王琦

（英大國際信托有限責(zé)任公司，北京 100005）

0 引言

在光伏發(fā)電項(xiàng)目中，容配比直接影響工程的建設(shè)成本和經(jīng)濟(jì)收益，伴隨光伏組件的技術(shù)不斷成熟和價(jià)格下降，光伏電站容配比對(duì)項(xiàng)目的投資和收益率影響越來越大。目前國內(nèi)對(duì)于光伏系統(tǒng)容配比的計(jì)算方法多數(shù)來源于工程經(jīng)驗(yàn)，缺少對(duì)于光伏系統(tǒng)容配比的計(jì)算原則和計(jì)算方法。

本文提出一種根據(jù)光伏陣列傾斜面上接收到的最大太陽輻射強(qiáng)度來計(jì)算光伏系統(tǒng)容配比的計(jì)算方法。根據(jù)光伏組件的I-V特性、項(xiàng)目廠址區(qū)域的太陽能資源分析、光伏系統(tǒng)損耗等參數(shù)，計(jì)算光伏陣列最大直流輸出功率和逆變器最大交流輸出功率，按照補(bǔ)償超配的原則，計(jì)算項(xiàng)目收益率最高時(shí)的光伏系統(tǒng)容配比。該算法對(duì)光伏發(fā)電項(xiàng)目建設(shè)成本和經(jīng)濟(jì)收益計(jì)算以及項(xiàng)目可行性分析提供了重要的依據(jù)，填補(bǔ)了我國光伏行業(yè)的空白。

1 太陽輻射強(qiáng)度分析

光伏組件的峰值功率是在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件下（組件法向表面的太陽輻射強(qiáng)度為1000 W/m2，環(huán)境溫度25 ℃）測(cè)得的輸出功率[1]。由于每個(gè)項(xiàng)目的太陽資源情況都存在差異，同一個(gè)項(xiàng)目每年、每月、每日甚至每個(gè)時(shí)刻的太陽輻射強(qiáng)度也有所不同，因此光伏陣列表面接受到的太陽輻射強(qiáng)度也在時(shí)刻發(fā)生變化[2]。

根據(jù)太陽的運(yùn)行規(guī)律，科技計(jì)算出任意日期任意時(shí)刻的太陽高度角、太陽方位角和太陽赤緯角，結(jié)合氣象局記錄的日均太陽輻射量和溫度記錄，推算逐時(shí)的太陽輻射量，對(duì)光伏陣列表面的逐日太陽輻射強(qiáng)度進(jìn)行估算。用光資源模擬軟件PVsyst建立數(shù)學(xué)模型，模擬11月太陽輻射量最高的一天中逐小時(shí)的太陽輻射量，作為光伏組件輸出功率的計(jì)算依據(jù)[3]。

2 光伏陣列輸出功率

光伏組件的實(shí)際輸出功率會(huì)受到組件表面的太陽輻射強(qiáng)度、環(huán)境溫度和最大功率點(diǎn)追蹤等因素的影響而變化。在不同的輻照強(qiáng)度下，電池片的開路電壓和工作電壓相差較小，而電池片的短路電流與工作電流隨著輻照強(qiáng)度的減少而等比例下降[4]。因此，環(huán)境溫度一定時(shí)，光伏組件的輸出功率最大值與組件表面接收到的太陽輻射強(qiáng)度基本成正比；當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，光伏組件輸出功率的差值與溫度差值成反比[5]。

通過光資源模擬軟件PVsyst計(jì)算光伏陣列傾斜面上的逐時(shí)太陽輻射強(qiáng)度，并結(jié)合當(dāng)?shù)貧庀筚Y料，可以計(jì)算出光伏組件的逐小時(shí)最大值[6]。

在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，能量損失主要包括光伏陣列的能量損失、逆變器能量損失、交流并網(wǎng)的能量損失等三部分組成。光伏陣列發(fā)電效率的影響因素主要包括：① 組件不匹配的損失；② 組件IAM損失；③ 不可利用的太陽輻射損失；④ 陰影遮擋損失；⑤ 低輻照度損失；⑥ 溫度影響損耗；⑦ 直流線路損失；⑧ 匯流設(shè)備損耗；⑨ 系統(tǒng)故障及維護(hù)損耗以及其他影響因素[7]。

在上述能量損失中，直流線路損失、組件IAM損失和匯流設(shè)備損耗在光伏組件發(fā)電過程中始終存在，而其他能量損失在特定時(shí)段或環(huán)境因下發(fā)生。在計(jì)算光伏電站容配比時(shí)，光伏陣列的能量損失只考慮這3項(xiàng)因素，其中直流線路損失暫按2%考慮，組件IAM損失暫按1.5%考慮，匯流設(shè)備損耗按1%考慮。

因此，光伏陣列逐小時(shí)平均輸出功率=光伏組件峰值功率×光伏組件發(fā)電效率×光伏陣列能量損失系數(shù)。

3 光伏電站容配比

3.1 選取原則

圖1 光伏組件逐時(shí)發(fā)電效率Fig.1 Hourly power generation efficiency of photovoltaic modules

光伏電站的容配比是指光伏組件峰值功率之和與逆變器交流側(cè)額定輸出功率之和的比值。容配比的選擇主要取決于最高太陽輻照強(qiáng)度、光伏陣列的發(fā)電效率、光伏組件環(huán)境溫度以及光伏組件的功率溫度系數(shù)，其中占主要作用的是最高太陽輻照強(qiáng)度[8]。

以額定容量為500 kW的集中式逆變器為例，光伏組件選用峰值功率為285 Wp的單晶硅光伏組件（標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下，光電轉(zhuǎn)換效率17.33%），選擇容配比為① 1:1；② 1:1.05；③ 1:1.10；④ 1:1.15；⑤ 1:1.20；⑥ 1:1.25；⑦ 1:1.30等7種情況分別進(jìn)行分析。如圖1所示：

根據(jù)逆變器的工作特性，當(dāng)逆變器直流輸入功率超過最大直流功率時(shí)，為保護(hù)逆變器，逆變器的限流裝置會(huì)發(fā)生作用，將交流側(cè)的輸出功率控制在最大交流輸出功率。因此，當(dāng)逆變器的直流輸入功率大于最大直流功率時(shí)，交流側(cè)的輸出功率會(huì)保持在最大交流輸出功率。當(dāng)光伏組件的輸出功率超過逆變器的最大輸入功率時(shí)，逆變器會(huì)通過最大功率跟蹤功能將跟蹤電壓偏離最大功率點(diǎn)，造成“棄光”現(xiàn)象。因此當(dāng)逆變器直流側(cè)輸入功率超出最大輸入功率550 kW，只能按照最大輸入功率進(jìn)行考慮[9]。

為提高匯流逆變?cè)O(shè)備、升壓變壓器以及升壓站部分的利用率，在選擇光伏電站容配比時(shí)，光伏陣列的輸出功率不應(yīng)超過逆變器的直流側(cè)最大輸入功率。

3.2 最佳容配比計(jì)算方法

光伏電站的最佳容配比可以按照光伏陣列傾斜面的最大逐時(shí)平均輻射強(qiáng)度、環(huán)境溫度和光伏陣列能量損失系數(shù)計(jì)算，計(jì)算公式如下：

光伏系統(tǒng)最佳容配比=（逆變器直流側(cè)最大輸入功率/逆變器交流側(cè)額定輸出功率）/｛光伏陣列傾斜面最大逐時(shí)太陽輻照強(qiáng)度/1000×［1+峰值功率溫度系數(shù)×(環(huán)境溫度-25℃+組件工作溫升）］×光伏陣列能量損失系數(shù)｝。

以某工程為例，光伏系統(tǒng)最佳容配比=（550/500）/｛907.38/1000×［100%-0.39%×（0.86-25+20）］×（100%-2%-1.5%-1%）｝≈1.249。容配比具體數(shù)值還應(yīng)當(dāng)結(jié)合光伏組件的峰值功率和光伏組件的串、并聯(lián)方案綜合選擇。

4 項(xiàng)目投資及收益率

地面光伏發(fā)電項(xiàng)目的單位千瓦靜態(tài)投資約為7000元，其中光伏組件的單位千瓦造價(jià)約為3000元，光伏組件配套的光伏電纜、支架和基礎(chǔ)的綜合造價(jià)約為1000元/kW，因此光伏組件及配套的光伏電纜、支架和基礎(chǔ)的投資約占工程總投資的57.1%[10]。

圖2 不同容配比狀況下逆變器輸入功率對(duì)比表及光伏電站投資及收益對(duì)比表Fig.2 Inverter input power comparison table and PV power plant investment and revenue comparison table under different volume ratios

當(dāng)光伏電站并網(wǎng)側(cè)輸出容量確定后，只改變光伏電站的容配比，則光伏組件及配套工程的單位千瓦造價(jià)不變，工程其他部分的總投資不變[11]。針對(duì)容配比為① 1:1；② 1:1.05；③ 1:1.10；④ 1:1.15；⑤ 1:1.20；⑥ 1:1.249等6種情況分別計(jì)算光伏電站裝機(jī)容量、光伏電站發(fā)電量、工程投資和項(xiàng)目收益率。

從圖2可以看出，當(dāng)光伏電站交流側(cè)并網(wǎng)容量一定的情況下，通過提高光伏系統(tǒng)的容配比能夠降低工程的單位千瓦造價(jià)，提高逆變升壓設(shè)備及升壓站等公共部分的利用率，提高項(xiàng)目資本金內(nèi)部收益率，從而提高項(xiàng)目的整體經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)論

按照光伏組件所發(fā)出電量不超過逆變器直流側(cè)最大輸入功率的原則，根據(jù)光伏陣列表面的太陽輻射強(qiáng)度、環(huán)境溫度、光伏組件最大功率溫度系數(shù)、光伏組件串并聯(lián)方案、光伏陣列的系統(tǒng)損耗和逆變器直流側(cè)最大輸入功率等參數(shù)，可以計(jì)算光伏電站不發(fā)生“棄光”條件下的光伏系統(tǒng)最佳容配比，從而有效降低光伏電站的單位千瓦造價(jià)，提高光伏電站的經(jīng)濟(jì)效益。

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