基于輻照強(qiáng)度估算光伏最佳容配比的一種方法

程相奧，王 霆，王 琨，周劉俊

（平高集團(tuán)有限公司，河南 平頂山）

引言

基于我國提出的“雙碳”政策，高碳排放的化石能源被逐漸限制，而新能源行業(yè)由此迅速發(fā)展起來。在政府部門的規(guī)劃下，近年風(fēng)電、光伏等新能源行業(yè)裝機(jī)容量連創(chuàng)新高并且增量穩(wěn)居全球第一，這種趨勢短期內(nèi)并不會改變，新能源行業(yè)將會在未來持續(xù)發(fā)展很長一段時間，前景十分廣闊。根據(jù)國家能源局制定的“2023 年能源工作路線圖”，2023 年要實(shí)現(xiàn)風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模4.3 億千瓦，太陽能發(fā)電裝機(jī)規(guī)模達(dá)到4.9 億千瓦時。這其中，光伏裝機(jī)規(guī)模從2022 年的388 GW 增加到490 GW，增長約102 GW，這也意味著2023 年我國光伏裝機(jī)規(guī)模將首次突破百GW 的大關(guān)。這對光伏電站的建設(shè)方來說無疑是重大機(jī)會。而作為光伏電站的建設(shè)方，建設(shè)光伏電站時往往首先考慮如何降低度電成本，而光伏容配比是目前影響光伏項(xiàng)目度電成本的重要因素之一。

在2020 年之前，由于沒有相應(yīng)的容配比規(guī)范，我國的光伏電站的容配比一般按照1:1 進(jìn)行設(shè)計。直到2020 年《光伏發(fā)電系統(tǒng)效能規(guī)范（NB/T10394-2020）》發(fā)布，這是我國首個正式下發(fā)的、全面放開容配比的規(guī)范，該規(guī)范將容配比限制提高到最高1.8：1，以交流側(cè)計算“額定容量”[1]。容配比的提高不僅可以提高廠家的出貨量，推動整個產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，也能降低建設(shè)方的度電成本，還能產(chǎn)生更多零碳電力，一舉三得。目前，歐洲的光伏電站普遍按照1.2:1～1.4:1 的容配比進(jìn)行超配，美國、印度的光伏電站的容配比設(shè)計可達(dá)1.4 倍以上，而日本的甚至可以達(dá)到2 倍，這也意味著中國光伏電站的容配比仍有較大的提升空間[2]。

隨著容配比的開放，如何確定最佳容配比問題也隨之而來，容配比較低則發(fā)電量不足，發(fā)電收益有所降低，容配比較高則會造成棄光棄電甚至設(shè)備的損壞。因此確定最佳容配比對于建設(shè)方而言至關(guān)重要。目前主流確定容配比的方法是綜合考慮度電成本的方法，本文提出一種基于輻照強(qiáng)度估算光伏容配比的一種方法，并用PVsyst 軟件對案例驗(yàn)證該方法的準(zhǔn)確性。

1 基于輻照強(qiáng)度估算最佳容配比的方法

1.1 影響容配比的主要因素

目前對于光伏項(xiàng)目而言，并網(wǎng)容量是指交流側(cè)配置容量，即固定交流測配置不變，而改變直流測容量，這就導(dǎo)致了光伏容配比的不同。影響光伏容配比的主要因素有兩個，第一是年輻照量，第二是直流側(cè)系統(tǒng)損耗。

根據(jù)GB/T 31155-2014《太陽能資源等級總輻射》[3]的劃分標(biāo)準(zhǔn)，中國太陽能資源區(qū)共分為4 類。年水平面太陽總輻照量等級的劃分如表1 所示。我國幅員遼闊，不同的地區(qū)光資源差異巨大，水平面年輻照量直接影響光伏組件發(fā)電量的高低，例如內(nèi)蒙古某縣的年水平面輻照量可達(dá)1 767 kWh/m2，而洛陽市某縣的年水平面輻照量只有1 441 kWh/m2，這就意味著若在這兩地建設(shè)的光伏電站在交流側(cè)容量固定的情況下產(chǎn)生同樣的發(fā)電量，后者的容配比須達(dá)到前者的1.23 倍。根據(jù)GB/T 50797-2012《光伏發(fā)電站設(shè)計規(guī)范》[4]6.6.2 條光伏并網(wǎng)的發(fā)電量可按式(1)計算。

表1 年水平面總輻照量等級

式中：HA——水平面太陽能總輻照量(kWh/m2)；

EP——上網(wǎng)發(fā)電量(kW·h)；

ES——標(biāo)準(zhǔn)條件下的輻照度(1kW·h/m)；

PAZ——組件安裝容量(kWp)；

K——綜合效率系數(shù)。

綜合效率系數(shù)主要取決于兩方面的乘積，一方面是組件安裝最佳傾角的增量系數(shù)，另一方面是直流側(cè)系統(tǒng)損耗減量系數(shù)。直流側(cè)系統(tǒng)損耗減量系數(shù)包括的方面更多，如高溫導(dǎo)致的太陽能電池輸出效率降低、灰塵或陰影遮擋導(dǎo)致光伏組件輻照量降低、光伏組件因串聯(lián)電流不一致的失配導(dǎo)致效率降低、直流線損、逆變器MPPT 追蹤效率降低及逆變器自身損耗等[5]。當(dāng)采用不同廠家的組件、線纜以及光伏電站位于不同地區(qū)時，光伏電站整體的效率也不盡相同，當(dāng)光伏電站所在資源情況差異不大但系統(tǒng)效率不同時，若達(dá)到相同的發(fā)電量，系統(tǒng)效率低的則需提高容配比。

1.2 采用度電成本分析最佳容配比的方法

目前主流確定最佳容配比的方法是采用度電成本分析的方法，即按制容配比的不同，通過數(shù)據(jù)分析得出度電成本與容配比間的關(guān)系，最后找出度電成本的最低點(diǎn)所對應(yīng)的容配比值。雖然這種方法較為準(zhǔn)確，但其統(tǒng)計的數(shù)據(jù)十分巨大，不僅包括各容配比下的各項(xiàng)成本，如土地成本、光伏本體（組件、支架、線纜）成本以及運(yùn)維成本等[6-7]，還包括各容配比下的發(fā)電量數(shù)據(jù)，每取一個容配比值均要進(jìn)行發(fā)電量測算，若容配比取間隔過大，則無法準(zhǔn)確測算出最佳容配比值，若容配比取間隔過小，則提高了整體的工作量，降低了項(xiàng)目前期運(yùn)行效率。因此筆者認(rèn)為應(yīng)先估算出一個容配比的范圍，而后再根據(jù)度電成本進(jìn)行準(zhǔn)確的最佳容配比分析。

1.3 基于輻照強(qiáng)度估算最佳容配比的一種方法

前文提到影響光伏容配比的兩方面因素，即年輻照量與系統(tǒng)效率。輻照量與系統(tǒng)效率是決定光伏電站發(fā)電量的關(guān)鍵因素，最佳安裝傾角輻照量在遮擋或其他損失后在光伏電池的轉(zhuǎn)化下產(chǎn)生電量，又經(jīng)過光伏方陣的系統(tǒng)損失后進(jìn)入逆變器，在經(jīng)過交流側(cè)輸出電能。輻照量取決于輻照強(qiáng)度與日照時長，是日照時長下輻照強(qiáng)度的積分。輻照強(qiáng)度經(jīng)過單位面積光伏組件轉(zhuǎn)化為光伏組件的輸出功率，全部光伏組件的輸出功率除去溫度損失、失配損失及直流線損、逆變器損耗等直流側(cè)損失即為逆變器的實(shí)際輸出功率。在不考慮交流側(cè)損失的情況下，發(fā)電量也是在日照時長下逆變器實(shí)際輸出功率的積分。因此逆變器的實(shí)際輸出功率取決于輻照強(qiáng)度與直流側(cè)系統(tǒng)效率，有以下關(guān)系如式(2)所示。

式中：WP——逆變器實(shí)際輸出功率(kW)；

IE——輻照強(qiáng)度(kW/m2)；

S——光伏組件受光面積(m2)；

K1——光伏組件轉(zhuǎn)化效率(%)；

K2——直流側(cè)系統(tǒng)效率(%)。

由于交流側(cè)容量固定，當(dāng)選定逆變器、光伏組件型號以及項(xiàng)目地點(diǎn)后，輻照強(qiáng)度、光伏組件轉(zhuǎn)化效率、單個光伏板面積以及直流側(cè)系統(tǒng)效率都能確定，因此只需確定逆變器的實(shí)際輸出功率便可計算出此時光伏組件數(shù)量，進(jìn)而求得容配比。

逆變器的輸出功率是有上限的，往往是標(biāo)稱功率的1.1 倍。這就意味著當(dāng)輻照強(qiáng)度大于一定值時，逆變器輸出的功率不再增加，在相同日照時長下發(fā)電量不再增加。因此應(yīng)保持光伏方陣輸出功率不大于逆變器最大輸出功率。輻照強(qiáng)度在每月、每日中不斷變化、時高時低，若采用平均輻照強(qiáng)度代入上式進(jìn)行計算則當(dāng)實(shí)際輻照強(qiáng)度高于平均值時整個光伏方陣容量超配，不僅不能提高發(fā)電量，反而長時間過載還會損壞設(shè)備，因此筆者認(rèn)為輻照強(qiáng)度應(yīng)取最佳傾角下輻照量最高月份的平均最高輻照度。類似的，直流側(cè)系統(tǒng)效率也相應(yīng)取高，這樣不會造成光伏方陣的實(shí)際輸出功率高于逆變器的最大輸出功率，造成發(fā)電量損失。按上述思路整理后式(2)得式(3)。

基于上述論證，隨著容配比的增加，相應(yīng)的投資成本也成比例增加，但是發(fā)電量的增量卻不是成比例增加，而是呈現(xiàn)先穩(wěn)定后降低的趨勢。隨著容配比的增加，發(fā)電量增量開始降低的點(diǎn)所對應(yīng)的容配比即為最佳容配比的點(diǎn)。

2 PVsyst 軟件模擬驗(yàn)證

基于上述理論分析，下面對針對某個光伏電站進(jìn)行模擬驗(yàn)證，首先采用文本提出的公式計算光伏最佳容配比，其次利用PVsyst 軟件對項(xiàng)目采用不同容配比進(jìn)行模擬分析，按制容配比為自變量，發(fā)電量增量為因變量，得出發(fā)電量增量隨容配比變化曲線，進(jìn)而確定最佳容配比值，最后對兩組容配比值進(jìn)行誤差分析。

以內(nèi)蒙古某縣某項(xiàng)目為案例，交流側(cè)容量配置10 MW，采用某廠175 KW 逆變器，光伏組件采用某廠550 Wp 組件，單塊組件面積2.58 m2。該地區(qū)年太陽輻射總量6 361.83 MJ/m2，合1 767 kWh/m2，全縣全年日照時數(shù)在3 300 h 以上，屬于A類資源區(qū)。

首先采用文本提出的公式計算光伏最佳容配比，根據(jù)式(3)，逆變器最大輸出功率為取額定功率的1.1倍，該地各月份輻照量如圖1 所示，由圖1 可知輻照量最大的月份為五月，取每天標(biāo)準(zhǔn)日照時長6 h，可計算的月平均最大輻照強(qiáng)度為1.02 KW/m2，光伏組件轉(zhuǎn)化效率根據(jù)組件實(shí)際情況確定，本案例中取21.6%。參照我國多個光伏電站的測量數(shù)據(jù)，電站直流側(cè)損耗之和在10.6%～12.8%之間[8]，本案例直流側(cè)損耗取溫度損失3%、組件失配損失1%、組件污穢損失3%、直流線損1.5%，逆變器轉(zhuǎn)換損失1.5%，直流側(cè)損耗共計10%。代入數(shù)據(jù)可得光伏組件最大數(shù)量377 塊，合每個逆變器接入組串14.5 串，此時容配比為1.185。而逆變器接入組串一般為整數(shù)，因此取逆變器并聯(lián)組串?dāng)?shù)量為14，計算得容配比1.144。

圖1 月平均輻照量

其次利用PVsyst7.2 軟件對該項(xiàng)目進(jìn)行模擬分析，取交流測容量10.15 MW，總系統(tǒng)效率80.51%，取容配比從1.14～1.30，間隔為0.02，容配比為1.18 時軟件模擬的結(jié)果如圖2 所示，將不同容配比下軟件模擬結(jié)果整理后如表2 所示，不同容配比下發(fā)電量環(huán)比增量如圖3 所示。由表2 及圖3 可知，在交流側(cè)容量及系統(tǒng)效率固定的情況下，隨著容配比的增加，年發(fā)電量逐漸增大，但發(fā)電量環(huán)比增量呈先升高后降低的趨勢，當(dāng)容配比為1.2 時發(fā)電量環(huán)比增量最大為308 MWh，當(dāng)容配比超過1.2 時發(fā)電量環(huán)比增量逐漸降低。因此根據(jù)軟件模擬分析該項(xiàng)目最佳容配比為1.2。此時逆變器接入組串?dāng)?shù)14.7，由于逆變器接入組串?dāng)?shù)為整數(shù)，并且增加容配比發(fā)電量環(huán)比增量下降，環(huán)比收益降低，因此向下取整為14，容配比為1.14。

圖2 容配比為1.18 時模擬結(jié)果

圖3 發(fā)電量環(huán)比增量

表2 PVsyst 軟件模擬結(jié)果

3 結(jié)論

通過案例分析可知，本文提出計算方法計算出的最佳容配比與PVsyst 軟件模擬結(jié)果偏差較小，約1.2%，驗(yàn)證了該方法的準(zhǔn)確性與可行性。但由于該方法未全面考慮成本分析，使得該方法有一定的片面性，因此筆者建議用該方法作為光伏電站容配比的前期技術(shù)性估算，通過計算結(jié)果縮小容配比取值范圍后，繼而基于平準(zhǔn)化度電成本(LCOE)研究光伏電站的最佳容配比。