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光伏電站超配合理性及零部件選型建議

2019-05-18 05:45

在光伏電站的系統(tǒng)設(shè)計中，直流側(cè)接入的光伏組件額定容量和逆變器輸出額定功率比，稱為容配比。

歐美國家早期在對光伏系統(tǒng)設(shè)計進行優(yōu)化研究時提出了“超配”的概念，即通過提高光伏電站容配比以達到系統(tǒng)整體收益最優(yōu)的目的。近年來隨著補貼退坡、平價上網(wǎng)時代的來臨，“降低系統(tǒng)成本、提升投資收益”成為國內(nèi)光伏行業(yè)亟需解決的問題。同時占據(jù)系統(tǒng)主要成本的組件價格走低也為系統(tǒng)超配提供了有利的條件，所以國內(nèi)業(yè)主、設(shè)計院和行業(yè)專家都開始把目光投向超配設(shè)計和應用。當光伏電站直流側(cè)組件提升到一定比例，逆變器交流側(cè)滿載工作時間變長，可減少由于光照波動引起的輸出功率頻繁波動，接入電網(wǎng)更友好。

1、提高容配比的合理性

眾所周知，由于光伏系統(tǒng)中組件衰減、局部遮擋、灰塵遮擋、線路損耗、組件失配等一系列因素影響，組件實際輸出不可避免的出現(xiàn)一些損失，特別是對于輻照度低于1000W／M2的應用場景，光伏組件大部分時間的輸出功率達不到標稱功率，逆變器、變壓器及交流系統(tǒng)等基本都是非滿負荷運行，進而造成電站整體發(fā)電量低于預期值，系統(tǒng)收益減少，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)能量流

因此，科學合理的超配方案設(shè)計，可以補償由于上圖所示的各種原因造成的發(fā)電損失，同時提高整個系統(tǒng)特別是交流側(cè)相關(guān)部件的利用率，進而降低系統(tǒng)成本，提高整體收益。

2、提高容配比帶來的優(yōu)勢

1、提高電站收益

科學的提高容配比設(shè)計可以增加系統(tǒng)收益，降低系統(tǒng)平均度電成本，實現(xiàn)整體效益的最大化。以大同領(lǐng)跑者項目為例，電站容量100MWp，根據(jù)當時上網(wǎng)電價0．6元／kWh計算，在1．4倍容配比下，即使存在一定的棄光現(xiàn)象，但是電站的度電成本是最低的，即整體收益增加和內(nèi)部收益率（IRR）最高。

2、提高光伏電站并網(wǎng)友好性

隨著容配比的提高，光伏電站滿載工作時間延長，電站輸出功率隨輻照度波動引起的變化降低。下圖是一個實際電站的日輸出功率曲線，該電站采用1．41倍容配比，安裝了跟蹤系統(tǒng)，由圖可見，逆變器從早上8：00點到下午17：00一直處于滿功率運行狀態(tài)，發(fā)電功率曲線幾乎是條穩(wěn)定的直線，即使光照出現(xiàn)一定程度的波動，逆變器輸出功率僅做微小變化，整個光伏電站的輸出更加穩(wěn)定，大大提高了電網(wǎng)友好性。

3、如何選擇適用于超配的逆變器

目前，海外諸如美國、印度、歐洲等主要光伏市場，電站普遍按照1．4倍以上容配比進行超配設(shè)計，日本部分電站超配設(shè)計甚至達到2倍以上，在中國，這一設(shè)計也正在普及。光伏系統(tǒng)在進行超配設(shè)計時，逆變器的選擇需要綜合考慮以下三點：

具備更強的直流側(cè)接入能力

為了實現(xiàn)超配設(shè)計，逆變器需要具備足夠的端子數(shù)量，以接入更多組件。當逆變器直流輸入端子不足，導致逆變器直流側(cè)接入的組件容量等于或小于逆變器交流功率額定值時，考慮到灰塵遮擋，組件輸出至少降低2－3％，再考慮到組件衰減、線纜損耗等因素，實際傳輸?shù)侥孀兤鬏斎攵说闹绷鞴β视謺䴗p少5－10％左右，逆變器、變壓器及后端電氣系統(tǒng)將長期處于輕載。例如對于80kW逆變器，如果接入80kW的組件，實際輸出將小于80kW，如圖2所示。因此，逆變器直流側(cè)需具備更強的直流側(cè)接入能力，以提高系統(tǒng)利用率，進而降低系統(tǒng)成本。

圖2 直流側(cè)接入能力增加的價值

具備更強的散熱能力

系統(tǒng)超配后，逆變器滿載運行時間加長，尤其在中東部屋頂及山丘等分布式電站，環(huán)境溫度高，散熱條件相對較差，如在天氣較為炎熱的夏天，由于屋頂彩鋼瓦或水泥屋頂受光照后熱輻射導致屋頂環(huán)境溫度比地面電站至少要高10℃以上，在這樣的場景下，對于逆變器的散熱能力提出了挑戰(zhàn)。同時隨著雙面組件、平單軸系統(tǒng)等應用的持續(xù)增多，逆變器滿載運行時間將進一步增長，對逆變器散熱能力提出了更高的要求。因此，為保障在不同應用場景下，逆變器均可以穩(wěn)定不降額運行，延長設(shè)備使用壽命，在選擇逆變器時，需更加關(guān)注逆變器的散熱能力。

具備更強的耐“壓”能力

光伏電站超配后，逆變器交流輸出功率和直流側(cè)工作電流被限制在最大值，直流側(cè)運行工作點會向高電壓偏移。過去逆變器采用兩電平拓撲，單個逆變橋壁串聯(lián)2個功率管，隨著I字型三電平拓撲的應用，單個逆變橋壁串聯(lián)4個功率管，因此，單個功率管承受電壓更低，電壓裕量更大，更安全可靠，I字型拓撲的逆變器具備更大的超配能力。

4、不同光照條件如何選擇合適的容配比

容配比最優(yōu)方案與光照、氣溫、組件鋪設(shè)等多個因素有關(guān)，其中關(guān)聯(lián)最大的是光照條件。根據(jù)業(yè)內(nèi)對適宜開發(fā)光伏電站的基本光照條件的劃分，全國可以劃分為四類光照條件區(qū)域。近年來，隨著西北電網(wǎng)接入容量限制，大規(guī)模的限電現(xiàn)象，加之政策對分布式電站的傾斜，光伏電站從原有光照資源較好的I、II類西北部地區(qū)，逐漸轉(zhuǎn)移到光照資源相對較差的III、 IV類東南部地區(qū)。

以最低度電成本LCOE和最高內(nèi)部收益率IRR為衡量依據(jù)，推薦I類資源區(qū)容配比范圍為1．2～1．3，II類資源區(qū)容配比范圍為1．3～1．4，III和IV類資源區(qū)容配比范圍為1．4～1．6。但是合適的容配比受直流側(cè)損耗、組件支架和基礎(chǔ)土地等造價、光資源條件等多種因素影響，所以在不同光照地區(qū)確定參考值范圍的同時，建議針對每個項目進行單獨計算以確定最佳容配比。

值得一提的是，在大同一期領(lǐng)跑者項目中的電站容配比普遍設(shè)計在1．06左右，而在后幾期領(lǐng)跑者電站卻未采用超配設(shè)計。但是隨著531政策和平價上網(wǎng)大背景的驅(qū)使，三峽新能源與陽光電源聯(lián)合開發(fā)的青海格爾木項目中，通過合理分析和精細化系統(tǒng)設(shè)計，電站采用1．2倍左右容配比，項目最終平價上網(wǎng)，成為國內(nèi)首個平價上網(wǎng)的案例，為平價上網(wǎng)提供了典型示范。

5、讓超配成為標配

在平價上網(wǎng)即將全面到來的前夕，如何降低系統(tǒng)投資成本，提高回報率是光伏電站系統(tǒng)設(shè)計和優(yōu)化的主要目標之一。而超配設(shè)計，已成為提高光伏系統(tǒng)綜合利用率、降低系統(tǒng)度電成本、提升收益的有效手段�？茖W設(shè)計，合理選擇逆變器，讓超配成為大型光伏系統(tǒng)的標配，將快速促進我國平價上網(wǎng)的進程。

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