平价时代光伏发电系统设计优化浅析

平价时代光伏发电系统设计优化浅析

王兰君 包磊 周东明

特变电工新疆新能源股份有限公司，新疆 乌鲁木齐， 830011

摘要：随着国家一系列推进光伏发电平价上网的政策发布，从政策层面推动了光伏平价上网的进程。在土地及税费成本、限电成本、融资成本、电网送出成本、以及前期开发费用等非技术成本占总投资成本超20%的行业大背景下，光伏系统经济性面临着更加严苛的挑战,如何降低光伏发电系统投资成本，提升投资收益，成为光伏电站系统设计和优化的主要目标。为了迎接平价上网时代的到来，必须对光伏电站进行设计优化，提升发电量、降低系统LCOE，拓展平价时代下光伏电站的利润空间。本文结合工程设计经验，通过对光伏电站设计的一些重要环节进行优化探讨，为平价时代光伏发电系统设计提供借鉴。

关键词：平价时代；光伏发电系统；设计；优化　　

过去几年，光伏技术加速迭代，新技术层出不穷，在一定程度上促进了系统发电量的提升和系统LCOE降低，但由于各种原因，有些新技术在国内市场尚未大规模应用，各种技术之间以及与应用场景之间如何更好地匹配融合，仍然存在较大挑战。在平价上网加速的大环境下，用设计降成本，向应用技术要“效益”，是更加有效的降本方式。

1 方阵运行方式选择

通常电池方阵支架的类型有固定支架、固定可调支架以及跟踪支架。其中，跟踪支架能精确地移动使太阳入射光线射到方阵表面上的入射角最小，相应获得的太阳入射辐射最大。跟踪支架可分为“平单轴跟踪”、“斜单轴跟踪”和“双轴跟踪”等几种类型。

据测算和实际验证，不同的电池方阵运行方式对电站的初始投资、发电量、运维费用、占地面积等影响很大，以固定支架为基础，不同支架类型主要差异见下表1-1。

表1-1 光伏系统支架形式对比表

由上表可见，固定支架、固定可调支架、平单轴跟踪支架、斜单轴跟踪支架、双轴跟踪支架各自的造价和发电量增益曲线呈递增趋势，但是不同的项目条件对成本的影响和发电量的增益幅度又不尽相同，比如平单轴跟踪支架相对于固定支架在辐射接收方面的提升幅度随着纬度的降低是在逐渐增加的，即平单轴跟踪支架随着纬度的降低发电量增益的优势更加明显，当然纬度也不是影响平单轴辐射接收量的唯一因素，在项目方阵运行方式选择时，需要对不同方阵运行方式进行收益测算比选确定。

2 适当的容配比设计

容配比是指光伏电站中组件标称功率与逆变器额定输出功率的比例。早期的光伏发电系统设计中，一般按照1∶1的容配比设计。由于太阳能组件的系统特性，实际应用中，由于光照条件、环境温度、组件安装方式、灰尘遮挡、组件失配以及组件输出到逆变器之间直流线缆损耗等因素，逆变器的实际输入功率远小于组件的标称功。因此，在容配比1:1条件下，由于客观存在的系统损耗，即使在STC条件下，逆变器长期不能满载运行，造成了逆变器的容量浪费。

提升容配比，从本质上讲是提高逆变器、箱变的设备利用率，降低逆变器、箱变的工程造价。同时，提高容配比还可以摊薄升压站、送出线路等公用设施的投资成本，进一步降低造价，降低发电成本。

按照不同的原则，提升容配比可分为两类，第一类为补偿超配，以系统不会出现限功率为原则，增大系统容配比，提高逆变器及系统各部件的利用率，降低单瓦造价；第二类为主动超配，以系统LCOE最低为原则增大系统容配比，这样由于会出现逆变器限功率的情况，系统将会损失一部分发电量，但是由于仅增加组件、支架、电缆及相应的建安成本，综合投资与产出，系统的度电成本会达到最低。

超配设计需要充分结合项目所在地光资源情况、地理条件、设备选型、系统损耗、工程造价、上网电价、限发情况等各种因素，因此需要进行详细的技术经济比较后确定。

3 组件串联数优化

3.1 组件串联数计算

在光伏发电系统设计中，根据组件的工作电压、开路电压和逆变器直流输入电压范围，同时需要考虑组件的工作电压温度系数、开路电压温度系数，合理确定最佳串联数，在满足系统要求的条件下，选择最大串联数，从而获得最大发电量输出。目前，常规光伏电站中的光伏组件串联数是根据GB 50797-2012《光伏发电站设计规范》中的组串计算公式来计算，即：

且

式中：K_v——光伏组件的开路电压温度系数；

K'_v——光伏组件的工作电压温度系数；

N——光伏组件串联数（N取整）；

t——工作状态下光伏组件的电池极限低温（℃）；

t'——工作状态下光伏组件的电池极限高温（℃）；

V_dcmax——逆变器允许的最大直流输入电压（V）；

V_MPPTmax——逆变器MPPT电压最大值（V）；

V_MPPTmin——逆变器MPPT电压最小值（V）；

V_oc——光伏组件的开路电压（V）；

V_mp——光伏组件工作电压（V）。

在常规计算过程中，t 值一般取项目所在地的极端最低气温，Voc值一般取STC条件下光伏组件的开路电压，但在组件工作条件下，当阳光照到光伏组件上时，结温会立刻升高，并随着辐照度的增加而增加，极端低温时辐照量达不到STC条件的1000W/m²，以上因素造成在利用常规算法进行计算和设计时，存在极端低温取值偏低、开路电压偏大的情况，导致组件串联数取值偏保守。

组件串联数偏小会导致在同样的设计容量下组串数增多，从而使组串汇流电缆增多、支架数量增多、用地增加，最终导致电站投资增大。因此，在实际设计过程中，可在常规算法的基础上根据实际运行环境优化计算。

3.2 1500V系统

较早期的1000V光伏发电系统，1500V 系统可以显著提升光伏组串的串联数， 提高系统经济性，优势如下：

1）降低成本。相同容量下组串数减少，而减少电缆、汇流箱、支架、箱变逆变器数量。

2）提升发电量。电压提高后，降低了交直流电缆损耗，系统效率提升，进而提升了发电量。

3）减少运维成本。相同容量电站并网点减少，安装和运维工作量减少，降低施工成本和运维成本。

目前，1500V系统已经成为平价上网项目的主流技术。但对于山地光伏项目、地形复杂，地块分布杂乱，1500V系统方案未必是投资最节省的方案，因此，还需要根据实际项目的特征进行详细比选设计。

4 新技术应用

4.1 双面组件

组件选型是光伏项目提升发电量降低度电成本的关键环节，双面组件能有效提升发电量、降低系统LCOE，和普通的组件相比，双面组件主要有以下的几处优点：

1）生命周期更长：双面组件在抗隐裂、抗PID、长期老化性等方面优势明显，普通组件寿命是25年，双面组件的寿命可达30年；

2）发电量更高：背面发电量增益为5%~30%，因此发电量更高；

3）衰减更低：传统组件的年衰减率大约在0.7%左右，双面组件年衰减率约在0.55%左右。

4.2 智能型逆变升压集成设备

将逆变、中压、配电、通讯等设备融为一体的高度集成化设备，同时内部配置智能管理系统，实现逆变器部件健康度诊断、故障录波、跟踪系统监控等，快速精准定位故障，使得逆变系统更加智能化，将进一步降低系统成本及后期运维成本。打造高集成度、更智能化的逆变产品，推进逆变技术快速迭代升级，将是助力平价上网的有力“武器”

4.3 铝合金电缆

根据GB/T 30552-2014，当合金导体的截面积是铜的1.5倍时，其电气性能与铜基本相同，此外，铝合金电缆较同电气性能铜电缆成本可节约70%左右，因此可采用铝合金电缆以降低光伏电站电缆成本，以100MW光伏电站为例，光伏厂区交直流电缆采用铝合金电缆可较采用铜芯电缆节约线缆成本约0.1元/Wp。

5 精细化设计

早期的光伏电站地块集中、地势较平缓，加之光伏设备规格单一，光伏厂区发电单元以1MW、1.25MW为主，而光伏厂区发电单元布置形式均一致或者仅有几种布置形式，设备布置以居中布置为主，如图5-1光伏厂区设备布置示意图。

图5-1光伏厂区设备布置示意图

随着大型平坦地面电站越来越少，复杂地形光伏电站越来越多，沟壑交错、多种朝向坡面相互衔接，早期常规的设计方法已经不能满足当前电站设计的需求，光伏电站设计与建设遇到了越来越多的困难，如在进行光伏阵列布置时就需要比以往大型平坦地面电站更多地考虑如何避免遮考虑施工、运维难度和成本等各方面出现的问题，因此光伏厂区需要开展精细化设计，比如在复杂地形光伏电站的电缆敷设设计，由于地形、地质、地貌及水文情况复杂多变，若全部采用常规的直埋或桥架线缆敷设方式，整体施工难度加大、成本高，开展精细化设计，因地制宜采用多种敷设方案，增加托索或架空线路方案，提高整体方案的适应性，降低施工成本。

6　结束语

平价上网时代中，提升发电量、降低系统LCOE是光伏系统设计的首要目标，相信也是组件、逆变器及其他光伏关键设备产品研发和改进的主攻方向。在不同类型资源地区，由于太阳能资源条件不同，地区温度、电价水平、限发情况等特性不同，在方案经济性比选阶段需要根据当地的具体情况进行计算。

参考文献

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[3] 王欢欢，姚蕾，田聪聪.影响光伏电站经济性收益的主要因素分析[J].通讯世界，2018（3）：337-338.