太陽能發(fā)電項目“容配比”設(shè)計初探

胡東平

（華電淄博熱電有限公司，山東淄博255054）

0 引言

近期國家及地方政府對于能源發(fā)電項目的產(chǎn)業(yè)政策作出了調(diào)整，尤其對新能源發(fā)電（風(fēng)電、光伏等）項目的區(qū)域開發(fā)配比、配套電網(wǎng)建設(shè)、電量接納、上網(wǎng)電價等諸多方面作出了新的部署，同時也進一步明確了相關(guān)配套政策的調(diào)整步驟、區(qū)域分級和時序安排。針對魯中及周邊地區(qū)新能源發(fā)電項目開發(fā)建設(shè)面臨的現(xiàn)實環(huán)境，結(jié)合企業(yè)新能源項目開發(fā)建設(shè)規(guī)劃，在全力推進風(fēng)光電項目開發(fā)建設(shè)的基礎(chǔ)上，如何利用政策優(yōu)勢、緊密結(jié)合地域特點、高效穩(wěn)妥地推進太陽能發(fā)電（集中式光伏、分布式光伏等）項目開發(fā)建設(shè)，最大限度地提升項目整體資本金內(nèi)部收益率，成為保證項目開發(fā)建設(shè)健康有序、持續(xù)發(fā)展的重要議題。

1 項目概述

以III類光資源區(qū)擬建100 MW電站為例，設(shè)一座10 MW并網(wǎng)型光伏電站，項目用地面積72.644 hm2，安裝10個1 MW并網(wǎng)發(fā)電單元（光伏方陣），光伏組件選擇360 Wp多晶硅太陽能電池組件，轉(zhuǎn)換效率為17.6%，光伏電站與風(fēng)電場共用一座升壓站及送出線路，光伏組件用地采用長期租地形式。光伏發(fā)電項目的開發(fā)建設(shè)，應(yīng)以項目建設(shè)的投資收益水平作為整體衡量的標(biāo)準(zhǔn)，對項目建設(shè)條件、成本核算、設(shè)計施工、運營管理等方面進行全面分析評估，重點突出項目的投資收益，特別是項目整體資本金內(nèi)部收益率。通過對不同類型光伏發(fā)電（集中式光伏、分布式光伏等）項目的初步分析，結(jié)合國內(nèi)典型區(qū)域光伏電站建設(shè)運營案例分析，可以發(fā)現(xiàn)造成光伏電站利用小時數(shù)低、無法達到核準(zhǔn)容量（滿負(fù)荷）運行，進而影響項目整體投資收益的因素。

1.1 系統(tǒng)設(shè)備因素

（1）項目建設(shè)地域的太陽輻射量。（2）太陽能電池組件的傾斜角度。（3）太陽能電池組件轉(zhuǎn)化效率。（4）系統(tǒng)損失因素，光伏電站的系統(tǒng)損耗為8%～13%，在其一般的財務(wù)模型中，系統(tǒng)發(fā)電量3年遞減約為5%，20年后發(fā)電量約遞減至核準(zhǔn)容量的80%。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計因素

系統(tǒng)設(shè)計需要充分考慮光伏系統(tǒng)陰影、安裝朝向及系統(tǒng)配置等因素，盡最大可能減少熱脈效應(yīng)。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的光伏方陣設(shè)計安裝傾角必須按照接受全年最大太陽輻射量進行設(shè)計校核。

本文針對不同地域的光資源及電網(wǎng)環(huán)境特點，綜合考慮并網(wǎng)光伏發(fā)電接入系統(tǒng)的電網(wǎng)側(cè)配置，科學(xué)組織接入系統(tǒng)的設(shè)計優(yōu)化。根據(jù)光伏電站投運后電網(wǎng)對電站運行功率的監(jiān)控要求，重點對逆變器等主要設(shè)備的選型配置進行整體優(yōu)化，以進一步提高項目的投資收益。

2 影響光伏組件出力的因素

（1）標(biāo)準(zhǔn)工況（輻照強度1 000 W/m2，25 ℃，AM1.5即光線通過大氣的實際距離為大氣垂直厚度的1.5倍且光伏組件未發(fā)生衰減）。（2）電站的系統(tǒng)損耗：光伏系統(tǒng)中，從太陽輻射到光伏組件，需經(jīng)過直流電纜—匯流箱—直流配電設(shè)備—逆變器，其間的各個環(huán)節(jié)都有損耗。通常直流側(cè)損耗約為7%～12%，逆變器自身損耗約為1%，從光伏組件到逆變器出口的總損耗可達8%～13%（此損耗不含逆變器后面的變壓器及線路損耗部分）。

3 光資源條件（以魯中地區(qū)為例）

根據(jù)國家氣象局風(fēng)能太陽能資源評估中心的劃分標(biāo)準(zhǔn)，我國太陽能資源地區(qū)分為4類，不同地區(qū)輻照度差異較大，即使在同一資源地區(qū)，不同區(qū)域的全年輻射量也有較大的差異。因此，光伏電站系統(tǒng)“容配比”分析，必須根據(jù)項目具體建設(shè)地區(qū)的年太陽輻射總量來進行分析。目前，山東全省區(qū)域介于II～III類光資源區(qū)域之間，根據(jù)濟南、福山、莒縣3個日射觀測站的平均太陽總輻射逐日變化分析，年太陽輻射總量基本為4 480～5 800 MJ/m2。本文選取距離魯中地區(qū)較近的濟南、莒縣站2001—2010年的太陽資源監(jiān)測數(shù)據(jù)作為地區(qū)太陽資源分析的參考，對比魯中地區(qū)氣象站的氣象資料進行分析修正，初步得出本地區(qū)的年太陽輻射總量約為4 560～5 180 MJ/m2，光資源較為豐富，滿足光伏發(fā)電項目的開發(fā)建設(shè)需求。

4 確定主要影響因素的方式

為明確導(dǎo)致光伏電站無法達到額定容量（滿負(fù)荷）運行，進而影響項目整體投資收益水平的諸多因素，除了需要更加深入理解國家產(chǎn)業(yè)政策、積極爭取項目所在地區(qū)的投資環(huán)境的優(yōu)化、切實科學(xué)合理的組織項目設(shè)計優(yōu)化和設(shè)備選型配置、加強項目建設(shè)的全過程管理及電站運營管理水平外，還要以提升投資收益為基本出發(fā)點，結(jié)合國內(nèi)不同光資源區(qū)域光伏電站建設(shè)運營的情況，分析地區(qū)實際輻射量的差異、電站系統(tǒng)損耗、設(shè)備安裝及運行水平、電網(wǎng)公司運行要求等因素，特別是對光伏電站能否達到額定容量（滿負(fù)荷）運行的重要影響因素——系統(tǒng)“容配比”的深入分析。以項目本地區(qū)實測太陽輻射數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合光伏組件、逆變器、匯流箱等主要設(shè)備的特性，研究項目實施區(qū)域的最佳系統(tǒng)“容配比”，通過綜合評估光伏電站投資增加與發(fā)電量提升的對比，進而給出能夠取得項目投資收益最大化的系統(tǒng)“容配比”范圍，達到優(yōu)化項目設(shè)計、提高光伏電站的年利用小時數(shù)、提升項目的資本金內(nèi)部收益率的目標(biāo)。

5 系統(tǒng)“容配比”分析

系統(tǒng)“容配比”是指光伏電站的光伏組件與逆變器容量的配比系數(shù)。經(jīng)過對不同光資源區(qū)域多個已投運光伏電站的分析研究發(fā)現(xiàn)，如果系統(tǒng)“容配比”按照1:1設(shè)計配置，現(xiàn)實情況下光伏組件很難超過90%標(biāo)稱功率輸出，光伏電站出力也很少超過90%的核準(zhǔn)容量。因此，如何根據(jù)項目所屬地區(qū)光資源的實際情況，結(jié)合對項目整體投資水平的綜合評估，科學(xué)合理地采取適當(dāng)增大系統(tǒng)“容配比”（即適當(dāng)增大光伏組件容量，使其大于逆變器容量）；采用非晶合金變壓器等方法降低系統(tǒng)損耗、增大電站滿負(fù)荷運行時間；提高項目的利用小時數(shù)，進而提升項目的投資效益，成為國內(nèi)光伏電站項目前期開發(fā)設(shè)計過程中需深入分析研究的主要議題。超配（增大）光伏組件的方式及意義主要包括以下幾個方面：（1）被動超配方式：通過加裝光伏組件，補償光伏組件至逆變器的系統(tǒng)損耗，使逆變器的輸出功率達到逆變器的額定功率，以便光伏電站在光照最好的時間段保持滿負(fù)荷運行。（2）主動超配方式：在被動超配的基礎(chǔ)上進一步加裝光伏組件，通過主動延長逆變器的滿負(fù)荷工作時間（在滿足逆變器額定功率限制級電網(wǎng)AGC控制要求的基礎(chǔ)上），進而提高項目的利用小時數(shù)。（3）采取超配光伏組件的方式，勢必會增加光伏組件的投入、征地費用等建設(shè)成本，而且部分超過核準(zhǔn)容量的電量會被“棄發(fā)”，這就要求對不同光資源區(qū)域（I、II、III類）的光伏電站在不同系統(tǒng)“容配比”下的實際總發(fā)電量、增發(fā)電量、棄發(fā)電量，以及棄發(fā)電量分別占實際總發(fā)電量、增發(fā)電量的百分比等指標(biāo)和經(jīng)濟性作出全面的分析研究，準(zhǔn)確把握項目所在地區(qū)不同超配比例所對應(yīng)的增加光伏組件的投入成本和電站發(fā)電收益的整體平衡點，確定合理的系統(tǒng)“容配比”，從而達到提升光伏電站年利用小時數(shù)的目的，實現(xiàn)項目投資收益的最大化。

6 結(jié)語

光伏電站適當(dāng)提高光伏電站組件容量與逆變器容量比例，即“容配比”設(shè)計，已成為提高光伏系統(tǒng)綜合利用率、降低系統(tǒng)平準(zhǔn)化度電成本（LCOE）、提升收益的有效手段。光伏電站采用直流側(cè)增容的設(shè)計思路可降低5%以上的初始投資成本，將會是未來光伏電站擴大“容配比”的最優(yōu)選擇。當(dāng)“容配比”超過一定比例，系統(tǒng)整體效率還需要考慮功率損失，所以不同地區(qū)需要根據(jù)當(dāng)?shù)毓赓Y源條件及投資成本，借助仿真工具和財務(wù)模型，對不同“容配比”進行發(fā)電量和經(jīng)濟性分析，找出最佳“容配比”。