光伏電站容配比探討

陳晨 丁學(xué)林 鄒仲芳

（上海航天智慧能源技術(shù)有限公司 上海 201100）

0 引言

光伏產(chǎn)業(yè)是我國少有的形成國際競爭優(yōu)勢、實(shí)現(xiàn)全產(chǎn)業(yè)鏈自主可控的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，也是推動我國能源變革的重要引擎。我國在“十四五”規(guī)劃中提出要力爭實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”的目標(biāo)，但中國當(dāng)前仍處于工業(yè)化和城鎮(zhèn)化進(jìn)程中，經(jīng)濟(jì)發(fā)展和民生改善的任務(wù)還很重，并且能源結(jié)構(gòu)偏煤、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)偏重，從“碳達(dá)峰”到“碳中和”的時間比發(fā)達(dá)國家縮短了一半左右。因此，對我國而言實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”的目標(biāo)仍然面臨著巨大挑戰(zhàn)。面對諸多挑戰(zhàn)，加速能源轉(zhuǎn)型［1］，大力發(fā)展光伏等新能源是實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)的必然選擇。從經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，推廣光伏新能源必須考慮工程的建設(shè)成本和經(jīng)濟(jì)效益。隨著光伏組件的價格下降，光伏電站容配比對電站收益率的影響越來越大［2］。

1 容配比概述

1.1 光伏電站容配比的概念

容配比［3］是指光伏電站中組件標(biāo)稱功率與逆變器額定輸出功率的比例，其計算如式（1）。

式中：R 為容配比；PDC為光伏組件安裝容量；PAC為光伏發(fā)電系統(tǒng)額定容量。

1.2 提升容配比的原因

（1）光伏組件的標(biāo)稱功率與實(shí)際輸出功率存在差距。組件標(biāo)稱功率是在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境25 ℃條件下測得的，輻照度1 000 W/m2［4］，光譜分布1.5。而不同區(qū)域的輻照度差異較大，實(shí)際輸出功率達(dá)不到理論值。

（2）系統(tǒng)損耗。在組件容量和逆變器容量一致的情況下，由于客觀存在的各種損耗，如組件表面灰塵污漬、線路損耗、逆變器轉(zhuǎn)換效率等因素，逆變器實(shí)際輸出最大容量只有逆變器額定容量的90%左右，我國光伏電站整體的系統(tǒng)效率在80%～85%之間。

（3）有利于電網(wǎng)運(yùn)行。提升容配比可以延長電站滿載運(yùn)行時間，降低輸出功率變化幅度和電網(wǎng)的調(diào)峰壓力，使光伏電站的輸出功率更加穩(wěn)定。

1.3 提升容配比的意義

（1）搭配儲能系統(tǒng)，使輸出功率平滑。

（2）補(bǔ)償光照的不足，降低各環(huán)節(jié)造成的效率損失，使電站達(dá)到預(yù)期輸出功率。

（3）組件輸出功率變高可以使逆變器啟動更早，停機(jī)更晚，延長系統(tǒng)發(fā)電時間。

（4）提高了逆變器、箱變等設(shè)備的利用效率，攤薄了固定設(shè)施的建設(shè)成本，降低單位工程造價。

1.4 政策依據(jù)

2020 年10 月23 日，《光伏發(fā)電系統(tǒng)效能規(guī)范》（NB/T 10394—2020）正式發(fā)布，這是我國首個正式下發(fā)的、全面放開容配比的規(guī)范。該規(guī)范也將容配比限制提高到最高1.8∶1。此規(guī)范對降低發(fā)電成本、助力平價上網(wǎng)意義重大。

2 增加容配比方案

（1）直流側(cè)增容。針對電站容量按照交流側(cè)統(tǒng)計，若直流側(cè)土地滿足超配組件的安裝面積要求，便可增加安裝容量。

（2）交流測減容。針對電站容量按照直流側(cè)統(tǒng)計，增加容配比的措施為減少交流測容量配置，減少逆變器和箱變的容量，降低投資成本。

3 增加容配比對設(shè)備選型的要求

3.1 增容對逆變器的影響

由于逆變器的接線端子要足夠多，從而滿足超配要求；而超配易造成逆變器過載運(yùn)行，需要設(shè)備具有更強(qiáng)的耐壓能力；逆變器長時間滿功率運(yùn)行會導(dǎo)致機(jī)器內(nèi)部溫度上升，而電子元件的壽命與溫度成反比。因此提高容配比對元器件的壽命有很大影響。

3.2 對箱變的影響

若電站設(shè)計額定功率為P，在不考慮線路損耗的情況下，箱變要具備1.1 倍的過載運(yùn)行能力，具體關(guān)系如圖1 所示。

圖1 電站設(shè)計額定功率與箱變運(yùn)行能力之間的關(guān)系

4 光伏電站最佳容配比的設(shè)計

4.1 設(shè)計原則

超配設(shè)計原則以逆變器不限發(fā)為原則，具體比例為Ⅰ類地區(qū)1.1 倍、Ⅱ類地區(qū)1.2 倍、Ⅲ類地區(qū)1.3 倍。

現(xiàn)在電站超配以LCOE（平準(zhǔn)化度電成本，光伏發(fā)電系統(tǒng)在評價周期內(nèi)發(fā)生的所有成本和全部可上網(wǎng)電量的折現(xiàn)比值，單位為元/千瓦時）最低為原則［5］，追求更高容配比、更優(yōu)的組件布局設(shè)計等，見式（2）。

4.2 設(shè)計方法

綜合考慮項目的地理位置、地形條件、太陽能資源條件、組件選型、安裝類型、布置方式、逆變器性能、建設(shè)成本、光伏方陣至逆變器和并網(wǎng)點(diǎn)的各項損耗、電網(wǎng)需求等因素，借助Pvsyst 仿真工具和財務(wù)收益測算模型，使用試算法進(jìn)行計算。從低到高選取容配比進(jìn)行多點(diǎn)計算，得出最優(yōu)容配比；系統(tǒng)發(fā)電量可利用Pvsyst 模擬計算得出［6］。

5 容配比對光伏電站的影響

為了探究容配比對光伏電站的影響，本文取自上海市多個光伏電站的數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，分別探究不同容配比對光伏電站首年利用小時數(shù)、發(fā)電系統(tǒng)線損等因素的影響。

5.1 容配比對首年利用小時數(shù)的影響

目前常選擇在直流側(cè)增容的方法提高容配比，由于逆變器限功率運(yùn)行的時間會隨著容配比的提高而增加，因此以電站直流側(cè)裝機(jī)容量計算的等效利用小時會發(fā)生變化，高容配比下的電站首年利用小時會有所下降。以上海地區(qū)為例，不同容配比下的光伏電站首年利用小時數(shù)如圖2 所示。

圖2 不同容配比的光伏電站首年利用小時數(shù)

由圖2 可知，當(dāng)容配比R=1.0～1.4 時，不同容配比下的光伏電站首年利用小時數(shù)約為1 289 h，首年利用小時基本沒有明顯變化；當(dāng)容配比R=1.5 時，該光伏電站首年利用小時數(shù)約為1 287.5 h，這時首年利用小時開始略有降低，但降幅很少，降幅為0.104%，此時容配比對發(fā)電量的影響很??；當(dāng)容配比R=1.6 時，首年利用小時下降明顯，約為6 h，降幅約為0.47%；當(dāng)容配比R=1.8 時，電站的首年利用小時降低了31.74 h，降幅2.46%，其發(fā)電量也會隨之減少；同時反映隨著光伏電站容配比的增大，電站的首年利用小時數(shù)會降低，并且降低的幅度會越來越大，最終造成光伏電站發(fā)電量的減少。

5.2 容配比對發(fā)電系統(tǒng)線損的影響

不同的容配比下，對線損的影響是不同的，圖3 為不同容配比下的某光伏站的線損情況。從圖中可以看出，當(dāng)容配比為分別為R=1.0、1.1、1.2、1.3 時，其線損分別是0.15%、0.162%、0.179%、0.214%，說明電站的容配比越大，其線損也越大。當(dāng)容配比R 從1.0 增大至1.1 時，線損從0.15%提高至0.162%，線損增加了0.012%，變化幅度為8%；當(dāng)R 從1.1 增大至1.2 時，線損從0.162%提高至0.179%，線損增加了0.017%，線損變化幅度為10.5%；當(dāng)R 從1.2 增大至1.3 時，線損從0.179%提高至0.214%，線損增加了0.035%，線損變化幅度為19.6%；反映出當(dāng)容配比增加相同的幅度時，容配比基數(shù)越大，其對應(yīng)的線損增加的幅度也越大，說明容配比越大對線損的變化情況影響越大。

圖3 容配比與線損之間的變化曲線

5.3 初始容配比對發(fā)電量的影響

目前光伏電站的理論壽命為25 a，隨著光伏組件材料的不斷老化，光伏電站的實(shí)際容配比是在逐年下降的。從圖4 可以看出：容配比與電站使用時間之間成線性關(guān)系，且隨著時間變化，電站的容配比不斷減小。但是若電站的初始容配比較高，即使容配比隨著時間的推移降低后，由于逆變器限功率時間減少，年利用小時增加。雖然發(fā)電量的增幅不及組件的衰減速度，但增加容配比可以減緩組件衰減造成的發(fā)電量減少。

圖4 容配比與時間之間的變化曲線

5.4 容配比對運(yùn)維及投資的影響

目前光伏電站的運(yùn)維成本在0.02 元/Wp 左右，直流側(cè)增容會造成光伏組件的清洗成本和日常運(yùn)維費(fèi)用的增加。

光伏電站公共部分投資成本大約在0.8 元/W～1.5 元/W，投資總成本構(gòu)成如圖5 所示，包含組件、逆變器、支架、配電箱、光伏電流、輔助料、施工等成本。若考慮直流側(cè)增容，雖然公共部分與原來相比投資總額不會變化太多，但是會使項目的總?cè)萘吭黾?，從而使公共部分的單位投資成本會有所下降。

圖5 光伏投資占比

6 總結(jié)

（1）當(dāng)容配比R=1.0～1.4 時，對電站的首年利用小時數(shù)影響很?。划?dāng)容配比R≥1.5 時，隨著容配比的增大，電站的首年利用小時數(shù)會降低，且降低的幅度會越來越大。

（2）不同的容配比，對線損的影響是不同的；當(dāng)電站的容配比越大，其線損也越大；容配比基數(shù)越大時，對線損的變化幅度影響也越大。

（3）提升容配比可以減緩光伏電站因組件衰減而導(dǎo)致發(fā)電量的降低。

（4）提升容配比，可以提高逆變器、箱變等設(shè)備的利用效率，并降低工程造價，增加直流側(cè)裝機(jī)容量，降低電站的投資成本和發(fā)電成本。