不同资源区域光伏电站容配比问题的选取分析

不同资源区域光伏电站容配比问题的选取分析

牛利芳 1   梁芳 2    

河南理工大学电气工程与自动化学院；

^{中国电建集团江西省电力建设有限公司；}

^{中国电子工程设计院有限公司；}

摘要：本论文主要对光伏电站中，光伏系统容配比的选取进行了分析探讨。第0章为引言，引出了问题探讨的背景及意义。第一章介绍了研究容配比的原因及主要影响因素。第二章分别在三类不同太阳能辐射资源区域内选取站点，通过模拟在不同容配比条件下，单元方阵的发电量和经济收益，对比选取出适合各类资源区的最佳容配比。第三章是主要的结论和建议，总结了不同区域容配比选取的意义和结论，并为后续设计提供参考建议。

关键词：光伏系统；容配比；发电量；经济收益

0 引言

近年来，随着光伏系列产品技术的成熟发展，光伏行业发展也日渐成熟。2019年初，国家能源部门出台了《国家发展改革委 国家能源局关于积极推进风电、光伏发电无补贴平价上网有关工作的通知》（发改能源[2019]19号），我国光伏行业发展正式进入平价上网时代。在此背景下，对光伏系统进行降本增效的精细化设计成为必然。

在光伏单元设计中，光伏组件的装机功率和选用逆变器的额定输出功率比值（系统容配比），是一个重要的设计参数，该值的选取直接影响到电站的投资收益，是每一家投资企业应该重点关注的方面。

一 系统容配比问题分析

1.1 光伏电站容配比

在光伏电站中，直流侧光伏组件的标称装机功率与选用逆变器的额定输出功率的比值，被称为系统容配比。在光伏行业的发展早期，一般系统的容配比按1：1进行设计。但是在近十多年的发展过程中，随着技术的不断进步，人们已经逐渐意识到，早期的容配比设计存在系统输出长期不达标、设备利用不充分、资源浪费等问题。主要原因大体有以下几种：

（1）容配比中光伏组件的标称功率是指在标准条件下，即组件温度25℃，辐照度为1000W/m2下的标定输出功率，但在实际应用环境中，受温度、环境等因素影响，组件的实际输出功率与标称功率之间是存在一定差异的，特别是在辐照条件稍差的地区，逆变器的实际输入功率都达不到给其配置的组件标称功率。

（2）光伏系统实际运行过程中，从光伏组件到逆变器的直流输入侧，各个环节存在着不同程度的功率损耗，如：组件的串并联失配、运维不到位造成的灰尘遮挡、功率传输过程中的电缆损耗、配置的汇流箱等设备的损耗，以上都将造成输入逆变器的实际功率进一步减少。

此外，各地的电价水平、设备本身的性能及选型、设计方案的选取等等也都会影响到组件和逆变器的功率配比关系，进而影响整个系统的投入产出和最终收益。

1.2 问题分析

通过上述分析，我们得出：可以通过增加直流侧组件的装机容量来弥补组件到逆变器环节的各种功率损耗和资源损失，增加逆变器直流侧输入功率，使逆变器输出达到其额定输出功率，减少资源浪费，提高设备利用率。在此基础上，继续加装直流侧组件容量，逆变器的交流输出功率会继续增加。随着超配组件成本的增加，发电收益也在增加，但因为逆变器设备超配到一定程度会出现限功率现象，所以投资成本和发电收益之间存在最优化的匹配点。我们可以通过财务模型计算，寻找到最佳的超配比例，即系统最佳容配比。

二 不同资源区域容配比选取分析

光伏电站设计过程中，影响电站最终发电收益的一个非常重要的因素就是太阳能辐射资源。根据GB/T 37526-2018《太阳能资源评估方法》，以年水平面辐照量作为指标，对太阳能资源的丰富程度划分为4个等级，如表2-1所示。

表2-1 中国太阳能辐射资源区划标准

本章节将在太阳能辐射资源较好的前三类地带分别选取站点（A类地区选取玉树，B类地区选取湟中，C类地区选取佛山），通过不同容配比的对比计算，分析得出适合各类地带的最佳光伏系统容配比

^[1]。

2.1 系统设计总体方案

（1）分析方案统一采用450Wp单晶硅光伏组件，按1600kW一个单元方阵考虑，对应配置80kW组串式逆变器和1600kVA箱式升压变。

（2）三个地点的光伏电站均按交流侧设备配置及升压站送出方案相同考虑，对比方案只考虑直流侧装机功率容配比不同的情况。

2.2 A类地区光伏电站容配比选取分析（玉树）

（1）资源情况

玉树地处于青海省青南地区，年日照时数在2467.7h～2789.1h之间，年辐射量每平方厘米在623.5kJ～674.7 kJ之间，均大于同纬度的东部地区。所选地点，太阳能总辐射量为1739.8kWh/m²，即6263.28MJ/m²。

（2）安装倾角

为了使得光伏方阵表面接收到更多太阳辐射能量，光伏方阵采用方位角为0°、倾斜安装。本方案各地点光伏电站的倾角设计以年辐照量最大为设计原则，最佳安装倾角进行分析。

（3）系统效率

光伏系统发电效率的影响主要考虑以下几方面：光伏组件工作温度影响、光伏组件的匹配损失、弱光下发电量损失、光伏组件的污染损失、地形、植被的遮挡损耗、直流侧线损、逆变器效率、交流侧线损、升压变效率及其他损耗等。具体各地点根据项目地实际情况进行考虑。

（4）发电量分析

根据太阳辐射资源分析所确定的光伏电场多年平均年辐射总量，结合拟选择的太阳能电池的类型和布置方案，系统综合效率，进行光伏电站年发电量模拟估算^[2]。各容配比下逆变器发电出力情况如图2-1~图2-4所示。

图2-1 玉树站点容配比为1时的逆变器发电出力

图2-2 玉树站点容配比为1.05时的逆变器发电出力

图2-3 玉树站点容配比为1.1时的逆变器发电出力

图2-4 玉树站点容配比为1.2时的逆变器发电出力

由上图分析可知，随着光伏阵列组件功率的增加，逆变器的能量输出不断增加，超出逆变器的限发阈值时会出现一定程度的功率限发情况，当光伏阵列的容配比较低时，逆变器的限发电量较小甚至无；容配比较高时，逆变器的限发电量也随之变大。这也间接地表明了随着组件的超装，最终的发电收益不会一直持续增加，故而需要寻求最佳的功率超装比例。

在不同容配比下，根据PVsyst软件模拟运行仿真结果显示，在交流侧设备配置方案不变的情况下，不同容配比下组件的失配情况、直流损耗、光伏逆变器运行导致的损失、输入超配导致的损失均不相同，最终导致不同容配比下系统效率不同、发电量不同。具体对比数据如表2-2所示。

表2-2 玉树地区光伏电站各容配比下发电量对比表

由表可以看出，当直流侧增加组件装机功率时，发电量会随之增加。

（5）经济效益分析

在电站主要设备及建设成本中，组件按1.8元/Wp，逆变器按0.14元/Wp，支架按0.4元/Wp，箱变按0.08元/Wp，其他设备材料按0.22元/Wp，其他设备及建安按0.69元/Wp，建设工程其他费用0.02元/Wp。当地电价为0.3247元/kWh。

经过财务模型分析计算，各容配比下的投资收益如表2-3所示。

表2-3 玉树地区光伏电站各容配比下投资收益对比表

从上表计算结果分析可知，当容配比为1.05时，系统收益率最高，为最佳容配比点。

2.3 B类地区光伏电站容配比选取分析（湟中）

（1）资源情况

湟中县位于青海省东部，位于青藏高原温带半干旱气候区。站点年平均日照时数2588.3h，日照百分率达95%；属于我国太阳能资源B级较高值地区。所选地点，太阳能总辐射量为1569kWh/m²，即5648.4MJ/m²。

（2）安装倾角

该站点的倾角设计同样以年辐照量最大为设计原则，选用方位角为0°，最佳安装倾角进行分析。

（3）系统效率

考虑情况同A类区，根据项目地实际情况进行修正。

（4）发电量分析

根据太阳辐射资源分析所确定的光伏电场多年平均年辐射总量，进行光伏电站年发电量模拟估算。

同玉树站点一样，随着光伏阵列的组件功率增加，逆变器的能量输出不断增加，超出逆变器的限发阈值时会出现一定程度的功率限发情况。当光伏阵列的容配比较低时，逆变器的限发电量较小；容配比较高时，逆变器的限发电量也随之变大。

根据PVsyst软件模拟运行仿真分析，该站点各容配比下的发电量对比如表2-4所示。

表2-4 湟中站点光伏电站各容配比下发电量对比表

即：当直流侧增加组件装机功率时，发电效益会随之增加。

（5）经济效益分析

该站点成本计算中，各类设备及建设成本同玉树站点。当地电价为0.325元/kWh。

经过财务模型分析计算，各容配比下的投资收益如表2-5所示。

表2-5 湟中站点光伏电站各容配比下投资收益对比表

从上表计算结果分析可知，当容配比为1.1时，系统收益率最高，为最佳容配比点。

2.4 C类地区光伏电站容配比选取分析（佛山）

（1）资源情况

佛山地处广东省中部、珠三角腹地，年平均日照时数为1407.7小时，秋季和夏季日照时数较多，分别为438.8h和432.4h，春季最少，为228.1h，冬季为308.3h。日最大日照时数为11.3h。所选地点，太阳能总辐射量为1228.4kW/m²，即4422.24MJ/m²。

（2）安装倾角

该站点的倾角设计同样以年辐照量最大为设计原则，选用方位角为0°，最佳安装倾角进行分析。

（3）系统效率

考虑情况同A类区，根据项目地实际情况进行修正。

（4）发电量分析

根据太阳辐射资源分析所确定的光伏电站多年平均年辐射总量，进行光伏电站年发电量模拟估算。

同前两个站点，随着组件功率的增加，逆变器发电出力呈增长趋势，到一定程度，出现限发情况。根据PVsyst软件模拟运行仿真分析，该站点各容配比下的发电量对比如下。

表2-6 佛山站点光伏电站各容配比下发电量对比表

即，当直流侧增加组件装机功率时，发电效益随之增加。

（5）经济效益分析

该站点成本计算中，各设备及建设成本同前两个站点。当地电价为0.453元/kWh。经过财务模型分析计算，各容配比下的投资收益见表2-7所示。

表2-7 佛山站点光伏电站各容配比下投资收益对比表

从上表不同容配比计算结果分析可知，当组件与逆变器容配比为1.4时，单元方阵系统收益率最高，为最佳容配比点。

2.5 对比结论

通过对以上三类资源区域不同站点、不同容配比下发电量^[3]和经济收益的对比分析，我们可以得出：

（1）光伏电站的系统配置中，可以在直流侧加装一定比例的组件容量，通过提升系统容配比的方式来增加电站的发电效益。

（2）由于各地资源情况、环境条件以及电网电价等情况不同，各地适合的容配比配置均不相同。资源越好的区域，电站适合的容配比也越小，而资源相对差一点的区域，电站适合的容配比也就越大。

三 结论及建议

3.1 结论

通过上述分析比较，在光伏系统设计过程中，适当增加直流侧组件超配容量，提高系统容配比，对充分利用资源、提高设备利用率、增加系统发电效益有着积极的正向作用。但由于环境及设计因素的影响，不同资源区域适合的容配比并不相同。

其中，A类地区因资源丰富，较适宜的系统容配比约在1.0~1.1之间；因湟中站点在B类资源中属较好区域，B类地区较适宜的系统容配比约在1.1~1.2之间或放宽至1.2~1.3；C类地区资源稍差，较适宜的容配比约在1.4左右或略高。

3.2 建议

在具体实施过程中，建议设计者或投资者可以根据不同地区的资源情况、地区电价水平、电网运行情况、各电站设计方案等方面进行综合分析，通过不同容配比的对比计算，选取适合目标站点的系统容配比，实现经济收益的最优化。

参考文献：

[1] 梅文广，光伏发电系统最优容配比分析。建筑电气，2017-10.

[2] 马庆虎，不同太阳能资源区不同容配比对光伏电站发电量影响的研究。太阳能，2020-6.

[3] 邵松，光伏发电站容配比问题的探讨。科技创新与应用，2017-23.