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光伏电站超配合理性及零部件选型建议

光伏电站的系统设计中,直流侧接入的光伏组件额定容量和逆变器输出额定功率比,称为容配比。

欧美国家早期在对光伏系统设计进行优化研究时提出了“超配”的概念,即通过提高光伏电站容配比以达到系统整体收益最优的目的。近年来随着补贴退坡、平价上网时代的来临,“降低系统成本、提升投资收益”成为国内光伏行业亟需解决的问题。同时占据系统主要成本的组件价格走低也为系统超配提供了有利的条件,所以国内业主、设计院和行业专家都开始把目光投向超配设计和应用。当光伏电站直流侧组件提升到一定比例,逆变器交流侧满载工作时间变长,可减少由于光照波动引起的输出功率频繁波动,接入电网更友好。

1、提高容配比的合理性

众所周知,由于光伏系统中组件衰减、局部遮挡、灰尘遮挡、线路损耗、组件失配等一系列因素影响,组件实际输出不可避免的出现一些损失,特别是对于辐照度低于1000W/M2的应用场景,光伏组件大部分时间的输出功率达不到标称功率,逆变器、变压器及交流系统等基本都是非满负荷运行,进而造成电站整体发电量低于预期值,系统收益减少,如图1所示。

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图1 系统能量流

因此,科学合理的超配方案设计,可以补偿由于上图所示的各种原因造成的发电损失,同时提高整个系统特别是交流侧相关部件的利用率,进而降低系统成本,提高整体收益。

2、提高容配比带来的优势

1、提高电站收益

科学的提高容配比设计可以增加系统收益,降低系统平均度电成本,实现整体效益的最大化。以大同领跑者项目为例,电站容量100MWp,根据当时上网电价0.6元/kWh计算,在1.4倍容配比下,即使存在一定的弃光现象,但是电站的度电成本是最低的,即整体收益增加和内部收益率(IRR)最高。

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2、提高光伏电站并网友好性

随着容配比的提高,光伏电站满载工作时间延长,电站输出功率随辐照度波动引起的变化降低。下图是一个实际电站的日输出功率曲线,该电站采用1.41倍容配比,安装了跟踪系统,由图可见,逆变器从早上8:00点到下午17:00一直处于满功率运行状态,发电功率曲线几乎是条稳定的直线,即使光照出现一定程度的波动,逆变器输出功率仅做微小变化,整个光伏电站的输出更加稳定,大大提高了电网友好性。

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3、如何选择适用于超配的逆变器

目前,海外诸如美国、印度、欧洲等主要光伏市场,电站普遍按照1.4倍以上容配比进行超配设计,日本部分电站超配设计甚至达到2倍以上,在中国,这一设计也正在普及。光伏系统在进行超配设计时,逆变器的选择需要综合考虑以下三点:

具备更强的直流侧接入能力

为了实现超配设计,逆变器需要具备足够的端子数量,以接入更多组件。当逆变器直流输入端子不足,导致逆变器直流侧接入的组件容量等于或小于逆变器交流功率额定值时,考虑到灰尘遮挡,组件输出至少降低2-3%,再考虑到组件衰减、线缆损耗等因素,实际传输到逆变器输入端的直流功率又会减少5-10%左右,逆变器、变压器及后端电气系统将长期处于轻载。例如对于80kW逆变器,如果接入80kW的组件,实际输出将小于80kW,如图2所示。因此,逆变器直流侧需具备更强的直流侧接入能力,以提高系统利用率,进而降低系统成本。


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图2 直流侧接入能力增加的价值

具备更强的散热能力

系统超配后,逆变器满载运行时间加长,尤其在中东部屋顶及山丘等分布式电站,环境温度高,散热条件相对较差,如在天气较为炎热的夏天,由于屋顶彩钢瓦或水泥屋顶受光照后热辐射导致屋顶环境温度比地面电站至少要高10℃以上,在这样的场景下,对于逆变器的散热能力提出了挑战。同时随着双面组件、平单轴系统等应用的持续增多,逆变器满载运行时间将进一步增长,对逆变器散热能力提出了更高的要求。因此,为保障在不同应用场景下,逆变器均可以稳定不降额运行,延长设备使用寿命,在选择逆变器时,需更加关注逆变器的散热能力。

具备更强的耐“压”能力

光伏电站超配后,逆变器交流输出功率和直流侧工作电流被限制在最大值,直流侧运行工作点会向高电压偏移。过去逆变器采用两电平拓扑,单个逆变桥壁串联2个功率管,随着I字型三电平拓扑的应用,单个逆变桥壁串联4个功率管,因此,单个功率管承受电压更低,电压裕量更大,更安全可靠,I字型拓扑的逆变器具备更大的超配能力。

4、不同光照条件如何选择合适的容配比

容配比最优方案与光照、气温、组件铺设等多个因素有关,其中关联最大的是光照条件。根据业内对适宜开发光伏电站的基本光照条件的划分,全国可以划分为四类光照条件区域。近年来,随着西北电网接入容量限制,大规模的限电现象,加之政策对分布式电站的倾斜,光伏电站从原有光照资源较好的I、II类西北部地区,逐渐转移到光照资源相对较差的III、 IV类东南部地区。

以最低度电成本LCOE和最高内部收益率IRR为衡量依据,推荐I类资源区容配比范围为1.2~1.3,II类资源区容配比范围为1.3~1.4,III和IV类资源区容配比范围为1.4~1.6。但是合适的容配比受直流侧损耗、组件支架和基础土地等造价、光资源条件等多种因素影响,所以在不同光照地区确定参考值范围的同时,建议针对每个项目进行单独计算以确定最佳容配比。

值得一提的是,在大同一期领跑者项目中的电站容配比普遍设计在1.06左右,而在后几期领跑者电站却未采用超配设计。但是随着531政策和平价上网大背景的驱使,三峡新能源与阳光电源联合开发的青海格尔木项目中,通过合理分析和精细化系统设计,电站采用1.2倍左右容配比,项目最终平价上网,成为国内首个平价上网的案例,为平价上网提供了典型示范。

5、让超配成为标配

在平价上网即将全面到来的前夕,如何降低系统投资成本,提高回报率是光伏电站系统设计和优化的主要目标之一。而超配设计,已成为提高光伏系统综合利用率、降低系统度电成本、提升收益的有效手段。科学设计,合理选择逆变器,让超配成为大型光伏系统的标配,将快速促进我国平价上网的进程。

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