基于LCOE 模型的光伏發電項目優化研究

陳柯延

（國網江蘇省電力有限公司寶應縣供電分公司， 江蘇 揚州 225800）

0 引言

方陣傾角的提升會使光伏方陣的荷載隨之增加，需要對光伏發電的支架和基礎予以強化處理，初始投資會相應提升。因方陣傾角不斷提升，光伏發電的發電量也會呈現出先升后降的狀態，并且在某一傾角時的發電量為最高。方陣間距的提升會使光伏發電項目的占地面積、電纜長度隨之增加，導致初始投資增加。因方陣間距的不斷提升，其陰影覆蓋損失便會隨之降低，故發電量呈上升趨勢。方陣間距和方陣傾角的提升會對光伏發電站初始資金以及發電量產生影響，光伏發電站的經濟效益也會因此受到影響。準確找到方陣傾角和方陣間距之間存在的最佳組合，便可以有效實現光伏發電站利益最大化目標[1]。但是，由于光伏發電站之間存在差異性，因此，達到利益最大化效果的方陣傾角和方陣間距最佳組合也可能不同。

1 基于LCOE 的光伏發電成本模型

光伏發電成本普遍會用LCOE（即平準化度電成本，公式中記為CLOE）來指代，是用于評價各類發電系統在某一運作期限內電力單位所需成本的凈現值。在發電系統的運作期間，每度電所需要的成本值為總成本投入貼現值與總發電量收益貼現值之比。針對光伏發電系統，LCOE 數值的高低便可以明確地展示出光伏發電項目的實際發電成本以及經濟效益情況，是相關人員進行投資計算、并網電價指導等工作的重要參考，極具指導價值。基于LCOE 模型的光伏發電成本計算公式如下：

式中：I0為初始投資成本；At為第t年的運營總支出（包含土地租金）；M為當年發電量；i為投資收益率；n為財務分析過程中的系統年數；t為系統運行周期（t=1，2，3，…，n）。由式（1）可知，LCOE 模型以動態模擬為基礎進行構建，在計算時考慮了貼現率對LCOE值的影響。

2 方陣間距和方陣傾角最佳組合的計算方法

計算各個方陣間距中差異性方陣傾角的實際發電量，以此確定差異性方陣間距中發電量最大的方陣傾角，進而獲得多個方陣間距和方陣傾角組合。然后，根據眾多組合的初始投資、運維成本和發電量等因素，分別計算每個組合的經濟性指標，再對經濟性指標進行比較，找到最終可以實現光伏發電項目利益最大化的方陣間距和方陣傾角最佳組合。

3 實例分析

本文實例分析是在土地成本影響的基礎上，以某地面集中光伏發電項目為例，分別根據傳統的計算方法和上文闡述的計算方法，對該光伏發電項目的經濟性指標予以計算和對比，找出最具經濟價值的方陣間距和方陣傾角最佳組合，同時驗證該利益最大化方法的可行性，進而實現光伏發電項目優化設計目標。

為簡化分析，本文做出以下假設：

光伏發電項目的可使用場地面積不存在局限性、各個方陣傾角支架以及基礎均為原定、電纜長度不變、方陣傾角的變化只對發電量和占地面積產生影響、各個方案的初始投資均為一致、年度運維成本和單位土地成本在經營周期內維持原定。

本文通過LCOE 模型對光伏發電項目單位的發電量成本情況進行評價，LCOE 數值越小，便證明優化設計方案最佳。

3.1 項目概況

該光伏發電項目的地理坐標為北緯30.62°，東經114.13°，且占地場所為平地，該項目的裝機容量為1 004.4 kW，投入使用期限為25 年，建設成本為4.2 元/Wp，折現率為6.5%，年度運維成本為0.05 元/Wp，光伏組件年度衰減率為0.5%，所得稅稅率為25%，增值稅稅率為13%，折舊年限為20 年，殘值率為5%。

該光伏發電項目運用的組件規格為2 568 mm×1 088 mm（長×寬）的450 Wp 單晶硅組件，具體應用數量為2 400 塊，在運用過程中，將每12 塊組件進行串聯，制成200 串組串。該項目方陣方位角的度數為0°，且應用了固定支架的設計，并按照豎向兩排的標準進行配置，同時，將每48 塊組件予以組合排列，利用此方法建出50 個方陣。組件和組件之間務必預留出20 mm 的縫隙，盡量降低方陣面上的風壓。選擇13 臺65 kW 的組串式逆變器，且所有逆變器均需具備四路MPPT（最大功率點跟蹤）。同時，在各路MPPT 上接入3～4 串組串。

3.2 應用傳統方法予以優化設計分析

3.2.1 計算傾斜面總輻射量最大時的方陣傾角

計算可得該光伏發電項目所處位置的傾斜面接收總輻射量最大時的方陣傾角為22.7°，總輻射量為1 287 kW·h/m2，如圖1 所示。

圖1 傾斜面總輻射量最大時的傾角

3.2.2 計算方陣前后排間距

通過計算得到方陣傾角，對方陣前后排的間距進行計算，利用一般設計原則明確其數值為8.56 m，方陣東西走向的長度為25.67 m，單方陣的占地面積為219.78 m2，光伏發電場地所占面積為10 988.94 m2。

3.2.3 明確發電量最大時的方陣傾角

通過計算得到方陣間距數值，在全部電量損失因素的基礎上，對方陣傾角予以優化設計，如圖2 所示，實現并網電量最大化[2-3]。

圖2 發電量仿真二次優化設計示意圖

3.2.4 計算優化方案的經濟性指標

根據傳統的計算方法，確定方陣間距，其數值為8.56 m，方陣傾角為13.5°，第一年發電小時數為1 041.48 h，光伏發電場地所占面積是10 988.94 m2。各個光伏發電站單位土地租金時的LCOE 如表1 所示。

表1 各個光伏發電站單位土地租金LCOE

3.3 應用方陣間距和方陣傾角最佳組合計算方法分析

3.3.1 尋找不同方陣間距下發電量最大時的方陣傾角

本案例分析應用的方陣間距參數在7.0～14.0 m之間，步長為0.5 m。對各個方陣間距下差異化方陣傾角的發電量進行計算，得到全部方陣間距和發電量最大時的方陣傾角組合。發電量最大時的方陣傾角和第一年發電小時數如圖3 所示。

圖3 發電量仿真二次優化

3.3.2 計算全部組合的經濟性指標，得到最佳組合優化方案

先依照方陣間距的東西、南北走向間距，計算各個南北走向的方陣間距單個光伏方陣的占地面積，將得到的結果和方陣數量相乘，可得到不同南北向間距光伏發電項目的整體占地面積[4-5]。由于方陣南北向的間距會呈現出擴大趨勢，單個方陣的占地面積和光伏發電項目的總占地面積也會因此擴大。各個方陣南北向間距單個方陣和光伏發電總占地面積參數如表2 所示。

表2 各個方陣南北向間距單個方陣和光伏發電總占地面積參數

依照每個方陣南北走向間距下的發電量最佳方陣傾角、光伏發電項目整體占地面積和土地單位租金，計算全部優化方案下的年土地租金，年土地租金的數額會因方陣南北走向間距和單位土地租金數額的提升而增加。

對得到的全部方陣南北走向間距下的發電量最大時最優傾角、第一年發電總時間（h）、光伏發電項目整體占地面積和土地租金數額等進行經濟性指標計算，可得全部組合方案的LCOE，以此獲得方陣間距和方陣傾角的最佳組合，實現光伏發電項目的優化目標[6]。計算結果如表3 所示。

表3 各個方陣間距與傾角組合、不同單位土地租金時的LCOE 計算結果 元/（kW·h）

對計算結果進行分析，在相同的方陣間距和方陣傾角條件下，LCOE 的數值會因單位土地租金的增加而升高。以“7.0 m+10.1°”組合為例進行分析，單位土地租金由0.0 元/（m2·a）增加至2.0 元/（m2·a），LCOE 的數值由0.349 5 元/（kW·h）增加至0.365 2 元/（kW·h）。單位土地租金呈逐漸上升趨勢，LCOE 最低優化方案的方陣間距和方陣傾角呈下降趨勢。隨著單位土地租金的增加，LCOE 最低方案的方陣間距和方陣傾角組合由“14.0 m+17.9°”變成“7.5 m+10.6°”。傳統方法計算得出的方陣間距和方陣傾角最佳組合為“8.56 m+13.5°”，其LCOE 的數值只在單位土地租金為0.8元/（m2·a）時才最低。各個單位土地租金時的方陣間距和方陣傾角最佳組合如圖4 所示。

圖4 各個單位土地租金時的方陣間距和方陣傾角最佳組合

4 結論

1）利用傳統方案設計并計算得出的方陣間距與方陣傾角組合，并非經濟性指標的最佳組合。土地租金會對光伏發電項目的方陣間距和方陣傾角優化設計方案造成影響，且隨著土地租金的不斷變化，其經濟性指標最佳優化設計方案的方陣間距和方陣傾角可能會存在差異性。

2）在相同的方陣間距和方陣傾角條件下，LCOE的數值會因單位土地租金的增加而升高。不僅如此，因單位土地租金呈逐漸上升的趨勢，使得LCOE 最低優化方案中的方陣間距和方陣傾角呈下降趨勢。

3）為簡化計算，本研究對各個方陣間距和方陣傾角組合的項目初始投資予以相同假設。但事實上，光伏發電項目的方陣間距和方陣傾角的變化會對支架、基礎和電纜等內容形成相應的影響，進而使得項目初始投資也隨之產生變化，并且普遍會以相同的方向予以變化。因此，綜合考慮以上因素，LCOE 數值呈最佳狀態時對應的方陣間距和方陣傾角組合將會比本研究的計算結果低。

4）本研究的背景是光伏發電項目的場地可用面積不會受到限制、總裝機容量固定、支架固定、平地以及正南朝向等。針對所占場地可用面積固定、總裝機容量非固定、跟蹤支架、地形、坡度和朝向均不固定的情景因素，也可以利用以上方法進行研究。