光伏系统设计中的组件超配

光伏系统设计中的组件超配与投资收益提升 超配方案中的逆变器选型及影响如何降低系统投资成本，提升投资收益，是光伏电站系统设计和优化的主要目标之一。欧美国家对光伏系统精细化设计研究较早， 其中关于组件容量与逆变器容量的配比方案和应用，也已引起了国内业主、设计院和行业专家的关注。“过去，光伏系统的容量按直流功率定义，而现在则按并网交流功率，过去光伏 -逆变器容量比为 1 1， 现在为 1.2 1 ， 甚至更高” 这是国内光伏行业著名专家王斯成老师在 2014年的一次研讨会上给大家介绍的， 同时王老师进一步分析说 “通过提高容配比， 如 10MW光伏电站超配到 12MW ， 每年可增加收益 256 万元， 新增投资 IRR（内部收益率） 大于 28 。光伏组件容量和逆变器容量比， 习惯称为容配比。 光伏应用早期， 系统一般按照 11 的容配比设计。在应用研究中发现，以系统平均化度电成本（ Levelized Cost Of Electricity, LCOE）最低为标准衡量系统最优，在各种光照条件、组件铺设倾斜角度等情况下，达到系统最优的容配比都大于 11 。也就是说，一定程度的提升光伏组件容量，有利于提升系统的整体经济效益，这就是我们谈的组件超配。一、系统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，主要影响因素包括辐照度、系统损耗、组件安装角度等方面，具体分析如下。1、不同区域辐照度不同根据国家气象局风能太阳能评估中心划分标准， 将我国太阳能资源地区分为四类， 不同区域辐照度差异较大。即使在同一资源地区，不同地方的全年辐射量也有较大差异。例如，同是 I 类资源区的西藏噶尔和青海格尔木，噶尔的全年辐射量为 7998 MJ/m 2， 比格尔木的6815 MJ/m 2 高 17 。 意味着相同的系统配置，即相同的容配比下，噶尔地区的发电量比格尔木高 17 。若要达到相同的发电量，可以通过改变容配比来实现。2、系统损耗光伏系统中，能量从太阳辐射到光伏组件，经过直流电缆、汇流箱、直流配电到达逆变器， 当中各个环节都有损耗。 如图 1 所示， 直流侧损耗通常在 7-12 左右 ,逆变器损耗约 1- ，总损耗约为 8-13 此处所说的系统损耗不包括逆变器后面的变压器及线路损耗部分 。 也就是说， 在组件容量和逆变器容量相等的情况下， 由于客观存在的各种损耗， 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。图 1光伏系统各环节损耗组成3、组件安装角度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。二、补偿超配与主动超配由上分析可见， 选择合适的系统容配比需要考虑诸多因素， 为了进一步说明这个问题，这里将超配分为两部分， 一是通过提高组件容量， 补偿各种原因引起的损耗部分， 使逆变器的实际输出最大功率达到逆变器的额度功率， 定义为补偿超配。 同时进一步提高组件的容量，提高系统满载工作时间， 定义为主动超配。 主动超配时， 系统在中午光照较好时段存在一定时间的限功率运行，但系统的 LCOE 达到最低值 ,即收益最大化。1、补偿超配由于光伏系统中的系统损耗客观存在， 通过适当提升组件配比， 补偿能量在传输过程中的系统损耗， 使得逆变器可达到满功率工作的状态， 这就是光伏系统补偿超配方案设计思路。时间功率800 1800组件理想输出功率（ 1000W/m 2）系统损耗Pn0.9Pn时间功率系统损耗1.1PnPn800 1800逆变器实际输出功率逆变器实际输出功率组件理想输出功率（ 1000W/m 2）（ Pn 为逆变器额定功率）（ a）补偿超配前 （ b）补偿超配后图 2补偿超配前后光伏逆变器输出功率对比如图所示，通过将容配比从 11 提升到 1.11 ，使得逆变器在光照最好的时候能达到满载输出。提高了逆变器的利用率。也降低了系统每 W 的成本。2、主动超配在补偿超配使得逆变器部分时间段达到满载工作后， 继续增加光伏组件容量， 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LCOE 最小，这就是光伏系统主动超配方案设计思路。时间功率800 1800组件理想输出功率（ 1000W/m 2）系统损耗Pn时间功率系统损耗1.1PnPn800 1800逆变器实际输出功率逆变器实际输出功率组件理想输出功率（ 1000W/m 2）舍弃的功率（ Pn为逆变器额定功率）（ a）补偿超配 （ b ）主动超配图 3补偿超配与主动超配后逆变器输出功率对比如图所示， 在主动超配的情况下， 由于受到逆变器额定功率的影响， 在组件实际功率高于逆变器额定功率的时段内， 系统将以逆变器额定功率工作； 在组件实际功率小于逆变器额定功率的时段内， 系统将以组件实际功率工作。 最终所产生的系统实际发电量曲线将出现如图所示的“削顶”现象。主动超配方案设计， 系统会存在部分时间段内处于限发工作， 此段时间内逆变器控制组件工作偏离实际最大功率点。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。补偿超配、主动超配与 LCOE 关系如下所示， 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。容配比LCOE1补偿超配点200.20.40.60.8主动超配点图 4 容配比与 LCOE 关系图通过合理的超配方案设计， 可以实现对光伏系统的优化， 发电量进一步提升， 系统平均化度电成本（ Levelized Cost Of Electricity, LCOE ）进一步降低，投资方整体收益进一步提升。在组件超配方案设计中， 需要考虑当地光照条件、 系统损耗、 铺设倾斜角度等因素的影响，同时，逆变器的性能和选型也十分重要。集中型逆变器由于单机容量大，过载能力强，比组串型逆变器更适于超配。 此外， 超配后由于接入逆变器的组件容量提高了， 会不会超过逆变器的运行范围， 造成逆变器长期过载运行而影响逆变器安全限功率运行时， 直流电压会不会超过逆变器的允许范围带着这些疑问，我们做了详细分析。一、集中型逆变器设计超配方案更灵活在光伏系统设计中，光伏组件是以组串为单位接入逆变器的。以常见的地面电站为例，一般每串 22 块组件，以每块组件为 250Wp 计算，也就是每个组串的功率为 5500W 。在系统设计中， 不论是否进行超配， 不论是选用集中型还是组串型， 方案都必须满足每个逆变器所接入的组件容量为 5500W 的整数倍数这一基本要求。以国内市场上主流的 30KW 额定功率的组串逆变器、和 500KW 额定功率的集中逆变器，可实现超配的容配比方案进行比较，如下表表 1组串型和集中型逆变器在相同容配比范围内可实现的超配方案对比单机额定功率 可接入组串数 接入组件总功率 容配比 可选方案数量组串型 30kW 5 串 27.5kW 0.92 4 种6 串 33.0kW 1.10 7 串 38.5kW 1.28 8 串 44.0kW 1.47 集中型 500kW 84 串 462.0kW 0.92 53 种85 串 467.5kW 0.94 . . 91 串 500.5kW 1.00 92 串 506.0kW 1.01 . . 136 串 748.0kW 1.50 如表 1 所示， 在容配比 （容配比 组件功率 / 逆变器额定功率） 0.92 到 1.50 之间， 30KW的组串逆变器可现实 4 种方案， 500KW 的集中逆变器可实现 53 种方案；也就是说，在容配比 1.5 以下，选用 30KW 的组串型逆变器仅有 3 种超配方案设计，选用 500KW 的集中型逆变器则可以有 46 种超配方案设计，可以满足不同项目配置的需要。另外， 部门厂家的组串式逆变器， 直流输入端子数量都是按照标准额定容量配置的， 无法接入更多的组串数量， 尤其是针对光照资源较差的二三类区域， 容配比可以相对较大的情况下， 由于输入端子数量的限制， 根本无法实现最优的容配比， 而采用集中型逆变器方案中，因为有直流汇流箱对组串的汇流环节， 可接入的组串数量基本不受限制， 进行超配方案时非常灵活。二、超配对逆变器的影响超配时，由于组件容量超过逆变器容量，对逆变器的安全运行有哪些影响呢1、逆变器是否会过载运行补偿超配时，去除系统损耗后，逆变器实际输出的最大功率等于逆变器的额度功率，在逆变器的正常工作范围内，这很容易理解。而主动超配时，去除系统损耗后，若组件都工作在最大功率点， 则将超过逆变器额度功率， 会造成逆变器过载运行， 甚至会超过逆变器的工作范围到达逆变器过载保护点， 这是不允许的。 如何解决这个问题呢唯一的办法只有限制组件的输出， 也就是通过逆变器控制， 使得组件输出偏离最大工作点， 以确保逆变器输出不超过其额度功率。 由此可见， 超配仅增加了逆变器满载运行的时间， 提高了逆变器的利用率。逆变器不会过载运行，也就不会超过逆变器的运行范围。2、限功率运行时会有哪些影响由组件输出特性可知，在主动超配时，由于系统部分时间段内出现了限功率运行，逆变器控制组件输出偏离最大功率点，如下图所示，当工作点由 A 点向右偏离到 C 点时，组件输出电流减小，输出电压将升高。主动超配中限功率运行时，组件工作点偏离由图 1 曲线可见，当超配的功率越大，被限制的功率也就越大，每块组件的输出电流越小，组件工作点越向右偏移，电压越大，也就是说，超配功率越大，输出电压越高。通过分析计算， 可获得不同容配比下逆变器实际工作电压如表 2 所示。 可见， 当容配比为 1.5 倍时，逆变器实际工作电压电压从 MPPT 电压 673V 抬升到 770V ，在逆变器的允许工作范围内。也就是说，即使在超配 1.5 倍时，系统的直流电压也不会影响逆变器的安全运行。表 2 不同超配比例下逆变器实际过电压超配比例 超配功率 MPPT电压 逆变器实际工作电压1.05 525KW 678 677.8 1.1 550KW 677 677.3 1.2 600KW 676 732.84 1.3 650KW 675 751.36 1.4 700KW 674 762.46 1.5 750KW 673 770.03 三、总结通过分析，在系统超配设计过程中，逆变器的选型十分关键，集中式逆变器由于单机容量与单个组串容量比值大，过载能力强， 因此可方便的进行不同比例的配置，设计灵活，满足不同区域容量各异的要求。同时，合理的超配对逆变器及系统的正常工作没有任何影响，不会超过逆变器的安全运行范围。