光伏系统设计中的组件超配与投资收益提升补偿超配和主动超配

如何降低系统投资成本，提升投资收益，是光伏电站系统设计和优化的主要目标之一。欧美国家对光伏系统精细化设计研究较早，其中关于组件容量与逆变器容量的配比方案和应用，也已引起了国内业主、设计院和行业专家的关注。“过去，光伏系统的容量按直流功率定义，而现在则按并网交流功率，过去光伏-逆变器容量比为1：1，现在为1.2：1，甚至更高”这是国内光伏行业著名专家王斯成老师在2014年的一次研讨会上给大家介绍的，同时王老师进一步分析说：“通过提高容配比，如10MW光伏电站超配到12MW，每年可增加收益256万元，新增投资IRR（内部收益率）大于28%。图1：光伏系统各环节损耗组成光伏组件容量和逆变器容量比，习惯称为容配比。光伏应用早期，系统一般按照1:1的容配比设计。在应用研究中发现，以系统平均化度电成本（LevelizedCostOfElectricity,LCOE）最低为标准衡量系统最优，在各种光照条件、组件铺设倾斜角度等情况下，达到系统最优的容配比都大于1:1。也就是说，一定程度的提升光伏组件容量，有利于提升系统的整体经济效益，这就是我们谈的组件超配。一、系统容配比主要影响因素合理的容配比设计，需要结合具体项目的情况，综合考虑，主要影响因素包括辐照度、系统损耗、组件安装角度等方面，具体分析如下。1、不同区域辐照度不同根据国家气象局风能太阳能评估中心划分标准，将我国太阳能资源地区分为四类，不同区域辐照度差异较大。即使在同一资源地区，不同地方的全年辐射量也有较大差异。例如，同是I类资源区的西藏噶尔和青海格尔木，噶尔的全年辐射量为7998MJ/m2，比格尔木的6815MJ/m2高17%。意味着相同的系统配置，即相同的容配比下，噶尔地区的发电量比格尔木高17%。若要达到相同的发电量，可以通过改变容配比来实现。2、系统损耗光伏系统中，能量从太阳辐射到光伏组件，经过直流电缆、汇流箱、直流配电到达逆变器，当中各个环节都有损耗。如图1所示，直流侧损耗通常在7-12%左右,逆变器损耗约1-%，总损耗约为8-13%(此处所说的系统损耗不包括逆变器后面的变压器及线路损耗部分)。也就是说，在组件容量和逆变器容量相等的情况下，由于客观存在的各种损耗，逆变器实际输出最大容量只有逆变器额定容量的90%左右，即使在光照最好的时候，逆变器也没有满载工作。降低了逆变器和系统的利用率。3、组件安装角度不同角度安装的组件所接收到的辐照度不同，如分布式屋顶多采用平铺的方式，则相同容量的组件，输出能量比有一定倾角的低。二、补偿超配与主动超配由上分析可见，选择合适的系统容配比需要考虑诸多因素，为了进一步说明这个问题，这里将超配分为两部分，一是通过提高组件容量，补偿各种原因引起的损耗部分，使逆变器的实际输出最大功率达到逆变器的额度功率，定义为补偿超配。同时进一步提高组件的容量，提高系统满载工作时间，定义为主动超配。主动超配时，系统在中午光照较好时段存在一定时间的限功率运行，但系统的LCOE达到最低值,即收益最大化。1、补偿超配由于光伏系统中的系统损耗客观存在，通过适当提升组件配比，补偿能量在传输过程中的系统损耗，使得逆变器可达到满功率工作的状态，这就是光伏系统补偿超配方案设计思路。图2：补偿超配前后光伏逆变器输出功率对比如图所示，通过将容配比从1:1提升到1.1:1，使得逆变器在光照最好的时候能达到满载输出。提高了逆变器的利用率。也降低了系统每W的成本。2、主动超配在补偿超配使得逆变器部分时间段达到满载工作后，继续增加光伏组件容量，通过主动延长逆变器满载工作时间，在增加的组件投入成本和系统发电收益之间寻找平衡点，实现LCOE最小，这就是光伏系统主动超配方案设计思路。图3：补偿超配与主动超配后逆变器输出功率对比如图所示，在主动超配的情况下，由于受到逆变器额定功率的影响，在组件实际功率高于逆变器额定功率的时段内，系统将以逆变器额定功率工作；在组件实际功率小于逆变器额定功率的时段内，系统将以组件实际功率工作。最终所产生的系统实际发电量曲线将出现如图所示的“削顶”现象。主动超配方案设计，系统会存在部分时间段内处于限发工作，此段时间内逆变器控制组件工作偏离实际最大功率点。但是，在合适的容配比值下，系统整体的LCOE是最低的，即收益是增加的。补偿超配、主动超配与LCOE关系如下所示，LCOE随着容配比的提高不断下降，在补偿超配点，系统LCOE没有到达最低值，进一步提高容配比到主动超配点，系统的LCOE达到最低。再继续提高容配比后，LCOE则将会升高。因此，主动超配点是系统最佳容配比值。