基于青海地區(qū)在運(yùn)光伏電站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的容配比提升分析

(中國電力國際發(fā)展有限公司，北京 100080)

0 引言

近年來，隨著全球光伏組件技術(shù)的快速提升及光伏發(fā)電裝機(jī)規(guī)模的爆發(fā)式增長(zhǎng)，光伏市場(chǎng)呈現(xiàn)光伏組件的價(jià)格快速下跌、單塊光伏組件的標(biāo)稱功率穩(wěn)步上升的趨勢(shì)。根據(jù)第11 版《國際光伏技術(shù)路線圖2019》[1]的數(shù)據(jù)顯示，自2010～2018 年，全球晶體硅光伏組件的平均價(jià)格從11.90 元/Wp下降至1.68 元/Wp；單塊晶體硅光伏組件的平均標(biāo)稱功率也從241.5 Wp上升至302.5 Wp。

中國光伏行業(yè)協(xié)會(huì)的數(shù)據(jù)顯示，截至2019年12 月，國內(nèi)晶體硅光伏組件的價(jià)格已經(jīng)降至1.590～1.762 元/Wp，主流晶體硅光伏組件的標(biāo)稱功率已達(dá)到330 Wp[2-3]。2010～2020 年，晶體硅光伏組件的價(jià)格下跌幅度超過10 元/Wp，單塊晶體硅光伏組件的標(biāo)稱功率約上升100 Wp，且未來晶體硅光伏組件的價(jià)格仍有進(jìn)一步的下降空間。

隨著國內(nèi)光伏發(fā)電裝機(jī)規(guī)模日漸擴(kuò)大，以及光伏組件價(jià)格的快速下降，早期投產(chǎn)的光伏電站陸續(xù)開展了大規(guī)模的擴(kuò)容工程，這對(duì)光伏電站的經(jīng)濟(jì)收益意義重大。

本文基于青海地區(qū)正在運(yùn)行的光伏電站(下文簡(jiǎn)稱“在運(yùn)光伏電站”)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)建立了光伏組件-逆變器限電率模型，以度電成本(LCOE)為考核指標(biāo)，分析在不同擴(kuò)容工程的工程造價(jià)影響下，光伏組件-逆變器容配比(下文簡(jiǎn)稱“容配比”)與LCOE的敏感性關(guān)系，以確定在運(yùn)光伏電站擴(kuò)容時(shí)的最佳容配比。

1 容配比的含義

根據(jù)NB/T 10394-2020《光伏發(fā)電系統(tǒng)效能規(guī)范》中的表述，光伏組件的安裝容量(即光伏組件的標(biāo)稱功率之和)PDC與逆變器的額定容量PAC之比稱為容配比η，其計(jì)算式為：

早期國內(nèi)在運(yùn)光伏電站的容配比一般為1:1，即與1 臺(tái)500 kW 集中式逆變器配套的光伏組件的安裝容量為500 kWp。但光伏電站會(huì)受失配損失、陰影遮擋、灰塵遮擋、光伏組件工作溫度升高、光伏組件功率衰減、電纜線損等因素的影響，安裝容量為500 kWp的光伏組件的實(shí)際輸出功率會(huì)低于500 kW，使逆變器無法實(shí)現(xiàn)滿負(fù)荷運(yùn)行，存在額定容量浪費(fèi)的情況，導(dǎo)致光伏電站的整體發(fā)電量低于預(yù)期值，最終影響光伏電站的經(jīng)濟(jì)效益。

針對(duì)額定容量浪費(fèi)的情況，可在光伏電站直流側(cè)適當(dāng)增加光伏組件的數(shù)量或更換大功率光伏組件，以此增加光伏電站裝機(jī)規(guī)模，從而可在容配比1:1 的基礎(chǔ)上提升容配比，以提高光伏組件輸出功率，增加逆變器滿負(fù)荷運(yùn)行的時(shí)數(shù)。

以某一晴朗日不同容配比時(shí)光伏組件的瞬時(shí)輸出功率曲線為例進(jìn)行分析，如圖1 所示。從圖中可以看出，容配比為1.0:1 時(shí)光伏組件的瞬時(shí)輸出功率比容配比為1.1:1 及1.2:1 時(shí)光伏組件的瞬時(shí)輸出功率低，即容配比提高后，光伏組件的輸出功率也隨之提高，逆變器實(shí)現(xiàn)了滿負(fù)荷運(yùn)行。

圖1 不同容配比時(shí)光伏組件的瞬時(shí)輸出功率曲線Fig.1 PV modules instantaneous output power curves at diffterent capacity ratios

提升容配比需考慮多種因素，下文對(duì)確定光伏電站最佳容配比需考慮的因素進(jìn)行分析。

2 確定最佳容配比時(shí)需考慮的因素

雖然提升容配比可提高光伏組件的輸出功率，進(jìn)而提升光伏電站的整體發(fā)電量，但容配比不能無限制的提升，需對(duì)限電率、工程造價(jià)及LCOE進(jìn)行綜合考慮后，選取最佳的容配比。通過建立科學(xué)準(zhǔn)確的針對(duì)光伏發(fā)電的限電率模型，再針對(duì)不同容配比時(shí)的工程造價(jià)及LCOE開展敏感性分析，即可準(zhǔn)確評(píng)估不同容配比為光伏電站帶來的經(jīng)濟(jì)效益。

相較于項(xiàng)目?jī)?nèi)部收益率，LCOE能更直觀地反映擴(kuò)容工程所帶來的發(fā)電量收益，并排除其他財(cái)務(wù)指標(biāo)變化造成的結(jié)果擾動(dòng)。因此，采用LCOE作為經(jīng)濟(jì)效益的考核指標(biāo)更佳。

2.1 建立限電率模型

限電率是指由于容配比提升，光伏組件的理論輸出功率超過了逆變器的容量限制，從而造成了發(fā)電量損失，這部分損失的發(fā)電量即是被限制的那部分發(fā)電量，其占理論發(fā)電量的比例即為限電率N。

N的計(jì)算式可表示為：

式中，EDC,act為擴(kuò)容后光伏組件的實(shí)際直流發(fā)電量；EDC,ideal為擴(kuò)容后光伏組件的理論直流發(fā)電量。

對(duì)在運(yùn)光伏電站中光伏組件的瞬時(shí)輸出功率曲線進(jìn)行面積積分，在數(shù)學(xué)處理上有助于快速建立限電率模型。該模型可表示為：

式中，t為時(shí)刻；Eact(t)為擴(kuò)容后t時(shí)刻光伏組件的實(shí)際瞬時(shí)輸出功率；Eideal(t)為擴(kuò)容后t時(shí)刻光伏組件的理論瞬時(shí)輸出功率；SDC,act為擴(kuò)容后光伏組件的實(shí)際瞬時(shí)輸出功率曲線的面積；SDC,ideal為擴(kuò)容后光伏組件的理論瞬時(shí)輸出功率曲線的面積。

其中，

式中，E(t)為t時(shí)刻逆變器的交流瞬時(shí)輸出功率；δ為逆變器損耗，此處取2%。

以青海地區(qū)某在運(yùn)光伏電站中安裝容量為500 kW 的光伏陣列為例。根據(jù)從該光伏電站監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中提取的500 kW 逆變器的單日交流瞬時(shí)輸出功率數(shù)據(jù)，利用式(4)可得出該光伏陣列的Eideal(t)。對(duì)于該光伏陣列而言，其單日的瞬時(shí)輸出功率存在如下關(guān)系：若Eideal(t)≤500 kW時(shí)，則Eact(t)=Eideal(t)；若Eideal(t)＞500 kW 時(shí)，則Eact(t)=500 kW，即Eact(t)被限制為500 kW。

對(duì)上述光伏陣列進(jìn)行擴(kuò)容，當(dāng)容配比為1.4:1時(shí)，光伏組件的理論輸出功率超過了逆變器的容量限制，出現(xiàn)了逆變器限電的情況?；? 月1～30 日的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)生成了部分日期內(nèi)500 kW 逆變器的限電情況曲線，如圖2 所示。

圖2 容配比為1.4:1 時(shí)逆變器的限電情況Fig.2 Power limit of inverter when capacity ratio is 1.4:1

由于整個(gè)光伏電站的日實(shí)際輸出功率曲線是在包含了當(dāng)?shù)貧夂?、沙塵、溫度，以及各種檢修因素對(duì)光伏組件輸出功率造成影響的基礎(chǔ)上生成的，因此基于該功率曲線建立的限電率模型相對(duì)科學(xué)、準(zhǔn)確，也對(duì)后續(xù)的分析更有指導(dǎo)作用。而基于光伏電站大量的全年實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)則可以建立更準(zhǔn)確的限電率模型。

通過限電率模型可計(jì)算得到光伏組件擴(kuò)容后光伏電站整體的年發(fā)電量，其計(jì)算式為：

式中，EEXPAND為光伏組件擴(kuò)容后光伏電站整體的實(shí)際年發(fā)電量；PEXPAND為光伏組件擴(kuò)容后光伏電站的實(shí)際總裝機(jī)容量；H為光伏電站運(yùn)營期內(nèi)的年等效利用小時(shí)數(shù)。

2.2 工程造價(jià)分析

近年來，大型地面光伏電站的工程造價(jià)逐步下降，已由2010 年的8000～10000 元/kWp降至2019 年的約4550 元/kWp，預(yù)計(jì)2020 年可降至約4350 元/kWp[2-3]。

對(duì)于在運(yùn)光伏電站而言，提升容配比所涉及到的工程造價(jià)主要包括新增光伏組件、樁基礎(chǔ)、光伏支架和線纜等的建設(shè)安裝費(fèi)；除此以外的其他工程投資額因較小，可忽略不計(jì)。

綜上所述，當(dāng)前擴(kuò)容工程的工程造價(jià)應(yīng)在2000～4000 元/kWp之間，且預(yù)計(jì)在未來幾年仍有下降空間。

2.3 LCOE 分析

LCOE可表示為[4]：

式中，Ci為光伏電站全壽命周期內(nèi)第i年的成本，包括光伏電站的初始投資成本、逐年生產(chǎn)總成本等；Ei為光伏電站全壽命周期內(nèi)第i年的發(fā)電量；n為光伏電站全壽命周期年限，此處取25；DR為折現(xiàn)率，此處取8%。

3 結(jié)果分析

3.1 容配比與LCOE 的關(guān)系分析

以青海地區(qū)某裝機(jī)規(guī)模為100 MWp的在運(yùn)光伏電站為例，該光伏電站于2010 年建成，在考慮限電率、擴(kuò)容工程的工程造價(jià)基礎(chǔ)上，針對(duì)不同容配比時(shí)該在運(yùn)光伏電站的LCOE進(jìn)行模擬分析。其中，該在運(yùn)光伏電站的初始投資為8.5 億元，年生產(chǎn)總成本為2000 萬元，擴(kuò)容工程的工程造價(jià)(光伏組件及樁基建設(shè)安裝費(fèi))為4000 元/kWp；光伏發(fā)電系統(tǒng)的系統(tǒng)效率為80%；以光伏電站全壽命周期25 年計(jì)算，光伏組件的首年衰減率為3%，后續(xù)24 年的逐年衰減率為0.71%；光伏電站的年等效利用小時(shí)數(shù)為1800 h。

圖3 為容配比在1.0:1～1.8:1 區(qū)間內(nèi)時(shí)該在運(yùn)光伏電站的LCOE情況。

圖3 在運(yùn)光伏電站的LCOE 隨容配比變化的曲線Fig.3 Curve of LCOE with chang of capacity ratio of PV power station in operation

由圖3 可知，當(dāng)容配比在1.3:1～1.5:1 區(qū)間內(nèi)時(shí)，LCOE存在最小值。因此在容配比的變化幅度為0.1 的基礎(chǔ)上，對(duì)該在運(yùn)光伏電站在不同容配比時(shí)的限電率、LCOE及LCOE的變動(dòng)幅度進(jìn)行綜合考慮，以便進(jìn)一步縮小最佳容配比的選取范圍，具體如表1 所示。

表1 在運(yùn)光伏電站在不同容配比時(shí)的限電率、LCOE及LCOE 的變動(dòng)幅度Table 1 Curtailment rate,LCOE and LCOE variation of PV power station in operation with different capacity ratios

由于容配比提高，工程造價(jià)也必將上升。由表1 可知，隨著容配比的提高，限電率也在上升，這將造成光伏電站發(fā)電量收益的下降；但當(dāng)容配比增至1.4:1～1.5:1 區(qū)間內(nèi)時(shí)，LCOE值相對(duì)較低，且LCOE的下降幅度也相對(duì)較大。由此說明在該區(qū)間內(nèi)LCOE存在最小值，即容配比存在最優(yōu)解。

通過建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行最優(yōu)解運(yùn)算，最終得出該在運(yùn)光伏電站擴(kuò)容后的最佳容配比為1.4024:1，雖然該容配比時(shí)的LCOE比容配比為1.4:1 時(shí)的略有優(yōu)勢(shì)，但較為接近，因此容配比為1.4024:1 時(shí)的LCOE也按0.5135 元/kWh 分析。擴(kuò)容后該光伏電站的LCOE從0.5501 元/kWh 降至0.5135 元/kWh，LCOE下降了0.0366 元/kWh。

3.2 在運(yùn)光伏電站擴(kuò)容工程造價(jià)不同時(shí)的敏感性分析

綜上所述可知，對(duì)于在運(yùn)光伏電站而言，當(dāng)擴(kuò)容工程造價(jià)為4000 元/kWp時(shí)，該在運(yùn)光伏電站的最佳容配比為1.4024:1。但隨著用于光伏電站擴(kuò)容的原材料成本持續(xù)處于下跌的趨勢(shì)，擴(kuò)容工程造價(jià)區(qū)間選取2000～4000 元/kWp、容配比區(qū)間選取1.0:1～2.0:1 后再次開展在運(yùn)光伏電站的LCOE分析，結(jié)果如圖4 所示。

圖4 擴(kuò)容工程造價(jià)不同時(shí)在運(yùn)光伏電站的敏感性分析Fig.4 Sensitivity analysis of PV power station in operation with project cost of different expansion projects

由圖4 可知，隨著擴(kuò)容工程造價(jià)的下降，不僅使在運(yùn)光伏電站的最佳LCOE有進(jìn)一步的下降空間，同時(shí)還使其最佳容配比也得到了進(jìn)一步的提升。當(dāng)在運(yùn)光伏電站的擴(kuò)容工程造價(jià)從4000元/kWp降至2000 元/kWp時(shí)，其最佳容配比從1.4024:1 上升到1.9600:1，這意味著光伏電站可加裝更多的光伏組件，最佳LCOE也從0.5135元/kWh 降至0.4631 元/kWh。

擴(kuò)容工程造價(jià)不同時(shí)，在運(yùn)光伏電站對(duì)應(yīng)的最佳容配比和最佳LCOE情況如表2 所示。

表2 在不同擴(kuò)容工程造價(jià)下,在運(yùn)光伏電站的最佳容配比及最佳LCOETable 2 Optimal capacity ratio and optimal LCOE of PV power station in operation under project cost of different expansion projects

3.3 擬新建光伏電站在不同擴(kuò)容工程造價(jià)時(shí)的敏感性分析

上文對(duì)在運(yùn)光伏電站的容配比提升時(shí)，擴(kuò)容工程造價(jià)不同時(shí)的最佳容配比及最佳LCOE的情況進(jìn)行了分析，現(xiàn)基于前述理論方法，對(duì)擬新建的光伏電站在不同擴(kuò)容工程造價(jià)時(shí)的容配比提升情況進(jìn)行分析。

擬新建一座光伏組件安裝容量為100 MWp的光伏電站，其初始投資為4.35 億元，其他參數(shù)與前文青海地區(qū)某100 MWp在運(yùn)光伏電站一致。若在此光伏組件裝機(jī)容量下提升容配比，則圖5 為該擬新建的光伏電站在不同擴(kuò)容工程造價(jià)下的敏感性分析結(jié)果。

圖5 擬新建的光伏電站在不同擴(kuò)容工程造價(jià)下的敏感性分析Fig.5 Sensitivity analysis of proposed newlly-built PV power station under project cost of different expansion projects

由圖5 可知，不同擴(kuò)容工程造價(jià)下擬新建的光伏電站的最佳容配比的浮動(dòng)范圍為1.1270:1～1.5551:1，最佳LCOE在0.3045～0.3303 元/kWh之間。

擬新建的光伏電站在不同擴(kuò)容工程造價(jià)下對(duì)應(yīng)的最佳容配比和最佳LCOE情況如表3 所示。

表3 擬新建的光伏電站在不同擴(kuò)容工程造價(jià)下對(duì)應(yīng)的最佳容配比及最佳LCOETable 3 Optimal capacity ratio and optimal LCOE of proposed newly-built PV power station under project cost of different expansion projects

3.4 小結(jié)

對(duì)青海地區(qū)某100 MWp在運(yùn)光伏電站而言，在擴(kuò)容工程造價(jià)為4000 元/kWp的情況下，經(jīng)過光伏組件擴(kuò)容后該在運(yùn)光伏電站在最佳容配比時(shí)的LCOE可從0.5501 元/kWh 降至約0.5135元/kWh；當(dāng)擴(kuò)容工程造價(jià)從4000 元/kWp降至2000 元/kWp時(shí)，經(jīng)過光伏組件擴(kuò)容后該在運(yùn)光伏電站在最佳容配比時(shí)的LCOE理論上最多可降至約0.4631 元/kWh。

對(duì)于青海地區(qū)擬新建的光伏電站而言，隨著未來擴(kuò)容工程造價(jià)下降特別是光伏組件價(jià)格的下降，光伏電站的最佳容配比范圍將在1.1270～1.5551 之間浮動(dòng)，LCOE有望低至約0.3045 元/kWh。

4 結(jié)論

近年來光伏產(chǎn)業(yè)漸趨成熟，優(yōu)質(zhì)的建設(shè)光伏電站的土地只會(huì)越來越少；隨著工程造價(jià)的下降，對(duì)在運(yùn)光伏電站開展適當(dāng)?shù)臄U(kuò)容工程既可有效降低在運(yùn)光伏電站的LCOE，還具有極強(qiáng)的可操作性?；诖?，本文以青海地區(qū)在運(yùn)光伏電站的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)此類光伏電站的容配比提升進(jìn)行了分析。

由于在運(yùn)光伏電站已取得土地及各項(xiàng)項(xiàng)目的批文，與新建光伏電站項(xiàng)目相比，其在項(xiàng)目開發(fā)成本、施工成本、工期成本等方面均具有較大的優(yōu)勢(shì)。對(duì)于投資額較大的早期的在運(yùn)光伏電站，在政策允許的情況下，甚至可考慮開展大規(guī)模的光伏組件擴(kuò)容工程，從而大幅提升光伏電站的光伏組件裝機(jī)容量及整體發(fā)電量，充分挖掘原有優(yōu)質(zhì)土地的潛能，使光伏電站的經(jīng)濟(jì)效益最大化。

為此，充分利用在運(yùn)光伏電站的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，建立容配比分析模型，對(duì)未來企業(yè)開展大規(guī)模的光伏電站擴(kuò)容工程設(shè)計(jì)有顯著的指導(dǎo)意義。