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如何合理设计光伏电站容配比?

312024-06-24

随着全球对可再生能源需求的不断增长,光伏发电技术得到了快速发展。光伏电站作为光伏发电技术的核心载体,其设计合理性直接影响到电站的发电效率、运行稳定性及经济效益。其中,容配比作为光伏电站设计中的关键参数,对电站的整体性能具有重要影响。本旨在探讨如何合理设计光伏电站的容配比,以提高电站的发电效率和经济性。

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光伏电站容配比概述

光伏电站容配比是指光伏组件的装机容量与逆变器设备容量的比值。
由于光伏发电的不稳定性以及受环境影响较大的原因,光伏电站容配比单纯按照光伏组件装机容量1:1配置会造成光伏逆变器容量浪费,因此在光伏系统稳定运行的前提下提升光伏系统发电效益,最优的容配比设计应大于1:1合理容配比设计不仅可以最大化发电功率输出,而且还能适应不同的光照条件以及应对部分系统损耗。
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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,影响容配比的因素包括组件衰减、系统损耗、辐照度、组件安装倾角等方面,具体分析如下。    

1.组件衰减

在正常老化衰减的情况下,目前组件首年衰减在1%左右,组件第二年以后的衰减将呈线性变化,30年的衰减率在13%左右,也就是说组件每年的发电能力都在下降,无法持续维持额定功率输出,因此光伏容配比设计需考虑到电站全生命周期内的组件衰减,以最大化匹配组件发电功率,提高系统效益。

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光伏组件30年线性功率衰减曲线


2.系统损耗

在光伏系统中,从光伏组件到逆变器输出之间存在各种损耗,包括组件串并联及遮挡灰尘损耗、直流电缆损耗、光伏逆变器损耗等,各环节损耗将会影响光伏电站逆变器的实际输出功率。   
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PVsyst光伏电站模拟报告
如图所示,在项目应用中可通过PVsyst模拟项目实际配置及遮挡损耗情况;一般情况下光伏系统直流侧损耗在7-12%左右,逆变器损耗约1-2%,总损耗约为8-13%;因此光伏组件安装容量与实际发电数据之间存在损耗偏差。如果以组件安装容量按照1:1的容配比选择光伏逆变器,那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.不同区域辐照度不同

组件在STC工作条件下才能达到额定功率输出(STC工作条件:光照强度1000W/m²,电池温度25°C,大气质量1.5时),如果工作条件未达到STC条件,光伏组件输出功率必然小于其额定功率,并且光照资源一天之内时间分布也不能全都满足STC条件,主要是因为早中晚辐照度、温度等差异较大;同时不同地区辐照度及环境不同对于光伏组件的发电影响也不同,因此项目初期需根据具体区域了解当地的光照资源数据,进行数据测算。

根据国家气象局风能太阳能评估中心划分标准,可以了解到不同区域辐照度的具体数据,太阳总辐射年辐照量划分为四个等级:   

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太阳总辐射年辐照量等级划分

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全国水平面总辐射分布图

因此,即使在同一资源地区全年辐照量也有较大差异。意味着相同的系统配置,即相同的容配比下发电量也不尽相同。若要达到相同的发电量,可以通过改变容配比来实现。


4.组件安装倾角

针对用户侧光伏电站同一个项目中会存在不同的屋顶类型,而根据不同屋顶类型将会涉及到不同的组件设计倾角,对应组件接收到的辐照度也有所不同;例如浙江某地工商业项目中存在彩钢瓦屋顶和混凝土屋顶,设计倾角分别为3°和18°,不同的倾角通过PV模拟倾斜面辐照量数据如下图所示;可以看到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。   

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3°倾角总辐射量 

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18°倾角总辐射量 

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容配比设计思路

根据以上分析,容配比的设计主要是通过调整逆变器直流侧接入容量,从而提升电站的整体效益;目前容配比的配置方式主要分为补偿超配和主动超配。


1.补偿超配

补偿超配是指通过调整容配比,使逆变器在光照最好的时候能达到满载输出。这种方式仅考虑到光伏系统中存在的部分损耗,通过增加组件的容量(如下图所示),可以补偿能量在传输过程中的系统损耗,使逆变器在实际使用过程中达到满载输出的效果,且没有削峰损失。

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补偿超配示意图    


2.主动超配

主动超配则是在补偿超配的基础上,继续增加光伏组件的容量(如下图所示)。这种方式不仅考虑了系统损耗,还综合考虑了投资成本及收益等因素。其目标是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,实现系统平均化度电成本(LCOE)最小。即使在光照不佳的情况下,逆变器也存在满负载工作,从而延长满载工作时间;但系统实际发电量曲线将出现如图所示的“削峰”现象,存在部分时间段内处于限发工作状态。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。
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主动超配示意图

补偿超配、主动超配与LCOE关系如下图所示,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。   
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LOCE/容配比曲线图

而对于逆变器来说如何满足系统的LCOE最低,需要足够的直流侧超配能力来实现,对于不同地区尤其针对辐照条件较差的地区需要较高的主动超配方案才能实现延长逆变器额定输出时间,最大化降低系统的LCOE;例如古瑞瓦特光伏逆变器支持直流侧1.5倍超配,可满足绝大部分地区实现主动超配的兼容能力。
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结论与建议
综上所述,补偿超配和主动超配方案都是提高光伏系统效率的有效手段,但各有侧重。补偿超配主要关注系统损耗的补偿,而主动超配则更注重在增加投入和提高收益之间寻找平衡点;因此在实际项目中建议根据项目需求综合选择合适的容配比配置方案。