馬慶虎，劉玉宏，李永泉，賈俊杰，孫曉坤，逯克輝，曹立柱

(國(guó)家電投集團(tuán)青海光伏產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心有限公司，西寧 810000)

0 引言

光伏發(fā)電是新能源發(fā)電中一種重要的發(fā)電形式，其主要是利用太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換原理將光能轉(zhuǎn)換為電能。光伏電站在設(shè)計(jì)時(shí)一般需要考慮諸多因素，如項(xiàng)目所在地的太陽(yáng)能資源情況，場(chǎng)址區(qū)地形，組件的安裝傾角，支架的運(yùn)行方式、方位角、行間距，以及設(shè)備的布置方式和選型等。當(dāng)光伏陣列的輸出功率達(dá)不到額定的輸出功率，會(huì)導(dǎo)致逆變器不能按照額定功率運(yùn)行，造成系統(tǒng)設(shè)備利用率低的情況，因此，需要選擇合適的容配比。容配比是指光伏電站中光伏組件標(biāo)稱直流功率與逆變器交流輸出功率的比例。目前國(guó)內(nèi)光伏電站的容配比一般為1.0:1.0～1.3:1.0，高容配比方案提高了光伏電站設(shè)備的利用率，在一定程度上提升了電站的發(fā)電收益。然而在不同等級(jí)的太陽(yáng)能資源區(qū)，不同容配比對(duì)光伏電站收益的影響存在一定差別。本文主要研究了不同太陽(yáng)能資源區(qū)、不同容配比因素對(duì)光伏電站發(fā)電量的影響。

1 不同太陽(yáng)能資源對(duì)光伏電站發(fā)電量的影響

光伏電站設(shè)計(jì)時(shí)，需考慮影響其發(fā)電量的各個(gè)因素，如前文所述，其中，不同太陽(yáng)能資源區(qū)的太陽(yáng)能資源差異對(duì)發(fā)電量的影響最大。

根據(jù)GB/T 37526-2019《太陽(yáng)能資源評(píng)估方法》，以年水平面輻照量來(lái)評(píng)價(jià)太陽(yáng)能資源的豐富程度，將全國(guó)太陽(yáng)能資源情況分為A 級(jí)最豐富區(qū)、B 級(jí)很豐富區(qū)、C 級(jí)豐富區(qū)、D 級(jí)一般區(qū)4 類[1]。由于國(guó)內(nèi)D 級(jí)的區(qū)域較少，本文主要分析前3 種太陽(yáng)能資源區(qū)。

表1 我國(guó)太陽(yáng)能資源等級(jí)劃分Table 1 Classification of solar energy resources in China

為使光伏陣列傾斜面上接收到的全年太陽(yáng)輻射量最大，應(yīng)根據(jù)光伏電站所在地的經(jīng)緯度、輻射資料、氣象條件等情況，通過(guò)計(jì)算來(lái)確定光伏組件的最佳安裝傾角[2-3]。

本研究從3 種太陽(yáng)能資源區(qū)中各選出1 個(gè)地區(qū)進(jìn)行對(duì)比計(jì)算，其中，A 級(jí)太陽(yáng)能資源區(qū)選擇銀川地區(qū)、B 級(jí)太陽(yáng)能資源區(qū)選擇北京地區(qū)、C 級(jí)太陽(yáng)能資源區(qū)選擇南京地區(qū)；然后通過(guò)查詢Meteonorm 軟件，可得到3 個(gè)地區(qū)的年太陽(yáng)輻射量數(shù)據(jù)，分別為5956.56、4905.00 和4385.88 MJ/m2，并以此作為后續(xù)容配比計(jì)算時(shí)的依據(jù)。

2 不同容配比對(duì)光伏電站發(fā)電量的影響

光伏電站在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)選擇合適的容配比，可以在不增加交流設(shè)備成本的情況下提高光伏電站的整體發(fā)電量，并提高交流設(shè)備的利用率。

2.1 容配比計(jì)算的邊界條件

以裝機(jī)容量為1 MWp的光伏陣列為例。該光伏陣列采用410 Wp單面單晶硅光伏組件、1000 kW 集中式逆變器和35 kV 升壓箱變，支架選擇固定式支架，陣列支架前后排之間的總間距為9.4 m(前后排之間的凈間距為6.0 m)。

本算例中主要設(shè)備的價(jià)格分別是：組件為1.8 元/W，逆變器為0.17 元/W，升壓箱變?yōu)?5萬(wàn)/臺(tái)，固定式支架為8500 元/kg。

根據(jù)光伏組件和逆變器的不同配比設(shè)計(jì)光伏陣列的容配比，分別為1.0∶1.0、1.1∶1.0、1.2∶1.0、1.3∶1.0、1.4∶1.0、1.5∶1.0、1.6∶1.0、1.7∶1.0、1.8∶1.0、1.9∶1.0、2.0∶1.0。當(dāng)光伏陣列的容配比較低時(shí)，逆變器的限發(fā)電量較?。蝗菖浔容^高時(shí)，逆變器的限發(fā)電量也隨之變大[4]。

2.2 容配比計(jì)算結(jié)果及分析

為得到合理的容配比結(jié)果，以上文選取的銀川、北京、南京這3 個(gè)不同太陽(yáng)能資源區(qū)的太陽(yáng)能資源及氣象數(shù)據(jù)為例，根據(jù)容配比計(jì)算的邊界條件，采用PVsyst 軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，測(cè)算同一配置的光伏陣列在不同太陽(yáng)能資源區(qū)、不同容配比時(shí)的發(fā)電量情況，結(jié)果如表2 所示。

根據(jù)表2 中得到的不同太陽(yáng)能資源區(qū)、不同容配比時(shí)光伏陣列的發(fā)電量情況，統(tǒng)計(jì)相應(yīng)的工程量，并計(jì)算出光伏陣列在不同地區(qū)的度電成本，具體如表3 和圖1 所示。

表2 不同太陽(yáng)能資源區(qū)、不同容配比時(shí)光伏陣列的發(fā)電量Table 2 Power generation of PV array in different solar energy resource areas and different capacity ratios

表3 不同太陽(yáng)能資源區(qū)、不同容配比時(shí)光伏陣列的度電成本Table 3 Cost of electricity consumption of PV array in different solar energy resource areas and different capacity ratios

對(duì)表2 和表3 中的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析可知：當(dāng)銀川地區(qū)的容配比為1.3:1.0 時(shí)，光伏陣列的度電成本最低；北京地區(qū)的容配比為1.4:1.0 時(shí)，光伏陣列的度電成本最低；南京地區(qū)的容配比為1.6:1.0 時(shí)，光伏陣列的度電成本最低。

圖1 不同太陽(yáng)能資源區(qū)、不同容配比時(shí)光伏陣列的度電成本曲線Fig.1 Cost of electricity consumption curve of PV array in different solar energy resource areas and different capacity ratios

為說(shuō)明當(dāng)容配比超過(guò)1.1:1.0 時(shí)逆變器的功率輸出情況，選擇一個(gè)已建光伏電站中的1 MWp 光伏陣列，選用1000 kW 集中式逆變器，直流容量按照1.1 倍(即1100 kW)配置，即容配比為1.1:1.0 時(shí)，逆變器最大輸出功率為額定功率的1.1 倍(即1100 kW)時(shí)，可長(zhǎng)期運(yùn)行，逆變器不產(chǎn)生限電現(xiàn)象；功率大于1100 kW 時(shí)，開(kāi)始限發(fā)功率，從而限發(fā)電量。這與理論分析一致，進(jìn)一步驗(yàn)證了仿真模擬的準(zhǔn)確性[5]。

容配比為1.1:1.0 時(shí)光伏電站中1 個(gè)光伏陣列的典型日輸出功率曲線圖如圖2 所示。

圖2 容配比為1.1:1.0 時(shí)光伏陣列的典型日輸出功率曲線圖Fig.2 Typical daily output power curve of PV array with capacity ratio of 1.1:1.0

3 結(jié)論

本文研究了不同太陽(yáng)能資源區(qū)、不同容配比因素對(duì)光伏電站發(fā)電量的影響，結(jié)論如下：

1) A 級(jí)太陽(yáng)能資源區(qū)的太陽(yáng)能資源最豐富，容配比在1.0:1.0～1.1:1.0 范圍內(nèi)，光伏發(fā)電系統(tǒng)不會(huì)出現(xiàn)限功率；容配比在1.2:1.0～2.0:1.0 范圍內(nèi)，光伏發(fā)電系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)不同程度的限功率。隨著容配比的增加，限電量也隨之增加，因此，在A 級(jí)太陽(yáng)能資源區(qū)建設(shè)光伏電站時(shí)，建議容配比選擇1.2:1.0～1.4:1.0。

2) B 級(jí)太陽(yáng)能資源區(qū)的太陽(yáng)能資源很豐富，容配比在1.0:1.0～1.1:1.0 的范圍內(nèi)，光伏發(fā)電系統(tǒng)不會(huì)出現(xiàn)限功率；容配比在1.2:1.0～2.0:1.0 的范圍內(nèi)，光伏發(fā)電系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)不同程度的限功率。隨著容配比的增加，限電量也隨之增加，因此，在B 級(jí)太陽(yáng)能資源區(qū)建設(shè)光伏電站時(shí)，建議容配比選擇1.4:1.0～1.6:1.0。

3) C 級(jí)太陽(yáng)能資源區(qū)的太陽(yáng)能資源豐富，容配比在1.0:1.0～1.1:1.0 的范圍內(nèi)，光伏發(fā)電系統(tǒng)不會(huì)出現(xiàn)限功率；容配比在1.2:1.0～2.0:1.0 的范圍內(nèi)，光伏發(fā)電系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)不同程度的限功率。隨著容配比的增加，限電量也隨之增加，因此，在C 級(jí)太陽(yáng)能資源區(qū)建設(shè)光伏電站時(shí)，建議容配比選擇1.5:1.0～1.7:1.0。

綜上所述，光伏電站在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)主要設(shè)備價(jià)格、上網(wǎng)電價(jià)、不同地區(qū)的太陽(yáng)能資源等情況進(jìn)行綜合分析，選出合適的容配比，在不增加交流設(shè)備成本的情況下，可提高光伏電站的發(fā)電量，同時(shí)提高交流設(shè)備的利用率。