电气设计丨光伏发电系统的经济性分析以及容配比计算基本原则

容配比是指光伏电站中组件标称功率与逆变器额定输出功率的比例。光伏应用早期，系统一般按照1∶1的容配比设计。

在辐照度低于标准条件（1000W/m2）下的这类地区，同时受温度等因素影响，光伏组件长时间输出功率达不到标称功率，导致逆变器长期不能满载运行，造成了逆变器的容量浪费。树上鸟教育电气设计培训

一、容配比影响因素

光伏组件的功率均按照标准条件（STC：组件温度25℃，辐照度1000W/m2）标定，实际应用中，各地区的光照条件、环境温度、组件安装方式均不同，同时考虑灰尘遮挡、组件失配以及组件输出到逆变器之间直流线缆损耗等因素，逆变器的实际输入功率远小于组件的标称功率。

1.1地区辐照度

我国太阳能资源地区分可分为4类，不同区域辐照度差异较大，实际数据表明，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7998MJ/m2，比格尔木的6815MJ/m2高17%。

1.2系统损耗

光伏组件输出经过直流电缆、汇流箱等设备到达逆变器，各个环节都有损耗，同时灰尘遮挡等原因会引起组件串并联失配，因此实际传输到逆变器的直流功率将远小于组件额定功率。

如图1所示，不同电站实测平均数据表明，电站直流侧的总损耗约为8%~13%（此处系统损耗不包括逆变器后级的变压器及线路损耗）。

因此，在组件标称功率与逆变器额定功率相等的情况下，由于客观存在的系统损耗，即使在STC条件下，逆变器实际输出功率仅为逆变器额定功率的90%左右，仍未满载工作，因此降低了逆变器和系统各部件的利用率，同时增加了系统损耗。

1.3其他方面

除了上述因素外，电站投资造价、上网电价、组件实际衰减情况、逆变器的性能差异、系统设计等因素都会对最优容配比设计产生一定的影响。

二、最优容配比计算

2.1容配比计算基本原则

按照不同的原则，容配比可分为两类，如图2所示：第一类为补偿超配，以系统不会出现限功率为原则增大系统容配比；第二类为主动超配，以系统LCOE最低为原则增大系统容配比，由于会出现逆变器限功率的情况，系统将会损失一部分能量，但是综合投资与产出，系统的度电成本会达到最低。

本文分别以上述两种容配比设计原则，对不同类型资源区的典型区域为例进行计算。

2.2 容配比计算边界条件

现场数据统计，中国光伏电站能效比（PR）为80%左右，假设各环节的系统效率损失如表1所示。在不限功率的条件下，本文系统效率按照82.9%预设，高于目前电站的平均水平。

其中1~6项为光伏阵列效率，预设为87.7%，与目前的现场测试结论基本一致，此段效率为影响容配比设计的重要因素；7~9项分别为逆变器转换损失、交流侧并网效率（含升压变效率及交流线损）及维修故障损失等综合效率。

当容配比超过一定比例，在原有预设值83.8%的基础上，系统整体效率还需要考虑限功率损失。不同容配比条件下，直流线缆长度不同，直流线损增加，现按照容配比每递增0.1，直流线损增加0.2%的设定计算。由于交流电缆线损基本保持不变，暂不考虑。

组件的衰减按照第一年2.0%，往后每年按照0.7%的比例逐年衰减。在不超配工况下，初始投资成本按照7.5元/W预设，考虑到不同容配比会导致系统初始投资总量和单位初始投资变化，投资成本的变动主要考虑如表2所示内容。

研究对象为“领跑者”基地典型区域，分别地处II、III类电价区，为了便于归一化分析，所在区域均按照II、III类地区的固定电价为例进行计算，其余涉及到经济性分析的通用边界条件如表3所示。

2.3 容配比计算结果及分析

为得到合理的容配比结果，本文根据2.2节的边界条件，以2016年“领跑者”典型地区 树上鸟教育电气设计培训 大同、包头、济宁、两淮为例，借助PVsyst仿真工具和财务模型，对不同容配比进行发电量和经济性分析，结果如表4所示。

2.3.1限功率分析

II类资源区光照较好的包头和大同，在容配比为1~1.2范围内系统不会出现限功率；1.2倍容配比时，大同地区系统限功率比例为0.01%，包头地区限功率比例为0.08%，比例较小，可忽略不计；1.2~1.5倍容配比系统会出现不同程度的限功率。

III类区域由于光资源更加不足，系统限功率的拐点出现后移，1~1.4倍容配比范围内不会出现限功率， 树上鸟教育电气设计培训 超过1.4倍系统将会出现不同程度的限功率，如济宁地区1.5倍容配比系统限功率比例为0.06%，两淮地区1.5倍容配比系统限功率比例为0.82%。

选取2016年全年发电量最高的一天进行分析，8月28日组件倾斜面瞬时辐照度超过1000W/m2，同时环境温度较低，具体信息如图3所示。

选择额定输出功率为40kW逆变器进行试验，组件功率按照1.2倍配置，即组件功率50kW。

如图4所示，此时逆变器最大输出功率为43.2kW，考虑到国际标准要求逆变器至少具备1.1倍长期过载能力，逆变器长时间输出44kW，不会出现限功率现象，与理论分析一致，进一步验证了仿真分析的正确性。

2.3.2 经济性分析

增加组件和逆变器的容配比不仅可以提高逆变器的利用率，也能提高电站的经济效益。

从表4计算结果看，经济效益最优容配比大于限功率点对应的容配比。如图5所示，以大同地区为例，容配比为1.3时，系统度电成本（LCOE）最低，系统内部收益率（IRR）最高，为经济性最佳配置点；随着容配比的进一步增大，系统限功率持续升高，系统经济性变差。济宁和两淮地区，系统经济性最优容配比超过1.5。

三、光伏发电系统的总结

通过对“领跑者”基地中几类典型资源区进行仿真和试验，结果表明：在II类光资源区域，容配比配置为1.2倍时，不会出现限功率；容配比为1.2~1.3时，系统度电成本最低、经济性最佳；在III类资源区域，容配比低于1.4倍时，不会出现限功率；容配比超过1.4时，系统度电成本最低、经济性最佳。因此，合理设计系统容配比，有利于提升光伏发电系统的经济性。

在不同类型资源地区，由于太阳能资源条件不同，地区温度、电价水平等特性不同，需要根据当地的具体情况进行计算。

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