杜玉雄：大型光伏电站超配的设计思考

大型光伏电站 超配 的设计思考 北京晶澳太阳能 技术支持总监 杜玉雄 摘要 ： 本文介绍了 地面电站 光伏方阵 容配比 优化 建议 ，分析了 常见 类型 组件和 逆变器 的 最佳 容 配比 的 方案 。在工程实证 和 设计规范 的基础上，提出了 结合项目地 条件 、 支架类型 ， 逆变器类 型 等 和 组件 匹配 的 优化设计 思路 。 关键词：光伏电站；方阵设计； 容配比 ； 发电量 ；设备 选型 随着国内外光伏市场的变化，平价 和竞价项目的 快速发展 对光伏 系统 经济性 提出了 更加 严 苛 的 要求 。 新 版 《光伏发电站设计规范》 中 明确 且细化 了设计 要求，对 国内的 三类光资源地区 提出了超配 建议 ；基于 光伏 行业发展 状况，在未来一段时间 内，光伏组件产品依旧 保持多样 化 ，技术特性 的不同 也对系统 设计 提出了 更 高要求。 本文 针对 组件输出特性， 提出超配 设计 建议 以供同行参考。 1. 光伏组件 的输出 特性 光伏组件 的 输出特性不同于 理想 的 恒压源或是恒流源 ， 组件 的输出 电压 和 输出 电流 受 辐照度 和温度 的影响很大，在 实际 使用中 辐照度 和温度 时时 变化，因此组件的输出 也一直处 于 变化中。 因此 ，逆变器 作为 最核心的平衡部件， 其中 一个 主要作用是 跟踪组件 或组串 的 MPPT 工作点，逆变器 相当于 一个 滑动变阻 器 ，时时跟踪光伏组件或组串的最佳工作点，保 证组件 或组串 处于最 大 输出功率的工作状态 。 如组件 偏离最佳工作点，输出功率 会低于 最大 功率，从而造成发 电 损失 。 理想 的 恒流源 输出 特性 理想 的恒压源输出特性 光伏组件 的温度 和辐照度 输出特性 （最大功率点 时时 变化） 2. 计算光伏电站发电量 公式 众所周知 ， 光伏电站年度 发电 量 是 光伏 系 电站 输出功率 对 时间的积分， 在 设计规范中有 详细计算， 如下面公式 ： 𝐸𝑝 = ∑𝐻𝐴𝑖 𝑛 𝑖=1 ×η𝑧𝑞𝑖 ×ηyy𝑖 ×η𝑟𝑠𝑖 ×η𝑤𝑑𝑖 ×η𝑛𝑠𝑖 ×η𝑛𝑏𝑖 ×𝑃𝐴𝑍𝐸 𝑆 ×𝐾 式中： E𝑃—— 光伏发电站上网电量（ kWh）； n —— 计算时段数，对于一个完整计算年，若按 1 小时间隔计算，则为 8760。 HAi —— 计算时段水平面太阳能辐射量，（ kWh/ m2）； ηzqi —— 计算时段光伏方阵太阳能辐射量倾角、方位角修正系数； ηyyi —— 计算时段光伏方阵太阳能辐射量阴影遮挡损失修正系数； ηrsi —— 计算时段光伏组件表面太阳入射角损失修正系数； ηwdi —— 计算时段光伏组件工作温度修正系数； ηnsi —— 计算时段逆变器输入功率限制引起的发电量损失修正系数，如果该时段没有 功率限制，取 1； ηnbi —— 计算时段光照条件下的逆变器输入功率对应的转化效率； PAZ—— 光伏电站的安装容量（ kWp）； Es—— 标准条件下的辐照度（常数 =1 kW/m2）； K—— 其它效率系数。其它效率系数 K 是考虑光伏组件类型、光伏组件输出功率偏 离峰值、光伏组件表面污 染、组串适配损失、光伏组件衰减、集电线路损 耗、升压变压器损耗、站用电率、系统可利用率等各种因素后的修正系数。 在此 我们重点论述 式中 ηnsi 的物理 意义 ，规范中 的 定义为 “ 计算时段逆变器输入功率限 制引起的发电量损失修正系数，如果该时段没有功率限制，取 1“； 当此数值取 1 时 ，即 不 会出现 逆变器对光伏 组件或组串的 限发 ，通常是限流 。 因此 提高 光伏电站发电量 需保证 没有 功率 或电流 限 发 ， 在 文章 《 大型光伏电站方阵优化设计思考 》 中有过限发 的 分析 ，在此不做 赘述。 下 图为 青海项目的 逆变器 输入端的 功率曲线 ，即 ，光伏方阵的发电量 就是光伏 方阵 瞬 时 输出功率对时间的积分 。 3. 适宜 的 容配比 为降低 系统成本，提高 经济性 ， 在 新版 规范中 ， 对 光伏方阵的安装容量与逆变器额定容 量之比 （ 以下 简称容配比 ） 有 相应的 建议 。 原文描述 如下： 光伏发电系统中光伏方阵与逆变器之间的容量配比应综合考虑 光伏方阵的安装类型、场地条 件、太阳能资源、各项损耗等因素 ，经技术经济比较后确定。光伏方阵的安装容量与逆变器 额定容量之比符合下列规定： 1 一类太阳能资源地区，不宜超过 1.2； 2 二类太阳能资源地区，不宜超过 1.4； 3 三类太阳能资源地区，不宜超过 1.8。 通常认为适当的提高容配比提供 高 系统的经济性 ， 鉴于环境和设备的复杂性，规范中 谨 慎 的采用 了不宜 超过的 描述。 另一方面 ， 新 规范也 明确了需综合考虑 光伏方阵的安装类型、 场地条件、太阳能资源、各项损耗等因素 ，简言之 ， 设计方案 需综合考虑设备选型（ 支架类 型、 组件类型等） ， 同时也要因地制宜 。 4. 容配比设计 建议 可以肯定 的 是 ， 在 不限发的 前提 下 ，提高 光伏方阵 和逆变器的 容量 配比 ，能够提高系统 的 经济性 和 发电输出 。 在其他设计 条件不变 时 ， 提高 容配比的 方案 主要 有以下两种 ： 第一 ， 提高逆变器 的输入电压，即加大组串长度；第二 提高逆变器 的 输入电流， 即增加逆变器的 输 入路数。 4.1 第一种方案 提高组串 内 串联组件数量， 加大组串长度，提高 组串 输出 电压 。在系统电压 允许范围内串联 更多的 组件 数量 ， 在新规范中 串联组件数量 明确 规定 ： VMPPTmin Vpm×[1+(t′−25)×Kv′] ≤ N ≤ Vdcmax Voc×[1+(t−25)×Kv] 式中： Kv—— 光伏组件的开路电压温度系数； K v —— 光伏组件的工作电压温度系数； N —— 光伏组件串联数（ N 取整）； t—— 光伏组件昼间环境极限低温（℃）； t —— 工作状态下光伏组件的电池极限高温（℃）； Vdcmax —— 逆变器和光伏组件允许的最大系统电压，取两者小值（直流， V） VMPPTmin—— 逆变器 MPPT 电压最小值（ V）； Voc —— 光伏组件的开路电压（ V）； max:49.27 max:43.3 0 10 20 30 40 50 60 7:00 7:30 8:00 8:30 9:00 9:30 10:00 10:30 11:00 11:30 12:00 12:30 13:00 13:30 14:00 14:30 15:00 15:30 16:00 16:30 17:00 17:30 18:00 18:30 19:00 19:30 瞬时功率（ KW ) PERC双面 与常规单晶逆变器瞬时功率对比 逆变器： SUN200-50KTL-C1， 2018/4/17 PERC双面 49.68KW 常规单晶 48.24KW Vpm—— 光伏组件最佳工作电压（ V）。 其中 t 为光伏组件昼间环境极限低温（ ℃ ） ， 此温度为气象统计中极限低温 ，此低温时 对应 低辐照度 ， 光伏组件 输出电压 在 低辐照时 也会降低 。在 文章 《 大型光伏电站方阵优化设计 思考 》 中有过分析 ，在此不做赘述。 综上 ， 1500V 系统 能 显著 提高组串数量 ，提高系统经济性； 在 系统电压 确定后 ，组件 的 开 路电压 和环境限制 下 ，组串数量 亦可 确定，组串 式 逆变器和集中式 逆变器计算方案相同 。 4.2 第二种 方案 ， 提高逆变器 的 输入电流， 即增加逆变器的 输入路数。在输入 路数 配置 上 ， 组串式逆变器和集中式 逆变器的设计有很大不同。 如下 为逆变器 方阵示意图。 组串式逆变器 光伏方阵 示意图 集中式或集散式逆变器的光伏方阵示意图 4.2.1 组串式逆变器的 应用 组串式逆变器的输入 路数 和 MPPT 路数已 限定 ，以 某知名 逆变器厂家的 组串式逆变器为 例， SG225HX 型号 逆变器 有 12 路 MPPT，， 每路 MPPT 最大 输入组串数量， 因此 最大允许 24 路 组串 输入。 有个别 项目 为提高容配比 ，有 采用 “ Y” 型端子的方案，但是 结合 目前主 流组件 型号 的 工作电流数值 ，增加路数意味 着 输入电流翻倍， 已远超 允许的输入电流，导 致 严重 的 限发 ， 因此 ”Y” 型端子 不可取 。 详见下面 计算结果。 以 我司 某 电站 记录 的 气象数据 为例， 环境低温 -15℃ ， 最佳倾角固定支架 安装 ，三种 常见的 双面 组件 类型 ，功率 依次为 410Wp、 445Wp、 445Wp。 4 月辐照强度 (W/m2) 序 号 1 2 3 日 期 4.08 4.06 4.01 时 段 8:00 21 8:00 55 8:00 33 9:00 748 9:00 737 9:00 731 10:00 948 10:00 924 10:00 918 11:00 1032 11:00 1052 11:00 1057 12:00 1151 12:00 1166 12:00 1143 13:00 1158 13:00 1172 13:00 1188 14:00 1147 14:00 1134 14:00 1140 15:00 1048 15:00 992 15:00 1110 16:00 776 16:00 812 16:00 818 17:00 547 17:00 617 17:00 568 18:00 27 18:00 32 18:00 33 4 月份部分时段组件安装 倾角辐照度数据 依照 环境条件和 光伏 组件工作特性 ， 计算 组件 /组串 输出电流为： 组件类型 工作电 流 辐照度 组件 工作温度 背面增 益 电流温度系 数 修正后工 作电流 JAM72D10- 410/MB 9.93 1100W/m2 55℃~60℃ 8%~15% +0.044%/K 12.2A JAM78D10- 445/MB 9.9 8%~15% +0.044%/K 12.1A XXXX-M6-445M 10.8 8%~15% +0.06%/K 13.3 A 组件类型 工作电 流 辐照度 组件 工作温度 背面增 益 电流温度系 数 修正后工 作电流 JAM72D10- 410/MB 9.93 1200W/m2 55℃~60℃ 8%~15% +0.044%/K 13.3A JAM78D10- 445/MB 9.9 8%~15% +0.044%/K 13.27 A XXXX-M6-445M 10.8 8%~15% +0.06%/K 14.56 A 因为 组串式逆变器 的输入路数 确定 ，不管 在 何种环境 ， 容配比 已被 限定， 失去了设计 的灵活性。 我国 幅员辽阔 ， 三类光资源区域的光照资源差异很大 ， 同一类 光资源区 的 环境 温度 差异也很大 ， 放眼全球 ， 环境差异更大 ， 如采用 单一 的 组串式逆变器 配置 ， 很难 找到 事宜的环境会组件类型匹配， 势必会 导致严重 的限发或是 容量 浪费 。 因此 ， 组串式逆变器 需 增加型号 ， 多样化 输 入 电流和 功率等级 才能匹配组件类型 和 多样的气候条件 ， 实现系统 良好的经济性 。 同时 ， 常规 的 G1-158.76 规格 电池 组件在组串 式逆变器中 限发 远远低于 M6-166 规格 电池组件， 同样的设计条件，有更高 的系统效率和经济性。 某知名 逆变器厂家 组串式逆变 器 性能参数 4.2.2 集中式逆变器 的 应用 仍 以上述 项目为例 ，环境低温 -15℃ ， 最佳倾角固定支架 安装 ，三种 常见的 双面 组件 类 型 ，功率 依次为 410Wp、 445Wp、 445Wp。 在不限发 的条件 下 ，即 ηnsi 各时段取值均 为 1（如 ηnsi 部分时段取值变化， 可 按照 系数 相 应调整组串数量 ） ， 光伏方阵 /逆变器容量配比（ 容配比）计算 结果 如下 ： 组件类型 开路电 压 环境低温 电压温度系 数 理论数量 1500V 系统组串长度 JAM72D10- 410/MB 49.82 -15℃ -0.272%/K 29.5 29 块 /串 JAM78D10- 445/MB 53.85 -0.272%/K 27.2 27 块 /串 XXXX-M6- 445M 49.8 -0.30%/K 28.8 28 块 /串 1500V 系统 不同 类型 组件 的组串数量 组件类型 工作电流 4178A（串数） 取整 (串数 ) 组串长度 输入直流容 量 光伏方阵 / 逆变器容量 配比 JAM72D10- 410/MB 13.3A 314.13 314 29 块 /串 3733.46 KW 1.19 JAM78D10- 445/MB 13.27 A 314.8 314 27 块 /串 3679.26 KW 1.21 XXXX-M6- 445M 14.56 A 286.9 286 28 块 /串 3688.16 KW 1.14 1500V 系统 不同 类型 组件 的数量 和 容配比 上面 计算结果 为 考虑 低 辐照 修正允许的 组串 长度 ； 如 不考虑低辐照修正 ， 每种 设计组串 减少 2 块组件， 容配比也相应降低 。 在 文章 《 大型光伏电站方阵优化设计思考 》 中有过分析 ， 在此不做赘述。 某知名 逆变器厂家 集中式 逆变器性能参数 目前组件类型多样 （各种 规格的硅片和分切技术） ， 且性能参数各异 ，再 叠加复杂多样 的气候条件和支架类型，更需 严格落实 规范 要求 ， 实现 更优的经济性 ； 集中式逆变器 的技术 特性决定其 系统方案 设计 更加灵活， 可匹配 不同类型组件和 气候类型， 通过更科学 的容配比 ， 提高 系统的经济性 ；常规 的 G1-158.76 规格 电池 组件在 容配比设计中更具灵活性， 同样的设 计条件， 允许更高容配比，因此对系统 的 经济性更有 利 。 限于 篇幅， 计算用 的组件参数未附 在文中，如有兴趣可 联系 组件厂家提供 。 5. 结论 当前 ， 光伏组件缺乏 规范和标准， 导致 组件类型多样化 且此状态会持续 相当长一段时间 ， 其 主要 表现 为组件尺寸和 规格多样 ， 组件电压 、 电流参数繁杂， 这给 业主和设计单位选型 、 设计、 施工 等工作造成严重 困扰 ，同时 对逆变器 的设计也 带来了挑战 。 全国各地 光伏 电站 运 行记录逐步 完善 ， 因此 ，综合项目实 际 气象 条件 ， 因地制宜优选 设备 类型 和 优化设计方案 ， 能 够大 大提高 系统 经济性 。