平價(jià)上網(wǎng)時(shí)代下光伏電站的設(shè)計(jì)優(yōu)化研究

馬慶虎，馬 超

(1.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津 300072；2.國(guó)家電投集團(tuán)青海光伏產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心有限公司，西寧 810000)

0 引言

近年來(lái)，在太陽(yáng)電池光電轉(zhuǎn)換效率和光伏組件功率提高、光伏逆變器和升壓變等集成設(shè)備技術(shù)進(jìn)步，以及光伏電站開(kāi)發(fā)、建設(shè)、運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)積累等因素推動(dòng)下，光伏電站的平準(zhǔn)化度電成本(LCOE)持續(xù)下降。除此之外，國(guó)家層面也出臺(tái)了推動(dòng)光伏電站平價(jià)上網(wǎng)的政策。比如：國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)、國(guó)家能源局印發(fā)了《關(guān)于積極推進(jìn)風(fēng)電、光伏發(fā)電無(wú)補(bǔ)貼平價(jià)上網(wǎng)有關(guān)工作的通知》(發(fā)改能源[2019]19 號(hào))[1]。光伏電站平價(jià)上網(wǎng)是主流趨勢(shì)，影響光伏電站平價(jià)上網(wǎng)的主要因素包括項(xiàng)目所在地的太陽(yáng)能資源條件、綜合系統(tǒng)效率、初始投資、貸款利率、光伏組件衰減率、土地成本、運(yùn)行維護(hù)成本、財(cái)稅政策、電力是否全額收購(gòu)等[2-3]。本文以青海省共和縣某光伏電站為例，從光伏電站的設(shè)計(jì)優(yōu)化和主要設(shè)備選型2個(gè)方面來(lái)降低光伏電站的LCOE，通過(guò)對(duì)光伏組件選型、逆變器匹配性、光伏支架運(yùn)行方式、容配比等方面進(jìn)行分析，得出光伏電站單瓦成本或LCOE 較低時(shí)的方案。以期通過(guò)該方法來(lái)優(yōu)化光伏電站的設(shè)計(jì)方案，降低其LCOE，提高其發(fā)電量，促進(jìn)光伏電站平價(jià)上網(wǎng)。

1 邊界條件

以青海省共和縣某裝機(jī)容量為100 MW 的光伏電站(36°01′01′N(xiāo)，100°30′50′E)為例，該光伏電站所在地的海拔高程為2880 m，通過(guò)Solargis 網(wǎng)站查詢到電站所在地的年太陽(yáng)輻射量為6400 MJ/m2；光伏組件采用PERC 單晶硅光伏組件，標(biāo)稱(chēng)功率分別為440、490、540、600 Wp，對(duì)應(yīng)的太陽(yáng)電池尺寸分別為156、166、182、210 mm；逆變器分別采用500 kW 集中式和196 kW 組串式2 種類(lèi)型；光伏支架運(yùn)行方式分別采用固定式光伏支架和平單軸跟蹤式光伏支架，材質(zhì)均選擇鋼支架；容配比分別采用1.0:1、1.1:1、1.2:1、1.3:1、1.4:1。光伏組件、逆變器、固定式光伏支架、平單軸跟蹤式光伏支架、電纜等主要設(shè)備的價(jià)格按目前市場(chǎng)主流價(jià)格進(jìn)行測(cè)算。

2 光伏電站的設(shè)計(jì)優(yōu)化分析

2.1 光伏組件選型分析

早期，太陽(yáng)電池用硅片的尺寸標(biāo)準(zhǔn)主要源自半導(dǎo)體硅片行業(yè)，經(jīng)歷了3個(gè)階段：1981—2012年，以100、125 mm 為主；2013—2018年，以156、156.75 mm 為主；2018年后出現(xiàn)了158.75、160、161.7、166、182、210 mm 等尺寸。2019—2025年不同尺寸太陽(yáng)電池的市場(chǎng)占比如圖1所示。

圖1 2019—2025年不同尺寸太陽(yáng)電池的市場(chǎng)占比Fig.1 Market share of solar cells of different sizes from 2019 to 2025

從圖1可以看出：210 mm 大尺寸太陽(yáng)電池的占比逐年增加。

本文采用不同太陽(yáng)電池尺寸時(shí)光伏組件的電性能對(duì)比如表1所示。

表1 不同太陽(yáng)電池尺寸時(shí)光伏組件的電性能對(duì)比Table 1 Electrical performance comparison of PV modules with different solar cell sizes

從表1可以看出：采用尺寸為156 mm 的太陽(yáng)電池時(shí)，光伏組件的短路電流為10.68 A；分別采用尺寸為166 和182 mm 的太陽(yáng)電池時(shí)，光伏組件的短路電流分別為11.62 和13.85 A；而采用尺寸為210 mm 的太陽(yáng)電池時(shí)，光伏組件的短路電流為18.26 A。由此可知，隨著太陽(yáng)電池尺寸的增大，光伏組件的短路電流呈明顯增大的趨勢(shì)。太陽(yáng)電池尺寸為182 mm 及以下時(shí)，光伏組件的開(kāi)路電壓基本持平，而太陽(yáng)電池尺寸為210 mm 時(shí)光伏組件的開(kāi)路電壓出現(xiàn)下降。

對(duì)于1 MW 的光伏方陣而言，采用不同光伏組件標(biāo)稱(chēng)功率時(shí)，該光伏方陣所需的光伏組件數(shù)量如表2所示。

表2 不同光伏組件標(biāo)稱(chēng)功率時(shí)1 MW 光伏方陣所需的光伏組件數(shù)量對(duì)比Table 2 Comparison of number of PV modules required for 1 MW PV array under different nominal power of PV modules

從表2可以看出：隨著單塊光伏組件標(biāo)稱(chēng)功率的提升，1 MW 光伏方陣所需的光伏組件總數(shù)量減少，促使光伏組件間連接點(diǎn)、電纜用量均減少，所需的接觸電阻也降低，系統(tǒng)整體損耗也隨之減小。由此可知，單塊光伏組件的標(biāo)稱(chēng)功率越大，其優(yōu)勢(shì)越明顯。當(dāng)然，實(shí)際工程應(yīng)用中，還需從施工安裝、運(yùn)行維護(hù)、可靠性等方面分析大功率光伏組件的成本。

2.2 逆變器匹配性分析

以500 kW 集中式和196 kW 組串式2 種類(lèi)型逆變器為例進(jìn)行分析。

500 kW 集中式逆變器適用于采用各種尺寸太陽(yáng)電池的光伏組件。對(duì)于太陽(yáng)電池尺寸為210 mm 的雙面光伏組件，其額定工作電流約為17.25 A；但考慮到10%的背面發(fā)電增益后，光伏組件的最大功率點(diǎn)工作電流能達(dá)到18.98 A，與500 kW 集中式逆變器配套的直流匯流箱的每一路熔斷器的額定工作電流需由15 A增大到30 A。

196 kW 組串式逆變器適用于采用各種尺寸太陽(yáng)電池的光伏組件，但需根據(jù)光伏組件不同串聯(lián)數(shù)量、光伏組串不同接入數(shù)量分別考慮。例如：196 kW 組串式逆變器的最大輸入電壓為1500 V，最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)數(shù)量為3 路，MPPT 電壓范圍為500～1500 V，每路MPPT 最大輸入電流分別為100/100/100 A，每路MPPT 可接入光伏組串?dāng)?shù)量為4/5/5 串；該逆變器的額定功率為196 kW，最大輸出功率為216 kW。以196 kW組串式逆變器為例，對(duì)其進(jìn)行匹配性分析，具體如表3所示。

表3 不同標(biāo)稱(chēng)功率光伏組件的196 kW 組串式逆變器匹配性分析Table 3 Matching analysis of 196 kW string inverters with PV modules of different nominal power

從表3可以看出：隨著光伏組件標(biāo)稱(chēng)功率的增大，接入逆變器的光伏組串?dāng)?shù)量逐漸減小，可根據(jù)光伏組串的串并聯(lián)數(shù)量選擇合理截面的交直流電纜，以降低損耗，提高光伏組件和逆變器的匹配性，減少逆變器限發(fā)的光伏組件發(fā)電量。

2.3 光伏支架運(yùn)行方式分析

按照目前中國(guó)光伏電站的建設(shè)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，固定式光伏支架基本免維護(hù)且初始投資較低，跟蹤式光伏支架需要后期維護(hù)且初始投資較固定式光伏支架高，但跟蹤式光伏支架單瓦成本下的發(fā)電量比固定式光伏支架的高。下文對(duì)固定式光伏支架和平單軸跟蹤式光伏支架的單瓦成本進(jìn)行對(duì)比分析。

2.3.1 固定式光伏支架的單瓦成本

固定式光伏支架主要應(yīng)用于平地、山地、水面、屋頂?shù)葓?chǎng)景。對(duì)于平地或水面場(chǎng)景而言，固定式光伏支架排布不受地形影響，一般選用4排橫向布置方案；而對(duì)于山地場(chǎng)景而言，由于受到地形條件限制，光伏支架單元不宜過(guò)大，一般選用2 排豎向布置。固定式光伏支架的重量主要與光伏組件的外形尺寸和重量相關(guān)，不同應(yīng)用場(chǎng)景下光伏支架形式會(huì)有所區(qū)別，但對(duì)于同一種光伏支架形式，支架的工程量變化趨勢(shì)一致。以常用的光伏組件4 排橫向布置的固定式光伏支架為例，對(duì)不同光伏組件標(biāo)稱(chēng)功率時(shí)固定式光伏支架的單瓦成本進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如表4所示。

表4 不同光伏組件標(biāo)稱(chēng)功率時(shí)固定式光伏支架的單瓦成本Table 4 One watt cost of fixed PV support at different nominal power of PV modules

從表4可以看出：隨著單塊光伏組件標(biāo)稱(chēng)功率的增加，固定式光伏支架的單瓦成本逐步降低，這說(shuō)明單塊光伏組件的標(biāo)稱(chēng)功率越高，優(yōu)勢(shì)也越明顯。

2.3.2 平單軸跟蹤式光伏支架的單瓦成本

以目前市場(chǎng)上主流的平單軸跟蹤式光伏支架1 排橫向布置的排布方式為例，對(duì)不同光伏組件標(biāo)稱(chēng)功率時(shí)此類(lèi)光伏支架的單瓦成本進(jìn)行對(duì)比分析，分析結(jié)果如表5所示。

表5 不同光伏組件標(biāo)稱(chēng)功率時(shí)平單軸跟蹤式光伏支架的單瓦成本Table 5 One watt cost of flat single axis tracking PV support with different nominal power of PV modules

平單軸跟蹤式光伏支架的主軸長(zhǎng)度決定了單套光伏支架的光伏組件容量，對(duì)于1 排橫向布置的排布方式，當(dāng)單軸長(zhǎng)度達(dá)到85 m 以上時(shí)，支架的自由端過(guò)長(zhǎng)，扭轉(zhuǎn)角過(guò)大，不利于支架的穩(wěn)定運(yùn)行。因此，在保證支架可靠運(yùn)行情況下，選擇單瓦成本較低的布置方案可節(jié)省光伏電站初始投資。

2.4 容配比分析

國(guó)內(nèi)常用的平準(zhǔn)化度電成本CL,E的計(jì)算式如式(1)所示。此計(jì)算方法在光伏電站的財(cái)務(wù)分析中廣泛使用[4-5]。

式中：I0為項(xiàng)目的初始投資；VR為固定資產(chǎn)殘值；An為第n年的運(yùn)營(yíng)成本；Pn為第n年的貸款利息；Yn為第n年的發(fā)電量。

在邊界條件統(tǒng)一的情況下，不考慮資產(chǎn)殘值和逐年的貸款利息時(shí)，對(duì)LCOE 進(jìn)行簡(jiǎn)化，得到簡(jiǎn)化后的LCOE 計(jì)算公式，即：

式中：i為年份；為多年的平均發(fā)電量；為多年的平均運(yùn)營(yíng)成本。

以3.15 MW 光伏方陣為例，對(duì)容配比進(jìn)行分析時(shí)的邊界條件為：采用540 WpPERC 雙面單晶硅光伏組件、500 kW 集中式逆變器、固定式光伏支架。對(duì)不同容配比下光伏方陣的LCOE進(jìn)行測(cè)算，測(cè)算結(jié)果如表6所示。

表6 不同容配比下光伏方陣的LCOE 測(cè)算結(jié)果Table 6 LCOE calculation results of PV array under different PV power to inverter power ratios

從表6可以看出：隨著容配比增加，LCOE先呈下降趨勢(shì)，但下降到某最低點(diǎn)后又開(kāi)始呈增加趨勢(shì)，說(shuō)明LCOE 的降低并不是與容配比增加成反比關(guān)系，而是在邊界條件一定的情況下會(huì)出現(xiàn)一個(gè)較優(yōu)容配比。在光伏電站設(shè)計(jì)方案比選時(shí)，建議采用此方法得出項(xiàng)目的較優(yōu)容配比。

3 結(jié)論

本文以青海省共和縣某光伏電站為例，從光伏電站的設(shè)計(jì)優(yōu)化和主要設(shè)備選型2個(gè)方面來(lái)降低光伏電站的LCOE，通過(guò)對(duì)光伏組件選型、逆變器匹配性、光伏支架運(yùn)行方式、容配比等方面進(jìn)行分析，得出光伏電站單瓦成本或LCOE 較低時(shí)的方案。研究結(jié)果顯示：

1)光伏組件選型方面：太陽(yáng)電池尺寸為182 mm 及以下時(shí)，光伏組件的開(kāi)路電壓基本持平，而太陽(yáng)電池尺寸為210 mm 時(shí)光伏組件的開(kāi)路電壓下降、短路電流明顯增大；并且隨著單塊光伏組件標(biāo)稱(chēng)功率的提升，1 MW 光伏方陣的光伏組件間連接點(diǎn)、電纜用量均減少，所需的接觸電阻也降低，系統(tǒng)整體損耗也隨之減小，優(yōu)勢(shì)也越來(lái)越明顯。

2)逆變器匹配性方面：500 kW 集中式逆變器對(duì)于采用不同尺寸太陽(yáng)電池的光伏組件均能適用，但對(duì)于太陽(yáng)電池尺寸為210 mm 的大電流光伏組件，與500 kW 集中式逆變器配套的直流匯流箱的每一路熔斷器的額定電流需由15 A 增大到30 A；組串式逆變器對(duì)于采用不同尺寸太陽(yáng)電池的光伏組件均能適用，隨著光伏組件標(biāo)稱(chēng)功率的增大，接入逆變器的光伏組串?dāng)?shù)量，可根據(jù)光伏組串的串并聯(lián)數(shù)量選擇合理截面的交直流電纜，以降低損耗，提高光伏組件和逆變器的匹配性，減少逆變器限發(fā)的光伏組件發(fā)電量。

3)光伏支架運(yùn)行方式方面：對(duì)于固定式光伏支架，隨著單塊光伏組件標(biāo)稱(chēng)功率的增加，其單瓦成本逐步降低，單塊大功率光伏組件的優(yōu)勢(shì)也越來(lái)越明顯；對(duì)于平單軸跟蹤式光伏支架，主軸長(zhǎng)度越長(zhǎng)越不利于支架的穩(wěn)定運(yùn)行，在保證支架可靠運(yùn)行的情況下，選擇單瓦成本較低的布置方案可節(jié)省光伏電站初始投資。

4)容配比方面：隨著容配比增加，LCOE 先呈下降趨勢(shì)，但下降到某最低點(diǎn)后又開(kāi)始呈增加趨勢(shì)，這說(shuō)明LCOE 的降低并不是與容配比增加成反比關(guān)系，而是在邊界條件一定的情況下會(huì)出現(xiàn)一個(gè)較優(yōu)容配比。