光伏電站容配比及提高容配比對(duì)光伏電站的影響

高 翔

（酒泉職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 酒泉 735000）

0 引言

2021年3月，全國(guó)兩會(huì)首次將碳達(dá)峰、碳中和寫(xiě)入政府工作報(bào)告，減少高碳排放的煤、石油等化石能源的使用，限制二氧化碳排放，增加風(fēng)電、光伏為主的新能源發(fā)電容量對(duì)我國(guó)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)布局、新能源開(kāi)發(fā)利用將產(chǎn)生重大影響，甚至對(duì)我國(guó)公民個(gè)人的生活出行方式都會(huì)帶來(lái)深刻變革。光伏發(fā)電是利用半導(dǎo)體的光生伏特效應(yīng)將光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N技術(shù)，并將電能存儲(chǔ)在儲(chǔ)能器件中。在光伏電站設(shè)計(jì)時(shí)，一般均需考慮項(xiàng)目所在地的光照資源差異，組件轉(zhuǎn)換效率、傾斜角度，支架的行間距、運(yùn)行方式，以及設(shè)備的選型和布置方式等[1]，如果按照1:1的容配比設(shè)計(jì)，當(dāng)光伏陣列輸出功率小于額定輸出功率時(shí)，逆變器無(wú)法按額定功率運(yùn)行，導(dǎo)致系統(tǒng)設(shè)備利用率低。因此，光伏電站選擇合適的容配比至關(guān)重要。

2020年10月23日，《光伏發(fā)電系統(tǒng)效能規(guī)范（NB/T10394-2020）》發(fā)布，這是我國(guó)首個(gè)正式下發(fā)的、全面放開(kāi)容配比的規(guī)范，該規(guī)范將容配比限制提高到最高1.8：1，以交流側(cè)計(jì)算“額定容量”[2]。容配比的放開(kāi)將進(jìn)一步改善組件、支架等的出貨情況，從總體上看，容配比的開(kāi)放符合光伏平價(jià)時(shí)代的要求，對(duì)提高組件需求，降低光伏電站的用電成本，加快光伏平價(jià)上網(wǎng)意義重大。

1 容配比概述

1.1 光伏電站容配比的概念

光伏電站容配比是指光伏發(fā)電系統(tǒng)組件安裝容量與光伏發(fā)電系統(tǒng)額定容量的比值。當(dāng)該比值大于1:1時(shí)，即光伏組件的容量≥逆變器額定容量，被稱(chēng)為“超配”[3]，提高超配比例可以減少組串?dāng)?shù)量，減少直流電纜，減少逆變器臺(tái)數(shù)和對(duì)應(yīng)的交流電纜成本，提升系統(tǒng)發(fā)電量。

其中：R--容配比；

PDC--光伏發(fā)電系統(tǒng)組件安裝容量，單位：峰瓦（Wp）；

PAC--光伏發(fā)電系統(tǒng)額定容量，單位：瓦（W）。

1.2 系統(tǒng)損耗

光伏發(fā)電系統(tǒng)在工作時(shí)總會(huì)有一些損耗，主要分為兩大類(lèi)：一是失配損耗，各個(gè)組串單獨(dú)組件時(shí)，或不同組串形成光伏陣列時(shí)，由組件差異引發(fā)輸出不匹配所導(dǎo)致的損耗，如光伏組串間匹配損失；二是逆變器損耗，包含逆變電器自身?yè)p耗，直流電轉(zhuǎn)換交流電中MPPT追蹤導(dǎo)致的損耗等，如逆變器轉(zhuǎn)換損失。參照我國(guó)多個(gè)光伏電站的測(cè)量數(shù)據(jù)，電站直流側(cè)損耗之和在10%-15%之間，且不包含變電器后級(jí)的其他設(shè)備和線(xiàn)路損耗，系統(tǒng)效率損失如圖1a。輻照度在不同區(qū)域變化較大，同樣的系統(tǒng)配置可以通過(guò)改變?nèi)菖浔葋?lái)實(shí)現(xiàn)不同的發(fā)電量。當(dāng)組件容量與逆變器容量相等時(shí)，組件的理想輸出功率為100%(圖1b中虛線(xiàn))，由于各種損耗，逆變器的最大實(shí)際輸出容量?jī)H為逆變器額定容量的90%左右(圖1b中實(shí)線(xiàn))，即使在光照最好的情況下，逆變器也不能滿(mǎn)載工作，降低了逆變器和系統(tǒng)的利用率。

圖1 系統(tǒng)損失效率和輸出功率曲線(xiàn)

2 提升容配比的方案

在平價(jià)上網(wǎng)全面到來(lái)前夕，如何降低系統(tǒng)投資成本，提高回報(bào)率是光伏電站系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化的主要目標(biāo)之一。超配設(shè)計(jì)已成為提高光伏發(fā)電系統(tǒng)綜合利用率、降低系統(tǒng)用電成本、增加利潤(rùn)的有效手段?？茖W(xué)的設(shè)計(jì)，合理的逆變器選擇，使超配成為大規(guī)模光伏系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)配置，將快速推進(jìn)我國(guó)平價(jià)上網(wǎng)的進(jìn)程。

2.1 超配方案

超配設(shè)計(jì)分為兩種方案：補(bǔ)償超配和主動(dòng)超配。無(wú)超配時(shí)，光伏組件的容量≤逆變器額定容量，逆變器處于輕載運(yùn)行；補(bǔ)償超配時(shí)，通過(guò)適當(dāng)加裝光伏組件（提高容量）來(lái)補(bǔ)償傳輸過(guò)程中的系統(tǒng)能量損耗，使逆變器在實(shí)際使用過(guò)程中能夠滿(mǎn)功率工作；主動(dòng)超配時(shí)，在補(bǔ)償超配的基礎(chǔ)上通過(guò)主動(dòng)延長(zhǎng)逆變器滿(mǎn)負(fù)荷工作時(shí)間，進(jìn)一步加裝光伏組件，在增加陣列投入成本和系統(tǒng)發(fā)電收益之間達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，實(shí)現(xiàn)LCOE最小 (即平均功率(發(fā)電)成本，一般以兆瓦時(shí)( MWH )為單位，1兆瓦時(shí)等于1000度電( KWH ) )。圖2為超配設(shè)計(jì)方案比較。

圖2 超配設(shè)計(jì)方案

2.2 超配設(shè)計(jì)策略

（1）直流側(cè)增容。根據(jù)交流側(cè)統(tǒng)計(jì)電站裝機(jī)容量，直流側(cè)有足夠的土地滿(mǎn)足超配設(shè)計(jì)安裝面積要求，增加組件的安裝容量。

（2）交流側(cè)減容。根據(jù)直流側(cè)統(tǒng)計(jì)電站裝機(jī)容量，采取措施增大體積比減少通信Side容量配置，降低箱式逆變器的容量以減少投資。

（3）直流側(cè)增容結(jié)合交流側(cè)減容。根據(jù)電站容量按交流側(cè)計(jì)算，但直流側(cè)沒(méi)有足夠的土地面積安裝超配組件。根據(jù)土地面積先確定直流側(cè)容量，然后根據(jù)不同的光資源條件選擇最優(yōu)容配比，從而降低交流側(cè)容量，降低投資成本。

結(jié)論：直流側(cè)增容設(shè)計(jì)將是未來(lái)光伏電站擴(kuò)容比的最優(yōu)選擇，也是業(yè)界呼吁基于交流側(cè)增容的光伏電站指標(biāo)管理和直流側(cè)增容限額釋放的核心目的。

2.3 最佳容配比設(shè)計(jì)方法

綜合考慮項(xiàng)目的地形條件、太陽(yáng)能資源條件、組件選型、電網(wǎng)需求等因素，按照確定邊界、收集數(shù)據(jù)、分析建設(shè)條件、確定配置方案、成本核算、收益對(duì)比的流程，使用試算法從低到高選取容配比進(jìn)行多點(diǎn)計(jì)算，借助PVsyst仿真工具和財(cái)務(wù)收益、測(cè)算模型，針對(duì)不同容配比開(kāi)展發(fā)電量及收益分析，可以找出最佳容配比[5]。

3 提升容配比對(duì)設(shè)備選型要求

3.1 超配對(duì)逆變器的影響

目前，在美歐、印度等海外光伏市場(chǎng)，電站一般都是超配設(shè)計(jì)，容配比超過(guò)1.4倍，日本部分電站的容配比已經(jīng)達(dá)到2倍以上，我國(guó)也正在推廣這種設(shè)計(jì)。當(dāng)光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)為超配時(shí)，逆變器的選擇需要考慮以下三點(diǎn)：

（1）逆變器需具備更強(qiáng)的耐“壓”能力。光伏電站超配后，去除系統(tǒng)損耗，仍會(huì)超過(guò)逆變器的額定功率，造成逆變器的過(guò)載運(yùn)行，甚至超過(guò)逆變器的工作范圍，達(dá)到逆變器的過(guò)載保護(hù)點(diǎn)。逆變器將調(diào)整工作點(diǎn)使組件輸出偏離最大工作點(diǎn)，以保證逆變器輸出不超過(guò)其額定功率，充分提高了逆變器的利用率。如圖3所示，當(dāng)工作點(diǎn)偏離A點(diǎn)至C點(diǎn)時(shí)，組件輸出偏離最大工作點(diǎn)，輸出電流減小，輸出電壓增大。

圖3 過(guò)載保護(hù)

（2）逆變器需具備更強(qiáng)的散熱能力。系統(tǒng)超配后，逆變器的滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)，尤其在中東部的屋頂、山丘等分布式電廠(chǎng)，環(huán)境溫度較高，散熱條件相對(duì)較差。例如，在炎熱的夏季，由于屋頂彩鋼瓦或水泥屋頂在光照后受到熱輻射，屋頂環(huán)境溫度至少比地面電廠(chǎng)高10℃，這對(duì)逆變器的散熱能力提出了挑戰(zhàn)。同時(shí)，隨著雙面元件、平單軸系統(tǒng)等應(yīng)用的不斷增加，逆變器的滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間將進(jìn)一步增加，對(duì)逆變器的散熱能力提出了更高的要求。

（3）逆變器需具備更強(qiáng)的直流側(cè)接入能力。當(dāng)逆變器直流輸入端不足，導(dǎo)致逆變器直流側(cè)接入組件容量等于或小于逆變器交流電功率等級(jí)時(shí)，考慮到粉塵屏蔽，元件輸出至少減少2-3%，同時(shí)考慮到組件衰減、電纜損耗等因素，實(shí)際傳輸?shù)侥孀兤鞯妮斎胫绷麟姽β蕦p少約5-10%，逆變器、變壓器和后端電氣系統(tǒng)將長(zhǎng)期處于輕載狀態(tài)。例如，對(duì)于80kW的逆變器，如果連接80kW的組件，實(shí)際輸出將小于80kW。因此，逆變器直流側(cè)需要具備更強(qiáng)大的直流側(cè)接入能力，以提高系統(tǒng)的利用率，降低電廠(chǎng)成本。

3.2 超配對(duì)箱式變壓器的影響

提高容配比可以增加逆變器和箱式變壓器等設(shè)備的利用率，降低光伏電站逆變器和箱式變壓器的工程造價(jià)，并減薄其他設(shè)施的投資成本。在不考慮逆變器交流線(xiàn)損的情況下，箱式變壓器應(yīng)有1.1倍的過(guò)載運(yùn)行能力。

4 提升容配比對(duì)光伏電站的影響

4.1 不同容配比對(duì)發(fā)電量的影響

由于逆變器的限功率運(yùn)行時(shí)間會(huì)隨著容配比的增加而增加，因此基于直流側(cè)裝機(jī)容量計(jì)算的等效利用小時(shí)數(shù)會(huì)發(fā)生變化。不同容配比下的電站利用小時(shí)數(shù)在第1年將減少，在容配比達(dá)到1.4:1之前，第1年的利用小時(shí)不會(huì)減少多少，甚至略有增加；容配比超過(guò)1.6:1后，首年利用小時(shí)數(shù)減少比較明顯，但減少幅度仍然不大；當(dāng)產(chǎn)能比達(dá)到1.5:1時(shí)，與容配比1.0:1相比，第一年利用小時(shí)數(shù)略有減少，但減少幅度較小；隨著容量比的逐漸增大，第一年利用小時(shí)數(shù)將減少。當(dāng)容量比不同時(shí)，直流電纜長(zhǎng)度增加，隨著直流線(xiàn)損的增加和合適容量比的選擇，在不增加交流設(shè)備成本的前提下，可以增加光伏電站的總體發(fā)電量，提升交流設(shè)備利用率。

4.2 不同超配方案對(duì)度電成本影響

（1）交流側(cè)減裝度電成本分析。假設(shè)直流側(cè)容量一定，提高容配比可降低箱變、逆變成本、交流電纜成本。光伏電站的功率變化幅度也同步降低，電站輸出更加平滑穩(wěn)定，電網(wǎng)友好性隨之提高，對(duì)光伏度電成本（LCOE）的下降具有積極意義。

（2）直流側(cè)超裝度電成本分析。從光伏發(fā)電機(jī)理和發(fā)電成本的角度來(lái)看，光伏電站只有通過(guò)提高容配比，補(bǔ)充直流側(cè)的裝機(jī)容量，才能實(shí)現(xiàn)記錄裝機(jī)容量的額定出力。隨著容配比的增大，溫度、天氣和組件衰減對(duì)光伏電站的影響減小，光伏發(fā)電輸出功率更加穩(wěn)定。如果增加一定比例的儲(chǔ)能系統(tǒng)，就可以成為可調(diào)度的支撐電源；直流側(cè)充電后，可提高升壓站、輸電線(xiàn)路工程等公共設(shè)施利用率，降低公用部分成本，降低工程造價(jià)和度電成本[4]。

4.3 組件衰降后對(duì)發(fā)電量的影響

光伏組件的衰降會(huì)導(dǎo)致電站實(shí)際運(yùn)行年度的容配比逐年下降。光伏電站25年生命周期內(nèi)，隨著組件的衰降，實(shí)際容配比逐年下降，第六年降至1.60:1，第14年降至1.50:1，第23年降至1.40:1。容配比降低后，由于逆變器功率限制的降低，年利用小時(shí)數(shù)增加，但容配比的增加確實(shí)可以減緩光伏電站發(fā)電量的衰降。

4.4 提升容配比對(duì)新能源發(fā)電行業(yè)的影響

全面放開(kāi)容配比，將長(zhǎng)期持續(xù)較大幅度提升國(guó)內(nèi)光伏組件出貨量，同時(shí)也能提升逆變器出貨量?！稑?biāo)準(zhǔn)》發(fā)布之前國(guó)家對(duì)容配比的要求為1:1，行業(yè)內(nèi)實(shí)際超配不超過(guò)1:1.05，而逆變器此前實(shí)際的安裝容量也只有標(biāo)準(zhǔn)的0.8-0.9倍，放開(kāi)容配比逆變器1:1配置將成為標(biāo)配，組件預(yù)計(jì)平均超配比例為1:1.14，也就是說(shuō)將提升10%-20%的國(guó)內(nèi)逆變器需求和30%以上的國(guó)內(nèi)組件需求。另外，合理超配可實(shí)現(xiàn)最低的LCOE，提升項(xiàng)目IRR，加速平價(jià)推進(jìn)。限制容配比阻礙了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)設(shè)計(jì)，不利于度電成本降低，適當(dāng)超配將提升逆變器使用效率，降低電站度電成本，幫助更多地區(qū)實(shí)現(xiàn)平價(jià)經(jīng)濟(jì)性。

5 結(jié)論

最優(yōu)容配比方案與光照、溫度、組件鋪設(shè)等諸多因素有關(guān)，其中光照條件最為相關(guān)。根據(jù)行業(yè)適合發(fā)展光伏電站的基本光照條件劃分，全國(guó)可分為四類(lèi)光照條件區(qū)域。近年來(lái)，隨著西北電網(wǎng)接入容量的限制、大規(guī)模的限電以及政策向分布式電站的傾斜，光伏電站逐漸從西北I、II類(lèi)地區(qū)向光資源相對(duì)較差的Ⅲ類(lèi)和Ⅳ類(lèi)東南地區(qū)轉(zhuǎn)移。以最低度電成本LCOE和最高內(nèi)部收益率IRR為基礎(chǔ)，建議I類(lèi)資源地區(qū)容配比為1.2-1.3，II類(lèi)資源地區(qū)容配比為1.3-1.4，III類(lèi)和IV類(lèi)資源地區(qū)容配比為1.4-1.6。但合適的容配比受直流側(cè)損耗、組件支架和基礎(chǔ)用地成本、光資源條件等多種因素影響，因此在確定不同光照區(qū)域的參考值范圍時(shí)，建議單獨(dú)計(jì)算每個(gè)項(xiàng)目，以確定最佳容配比。

本文以容配比及提升容配比的方案為切入點(diǎn)，對(duì)光伏電站的容配比及提高容配比對(duì)光伏電站的影響進(jìn)行了研究，得出結(jié)論：在一定程度上提高容配比，可以提高逆變器、箱變的設(shè)備利用率，光伏電站的功率變化幅度也同步降低，電站輸出更加平滑穩(wěn)定，電網(wǎng)友好性隨之提高，同時(shí)還可以降低工程造價(jià)，減薄升壓站、送電線(xiàn)路等公用設(shè)施的投資成本，對(duì)光伏度電成本（LCOE）的下降具有積極意義[6]。