中廣核太陽能開發(fā)有限公司 ■ 牟娟 范忠瑤 易金印

0 引言

隨著近年來國內(nèi)光伏行業(yè)的發(fā)展日趨成熟，加之光伏政策倒逼機(jī)制，采用光伏電站系統(tǒng)精細(xì)化設(shè)計(jì)來推動(dòng)電站成本下降已經(jīng)成為市場的必然選擇。優(yōu)化光伏組件容量與逆變器容量的比值，即光伏-逆變器容配比，成為推動(dòng)光伏電站全生命周期發(fā)電量提升和度電成本下降切實(shí)有效的途徑之一。

目前光伏電站的光伏-逆變器容配比一般按照1：1設(shè)計(jì)，但根據(jù)電站光資源情況及實(shí)際運(yùn)行狀況分析，電站逆變器絕大部分時(shí)間都在小于額定功率的情況下運(yùn)行，尤其在3類資源區(qū)更為突出，所以在一定程度上造成了資源的浪費(fèi)。因此，在光伏電站系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，適度提升光伏-逆變器容配比，有利于提升系統(tǒng)整體的經(jīng)濟(jì)效益。

光伏-逆變器容配比設(shè)計(jì)因地而異，不能僅憑經(jīng)驗(yàn)方法，應(yīng)更多考慮光伏組件的運(yùn)行工況及當(dāng)?shù)貧庀髼l件才合理[1]。本文研究提出一種光伏系統(tǒng)容配比設(shè)計(jì)方法，建立組件在一定范圍環(huán)境條件下的輸出模型，根據(jù)Meteonorm軟件數(shù)據(jù)庫中的每10 min輻射值及溫度，得出光伏陣列在一定范圍環(huán)境條件下的實(shí)際輸出功率，通過調(diào)整容配比計(jì)算棄光率，再考慮到系統(tǒng)的投資成本、運(yùn)維成本、電價(jià)等因素，最后以系統(tǒng)投入/產(chǎn)出比最低為尋優(yōu)目標(biāo)得出某地的最佳光伏-逆變器容配比。

1 光伏-逆變器容配比設(shè)計(jì)方法研究

1.1 項(xiàng)目地多年代表輻射數(shù)據(jù)的選取

要確定某個(gè)項(xiàng)目地點(diǎn)的光伏-逆變器容配比，首先要了解當(dāng)?shù)匾荒晁募久刻斓娜蛰椛淝€，在此基礎(chǔ)上才能計(jì)算逆變器的日輸入/輸出曲線，從而確定棄光率及最佳光伏-逆變器容配比。通過對比國內(nèi)外各種輻射數(shù)據(jù)庫，發(fā)現(xiàn)Meteonorm數(shù)據(jù)庫中的輻射數(shù)據(jù)可以代表項(xiàng)目所在地未來多年的輻射情況。軟件可以獲得某地水平面和任一傾斜面上每min或每10 min的日均輻射數(shù)據(jù)，此數(shù)據(jù)來源于我國98個(gè)地面氣象輻射觀測站的20年均值。對于某一點(diǎn)的數(shù)據(jù)，根據(jù)較近的幾個(gè)地面站的輻射數(shù)據(jù)，可采用插值法計(jì)算得出；對于距離地面站較遠(yuǎn)的地區(qū)，則采用衛(wèi)星數(shù)據(jù)。

本文提出的光伏-逆變器容配比設(shè)計(jì)方法，采用Meteonorm 7.1.4版本中的每10 min傾斜面日輻射數(shù)據(jù)作為當(dāng)?shù)囟嗄贻椛鋽?shù)據(jù)的來源。

1.2 一定范圍環(huán)境條件下逆變器側(cè)實(shí)際輸出功率的計(jì)算

組件超配設(shè)計(jì)時(shí)，逆變器在特定時(shí)間段會(huì)存在限功率運(yùn)行，要計(jì)算這部分棄光率，需要先得出逆變器側(cè)的實(shí)際輸出功率。

此項(xiàng)計(jì)算分為兩步：首先，計(jì)算出組件在一定范圍環(huán)境條件下的實(shí)際輸出功率；然后，確定組件輸出至逆變器輸出側(cè)的效率。

1.2.1 組件工作溫度的計(jì)算

光伏組件的輸出功率與組件上的太陽輻照度及組件工作溫度密切相關(guān)[2]。根據(jù)電站實(shí)際氣象條件模擬組件的實(shí)際輸出功率，是設(shè)計(jì)最佳光伏-逆變器容配比要重點(diǎn)解決的問題之一，而此問題的關(guān)鍵在于建立一定范圍環(huán)境條件下組件工作溫度的計(jì)算模型[3]。

基于正常工作溫度條件(Nominal Operating Cell Temperature，NOCT)預(yù)測組件工作溫度的方法被廣泛應(yīng)用于開放式支架系統(tǒng)[4]。一定范圍環(huán)境條件下的組件實(shí)際工作溫度Tc的計(jì)算公式為：

式中，Tair為環(huán)境溫度，K；G為實(shí)際輻照度，W/m2；TcN為NOCT條件下的組件溫度，K，取273+(45±2)；TaN為NOCT條件下的環(huán)境溫度，K，取273+20；GTN為NOCT條件下組件表面的輻射量，W/m2，取800；η為組件轉(zhuǎn)換效率；τβ為常數(shù)，一般取0.9[5]。

光伏組件的NOCT，即太陽輻照度為800 W/m2、環(huán)境溫度為20 ℃、風(fēng)速為1 m/s，無外部負(fù)荷，電池處于開路狀態(tài)，電池片傾角與水平面成45°，支架結(jié)構(gòu)為后背面打開狀態(tài)。通常，NOCT的各參數(shù)值都可以直接從廠商提供的組件銘牌上得知。

光伏組件在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，根據(jù)所測得的現(xiàn)場實(shí)際太陽輻照度G和環(huán)境溫度Tair，利用式(1)可計(jì)算得出組件的實(shí)際工作溫度Tc。

1.2.2 組件輸出功率的計(jì)算

一定范圍環(huán)境條件下的組件實(shí)際輸出功率P的計(jì)算公式為：

式中，Pstc為組件額定輸出功率；Gstc為STC狀態(tài)下的太陽輻照度，取1000 W/m2；Tstc為STC狀態(tài)下的組件工作溫度，取25 ℃；k為組件的功率溫度系數(shù)。

根據(jù)式(2)，對于給定的組件，已知其STC狀態(tài)下的太陽輻照度、工作溫度和功率溫度系數(shù)，可計(jì)算得出任意太陽輻照度和溫度下的組件實(shí)際輸出功率P。

1.2.3 逆變器側(cè)實(shí)際輸出功率的計(jì)算

在光伏系統(tǒng)中，從太陽輻射到光伏組件，再經(jīng)匯流箱、直流電纜、直流配電到達(dá)逆變器及變壓器的過程中，每個(gè)環(huán)節(jié)均存在損耗。但在本文光伏-逆變器容配比設(shè)計(jì)中，因?yàn)樾枰?jì)算逆變器的實(shí)際輸出功率來統(tǒng)計(jì)棄光率，所以需要確定逆變器之前的系統(tǒng)效率，如表1所示[6]。

表1 系統(tǒng)效率示意圖

容配比設(shè)計(jì)中，對于系統(tǒng)損耗的確定，可根據(jù)電站位置、系統(tǒng)技術(shù)方案、設(shè)備選型等情況合理確定，一般系統(tǒng)損耗約在10.6%～12.8%之間[7]。

根據(jù)上文的分析可知，通過輸入某地實(shí)時(shí)的太陽輻照度和環(huán)境溫度，考慮系統(tǒng)損耗，可計(jì)算出光伏陣列的實(shí)際輸出功率；隨著容配比的增大，組件容量的提高，逆變器的輸出功率會(huì)高于額定功率，存在限光運(yùn)行，根據(jù)逆變器的理論輸出及實(shí)際輸出，可計(jì)算得出每個(gè)容配比下的棄光率。

1.3 容配比優(yōu)化目標(biāo)的選定

投入/產(chǎn)出比(C/I Ratio)是指項(xiàng)目壽命期內(nèi)的總成本與總收益的比值[8]，其計(jì)算公式為：

總成本包括系統(tǒng)初始投資、運(yùn)行期總運(yùn)維費(fèi)用、總的財(cái)務(wù)費(fèi)用及固定資產(chǎn)殘值；總收益包括系統(tǒng)運(yùn)行期的總發(fā)電收益，同時(shí)考慮折現(xiàn)率、棄光率及組件功率衰減的影響。投入/產(chǎn)出比RC/I在計(jì)算過程中幾乎考慮了光伏電站整個(gè)壽命期的所有投入與產(chǎn)出，并考慮了資金的時(shí)間價(jià)值，適用于科技項(xiàng)目、技術(shù)改造項(xiàng)目和設(shè)備更新項(xiàng)目的技術(shù)經(jīng)濟(jì)評價(jià)指標(biāo)；RC/I值越小，表明經(jīng)濟(jì)效果越好。

RC/I與內(nèi)部收益率IRR的關(guān)系為[9]：

式中，nc為項(xiàng)目建設(shè)期，年；ng為項(xiàng)目運(yùn)行期，年。在光伏項(xiàng)目中，一般nc=0.6，ng=25。

則式(4)可簡化為：

由式(5)可知，當(dāng)項(xiàng)目的建設(shè)期和運(yùn)行期確定后，RC/I與IRR存在一一對應(yīng)的關(guān)系，如圖1所示。

圖1 R C/I與IRR的關(guān)系

與IRR相比，RC/I能更直觀地表現(xiàn)項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性和可行性；并且在項(xiàng)目建設(shè)期和運(yùn)行期確定后，RC/I和IRR具有一一對應(yīng)的關(guān)系，所以，本文選擇RC/I作為容配比設(shè)計(jì)的尋優(yōu)目標(biāo)。

1.4 光伏-逆變器容配比優(yōu)化設(shè)計(jì)的步驟

1)根據(jù)項(xiàng)目所在地的地址信息，利用Metenorm軟件導(dǎo)出該地區(qū)每min或每10 min的傾斜面輻射數(shù)據(jù)和溫度值。

2)根據(jù)式(1)、式(2)并結(jié)合系統(tǒng)效率，計(jì)算出組件在任意太陽輻照度、任意溫度下的實(shí)際輸出功率。

3)根據(jù)組件實(shí)際輸出功率，結(jié)合系統(tǒng)效率分析結(jié)果，可計(jì)算出逆變器輸出側(cè)的實(shí)際輸出功率。

4)設(shè)定逆變器輸出功率范圍，在組件超配設(shè)計(jì)時(shí)，逆變器可根據(jù)設(shè)定的功率范圍限制功率輸出，從而可計(jì)算出棄光率。

5)根據(jù)財(cái)務(wù)輸入?yún)?shù)(投資、電價(jià)、貸款利率、折現(xiàn)率、運(yùn)維成本等)，結(jié)合棄光率，計(jì)算得出每個(gè)容配比下的投入/產(chǎn)出比。

6)通過尋優(yōu)不同容配比下投入/產(chǎn)出比最小值，實(shí)現(xiàn)光伏-逆變器容配比尋優(yōu)。

2 3類資源區(qū)的算例容配比優(yōu)化設(shè)計(jì)及經(jīng)濟(jì)效益分析

2.1 算例描述

在我國Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類光伏資源區(qū)內(nèi)，各選擇1個(gè)代表站點(diǎn)，按照上述計(jì)算方法分析當(dāng)?shù)氐淖罴压夥?逆變器容配比。

地點(diǎn)選擇時(shí)需要重點(diǎn)考慮兩方面：1)所選地點(diǎn)具有國家輻射監(jiān)測站點(diǎn)，這樣輻射數(shù)據(jù)來源會(huì)相對精確；2)所選地點(diǎn)在其所在資源區(qū)內(nèi)具有一定代表性。

依據(jù)以上兩點(diǎn)原則，共選擇3個(gè)站點(diǎn)：Ⅰ類資源區(qū)選擇玉樹，Ⅱ類資源區(qū)選擇北京，Ⅲ類資源區(qū)選擇合肥，然后進(jìn)行最佳容配比的算例設(shè)計(jì)。

2.2 算例的容配比優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.2.1 系統(tǒng)輸入?yún)?shù)的確定

以1 MW光伏方陣為例，組件選擇270 W多晶硅組件，系統(tǒng)總體投資按照7元/W計(jì)算；考慮目前的組件價(jià)格，組件每超裝1 W，系統(tǒng)投資增加3.6元。組件功率衰減按照首年2.5 %，以后逐年0.7 %的比率計(jì)算；各項(xiàng)系統(tǒng)損耗(至逆變器直流側(cè))的取值如表2所示，在實(shí)際電站的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，要根據(jù)項(xiàng)目地點(diǎn)的實(shí)際情況和技術(shù)方案，合理確定各項(xiàng)系統(tǒng)損耗。本文結(jié)合實(shí)際算例，系統(tǒng)損耗取88.1 %。

表2 系統(tǒng)效率的確定(至逆變器側(cè))

2.2.2 各資源區(qū)最佳容配比的確定

1)由Meteonorm軟件導(dǎo)出一年中的每10 min輻射數(shù)據(jù)及溫度值，輻射數(shù)據(jù)為1991～2010年20年的均值，包括水平面總輻射和某一傾角的傾斜面總輻射，其傾斜面上的輻射量計(jì)算模型采用perez模型[10]。

2)根據(jù)導(dǎo)出的輻射數(shù)據(jù)及溫度值，利用式(1)和式(2)計(jì)算得出1 MW組件在實(shí)際環(huán)境中的實(shí)際輸出功率，再根據(jù)88.1 %的系統(tǒng)效率計(jì)算得出逆變器的實(shí)際輸出功率。

3)由于逆變器輸出功率的限制，在增大組件配比時(shí)，逆變器輸出功率會(huì)部分受限，從而計(jì)算得出棄光率。

4)輸入財(cái)務(wù)指標(biāo)參數(shù)，計(jì)算每個(gè)容配比下的投入/產(chǎn)出比。財(cái)務(wù)指標(biāo)中，固定資產(chǎn)殘值按照總投資的5%取值，總投資中70%來自銀行貸款，運(yùn)維成本按照120元/(kW·a)計(jì)算，不同資源區(qū)的電價(jià)、土地費(fèi)用不同。各項(xiàng)邊界條件如表3所示。3個(gè)地區(qū)不同容配比下的投入/產(chǎn)出比如表4及圖2所示。

由圖2可知，Ⅰ類資源區(qū)的玉樹地區(qū)的最佳容配比為1.2：1，Ⅱ類資源區(qū)的北京地區(qū)的最佳容配比為1.45：1，Ⅲ類資源區(qū)的合肥地區(qū)的最佳容配比為 1.6：1。

為更直觀說明逆變器對輸出功率的限制所導(dǎo)致的部分棄光，各選擇3個(gè)地區(qū)的一天逆變器限功率輸出曲線，如圖3所示。

表3 3個(gè)地區(qū)的各項(xiàng)邊界條件

表4 3個(gè)地區(qū)在不同容配比下的投入/產(chǎn)出比

圖2 3個(gè)地區(qū)在不同容配比下的投入/產(chǎn)出比折線圖

圖3 3個(gè)地區(qū)的全天限功率輸出曲線

2.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)前后算例經(jīng)濟(jì)效益分析

以玉樹地區(qū)為例，計(jì)算在最佳容配比設(shè)計(jì)下的電站經(jīng)濟(jì)效益提升。以10 MW光伏電站為例，玉樹地區(qū)首年滿負(fù)荷小時(shí)數(shù)為1539 h，暫不考慮電網(wǎng)限電，資本金出資比例為30%，系統(tǒng)造價(jià)按照7元/W計(jì)算，在容配比為1：1時(shí)，計(jì)算得出全投資內(nèi)部收益率IRR為11.71%，投資回收期為7.43年。

在最佳容配比1.2：1下，考慮到組件成本和土地費(fèi)用的增加，系統(tǒng)投資增長為7.724元/W[11]，運(yùn)維成本和財(cái)務(wù)費(fèi)用也有相應(yīng)提高；但由于組件容量的增加，會(huì)存在自動(dòng)棄光，經(jīng)計(jì)算，首年棄光率為1.66%。10 MW光伏電站系統(tǒng)初始投資增加724萬元，但每年發(fā)電量增加收入221萬元，計(jì)算得出全投資內(nèi)部收益率IRR為12.71%，投資回收期為6.5年。

兩種容配比下的財(cái)務(wù)指標(biāo)比較如表5所示。

表5 最佳容配比與傳統(tǒng)容配比財(cái)務(wù)指標(biāo)比較

3 結(jié)語

本文提出了一種光伏電站最佳容配比的設(shè)計(jì)方法：首先建立組件功率輸出模型；其次利用Meteonorm數(shù)據(jù)庫中的輻射數(shù)據(jù)及溫度值，確定逆變器交流側(cè)輸出曲線，并計(jì)算棄光率；通過以投入/產(chǎn)出比最低為尋優(yōu)目標(biāo)，尋找當(dāng)?shù)刈罴训娜菖浔?。文中利用此方法分別驗(yàn)證計(jì)算了3類資源區(qū)3個(gè)項(xiàng)目地點(diǎn)的最佳容配比，并以玉樹為例，分析了在最佳容配比設(shè)計(jì)下電站的增量經(jīng)濟(jì)效益，得出結(jié)論如下：

1)本文提出的容配比設(shè)計(jì)方法可用于具體工程優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2)計(jì)算電站投入/產(chǎn)出比時(shí)，要綜合考慮項(xiàng)目所在地點(diǎn)的土地費(fèi)用、運(yùn)維成本及因超配帶來的棄光損失，指標(biāo)因地而異，指標(biāo)的選取是否合理將直接影響到結(jié)果的準(zhǔn)確度。

3)在最佳容配比下分析財(cái)務(wù)指標(biāo)可知，從靜態(tài)指標(biāo)來看，3～4年增加的收益即可彌補(bǔ)初始投資的增加；從動(dòng)態(tài)指標(biāo)來看，采用最佳容配比可將項(xiàng)目IRR提高至少1%，并縮短投資回收期。

4)由于項(xiàng)目每10 min的輻射數(shù)據(jù)來自于Meteonorm數(shù)據(jù)庫，而此數(shù)據(jù)庫只能提供固定某一角度傾斜面上的輻射量，所以本文所述容配比設(shè)計(jì)方法僅適用于采用固定傾角安裝的系統(tǒng)。

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