不同太陽能資源區(qū)不同容配比對光伏電站發(fā)電量影響的研究

馬慶虎，劉玉宏，李永泉，賈俊杰，孫曉坤，逯克輝，曹立柱

(國家電投集團青海光伏產業(yè)創(chuàng)新中心有限公司，西寧 810000)

0 引言

光伏發(fā)電是新能源發(fā)電中一種重要的發(fā)電形式，其主要是利用太陽電池的光電轉換原理將光能轉換為電能。光伏電站在設計時一般需要考慮諸多因素，如項目所在地的太陽能資源情況，場址區(qū)地形，組件的安裝傾角，支架的運行方式、方位角、行間距，以及設備的布置方式和選型等。當光伏陣列的輸出功率達不到額定的輸出功率，會導致逆變器不能按照額定功率運行，造成系統(tǒng)設備利用率低的情況，因此，需要選擇合適的容配比。容配比是指光伏電站中光伏組件標稱直流功率與逆變器交流輸出功率的比例。目前國內光伏電站的容配比一般為1.0:1.0～1.3:1.0，高容配比方案提高了光伏電站設備的利用率，在一定程度上提升了電站的發(fā)電收益。然而在不同等級的太陽能資源區(qū)，不同容配比對光伏電站收益的影響存在一定差別。本文主要研究了不同太陽能資源區(qū)、不同容配比因素對光伏電站發(fā)電量的影響。

1 不同太陽能資源對光伏電站發(fā)電量的影響

光伏電站設計時，需考慮影響其發(fā)電量的各個因素，如前文所述，其中，不同太陽能資源區(qū)的太陽能資源差異對發(fā)電量的影響最大。

根據(jù)GB/T 37526-2019《太陽能資源評估方法》，以年水平面輻照量來評價太陽能資源的豐富程度，將全國太陽能資源情況分為A 級最豐富區(qū)、B 級很豐富區(qū)、C 級豐富區(qū)、D 級一般區(qū)4 類[1]。由于國內D 級的區(qū)域較少，本文主要分析前3 種太陽能資源區(qū)。

表1 我國太陽能資源等級劃分Table 1 Classification of solar energy resources in China

為使光伏陣列傾斜面上接收到的全年太陽輻射量最大，應根據(jù)光伏電站所在地的經緯度、輻射資料、氣象條件等情況，通過計算來確定光伏組件的最佳安裝傾角[2-3]。

本研究從3 種太陽能資源區(qū)中各選出1 個地區(qū)進行對比計算，其中，A 級太陽能資源區(qū)選擇銀川地區(qū)、B 級太陽能資源區(qū)選擇北京地區(qū)、C 級太陽能資源區(qū)選擇南京地區(qū)；然后通過查詢Meteonorm 軟件，可得到3 個地區(qū)的年太陽輻射量數(shù)據(jù)，分別為5956.56、4905.00 和4385.88 MJ/m2，并以此作為后續(xù)容配比計算時的依據(jù)。

2 不同容配比對光伏電站發(fā)電量的影響

光伏電站在進行系統(tǒng)設計時選擇合適的容配比，可以在不增加交流設備成本的情況下提高光伏電站的整體發(fā)電量，并提高交流設備的利用率。

2.1 容配比計算的邊界條件

以裝機容量為1 MWp的光伏陣列為例。該光伏陣列采用410 Wp單面單晶硅光伏組件、1000 kW 集中式逆變器和35 kV 升壓箱變，支架選擇固定式支架，陣列支架前后排之間的總間距為9.4 m(前后排之間的凈間距為6.0 m)。

本算例中主要設備的價格分別是：組件為1.8 元/W，逆變器為0.17 元/W，升壓箱變?yōu)?5萬/臺，固定式支架為8500 元/kg。

根據(jù)光伏組件和逆變器的不同配比設計光伏陣列的容配比，分別為1.0∶1.0、1.1∶1.0、1.2∶1.0、1.3∶1.0、1.4∶1.0、1.5∶1.0、1.6∶1.0、1.7∶1.0、1.8∶1.0、1.9∶1.0、2.0∶1.0。當光伏陣列的容配比較低時，逆變器的限發(fā)電量較??；容配比較高時，逆變器的限發(fā)電量也隨之變大[4]。

2.2 容配比計算結果及分析

為得到合理的容配比結果，以上文選取的銀川、北京、南京這3 個不同太陽能資源區(qū)的太陽能資源及氣象數(shù)據(jù)為例，根據(jù)容配比計算的邊界條件，采用PVsyst 軟件進行模擬計算，測算同一配置的光伏陣列在不同太陽能資源區(qū)、不同容配比時的發(fā)電量情況，結果如表2 所示。

根據(jù)表2 中得到的不同太陽能資源區(qū)、不同容配比時光伏陣列的發(fā)電量情況，統(tǒng)計相應的工程量，并計算出光伏陣列在不同地區(qū)的度電成本，具體如表3 和圖1 所示。

表2 不同太陽能資源區(qū)、不同容配比時光伏陣列的發(fā)電量Table 2 Power generation of PV array in different solar energy resource areas and different capacity ratios

表3 不同太陽能資源區(qū)、不同容配比時光伏陣列的度電成本Table 3 Cost of electricity consumption of PV array in different solar energy resource areas and different capacity ratios

對表2 和表3 中的數(shù)據(jù)進行綜合分析可知：當銀川地區(qū)的容配比為1.3:1.0 時，光伏陣列的度電成本最低；北京地區(qū)的容配比為1.4:1.0 時，光伏陣列的度電成本最低；南京地區(qū)的容配比為1.6:1.0 時，光伏陣列的度電成本最低。

圖1 不同太陽能資源區(qū)、不同容配比時光伏陣列的度電成本曲線Fig.1 Cost of electricity consumption curve of PV array in different solar energy resource areas and different capacity ratios

為說明當容配比超過1.1:1.0 時逆變器的功率輸出情況，選擇一個已建光伏電站中的1 MWp 光伏陣列，選用1000 kW 集中式逆變器，直流容量按照1.1 倍(即1100 kW)配置，即容配比為1.1:1.0 時，逆變器最大輸出功率為額定功率的1.1 倍(即1100 kW)時，可長期運行，逆變器不產生限電現(xiàn)象；功率大于1100 kW 時，開始限發(fā)功率，從而限發(fā)電量。這與理論分析一致，進一步驗證了仿真模擬的準確性[5]。

容配比為1.1:1.0 時光伏電站中1 個光伏陣列的典型日輸出功率曲線圖如圖2 所示。

圖2 容配比為1.1:1.0 時光伏陣列的典型日輸出功率曲線圖Fig.2 Typical daily output power curve of PV array with capacity ratio of 1.1:1.0

3 結論

本文研究了不同太陽能資源區(qū)、不同容配比因素對光伏電站發(fā)電量的影響，結論如下：

1) A 級太陽能資源區(qū)的太陽能資源最豐富，容配比在1.0:1.0～1.1:1.0 范圍內，光伏發(fā)電系統(tǒng)不會出現(xiàn)限功率；容配比在1.2:1.0～2.0:1.0 范圍內，光伏發(fā)電系統(tǒng)會出現(xiàn)不同程度的限功率。隨著容配比的增加，限電量也隨之增加，因此，在A 級太陽能資源區(qū)建設光伏電站時，建議容配比選擇1.2:1.0～1.4:1.0。

2) B 級太陽能資源區(qū)的太陽能資源很豐富，容配比在1.0:1.0～1.1:1.0 的范圍內，光伏發(fā)電系統(tǒng)不會出現(xiàn)限功率；容配比在1.2:1.0～2.0:1.0 的范圍內，光伏發(fā)電系統(tǒng)會出現(xiàn)不同程度的限功率。隨著容配比的增加，限電量也隨之增加，因此，在B 級太陽能資源區(qū)建設光伏電站時，建議容配比選擇1.4:1.0～1.6:1.0。

3) C 級太陽能資源區(qū)的太陽能資源豐富，容配比在1.0:1.0～1.1:1.0 的范圍內，光伏發(fā)電系統(tǒng)不會出現(xiàn)限功率；容配比在1.2:1.0～2.0:1.0 的范圍內，光伏發(fā)電系統(tǒng)會出現(xiàn)不同程度的限功率。隨著容配比的增加，限電量也隨之增加，因此，在C 級太陽能資源區(qū)建設光伏電站時，建議容配比選擇1.5:1.0～1.7:1.0。

綜上所述，光伏電站在設計時應對主要設備價格、上網電價、不同地區(qū)的太陽能資源等情況進行綜合分析，選出合適的容配比，在不增加交流設備成本的情況下，可提高光伏電站的發(fā)電量，同時提高交流設備的利用率。