2018-03：关于并网光伏系统按照交流额定功率备案的建议_王斯成(1)

SOLAR ENERGY 03/2018 9 0 引言 适度提高光伏 - 逆变器容配比 ( 国际上称之 为光伏 - 逆变器功率比， PVIR)，是并网光伏系 统设计重要的技术创新。光伏 - 逆变器容配比 普遍被光伏行业接受是在 2012 年之后，以美国 First Solar 为代表，该公司电站的容配比一般都 选在 1.4:1.0 或更高。提高光伏 - 逆变器的容配 比后，如何定义并网光伏系统的装机容量显得十 分重要。本文将给出国内外对于光伏系统装机容 量的定义，并对放开光伏 - 逆变器容配比的理由 和必要性进行论述。 1 提高光伏 - 逆变器容配比的必要性 由于我国大部分地区、全年大部分时间的 太阳辐照度都很难达到标准条件，即 1 kW/m 2 ， 再加上从光伏组件到逆变器的效率损失通常约为 85%，如果按照过去的惯例，光伏 - 逆变器容配 比按 1:1 进行配置，那么交流设备 ( 包括逆变器 ) 就会有很大比例的功率闲置。笔者在格尔木 ( 属 于强 Ⅰ 类资源区，有时辐照度甚至超过 1 kW/ m 2 ) 曾调出一个光伏电站逆变器全年的实际运行 数据，发现 500 kW 的逆变器最大输出功率仅有 470 kW，而且当时的辐照度已经超过 1 kW/m 2 。 那么在 Ⅱ 类、 Ⅲ 类资源区，交流设备功率闲置问 题将更为严重。 为了提高逆变器及后段交流设备的利用率， 使系统具有更为优化的配置， 2012 年之后，国 际上普遍采用提高光伏 - 逆变器容配比来实现。 2 以交流额定功率来定义光伏系统的装机 容量更为科学合理 所有其他发电方式，如火电、水电、核电、 风力发电，甚至包括热发电，都是按照交流发电 单元的额定功率定义其装机容量；所以，若将光 伏系统的交流额定功率定义为装机容量，可使并 网光伏发电系统的容量定义和管理方式与其他发 电方式相一致。而且，目前电网公司对于并网光 伏发电系统并网特性的要求和控制也仅限于交流 并网点，并没有管理到直流侧，将并网光伏发电 系统的装机容量定义在交流侧，既使电网公司在 管理方式上保持了一致性，在技术上也是合理的。 3 提高光伏 - 逆变器容配比的安全性 适度提高光伏 - 逆变器容配比并不影响电网 和设备的安全性，系统也不会因超功率运行而受 到损害。 IEC 标准已经规定，在高功率比情况下， 当辐照度较强、逆变器达到额定功率后，即达 到饱和状态 (inverter being saturated)，必须转入 关于并网光伏系统 按照交流额定功率备案的建议 国家发展与改革委员会能源研究所 ■ 王斯成 收稿日期： 2018-02-12 通信作者： 王斯成，男，研究员、硕士，自 1982 年起从事光伏发电系统及平衡部件方面的研究开发。jikewsch@163.com 产业论坛 2018.03印刷.indd 9 2018-3-23 16:32:46 SOLAR ENERGY 03/2018 10 限功率运行 (constrained operation)，这在 IEC 61724-2、 IEC 61724-3 和 IEC 62738 中有详细 描述。因此，提高光伏 - 逆变器容配比不会影 响电网的安全运行，也不会对电网和逆变器造 成损害。 4 提高光伏 - 逆变器容配比的优势 在我国大部分地区，光伏 - 逆变器容配比可 以按照 1.2:1.0 配置，这样超装的光伏功率几乎 不会出现“限光损失” (Clipping Losses)，可以全 部利用，发电量可直接提升 20%，年等效利用小 时数可由 1500 h 提高到 1800 h；而扩装仅限于 直流部分，增加的投入只有全额投入的约 50%， 大幅提高了项目收益。因此，提高容配比是提高 光伏系统收益率、降低度电成本和早日实现“平 价上网”的有效手段，是应当鼓励和提倡的光伏 系统创新技术。 提高光伏 - 逆变器容配比还有一个好处，就 是可以降低系统对光伏组件的故障和衰降率的敏 感度。如果容配比按照 1:1 进行配置，一旦光伏 组件发生故障或异常衰降，发电量会立即减少； 而在高容配比配置的情况下，少部分组件出现问 题，对于发电量的影响不大，只是“限光损失 null 会少一些 ；并且，随着运行时间拉长 (5 年、 10 年、 20 年 )，高容配比更能适度抵消光伏组件衰降带 来的负面影响，从而保证系统持续满功率发电。 因此，适度提高光伏 - 逆变器容配比是有百利而 无一害的光伏系统创新手段，应当大力提倡，而 不是压制打击。 5 国内限制光伏 - 逆变器容配比的原因 国内目前部分省区出现“严查光伏 - 逆变器 容配比”、不允许光伏扩装的情况，这将沉重打 击光伏系统的技术创新，阻碍光伏“平价上网” 的步伐，是不可取的。之所以出现这种情况， 原因在于 2012 年 GB 50797-2012《光伏发电站 设计规范》中 2.1.23 部分对安装容量 (capacity of installation) 的定义：安装容量为光伏发电站中安 装的光伏组件的标称功率之和，单位是峰瓦 (W p )。 因此，要想放开光伏 - 逆变器容配比，首先必须 修订 GB 50797。 国际 IEC 的几个光伏技术标准中都提到了 PVIR。 1)IEC 62738《地面安装的光伏电站设计导 则》中提出“ PV power plants are often designed with high PVIR ratios to achieve lower installed cost of energy”，即，光伏电站通常设计成高 PVIR，以获得低的度电成本。 2)IEC TS 63019《光伏发电系统正常运 行率的信息模型》中 3.13 提 出“ PVPS AC capacity： rated output of a PVPS, or alternatively, its contractually obligated maximum, under specific designated conditions, commonly expressed in megawatts (MW). PVPS ratings by aggregated module nameplate are also common”，即，光伏 发电系统 (PVPS) 的交流容量定义： PVPS 的交流 容量为光伏系统的额定输出，或者说该容量为合 同约定的最大功率，常用单位为 MW。将光伏组 件功率之和作为光伏系统的额定功率也很常见。 由此可见，光伏 - 逆变器容配比已经在国际 上得到认可，并且已经定义在 IEC 的技术标准中， 我们应当在标准和定义上与国际接轨，没有理由 限制光伏 - 逆变器的容配比。 6 光伏 - 逆变器容配比的设定 光伏 - 逆变器容配比并非越高越好，开发 商也不会随意增加容配比，需要依据最低度电成 本进行优化，涉及到当地太阳能资源、环境温 度、土地成本、组件和其他直流设备的价格、限 光损失 ( 注意是“限光损失 nullClipping Losses or Constrained Operation，不是“弃光” Curtailment) 与收益平衡等，不同太阳能资源条件、不同设备 成本、不同土地成本的最优容配比都是不同的。 而且，通过实践和经验证明，并不是完全没有限 产业论坛 2018.03印刷.indd 10 2018-3-23 16:32:46 SOLAR ENERGY 03/2018 11 光损失的项目度电成本最低，而是具有一定限光 损失的项目度电成本最低、项目收益最好 ( 见下 文案例 2)。 最优光伏 - 逆变器容配比并不是一 个确定的数值，而是必须根据项目进行优化。所 以，也不应该规定容配比的比例，而应放开容配 比，给开发商和设计单位提供充分的创新和优化 空间。 7 国际上的实际案例 1) 案例 1：美国的某并网光伏系统，光伏 - 逆变器容配比设置为 1.4:1.0。如图 1 所示，当光 强很强，逆变器达到额定功率时，即转入“限功 率运行”状态，不会对电网和逆变器造成损害； 而且光伏发电曲线不再是波动形状，而是恒功率 运行，对于电网调度更有好处。 2) 案例 2：光伏 - 逆变器容配比需要针对不 同地点、不同电价水平、不同土地成本等进行优 化设计，并非是固定比例，因此需要“松绑”， 而非限定一个固定比例，如图 2 所示。 容配比设置为 1.6:1.0 时，虽然出现了一段时间 的限功率运行，但收益却是最高的。 8 具体建议意见 阳光电源进入国际市场比较早，是最先了解 到国际上普遍采用适度提高光伏 - 逆变器容配比 的方法来提高系统收益的国内公司，曹仁贤董事 长早在几年前就大声呼吁应将光伏电站的装机容 量定义在交流侧，并不应限制光伏组件扩装，但 一直未能如愿。我在此再次响应曹总的呼吁，强 烈建议尽快修订相关国家标准，强烈呼吁各级政 府部门和电网公司为光伏 - 逆变器容配比松绑。 具体建议意见如下： 1) 并网光伏电站和系统的装机容量按照交流 发电单元的额定功率 ( 即逆变器额定功率之和 ) 图 1 美国某并网光伏系统某日的发电曲线 来源 ： SMA Solar Technology AG 图 2 不同容配比的收益曲线 图 2 中，容配比设置为 1.2:1.0 时，光伏发 电系统的收益明显得到提升，但并未达到最佳； 1.0 1.6 1.2 1.0∶ ∶ ∶ 1.0 1.0 产业论坛 ( 转第 36 页 ) 2018.03印刷.indd 11 2018-3-23 16:32:46 SOLAR ENERGY 03/2018 36 panels under varying atmospheric conditions[J]. Applied Thermal Engineering, 2010, 30(11): 1488 － 1495. [22] Lee Y, Tay A A O. Finite element thermal stress analysis of a solar photovoltaic module[A]. Conference Record of the IEEE Photovoltaic Specialists Conference[C], Seattle, USA, 2011. [23] Ya′ Acob M E, Hizam H, Khatib T, et al. Modelling of photovoltaic array temperature in a tropical site using generalized extreme value distribution[J]. Journal of Renewable & Sustainable Energy, 2014, 6(3): 4370 － 4377. [24] Bayrakci M, Choi Y, Brownson J R S. Temperature Dependent Power Modeling of Photovoltaics [J]. Energy Procedia, 2014, (57): 745 － 754. [25] Skoplaki E P, Palyvos J A. On the temperature dependence of photovoltaic module electrical performance: A review of efficiency/ power correlations[J]. Solar Energy, 2009, 83(5): 614 － 625. [26] Huld T, Amillo A M G. Estimating PV Module Performance over Large Geographical Regions: The Role of Irradiance, Air Temperature, Wind Speed and Solar Spectrum[J]. Energies, 2015, 8(6):5159 － 5181. [27] 杨光 . 光伏发电功率与气象影响因子关联关系的分析研究 [D]. 保定 : 华北电力大学 , 2014. [28] 申彦波 , 王彪 . 近 50 年中国东南地区地面太阳辐射变化对 气温变化的影响 [J]. 地球物理学报 , 2011, 54(6): 1457 － 1465. [29] 韩晓艳 , 赵鹏 , 宋行宾 , 等 . 光伏组件选型对光伏系统发 电量的影响 [J]. 太阳能 , 2012, (5): 30 － 33. [30] D’ Orazio M, Perna C D, Giuseppe E D. Performance Assessment of Different Roof Integrated Photovoltaic Modules under Mediterranean Climate [J]. Energy Procedia, 2013, 42: 183 － 192. [31] Siddiqui M U, Arif A F M, Kelley L, et al. Three-dimensional thermal modeling of a photovoltaic module under varying conditions[J]. Solar Energy, 2012, 86(9): 2620 － 2631. [32] Siddiqui M U, Arif A F M. Electrical, thermal and structural performance of a cooled PV module: Transient analysis using a multiphysics model[J]. Applied Energy, 2013, 112(112): 300 － 312. [33] Hamou S, Zine S, Abdellah R. Efficiency of PV Module under Real Working Conditions [J]. Energy Procedia, 2014, 50: 553 － 558. [34] 贺炜 , 郭爱娟 , 孟凡英 , 等 . 温度对多晶硅太阳电池性能 影响的研究 [J]. 太阳能学报 , 2010, 31(4): 454 － 457. [35] Zhou J C, Zhang Z, Liu H J, et al. Temperature distribution and back sheet role of polycrystalline silicon photovoltaic modules[J]. Applied Thermal Engineering, 2016. [36] 谢荣国 , 席珍强 , 马向阳 , 等 . 用化学腐蚀制备多孔硅太 阳电池减反射膜的研究 [J]. 材料科学与工程学报 , 2002, 20(4): 507 － 509. [37] 秦红 , 沈辉 , 张仁元 , 等 . 温度对太阳电池效率的影响及 改善方法分析 [A]. 全国光伏会议暨中日光伏论坛 [C], 深圳 - 香港 , 中国， 2004. [38] Raman A, Wang K X, Zhu L, et al. Radiative cooling of solar cells[J]. Optica, 2014, (1): 32 － 38. [39] Ebrahimi M, Rahimi M, Rahimi A. An experimental study on using natural vaporization for cooling of a photovoltaic solar cell [J]. International Communications in Heat & Mass Transfer, 2015, 65: 22 － 30. [40] Alami A H. Effects of evaporative cooling on efficiency of photovoltaic modules[J]. Energy Conversion & Management, 2014, 77(1): 668 － 679. [41] Drabiniok E, Neyer A. Bionic micro porous evaporation foil for photovoltaic cell cooling[J]. Microelectronic Engineering, 2014, 119(C): 65 － 69. [42] Chandrasekar M, Senthilkumar T. Experimental demonstration of enhanced solar energy utilization in flat PV (photovoltaic) modules cooled by heat spreaders in conjunction with cotton wick structures[J]. Energy, 2015, 90: 1401 － 1410. [43] Nižetić S, Čoko D,Yadav A, et al. Water spray cooling technique applied on a photovoltaic panel: The performance response[J]. Energy Conversion & Management,2016, 108: 287 － 296. [44] Mehrotra S, Rawat P, Debbarma M, et al. Performance of a solar panel with water immersion cooling technique[J]. International Journal of Science Environment & Technology, 2014, 3(3). [45] Rahimi M, Valeh-E-Sheyda P, Parsamoghadam M A, et al. Design of a self-adjusted jet impingement system for cooling of photovoltaic cells[J]. Energy Conversion & Management, 2014, 83(83): 48 － 57. 备案，同时登记直流侧额定功率 ( 即光伏组件额 定功率之和 )。国际上目前也是对光伏电站的交 流功率和直流功率分别进行标注。 2) 电网公司按照交流额定功率对并网光伏电 站和并网光伏系统进行管理 ( 同其他发电方式的 管理模式保持一致 )。 3) 要求并网逆变器具备达到额定功率后自动 转入限功率运行的功能，所有并网逆变器需要通 过此项功能的测试。 4) 对于光伏 - 逆变器容配比不作限制，也不 作规定，留给开发商自行进行优化设计。 5) 既然对于直流侧功率不作限制，直流功率 不作为项目的备案容量，仅作为登记容量，那么 对于双面电池功率的界定就可以灵活很多，因为 双面光伏组件可以看作是自然扩装。 (接第 11 页 ) 技术产品与工程 2018.03印刷.indd 36 2018-3-23 16:32:55