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光伏電站超配合理性及零部件選型建議

光伏電站的系統設計中,直流側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設計進行優化研究時提出了“超配”的概念,即通過提高光伏電站容配比以達到系統整體收益最優的目的。近年來隨著補貼退坡、平價上網時代的來臨,“降低系統成本、提升投資收益”成為國內光伏行業亟需解決的問題。同時占據系統主要成本的組件價格走低也為系統超配提供了有利的條件,所以國內業主、設計院和行業專家都開始把目光投向超配設計和應用。當光伏電站直流側組件提升到一定比例,逆變器交流側滿載工作時間變長,可減少由于光照波動引起的輸出功率頻繁波動,接入電網更友好。

1、提高容配比的合理性

眾所周知,由于光伏系統中組件衰減、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、變壓器及交流系統等基本都是非滿負荷運行,進而造成電站整體發電量低于預期值,系統收益減少,如圖1所示。

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圖1 系統能量流

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

2、提高容配比帶來的優勢

1、提高電站收益

科學的提高容配比設計可以增加系統收益,降低系統平均度電成本,實現整體效益的最大化。以大同領跑者項目為例,電站容量100MWp,根據當時上網電價0.6元/kWh計算,在1.4倍容配比下,即使存在一定的棄光現象,但是電站的度電成本是最低的,即整體收益增加和內部收益率(IRR)最高。

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2、提高光伏電站并網友好性

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,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,發電功率曲線幾乎是條穩定的直線,即使光照出現一定程度的波動,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定,大大提高了電網友好性。

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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計,日本部分電站超配設計甚至達到2倍以上,在中國,這一設計也正在普及。光伏系統在進行超配設計時,逆變器的選擇需要綜合考慮以下三點:

具備更強的直流側接入能力

為了實現超配設計,逆變器需要具備足夠的端子數量,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,實際傳輸到逆變器輸入端的直流功率又會減少5-10%左右,逆變器、變壓器及后端電氣系統將長期處于輕載。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,逆變器直流側需具備更強的直流側接入能力,以提高系統利用率,進而降低系統成本。


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圖2 直流側接入能力增加的價值

具備更強的散熱能力

系統超配后,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。同時隨著雙面組件、平單軸系統等應用的持續增多,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,逆變器均可以穩定不降額運行,延長設備使用壽命,在選擇逆變器時,需更加關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工作電流被限制在最大值,直流側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

容配比最優方案與光照、氣溫、組件鋪設等多個因素有關,其中關聯最大的是光照條件。根據業內對適宜開發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域。近年來,隨著西北電網接入容量限制,大規模的限電現象,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,逐漸轉移到光照資源相對較差的III、 IV類東南部地區。

以最低度電成本LCOE和最高內部收益率IRR為衡量依據,推薦I類資源區容配比范圍為1.2~1.3,II類資源區容配比范圍為1.3~1.4,III和IV類資源區容配比范圍為1.4~1.6。但是合適的容配比受直流側損耗、組件支架和基礎土地等造價、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,在大同一期領跑者項目中的電站容配比普遍設計在1.06左右,而在后幾期領跑者電站卻未采用超配設計。但是隨著531政策和平價上網大背景的驅使,三峽新能源與陽光電源聯合開發的青海格爾木項目中,通過合理分析和精細化系統設計,電站采用1.2倍左右容配比,項目最終平價上網,成為國內首個平價上網的案例,為平價上網提供了典型示范。

5、讓超配成為標配

在平價上網即將全面到來的前夕,如何降低系統投資成本,提高回報率是光伏電站系統設計和優化的主要目標之一。而超配設計,已成為提高光伏系統綜合利用率、降低系統度電成本、提升收益的有效手段。科學設計,合理選擇逆變器,讓超配成為大型光伏系統的標配,將快速促進我國平價上網的進程。

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