例的儲能系統，完全可以成為可調度的支撐性電源。

3)直流側補裝后，能夠提高升壓站、送出線路工程等公用設施的利用率，攤薄公用部分的費用，可以降低工程造價，降低度電成本。

以100 MW光伏電站為例，設置1臺100 MW的主變壓器，若直流側也按照100 MW設置，經過系統效率轉換后，主變壓器的最大功率輸出僅有82 MW(系統效率的82%)，無法達到光伏電站的額定出力；且隨著組件功率逐年衰減，電站的發電功率還要逐年下降。主變壓器、送出線路長期低利用率運行，不經濟且造價高。

公用部分的投資包括升壓站、送出線路工程、項目開發費、管理費、設計費、光伏+、監測平臺等費用，公用部分單位投資約在0.8 ～1.5元/W，不同項目公用部分單位投資差異較大。直流側補裝后，公用部分的投資總額不會有太大的變化，而由于項目容量增加，公用部分的單位投資會大幅下降。

100 MW光伏電站，新建110 kV升壓站，投資約為2000萬，單位投資為0.2元/W。若補裝到150 MW，總投資仍然是2000萬，單位投資則降至0.133元/W，單位投資降低0.067元/W。

假設公用部分的單位投資為1元/W，直流側補裝后對于公用部分投資的影響如表2所示。

補裝比例(直流側容量∶備案容量)為1.5∶1時，造價降低0.333元/W。由此可見，直流側補裝對于造價的影響非常明顯，遠高于節省逆變器、箱變得到的造價降幅(容配比為1.5∶1時，節省逆變器、箱變可使造價降低0.127元/W)。

表2 直流側補裝后，公用部分的單位投資

考慮直流側補裝后，不同容配比下的工程造價水平如表3所示。

表3 直流側補裝后，不同容配比的造價水平

提高容配比，同時補充直流側裝機容量后的LCOE如圖4所示。

格爾木地區的最佳容配比為1.6∶1，其LCOE較容配比為1.0∶1時低0.0268元/kWh；蘇州地區的最佳容配比為1.7∶1，其LCOE較容配比為1.0∶1 時降低 0.0412 元 /kWh。

圖4 提高容配比，同時增加直流側容量后的LCOE

經計算，考慮直流側補裝后，最佳容配比進一步提高，且在光照資源好的地區會略低于光照資源較差的地區；由于補裝后造價降低非常明顯，LCOE降幅也很大。

3.3 考慮組件衰減后的度電成本

本文的度電成本計算未考慮光伏組件衰減，光伏組件的衰減會導致電站實際運營年度的容配比逐年降低。如多晶硅組件，其首年衰減率為2.5%，以后逐年衰減0.7%。假設容配比取1.7∶1，經衰減后各年度的實際容配比如圖5所示。

從圖5可以看出，25年光伏電站壽命期內，隨著組件的衰減，實際容配比逐年下降，第6年降至1.60∶1，第14年降至1.50∶1，第23年降至1.40∶1。而容配比降低后，由于逆變器限功率減少，年利用小時提升。以格爾木地區為例，在運營期第6年，容配比降低導致的利用小時提升24.72 h，升幅為1.31%；第14年，利用小時提升35.71 h，升幅為1.89%，第23年利用小時提升37.27 h，升幅為1.97%。雖然發電量的升幅不及組件衰減的速度快，但是容配比提升后確實可以減緩光伏電站發電量的衰減。

4 結論

1)容配比提升后，光伏發電的功率曲線更加平直、穩定，光伏發電不再是所謂的“間歇電源”“垃圾電”，而是可以作為電力系統中的支撐電源。若增加一定比例的儲能裝置，在電網峰值需要電能時能夠“拉得起”，在谷值能夠“壓得下”，光伏電站甚至可以作為削峰填谷的骨干電源。

2)提升容配比，從本質上講是提高逆變器、箱變的設備利用率，降低逆變器、箱變的工程造價。提高容配比的同時，再補充直流側裝機容量，可以攤薄升壓站、送出線路等公用設施的投資成本，進一步降低造價，降低發電成本。近年來，光伏發電的技術成本下降較快，組件價格逐年下降，但是技術成本的下降是投入了大量的研發成本與生產線改造得到的，且技術成本不會一直下降，總是有極限的。而通過提高容配比，既可以合理提高光伏電站配電設備的利用率，又能夠降低0.02～0.04元/kWh的度電成本，是降低光伏發電成本的最有效方法。

圖5 光伏電站壽命期內的容配比

3)目前政策上嚴格限制直流側裝機容量，本文分析了幾個主要原因：①今年來電力消納困難；②光伏補貼的壓力；③光伏電不利于電網調度；④光伏發電在整個電力系統的比例仍然很小。但是，隨著能源結構的調整，光伏發電成本的下降，光伏發電在未來的能源結構比例會逐漸增大。提高容配比，在直流側補充裝機容量，可以使光伏電站輸出穩定的功率，成為電力系統中的支撐性電源。

4)雖未對考慮光伏組件衰減后的度電成本進行詳細全面的分析，但簡單分析后可知，提高容配比可以減緩光伏電站發電量的衰減。

5)最優容配比的選擇與電站的投資構成相關。在光伏行業發展的早期，組件價格較高，占投資比例較大，容配比選擇更傾向于較低的容配比，以保證組件的發電量。隨著光伏行業的發展日益成熟，組件價格大幅下降，占投資的比例逐漸減小，而公用設施占投資的比例逐步增加，因此現在更傾向于提高容配比來降低公用設施的公攤費用。