山地光伏電站組件布置優化及發電量仿真分析

文_裴強強 梁會森 李玉英

1 協合新能源集團 2 北京市北節能源設計研究所有限公司

光伏發電碳排放量是化石能源發電的1/10 到1/20，是真正的低碳能源，作為未來中國重要的可再生清潔能源之一，光伏發電無疑將為實現“碳達峰、碳中和”提供強勁引擎。光伏發電隨著近幾年的大型化和集中化發展，具備優質開發條件的平原區域已日漸匱乏，目前輻照度較好的復雜山地已逐漸成為光伏電站開發的主要選擇。由于山地光伏電站地形高低起伏、坡向差異大、山體陰影遮擋、前后排間距變化等各種復雜環境因素，給此類電站的組件布置以及發電量仿真分析帶來較大難度，且隨著光伏成本的逐年降低，山地電站的前期容量和發電量更需精細化評估。

本文采用Candela3D 三維建模軟件可根據山體坡度、坡向和冬至日太陽的方位角度、高度角度自動分析計算，既能輕易消除前后排組件造成的陰影遮擋，又能解決場區內及周邊地形高差或其他物體對場內組件造成的陰影遮擋問題，從而自動模擬出可利用區域，然后通過設置組件類型、排布方式、陣列間距，實現組件布置優化，可有效解決山地光伏電站組件布置難的問題，并大幅降低由于山體遮擋、組件陣列遮擋帶來的發電量損失，依據優化后得到的組件布置容量，導入PVsyst 軟件中可更準確的進行發電量仿真分析，為山地光伏電站的前期開發和合理設計提供有價值的參考。

1 項目概況

1.1 項目基本情況

選取四川省涼山彝族自治州鹽源縣某山地光伏電站開展山地光伏電站組件布置優化及發電量仿真分析。該項目中心點坐標為東經101.65424109°，北緯27.47657061°，規劃地塊面積約為1480 畝。項目區域總體地形北高南低，海拔在2550 ～27000m 之間；擬建場地局部地段地表石芽出露，石芽高度一般小于1.0m。地表植被較發育，主要為雜草和零星喬木。

1.2 光伏場區主要設備選型

1.2.1 光伏組件選型

光伏組件占整個光伏電站項目整體投資約50%，其各項指標參數直接影響光伏電站的性能，目前光伏電站建設主要采用單晶和多晶光伏組件。由于單晶光伏組件在晶體品質、電學性能、機械性能等方面明顯優于多晶光伏組件，可有效地節約用地面積，支架數量、對地面擾動少，并考慮目前市場主流品牌型號，因此本項目采用隆基LR5-72HIBD535M 單晶雙面光伏組件。

1.2.2 光伏逆變器選型

在光伏系統中，逆變器承載著發電側和電網側的連接，并向監控系統傳遞電站實時發電信息和故障告警。目前光伏行業廣泛采用的逆變器有3 種技術路線，分別為組串式逆變器、集中式逆變器、集散式逆變器。其中，集中式逆變器是將非常多個光伏組串經過匯流后連接到逆變器直流輸入端，集中完成將直流電轉換為交流電的設備，但其質量體積較大，施工存在一定難度，且 MPPT（最大功率點跟蹤）數量少。集散式逆變器是將 MPPT 和DC/DC 升壓功能集成到光伏控制器，然后集中將升壓后直流電轉換為交流電的設備。集散式逆變器多路MPPT 可減小了光伏組件各種失配帶來的發電量損失，但目前尚無成熟大規模應用的經驗，且成本較高。組串式逆變器是基于模塊化的概念，將光伏方陣中的每個光伏組串連接至指定逆變器的直流輸入端，各自完成將直流電轉換為交流電的設備。組串式逆變器體積小、質量輕、防護性能好，具有較多的MPPT，目前市場應用占比最大，且非常適用于復雜山地光伏電站環境。考慮目前市場主流品牌型號，本項目采用陽光電源SG225HX 型號組串式逆變器。

1.2.3 光伏組串數量

根據《光伏發電站設計規范》GB50797—2012 中光伏組件串聯數量計算公式(1)、(2)。

式中N-光伏組件的串聯數量（N 取整）； VDCmax-逆變器允許的最大直流輸入電壓（V）；Vpm-光伏組件的工作電壓（V）；Vmpptmax-逆變器MPPT 電壓最大值（V）；Vmpptmin-逆變器MPPT 電壓最小值（V）；Voc-光伏組件的開路電壓（V）；Tmax-光伏組件工作條件下極限高溫（℃）；Tmin-光伏組件工作條件下極限低溫（℃）；K-光伏組件的開路電壓溫度系數（%/℃）；K1-光伏組件的工作電壓溫度系數（%/℃）。

通過公式(1)、(2)進行計算得出光伏組件串聯數量為15 ≤N ≤27，為節省工程造價成本本項目光伏組件串聯數量選定為27。

2 基于Candela3D組件布置

2.1 山地電站組件傳統布置方式

本項目為山地復雜地形，考慮現場施工，故采用固定支架安裝形式。通過PVsyst 軟件對本項目固定支架安裝形式下進行最佳傾角計算，得出本光伏項目組件布置最佳傾角為32°。根據《光伏發電站設計規范》GB50797-2012 要求，光伏組件布置時，光伏陣列間距設置要保證在全年每天9：00 ～15：00（當地真太陽時）時段內前、后、左、右互不遮擋。在進行山地光伏電站陣列間距計算時，傳統的計算方式為依據GB50797-2012 中水平地面組件間距計算公式，同時考慮坡面自身的傾角，如圖1 所示，從而得出山地光伏電站陣列間距計算公式（3），但由于山地光伏電站地塊范圍大，且高低起伏不一，無法通過公式（3）對整個山地光伏電站不同的坡度角進行間距計算，通常會根據經驗將陣列間距值縮小或放大，從而造成陰影遮擋或土地資源浪費。

圖1 山地斜坡地面示意圖

式中L—陣列傾斜面長度；D—兩排陣列之間距離；β—陣列傾角；φ—當地緯度；γ—山地坡度角，當坡度為南高北低時式中“±”取“-”號，當坡度為北高南低時地式中“±”取“+”號。

2.2 Candela3D與傳統布置方式區別

Canela3D 是一款由基于SketchUp(草圖大師)開發的新一代光伏電站三維設計軟件，適用于復雜地形光伏項目光伏組件布置，可直接從衛星地圖抓取擬建設地塊范圍，將其轉換為三維地形，通過對光伏擬建設地塊范圍進行全場三維地形的日照、坡度、坡向及山體與山體之間陰影遮擋等因素進行綜合分析和計算，自動劃分光伏組件布置的可利用區域，然后通過相關邊界條件設置，自動完成光伏組件布置。與傳統布置方式相比，較大的減少了設計人員計算工作量，并降低了由經驗取值而帶來的容量偏差和陰影遮擋。

2.3 基于Candela3D 實現光伏組件自動布置

2.3.1 可利用區域

通過衛星地圖抓取本項目擬建設地塊范圍，然后導入Canela3D 軟件，生成三維地形圖。根據規范要求每天9：00 ～15：00（當地真太陽時）時段內前、后、左、右互不遮擋對三維地形圖進行日照分析，得出本項目地塊有效利用面積占比為74%。并依據光伏施工規范要求，將極限施工坡度限值設置為30°，最小允許南北坡度設置為-10°，最大允許東西坡度設置為20°，然后進行山體分析，擬建設地塊內不存山體陰影遮擋。然后Canela3D 軟件通過對日照分析、山體分析及組件陣列間距綜合分析計算，得出本項目可利用區域。

2.3.2 光伏組件自動布置

本項目選用隆基LR5-72 HIBD 535 M單晶硅雙面光伏組件，傾角設置為32°正南朝向，27 塊組件為1 組串，單排支架橫向安裝光伏組件27 塊，豎向2 塊。基于可利用區域以及各邊界條件設置，Candela 軟件自動完成布置，得出本項目可安裝光伏組件數量為56106 塊，光伏組串數量為2078串，裝機容量為30.001671MWp。

3 發電量仿真分析

3.1 光資源評估

發電量仿真分析采用瑞士日內瓦大學開發的PVsyst 軟件進行，PVsyst 是一款國際通用的光伏系統仿真軟件，可進行發電量、損耗等參數的仿真計算。

PVsyst 軟件仿真計算，首先需要進行光資源數據導入。目前收集到本項目附近光伏電站氣象站實測數據（2020 年）、項目所在地Solargis衛星數據、Meteonorm8.0 衛星數據，經過各數據源每月水平面總輻射數據分析，Solargis 數據與實測數據偏差為0.48%，且與實測數據整體變化趨勢基本一致，如圖2 所示；而MN8.0 在4 月、6 月、7月、8月明顯數據偏大，且與實測數據偏差為6.43%，如表1 所示。

表1 各數據源水平面總輻射

圖2 各氣象數據逐月水平面總輻射折線圖

通過以上分析，本項目Solargis 數據較MN8.0 數據更接近于實測，故本項目選取Solargis 數據作為PVsyst 軟件太陽能源資源數據輸入。

3.2 光伏系統各影響因素

影響光伏發電系統效率的主要因素包括組件匹配損失、灰塵遮擋損失、早晚不可利用的低、弱太陽輻射損失、直流線路損失、溫度影響損失、交流輸電損失、最大功率點跟蹤精度、逆變器的轉換效率等方面。根據本項目區域氣象數據及系統設備參數等，完成PVsyst 軟件中各影響因素的參數設置，經PVsyst 仿真計算，得出本項目發電量情況。

3.3 發電量仿真結果

通過PVsys 軟件仿真計算，得出本項目首年系統效率PR值為84.00%，首年發電小時數為1597.64h，首年發電量為4793.20 萬kWh；25 年平均發電小時數為1472.17，25 年平均發電量為4416.76 萬kWh。

4 結語

光伏發電隨著近幾年快速發展，具備優質開發條件的平原區域已日漸匱乏，復雜山地已逐漸成為光伏電站開發的主要選擇。由于山地光伏電站地形高低起伏、坡向差異大、山體陰影遮擋、前后排間距變化等各種復雜環境因素，采用傳統組件布置方式，工作量巨大，得出的組件布置容量往往與實際偏差較大，且反映效果不夠直觀。

采用Canela3D 三維建模設計，可直接從衛星地圖抓取擬建設地塊范圍，將其轉換為三維地形，通過對光伏擬建設地塊范圍進行全場日照、坡度、坡向及山體與山體之間陰影遮擋等因素綜合分析和計算，自動完成光伏組件布置。與傳統布置方式相比，較大的減少了設計人員計算工作量，并降低了由經驗取值而帶來的容量偏差和陰影遮擋。

基于Canela3D三維建模設計得出的組件布置容量，導入PVsyst 軟件進行發電量仿真分析，可更準確的模擬出25 年發電量結果，為山地光伏電站的前期開發和合理設計提供有價值的參考。既能降低前期不必要的額外投入和后續運維成本，又可提高發電效率增加收益，進而提高電站的投資回報率。