光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的組件超配

光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的組件超配與投資收益提升——超配方案中的逆變器選型及影響如何降低系統(tǒng)投資成本，提升投資收益，是光伏電站系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)院和行業(yè)專家的關(guān)注?！斑^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(shí)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)部收益率次于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(jì)。在應(yīng)用研究中發(fā)現(xiàn)，以系統(tǒng)平均化度電成本（LevelizedCostOfElectricity,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(jì)，需要結(jié)合具體項(xiàng)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7998MJ/m2，比格爾木的6815MJ/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(gè)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(shí)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。

大陰輻射技生.異較kiE擋光伏陣手」蟋虬器件提把1-2%逆文囂圖1大陰輻射技生.異較kiE擋光伏陣手」蟋虬器件提把1-2%逆文囂圖1:光伏系統(tǒng)各環(huán)節(jié)損耗組成系統(tǒng)捏聞H-13%耗2-3%線編.酷件疾持1-2%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(gè)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(shí)進(jìn)一步提高組件的容量，提高系統(tǒng)滿載工作時(shí)間，定義為主動超配。主動超配時(shí)，系統(tǒng)在中午光照較好時(shí)段存在一定時(shí)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(jì)思路。功率組件理想輸出功率（Pn為逆變器額定功率）（功率組件理想輸出功率（Pn為逆變器額定功率）（a）補(bǔ)償超配前k1.1PnPn組件理想輸出功率（b）補(bǔ)償超配后圖2組件理想輸出功率（b）補(bǔ)償超配后如圖所示，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(shí)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(shí)間段達(dá)到滿載工作后，繼續(xù)增力□光伏組件容量，通過主動延長逆變器滿載工作時(shí)間，在增加的組件投入成本和和系統(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(jì)思路。（Pn為逆變器額定功率）（a）補(bǔ)償超配（Pn為逆變器額定功率）（a）補(bǔ)償超配功率1>1.1PnPn，（i000W/m2）'一系統(tǒng)損耗—夫舍棄的功率_逆變器實(shí)際

輸出功率A時(shí)間8:00 18:00（A時(shí)間8:00 18:00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(shí)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(shí)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(jì)，系統(tǒng)會存在部分時(shí)間段內(nèi)處于限發(fā)工作，此段時(shí)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。通過合理的超配方案設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)對光伏系統(tǒng)的優(yōu)化，發(fā)電量進(jìn)一步提升，系統(tǒng)平均化度電成本（LevelizedCostOfElectricity,LCOE）進(jìn)一步降低，投資方整體收益進(jìn)一步提升。在組件超配方案設(shè)計(jì)中，需要考慮當(dāng)?shù)毓庹諚l件、系統(tǒng)損耗、鋪設(shè)傾斜角度等因素的影響，同時(shí)，逆變器的性能和選型也十分重要。集中型逆變器由于單機(jī)容量大，過載能力強(qiáng)，比組串型逆變器更適于超配。此外，超配后由于接入逆變器的組件容量提高了，會不會超過逆變器的運(yùn)行范圍，造成逆變器長期過載運(yùn)行而影響逆變器安全？限功率運(yùn)行時(shí)，直流電壓會不會超過逆變器的允許范圍？帶著這些疑問，我們做了詳細(xì)分析。一、集中型逆變器設(shè)計(jì)超配方案更靈活在光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，光伏組件是以組串為單位接入逆變器的。以常見的地面電站為例，一般每串22塊組件，以每塊組件為250Wp計(jì)算，也就是每個(gè)組串的功率為5500W。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，不論是否進(jìn)行超配，不論是選用集中型還是組串型，方案都必須滿足每個(gè)逆變器所接入的組件容量為5500W的整數(shù)倍數(shù)這一基本要求。以國內(nèi)市場上主流的30KW額定功率的組串逆變器、和500KW額定功率的集中逆變器，可實(shí)現(xiàn)超配的容配比方案進(jìn)行比較，如下表：表1：組串型和集中型逆變器在相同容配比范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)的超配方案對比單機(jī)額定功率可接入組串?dāng)?shù)接入組件總功率容配比可選方案數(shù)量組串型30kW5串27.5kW0.924種6串33.0kW1.107串38.5kW1.288串44.0kW1.47集中型500kW84串462.0kW0.9253種85串467.5kW0.94......91串500.5kW1.0092串506.0kW1.01......136串748.0kW1.50如表1所示，在容配比（容配比二組件功率/逆變器額定功率）0.92到1.50之間，30KW的組串逆變器可現(xiàn)實(shí)4種方案，500KW的集中逆變器可實(shí)現(xiàn)53種方案；也就是說，在容配比1.5以下，選用30KW的組串型逆變器僅有3種超配方案設(shè)計(jì)，選用500KW的集中型逆變器則可以有46種超配方案設(shè)計(jì)，可以滿足不同項(xiàng)目配置的需要。另外，部門廠家的組串式逆變器，直流輸入端子數(shù)量都是按照標(biāo)準(zhǔn)額定容量配置的，無法接入更多的組串?dāng)?shù)量，尤其是針對光照資源較差的二三類區(qū)域，容配比可以相對較大的情況下，由于輸入端子數(shù)量的限制，根本無法實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的容配比，而采用集中型逆變器方案中，因?yàn)橛兄绷鲄R流箱對組串的匯流環(huán)節(jié)，可接入的組串?dāng)?shù)量基本不受限制，進(jìn)行超配方案時(shí)非常靈活。二、超配對逆變器的影響超配時(shí)，由于組件容量超過逆變器容量，對逆變器的安全運(yùn)行有哪些影響呢？1s逆變器是否會過載運(yùn)行補(bǔ)償超配時(shí)，去除系統(tǒng)損耗后，逆變器實(shí)際輸出的最大功率等于逆變器的額度功率，在逆變器的正常工作范圍內(nèi)，這很容易理解。而主動超配時(shí)，去除系統(tǒng)損耗后，若組件都工作在最大功率點(diǎn)，則將超過逆變器額度功率，會造成逆變器過載運(yùn)行，甚至?xí)^逆變器的工作范圍到達(dá)逆變器過載保護(hù)點(diǎn)，這是不允許的。如何解決這個(gè)問題呢？唯一的辦法只有限制組件的輸出，也就是通過逆變器控制，使得組件輸出偏離最大工作點(diǎn)，以確保逆變器輸出不超過其額度功率。由此可見，超配僅增加了逆變器滿載運(yùn)行的時(shí)間，提高了逆變器的利用率。逆變器不會過載運(yùn)行，也就不會超過逆變器的運(yùn)行范圍。2、限功率運(yùn)行時(shí)會有哪些影響由組件輸出特性可知，在主動超配時(shí)，由于系統(tǒng)部分時(shí)間段內(nèi)出現(xiàn)了限功率運(yùn)行，逆變器控制組件輸出偏離最大功率點(diǎn)，如下圖所示，當(dāng)工作點(diǎn)由A點(diǎn)向右偏離到C點(diǎn)時(shí)，組件輸出電流減小，輸出電壓將于扃。主動超配中限功率運(yùn)行時(shí)，組件工作點(diǎn)偏離由圖1曲線可見，當(dāng)超配的功率越大，被限制的功率也就越大，每塊組件的輸出電流越小，組件工作點(diǎn)越向右偏移，電壓越大，也就是說，超配功率越大，輸出電壓越高。通過分析計(jì)算，可獲得不同容配比下逆變器實(shí)際工作電壓如表2所示?？梢?，當(dāng)容配比為1.5倍時(shí)，逆變器實(shí)際工作電壓電壓從MPPT電壓673V抬升到770V，在逆變器的允許工作范圍內(nèi)。也就是說，即使在超配1.5倍時(shí)，系統(tǒng)的直流電壓也不會影響逆變器的安全運(yùn)行。

表2不同超配比例下逆變器實(shí)際過電壓超配比例超配功率MPPT電壓逆變器實(shí)際工作電壓1.05525KW678677.81.1550KW6776