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作者：嚴(yán)信系陽光電源股份有限公司
如何降低系統(tǒng)投資成本，提升投資收益，是光伏電站系統(tǒng)設(shè)計和優(yōu)化的主要目標(biāo)之一。歐美國家對光伏系統(tǒng)精細(xì)化設(shè)計研究較早，其中關(guān)于組件容量與逆變器容量的配比方案和應(yīng)用，也已引起了國內(nèi)業(yè)主、設(shè)計院和行業(yè)專家的關(guān)注。
“過去，光伏系統(tǒng)的容量按直流功率定義，而現(xiàn)在則按并網(wǎng)交流功率，過去光伏-逆變器容量比為1：1，現(xiàn)在為1.2：1，甚至更高”這是國內(nèi)光伏行業(yè)著名專家王斯成老師在2014年的一次研討會上給大家介紹的，同時王老師進(jìn)一步分析說：“通過提高容配比， 如10MW光伏電站超配到12MW，每年可增加收益256萬元，新增投資IRR（內(nèi)部收益率）大于28%。
光伏組件容量和逆變器容量比，習(xí)慣稱為容配比。光伏應(yīng)用早期，系統(tǒng)一般按照1:1的容配比設(shè)計。在應(yīng)用研究中發(fā)現(xiàn)，以系統(tǒng)平均化度電成本（Levelized Cost Of Electricity, LCOE）最低為標(biāo)準(zhǔn)衡量系統(tǒng)最優(yōu)，在各種光照條件、組件鋪設(shè)傾斜角度等情況下，達(dá)到系統(tǒng)最優(yōu)的容配比都大于1:1。也就是說，一定程度的提升光伏組件容量，有利于提升系統(tǒng)的整體經(jīng)濟(jì)效益，這就是我們談的組件超配。
一、系統(tǒng)容配比主要影響因素
合理的容配比設(shè)計，需要結(jié)合具體項目的情況，綜合考慮，主要影響因素包括輻照度、系統(tǒng)損耗、組件安裝角度等方面，具體分析如下。
1、不同區(qū)域輻照度不同
根據(jù)國家氣象局風(fēng)能太陽能評估中心劃分標(biāo)準(zhǔn)，將我國太陽能資源地區(qū)分為四類，不同區(qū)域輻照度差異較大。即使在同一資源地區(qū)，不同地方的全年輻射量也有較大差異。例如，同是I類資源區(qū)的西藏噶爾和青海格爾木，噶爾的全年輻射量為7998 MJ/m2，比格爾木的6815 MJ/m2高17%。 意味著相同的系統(tǒng)配置，即相同的容配比下，噶爾地區(qū)的發(fā)電量比格爾木高17%。若要達(dá)到相同的發(fā)電量，可以通過改變?nèi)菖浔葋韺?shí)現(xiàn)。
2、系統(tǒng)損耗
光伏系統(tǒng)中，能量從太陽輻射到光伏組件，經(jīng)過直流電纜、匯流箱、直流配電到達(dá)逆變器，當(dāng)中各個環(huán)節(jié)都有損耗。如圖1所示，直流側(cè)損耗通常在7-12%左右,逆變器損耗約1-%，總損耗約為8-13%(此處所說的系統(tǒng)損耗不包括逆變器后面的變壓器及線路損耗部分)。也就是說，在組件容量和逆變器容量相等的情況下，由于客觀存在的各種損耗，逆變器實(shí)際輸出最大容量只有逆變器額定容量的90%左右，即使在光照最好的時候，逆變器也沒有滿載工作。降低了逆變器和系統(tǒng)的利用率。
圖1：光伏系統(tǒng)各環(huán)節(jié)損耗組成
3、組件安裝角度
不同角度安裝的組件所接收到的輻照度不同，如分布式屋頂多采用平鋪的方式，則相同容量的組件，輸出能量比有一定傾角的低。
二、補(bǔ)償超配與主動超配
由上分析可見，選擇合適的系統(tǒng)容配比需要考慮諸多因素，為了進(jìn)一步說明這個問題，這里將超配分為兩部分，一是通過提高組件容量，補(bǔ)償各種原因引起的損耗部分，使逆變器的實(shí)際輸出最大功率達(dá)到逆變器的額度功率，定義為補(bǔ)償超配。同時進(jìn)一步提高組件的容量，提高系統(tǒng)滿載工作時間，定義為主動超配。主動超配時，系統(tǒng)在中午光照較好時段存在一定時間的限功率運(yùn)行，但系統(tǒng)的LCOE達(dá)到最低值,即收益最大化。
1、補(bǔ)償超配
由于光伏系統(tǒng)中的系統(tǒng)損耗客觀存在，通過適當(dāng)提升組件配比，補(bǔ)償能量在傳輸過程中的系統(tǒng)損耗，使得逆變器可達(dá)到滿功率工作的狀態(tài)，這就是光伏系統(tǒng)補(bǔ)償超配方案設(shè)計思路。
圖2：補(bǔ)償超配前后光伏逆變器輸出功率對比
如圖所示，通過將容配比從1:1提升到1.1:1，使得逆變器在光照最好的時候能達(dá)到滿載輸出。提高了逆變器的利用率。也降低了系統(tǒng)每W的成本。
2、主動超配
在補(bǔ)償超配使得逆變器部分時間段達(dá)到滿載工作后，繼續(xù)增加光伏組件容量，通過主動延長逆變器滿載工作時間，在增加的組件投入成本和系統(tǒng)發(fā)電收益之間尋找平衡點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)LCOE最小，這就是光伏系統(tǒng)主動超配方案設(shè)計思路。
圖3：補(bǔ)償超配與主動超配后逆變器輸出功率對比
如圖所示，在主動超配的情況下，由于受到逆變器額定功率的影響，在組件實(shí)際功率高于逆變器額定功率的時段內(nèi)，系統(tǒng)將以逆變器額定功率工作；在組件實(shí)際功率小于逆變器額定功率的時段內(nèi)，系統(tǒng)將以組件實(shí)際功率工作。最終所產(chǎn)生的系統(tǒng)實(shí)際發(fā)電量曲線將出現(xiàn)如圖所示的“削頂”現(xiàn)象。
主動超配方案設(shè)計，系統(tǒng)會存在部分時間段內(nèi)處于限發(fā)工作，此段時間內(nèi)逆變器控制組件工作偏離實(shí)際最大功率點(diǎn)。但是，在合適的容配比值下，系統(tǒng)整體的LCOE是最低的，即收益是增加的。
補(bǔ)償超配、主動超配與LCOE關(guān)系如下所示，LCOE隨著容配比的提高不斷下降，在補(bǔ)償超配點(diǎn)，系統(tǒng)LCOE沒有到達(dá)最低值，進(jìn)一步提高容配比到主動超配點(diǎn)，系統(tǒng)的LCOE達(dá)到最低。再繼續(xù)提高容配比后，LCOE則將會升高。因此，主動超配點(diǎn)是系統(tǒng)最佳容配比值。
圖4 容配比與LCOE關(guān)系圖
如何降低系統(tǒng)投資成本，提升投資收益，是光伏電站系統(tǒng)設(shè)計和優(yōu)化的主要目標(biāo)之一。歐美國家對光伏系統(tǒng)精細(xì)化設(shè)計研究較早，其中關(guān)于組件容量與逆變器容量的配比方案和應(yīng)用，也已引起了國內(nèi)業(yè)主、設(shè)計院和行業(yè)專家的關(guān)注。
“過去，光伏系統(tǒng)的容量按直流功率定義，而現(xiàn)在則按并網(wǎng)交流功率，過去光伏-逆變器容量比為1：1，現(xiàn)在為1.2：1，甚至更高”這是國內(nèi)光伏行業(yè)著名專家王斯成老師在2014年的一次研討會上給大家介紹的，同時王老師進(jìn)一步分析說：“通過提高容配比， 如10MW光伏電站超配到12MW，每年可增加收益256萬元，新增投資IRR（內(nèi)部收益率）大于28%。
光伏組件容量和逆變器容量比，習(xí)慣稱為容配比。光伏應(yīng)用早期，系統(tǒng)一般按照1:1的容配比設(shè)計。在應(yīng)用研究中發(fā)現(xiàn)，以系統(tǒng)平均化度電成本（Levelized Cost Of Electricity, LCOE）最低為標(biāo)準(zhǔn)衡量系統(tǒng)最優(yōu)，在各種光照條件、組件鋪設(shè)傾斜角度等情況下，達(dá)到系統(tǒng)最優(yōu)的容配比都大于1:1。也就是說，一定程度的提升光伏組件容量，有利于提升系統(tǒng)的整體經(jīng)濟(jì)效益，這就是我們談的組件超配。
一、系統(tǒng)容配比主要影響因素
合理的容配比設(shè)計，需要結(jié)合具體項目的情況，綜合考慮，主要影響因素包括輻照度、系統(tǒng)損耗、組件安裝角度等方面，具體分析如下。
1、不同區(qū)域輻照度不同
根據(jù)國家氣象局風(fēng)能太陽能評估中心劃分標(biāo)準(zhǔn)，將我國太陽能資源地區(qū)分為四類，不同區(qū)域輻照度差異較大。即使在同一資源地區(qū)，不同地方的全年輻射量也有較大差異。例如，同是I類資源區(qū)的西藏噶爾和青海格爾木，噶爾的全年輻射量為7998 MJ/m2，比格爾木的6815 MJ/m2高17%。 意味著相同的系統(tǒng)配置，即相同的容配比下，噶爾地區(qū)的發(fā)電量比格爾木高17%。若要達(dá)到相同的發(fā)電量，可以通過改變?nèi)菖浔葋韺?shí)現(xiàn)。
2、系統(tǒng)損耗
光伏系統(tǒng)中，能量從太陽輻射到光伏組件，經(jīng)過直流電纜、匯流箱、直流配電到達(dá)逆變器，當(dāng)中各個環(huán)節(jié)都有損耗。如圖1所示，直流側(cè)損耗通常在7-12%左右,逆變器損耗約1-%，總損耗約為8-13%(此處所說的系統(tǒng)損耗不包括逆變器后面的變壓器及線路損耗部分)。也就是說，在組件容量和逆變器容量相等的情況下，由于客觀存在的各種損耗，逆變器實(shí)際輸出最大容量只有逆變器額定容量的90%左右，即使在光照最好的時候，逆變器也沒有滿載工作。降低了逆變器和系統(tǒng)的利用率。
圖1：光伏系統(tǒng)各環(huán)節(jié)損耗組成
3、組件安裝角度
不同角度安裝的組件所接收到的輻照度不同，如分布式屋頂多采用平鋪的方式，則相同容量的組件，輸出能量比有一定傾角的低。
二、補(bǔ)償超配與主動超配
由上分析可見，選擇合適的系統(tǒng)容配比需要考慮諸多因素，為了進(jìn)一步說明這個問題，這里將超配分為兩部分，一是通過提高組件容量，補(bǔ)償各種原因引起的損耗部分，使逆變器的實(shí)際輸出最大功率達(dá)到逆變器的額度功率，定義為補(bǔ)償超配。同時進(jìn)一步提高組件的容量，提高系統(tǒng)滿載工作時間，定義為主動超配。主動超配時，系統(tǒng)在中午光照較好時段存在一定時間的限功率運(yùn)行，但系統(tǒng)的LCOE達(dá)到最低值,即收益最大化。
1、補(bǔ)償超配
由于光伏系統(tǒng)中的系統(tǒng)損耗客觀存在，通過適當(dāng)提升組件配比，補(bǔ)償能量在傳輸過程中的系統(tǒng)損耗，使得逆變器可達(dá)到滿功率工作的狀態(tài)，這就是光伏系統(tǒng)補(bǔ)償超配方案設(shè)計思路。
圖2：補(bǔ)償超配前后光伏逆變器輸出功率對比
如圖所示，通過將容配比從1:1提升到1.1:1，使得逆變器在光照最好的時候能達(dá)到滿載輸出。提高了逆變器的利用率。也降低了系統(tǒng)每W的成本。
2、主動超配
在補(bǔ)償超配使得逆變器部分時間段達(dá)到滿載工作后，繼續(xù)增加光伏組件容量，通過主動延長逆變器滿載工作時間，在增加的組件投入成本和系統(tǒng)發(fā)電收益之間尋找平衡點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)LCOE最小，這就是光伏系統(tǒng)主動超配方案設(shè)計思路。
圖3：補(bǔ)償超配與主動超配后逆變器輸出功率對比
如圖所示，在主動超配的情況下，由于受到逆變器額定功率的影響，在組件實(shí)際功率高于逆變器額定功率的時段內(nèi)，系統(tǒng)將以逆變器額定功率工作；在組件實(shí)際功率小于逆變器額定功率的時段內(nèi)，系統(tǒng)將以組件實(shí)際功率工作。最終所產(chǎn)生的系統(tǒng)實(shí)際發(fā)電量曲線將出現(xiàn)如圖所示的“削頂”現(xiàn)象。
主動超配方案設(shè)計，系統(tǒng)會存在部分時間段內(nèi)處于限發(fā)工作，此段時間內(nèi)逆變器控制組件工作偏離實(shí)際最大功率點(diǎn)。但是，在合適的容配比值下，系統(tǒng)整體的LCOE是最低的，即收益是增加的。
補(bǔ)償超配、主動超配與LCOE關(guān)系如下所示，LCOE隨著容配比的提高不斷下降，在補(bǔ)償超配點(diǎn)，系統(tǒng)LCOE沒有到達(dá)最低值，進(jìn)一步提高容配比到主動超配點(diǎn)，系統(tǒng)的LCOE達(dá)到最低。再繼續(xù)提高容配比后，LCOE則將會升高。因此，主動超配點(diǎn)是系統(tǒng)最佳容配比值。
圖4 容配比與LCOE關(guān)系圖
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