光伏发电系统容配比计算基本原则及最优容配比经济性分析 实际输出功率 度电成本 系统损耗 逆变器 限功率分析

0 引言
容配比是指光伏电站中组件标称功率与逆变器额定输出功率的比例。光伏应用早期,系统一般按照1∶1的容配比设计。在辐照度低于标准条件(1000W/m2)下的这类地区,同时受温度等因素影响,光伏组件长时间输出功率达不到标称功率,导致逆变器长期不能满载运行,造成了逆变器的容量浪费。
通过深入研究发现,适当提高光伏电站组件容量与逆变器容量比例,即超配设计,已成为提高光伏系统综合利用率、降低系统度电成本(LCOE)、提升收益的有效手段。本文通过理论分析,并结合实际应用案例数据,对容配比设计进行系统性的阐述,并结合国内电站的实际情况,对典型“领跑者”基地的容配比进行分析,为实际电站设计提供理论和实际依据。

1 容配比影响因素
光伏组件的功率均按照标准条件(STC:组件温度25℃,辐照度1000W/m2)标定,实际应用中,各地区的光照条件、环境温度、组件安装方式均不同,同时考虑灰尘遮挡、组件失配以及组件输出到逆变器之间直流线缆损耗等因素,逆变器的实际输入功率远小于组件的标称功率。
1.1地区辐照度
我国太阳能资源地区分可分为4类,不同区域辐照度差异较大,实际数据表明,即使在同一资源地区,不同地方的全年辐射量也有较大差异。例如,同是I类资源区的西藏噶尔和青海格尔木,噶尔的全年辐射量为7998MJ/m2,比格尔木的6815MJ/m2高17%。
1.2系统损耗
光伏组件输出经过直流电缆、汇流箱等设备到达逆变器,各个环节都有损耗,同时灰尘遮挡等原因会引起组件串并联失配,因此实际传输到逆变器的直流功率将远小于组件额定功率。如图1所示,不同电站实测平均数据表明,电站直流侧的总损耗约为8%~13%(此处系统损耗不包括逆变器后级的变压器及线路损耗)。
因此,在组件标称功率与逆变器额定功率相等的情况下,由于客观存在的系统损耗,即使在STC条件下,逆变器实际输出功率仅为逆变器额定功率的90%左右,仍未满载工作,因此降低了逆变器和系统各部件的利用率,同时增加了系统损耗。
1.3其他方面
除了上述因素外,电站投资造价、上网电价、组件实际衰减情况、逆变器的性能差异、系统设计等因素都会对最优容配比设计产生一定的影响。

2 最优容配比计算
2.1容配比计算基本原则
按照不同的原则,容配比可分为两类,如图2所示:第一类为补偿超配,以系统不会出现限功率为原则增大系统容配比;第二类为主动超配,以系统LCOE最低为原则增大系统容配比,由于会出现逆变器限功率的情况,系统将会损失一部分能量,但是综合投资与产出,系统的度电成本会达到最低。本文分别以上述两种容配比设计原则,对不同类型资源区的典型区域为例进行计算。
2.2 容配比计算边界条件
现场数据统计,中国光伏电站能效比(PR)为80%左右,假设各环节的系统效率损失如表1所示。在不限功率的条件下,本文系统效率按照82.9%预设,高于目前电站的平均水平。其中1~6项为光伏阵列效率,预设为87.7%,与目前的现场测试结论基本一致,此段效率为影响容配比设计的重要因素;7~9项分别为逆变器转换损失、交流侧并网效率(含升压变效率及交流线损)及维修故障损失等综合效率。
光伏电站各环节系统效率损失
当容配比超过一定比例,在原有预设值83.8%的基础上,系统整体效率还需要考虑限功率损失。不同容配比条件下,直流线缆长度不同,直流线损增加,现按照容配比每递增0.1,直流线损增加0.2%的设定计算。由于交流电缆线损基本保持不变,暂不考虑。组件的衰减按照第一年2.0%,往后每年按照0.7%的比例逐年衰减。在不超配工况下,初始投资成本按照7.5元/W预设,考虑到不同容配比会导致系统初始投资总量和单位初始投资变化,投资成本的变动主要考虑如表2所示内容。
 光伏发电超配对系统成本的影响项目
研究对象为“领跑者”基地典型区域,分别地处II、III类电价区,为了便于归一化分析,所在区域均按照II、III类地区的固定电价为例进行计算,其余涉及到经济性分析的通用边界条件如表3所示。
光伏发电系统经济评价的边界条件
2.3 容配比计算结果及分析
为得到合理的容配比结果,本文根据2.2节的边界条件,以2016年“领跑者”典型地区大同、包头、济宁、两淮为例,借助PVsyst仿真工具和财务模型,对不同容配比进行发电量和经济性分析,结果如表4所示。
2.3.1限功率分析
II类资源区光照较好的包头和大同,在容配比为1~1.2范围内系统不会出现限功率;1.2倍容配比时,大同地区系统限功率比例为0.01%,包头地区限功率比例为0.08%,比例较小,可忽略不计;1.2~1.5倍容配比系统会出现不同程度的限功率。
III类区域由于光资源更加不足,系统限功率的拐点出现后移,1~1.4倍容配比范围内不会出现限功率,超过1.4倍系统将会出现不同程度的限功率,如济宁地区1.5倍容配比系统限功率比例为0.06%,两淮地区1.5倍容配比系统限功率比例为0.82%。
选取2016年全年发电量最高的一天进行分析,8月28日组件倾斜面瞬时辐照度超过1000W/m2,同时环境温度较低,具体信息如图3所示。
大同环境温度及倾斜面辐照数据
选择额定输出功率为40kW逆变器进行试验,组件功率按照1.2倍配置,即组件功率50kW。如图4所示,此时逆变器最大输出功率为43.2kW,考虑到国际标准要求逆变器至少具备1.1倍长期过载能力,逆变器长时间输出44kW,不会出现限功率现象,与理论分析一致,进一步验证了仿真分析的正确性。
1.2 倍容配比工况下逆变器实时功率曲线
2.3.2 经济性分析
增加组件和逆变器的容配比不仅可以提高逆变器的利用率,也能提高电站的经济效益。从表4计算结果看,经济效益最优容配比大于限功率点对应的容配比。如图5所示,以大同地区为例,容配比为1.3时,系统度电成本(LCOE)最低,系统内部收益率(IRR)最高,为经济性最佳配置点;随着容配比的进一步增大,系统限功率持续升高,系统经济性变差。济宁和两淮地区,系统经济性最优容配比超过1.5。
3 结语
通过对“领跑者”基地中几类典型资源区进行仿真和试验,结果表明:在II类光资源区域,容配比配置为1.2倍时,不会出现限功率;容配比为1.2~1.3时,系统度电成本最低、经济性最佳;在III类资源区域,容配比低于1.4倍时,不会出现限功率;容配比超过1.4时,系统度电成本最低、经济性最佳。因此,合理设计系统容配比,有利于提升光伏发电系统的经济性。在不同类型资源地区,由于太阳能资源条件不同,地区温度、电价水平等特性不同,需要根据当地的具体情况进行计算。
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