光伏電站組件和運(yùn)行方式組合及其容量?jī)?yōu)化配置研究

李富彪，龐秀嵐，2，馬超

（1.天津大學(xué)水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072；2.黃河上游水電開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，青海西寧 810008）

0 引言

隨著全球太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)利用規(guī)模迅速擴(kuò)大，許多國(guó)家將太陽(yáng)能作為重要的新興產(chǎn)業(yè)。光伏技術(shù)的迅速發(fā)展使得組件以及運(yùn)行方式的類(lèi)型逐漸多樣化，二者組合的開(kāi)發(fā)方式將成為主流，如已建成的青海共和光伏實(shí)證基地和安徽淮南水面漂浮光伏電站等。光伏電站出力受組件類(lèi)型、陣列運(yùn)行方式以及氣象條件等共同影響[1]，[2]，如何確定多類(lèi)型組件和運(yùn)行方式最優(yōu)組合以及容量配置方案是需要重點(diǎn)關(guān)注和亟待解決的問(wèn)題。

光伏組件和運(yùn)行方式作為影響光伏電站運(yùn)行的關(guān)鍵因素，已經(jīng)得到了廣泛深入的研究。張傳升和孫韻琳研究了不同類(lèi)型組件如晶硅、非晶硅和薄膜等的發(fā)電性能[3]，[4]。A Z Hafez總結(jié)了單軸和雙軸跟蹤的系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)，提出了最常見(jiàn)的跟蹤類(lèi)型為主動(dòng)跟蹤和按時(shí)間跟蹤[5]。Yasser M Safan采用混合控制策略對(duì)雙軸跟蹤進(jìn)行設(shè)計(jì)、建模與仿真，極大提高了其發(fā)電性能[6]。可以看出，合理地選擇有效的組件和運(yùn)行方式均能夠提高光伏電站的發(fā)電效益。Arian Bahrami以能量增益和平準(zhǔn)化度電成本為指標(biāo)，比較了平單軸、斜單軸、垂直單軸和雙軸跟蹤在北半球中高緯度國(guó)家的經(jīng)濟(jì)性能[7]。因此，考慮將二者組合并進(jìn)行容量?jī)?yōu)化配置研究，以期進(jìn)一步降低光伏電站的出力波動(dòng)和平準(zhǔn)化度電成本。

土地利用方式和成本也是影響光伏電站開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵因素，已有研究探討了光伏電站高效的土地利用方式。孔月萍以提高土地利用率為目標(biāo)，研究了影響跟蹤式光伏陣列工作效率和裝機(jī)容量的主要因素[8]。Debaleena Majumda根據(jù)地形、位置、太陽(yáng)能資源和公眾輿論等影響因素計(jì)算區(qū)域光伏開(kāi)發(fā)適宜性得分，從而最大化利用土地資源[9]。Raksha Lakhani開(kāi)發(fā)了可用于量化不同光伏建設(shè)方案成本與土地使用成本之間權(quán)衡的框架，認(rèn)為公用設(shè)施規(guī)模的光伏電站土地使用成本低于商業(yè)以及屋頂光伏[10]。但鮮有研究將占地面積和土地成本，融入到光伏電站開(kāi)發(fā)的全生命周期優(yōu)化決策中。

基于此，本文以黃河上游區(qū)域光伏電站為實(shí)例，綜合考慮組件和運(yùn)行方式組合的光伏系統(tǒng)在典型天氣下的出力特性、初始投資成本、運(yùn)行維護(hù)成本、占地面積和土地價(jià)格等因素，開(kāi)展光伏電站的最優(yōu)組件和運(yùn)行方式組合的篩選及其容量?jī)?yōu)化配置研究，提出可行的決策模型和實(shí)例方案，以期為工程實(shí)踐提供支持。

1 光伏電站組件和運(yùn)行方式組合及其容量?jī)?yōu)化配置方法和模型

光伏電站可采取多類(lèi)型組件和多種運(yùn)行方式組合的開(kāi)發(fā)方案，其中光伏組件包括單晶硅、多晶硅、非晶硅、銅銦鎵硒和碲化鎘等類(lèi)型，運(yùn)行方式包括固定傾角、季節(jié)調(diào)角、單或雙軸跟蹤等。由于光伏電站發(fā)電特性受區(qū)域光伏資源屬性、組件固有發(fā)電特性、運(yùn)行方式的共同影響，同時(shí)其建設(shè)和運(yùn)維成本也與組件成本、運(yùn)行方式配套裝置成本、占地面積相關(guān)。因此，綜合考慮上述因素，提出組件和運(yùn)行方式組合及其容量?jī)?yōu)化配置方法和模型。

1.1 組件和運(yùn)行方式組合優(yōu)選

組件和運(yùn)行方式組合優(yōu)選首先須確定同類(lèi)型組合的最佳選擇，比如固定式的最佳傾角。由于同類(lèi)型組合的光伏系統(tǒng)初始投資相同，僅在安裝傾角和跟蹤范圍方面存在區(qū)別。因此依據(jù)實(shí)測(cè)發(fā)電量、占地面積和土地價(jià)格信息，計(jì)算得出所有同類(lèi)型組合的光伏系統(tǒng)的發(fā)電收益和土地成本的差值，差值最大的組合即為此種類(lèi)型的最佳選擇。

式中:Si為第i種組合單位容量的光伏系統(tǒng)發(fā)電收益和土地成本支出的差值；Qi為第i種組合單位容量的光伏系統(tǒng)的年發(fā)電量；J為光伏電站所屬資源區(qū)的上網(wǎng)電價(jià)；Ai為第i種組合單位容量的光伏系統(tǒng)的占地面積；L為單位面積土地的成本。

需強(qiáng)調(diào):不同組合的占地面積將依據(jù)冬至日9:00-15:00不遮擋的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算得出。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)大規(guī)模并網(wǎng)光伏電站基本都集中在西北、華北地區(qū)[11]，如本文研究的光伏實(shí)證基地即位于青海共和，該區(qū)域的全年天氣類(lèi)型中，晴天占據(jù)主導(dǎo)地位。在確定所有同類(lèi)型組合的最佳選擇后，依據(jù)時(shí)間占比最大的晴天的典型日出力數(shù)據(jù)，計(jì)算不同類(lèi)型組合的光伏系統(tǒng)間的出力互補(bǔ)系數(shù)，并依據(jù)出力互補(bǔ)系數(shù)確定最終的組合方案。出力互補(bǔ)系數(shù)為

式中:Eco為互補(bǔ)系數(shù)；r為皮爾遜相關(guān)系數(shù)；Xi，Yi

1.2 融合優(yōu)選方案的容量?jī)?yōu)化配置模型

綜合考慮組件和運(yùn)行方式組合的光伏系統(tǒng)出力特性、電站衰減特征、區(qū)域典型天氣特征、電站開(kāi)發(fā)的土地成本和建設(shè)運(yùn)維成本等，建立融合優(yōu)選方案的容量?jī)?yōu)化配置數(shù)學(xué)模型。

1.2.1 目標(biāo)函數(shù)

式中:Wm，d為第m個(gè)季節(jié)的第d種典型天氣的時(shí)間占比，d=1，2，3，d1為晴天，d2為多云，d3為雨天（雪天）；Gm，d，n為第m個(gè)季節(jié)的第d種典型天氣下第灶時(shí)段（5 min/時(shí)段）的光伏系統(tǒng)出力波動(dòng)；暈為光伏電站的總裝機(jī)容量；砸m，d，n，蚤為第m個(gè)季節(jié)的第d種典型天氣下第蚤種組合單位容量的光伏系統(tǒng)在第灶時(shí)段（5 min/時(shí)段）的出力。以上典型天氣類(lèi)型依據(jù)當(dāng)?shù)貧庀蟛块T(mén)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行劃分[12]。

②平準(zhǔn)化度電成本計(jì)算

式中:蘊(yùn)悅韻耘（孕災(zāi)）為光伏電站生命周期內(nèi)的平準(zhǔn)化度電成本；T為正常運(yùn)行年數(shù)；C為光伏電站的初始投資；Ot為光伏電站在第t年的運(yùn)行成本；Mt為光伏電站在第t年的維護(hù)成本；Ft為光伏電站在第t年的利息支出；r為資金的折現(xiàn)率，取值為8%；e為光伏電站的年衰減率；Q為光伏電站的首年衰減后發(fā)電量。

式中:Ci為第i種組合的光伏系統(tǒng)的初始投資；Ui為第i種組合單位容量的光伏系統(tǒng)的初始投資；Ai為第i種組合單位容量的光伏系統(tǒng)的占地面積；L為單位面積土地的成本；Oi，t為第i種組合的光伏系統(tǒng)在第t年的運(yùn)行成本；Vi，t為第i種組合的光伏系統(tǒng)運(yùn)行成本在第t年占初始投資的比例；Mi，t為第i種組合的光伏系統(tǒng)在第t年的維護(hù)成本；Ki，t為第i種組合的光伏系統(tǒng)維護(hù)成本在第t年占初始投資的比例；Qi為第i種組合的光伏系統(tǒng)的首年衰減后發(fā)電量；Dm為第m個(gè)季節(jié)的天數(shù)。

1.2.2 約束條件

容量平衡約束:

圓研究實(shí)例

2.1 共和光伏實(shí)證基地概況介紹

百兆瓦共和光伏實(shí)證基地位于青海海南藏族自治州共和光伏產(chǎn)業(yè)園內(nèi)，于2016年6月16日并網(wǎng)發(fā)電，上網(wǎng)電價(jià)為0.95元/（kW·h）。安裝6類(lèi)共計(jì)15種組件和運(yùn)行方式組合的光伏陣列比對(duì)區(qū)如表1所示，該對(duì)比區(qū)均采用晶硅類(lèi)型組件以及華為50 kW組串式逆變器。

表1 實(shí)證基地光伏陣列組件和運(yùn)行方式組合Table 1 Combinations of module and operation mode in PV demonstration base

青海省地處高原大陸性氣候，根據(jù)2018年氣象統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，實(shí)證基地的晴天、多云和雨（雪）天三種典型天氣各季度時(shí)間占比如表2所示。

表2 實(shí)證基地2018年各季節(jié)典型天氣占比Table 2 Proportion of typical weather in each season of the demonstration base in 2018%

各組合單位kW的光伏系統(tǒng)的年發(fā)電量以及占地面積如圖1所示。

圖1 各組件和運(yùn)行方式組合單位kW的光伏系統(tǒng)的年發(fā)電量及占地面積Fig.1 Annual power generation and area per kW of PV system of each combination of module and operation mode

根據(jù)《光伏制造行業(yè)規(guī)范條件》2018版規(guī)定[13]，多晶硅和單晶硅電池組件的衰減率從第二年開(kāi)始，每年衰減率不高于0.7%，因此在計(jì)算中選取年衰減率為0.7%。實(shí)證基地所處區(qū)域的土地類(lèi)型為未利用地，年租賃費(fèi)用為0.6元/m2，本文計(jì)算中將25 a土地租賃費(fèi)用一次性支出，即15元/m2。

2.2 組件和運(yùn)行方式組合優(yōu)選方案

各組件和運(yùn)行方式組合的光伏系統(tǒng)的年發(fā)電收益和土地年利用成本的差值如圖2所示。結(jié)果表明，F(xiàn)T33，IA25，HA55和VA33分別為同類(lèi)型最優(yōu)組合。由于TS和FS的光伏系統(tǒng)的年發(fā)電量與FT33相比無(wú)顯著增益，且初始投資和運(yùn)維成本均較高，故棄選。HDI60和DA的光伏系統(tǒng)的年發(fā)電量相比FT33增益顯著，因此選取FT33，IA25，HA55，VA33，HDI60和DA共計(jì)6種組合的光伏系統(tǒng)進(jìn)行典型晴天出力互補(bǔ)性的分析。

圖2 各組件和運(yùn)行方式組合的光伏系統(tǒng)的年發(fā)電收益和土地年利用成本的差值Fig.2 Difference between annual power generation income and land cost in different PV systems of combinations of module and operation mode

初選的6種組合的光伏系統(tǒng)在典型晴天的出力互補(bǔ)系數(shù)如圖3所示。結(jié)果表明:VA33的光伏系統(tǒng)出力與其余組合的互補(bǔ)性均較差，因此不予選擇。FT33，IA25，HA55，HDI60和DA共計(jì)5種組合為最終優(yōu)選方案，對(duì)應(yīng)的光伏系統(tǒng)初始投資成本以及運(yùn)行維護(hù)成本如圖4所示。

圖3 初選的6種組合的光伏系統(tǒng)間的典型晴天出力互補(bǔ)系數(shù)Fig.3 Complementary coefficient of output in typical sunny day for primary six PV systems of combinations

圖4 最優(yōu)組合單位kW的光伏系統(tǒng)的初始投資和運(yùn)行維護(hù)成本Fig.4 Initial investment cost，operation and maintenance cost per kW of the optimal selected PV systems of combinations

2.3 融合優(yōu)選方案的容量?jī)?yōu)化配置方案

光伏電站裝機(jī)容量為100 MW，且使用壽命為25 a時(shí)，容量?jī)?yōu)化配置模擬結(jié)果為:FT33占比42.96%，HA55占比26.44%，IA25占比17.50%，DA占比9.22%，HDI60占比3.88%。最優(yōu)容量配比下光伏電站在典型晴天、多云和雨（雪）天的日內(nèi)出力如圖5所示。

圖5 最優(yōu)容量配比下光伏電站在典型晴天、多云以及雨（雪）天的日內(nèi)出力Fig.5 Daily output of photovoltaic plant under the optimal capacity allocation of typical weather

相比各組件和運(yùn)行方式組合的光伏系統(tǒng)單獨(dú)運(yùn)行時(shí)，最優(yōu)容量配比下光伏系統(tǒng)在典型晴天、多云以及雨（雪）天的波動(dòng)削減和整年的波動(dòng)削減情況如圖6所示。結(jié)果表明:HA55的光伏系統(tǒng)的年發(fā)電量較大且波動(dòng)率較低，F(xiàn)T33的光伏系統(tǒng)的波動(dòng)率較低且初期投資成本較低，二者均是光伏電站運(yùn)行方式的主要選擇，容量配置比例之和可接近70%；典型晴天日出力過(guò)程平滑穩(wěn)定，太陽(yáng)輻照和陣列運(yùn)行方式共同決定光伏系統(tǒng)的出力特征；多云和雨（雪）天光伏系統(tǒng)的日出力過(guò)程因受天氣要素變化影響仍呈現(xiàn)明顯波動(dòng)特征；最優(yōu)容量配比下光伏系統(tǒng)整年的波動(dòng)削減達(dá)34.63%～50.97%，可使光伏電站輸出的有功功率更為平緩。

圖6 最優(yōu)容量配比下光伏系統(tǒng)在典型晴天、多云以及雨（雪）天的波動(dòng)削減和整年的波動(dòng)削減Fig.6 Fluctuation reduction of PV system of the optimal capacity allocation in typical weather and all year

計(jì)算最優(yōu)容量配比下及各組合的光伏系統(tǒng)單獨(dú)運(yùn)行時(shí)的電站平準(zhǔn)化度電成本和全生命周期25 a內(nèi)的年均發(fā)電量如表3所示。

表3 最優(yōu)容量配比下及各組合的光伏系統(tǒng)單獨(dú)運(yùn)行時(shí)電站平準(zhǔn)化度電成本和年均發(fā)電量Table 3 Levelized kilowatt-hour cost of photovoltaic plant and annual average power generation of PV system of the single combination and the optimal capacity allocation

由表3可以看出，各組合的光伏系統(tǒng)單獨(dú)運(yùn)行時(shí)，F(xiàn)T33的度電成本最低，DA的度電成本最高。HA55的光伏系統(tǒng)度電成本較低且出力波動(dòng)較小，若同時(shí)考慮出力波動(dòng)和度電成本，其是光伏電站所有組合中的最佳選擇。

光伏電站在最優(yōu)容量配比下的度電成本比FT33的光伏系統(tǒng)單獨(dú)運(yùn)行時(shí)增加18.38%，但出力波動(dòng)削減達(dá)34.63%，并且年均發(fā)電量也增加5.69%。相比其余組合的光伏系統(tǒng)單獨(dú)運(yùn)行時(shí)，最優(yōu)容量配比下的光伏系統(tǒng)出力波動(dòng)削減可達(dá)39.83%～50.97%，且度電成本下降7.81%～10.31%。因此，提出的最優(yōu)容量配置方案合理可行。

2.4 容量配置影響因素的敏感性分析

考慮土地價(jià)格對(duì)容量配置結(jié)果的影響，不同土地價(jià)格下的容量配置方案及其對(duì)應(yīng)的平均波動(dòng)削減率如圖7所示。隨著土地價(jià)格升高，單位容量占地面積小的運(yùn)行方式的容量配比逐漸增加，其他運(yùn)行方式的容量配比將逐漸減少，其中斜單軸跟蹤式降幅尤為顯著。對(duì)于黃河上游區(qū)域，當(dāng)土地價(jià)格逐漸升高時(shí)，由于FT33和HA55單位面積的投資效益較大幅度高于其余組合，所以二者的容量配比之和逐漸增加，同時(shí)由于僅二者的容量配置無(wú)法滿(mǎn)足在不同天氣下波動(dòng)削減的需求，因此容量配置方案最終趨于穩(wěn)定。此外，F(xiàn)T33和HA55的光伏系統(tǒng)的波動(dòng)率均低于其余組合，因此隨著土地價(jià)格升高，最優(yōu)容量配比方案對(duì)應(yīng)的出力平均波動(dòng)削減率逐漸增加且趨于穩(wěn)定。

圖7 不同土地年利用價(jià)格下的容量配置方案及其對(duì)應(yīng)的平均波動(dòng)削減率Fig.7 The average fluctuation reduction of capacity allocation schemes and optimal capacity allocation under differentland prices

考慮初始投資成本和運(yùn)行維護(hù)成本變化對(duì)容量配置結(jié)果的影響，二者變化時(shí)最優(yōu)容量配比如圖8所示。

圖8 初始投資成本和運(yùn)行維護(hù)成本等幅下降與容量配置關(guān)系Fig.8 Relationship between initial investment cost，operation and maintenance cost and capacity allocation

結(jié)果表明，在共和光伏產(chǎn)業(yè)園區(qū)域，進(jìn)一步等幅降低初始投資成本和運(yùn)行維護(hù)成本對(duì)容量配置結(jié)果影響較小，但能降低光伏電站的平準(zhǔn)化度電成本，提高光伏電站的經(jīng)濟(jì)性和競(jìng)爭(zhēng)力。根據(jù)國(guó)家發(fā)改委正式發(fā)布的2020年光伏電價(jià)政策，共和實(shí)證基地屬于二類(lèi)資源區(qū)，對(duì)應(yīng)上網(wǎng)指導(dǎo)電價(jià)為0.4元/（kW·h）。因此，若要實(shí)現(xiàn)光伏電站盈利，實(shí)證基地初始投資成本降幅須達(dá)到30%。

3 結(jié)論

針對(duì)降低大規(guī)模并網(wǎng)光伏電站的出力波動(dòng)問(wèn)題，本文提出了一種考慮光伏組件和運(yùn)行方式組合的容量?jī)?yōu)化配置方法和模型。該模型考慮光伏系統(tǒng)的出力特性、初始投資、運(yùn)行維護(hù)成本以及土地成本等因素，并進(jìn)行了實(shí)例驗(yàn)證，得到以下結(jié)論如下。

①利用各組合的光伏系統(tǒng)間的出力互補(bǔ)系數(shù)篩選出最優(yōu)組合并進(jìn)行容量?jī)?yōu)化配置，可降低光伏電站的出力波動(dòng)。實(shí)例研究方案中光伏電站的出力波動(dòng)削減率達(dá)34.63%～50.97%，平準(zhǔn)化度電成本降低7.81%～10.31%。

②各組合單位容量的光伏系統(tǒng)的占地面積、發(fā)電量和土地成本共同影響容量?jī)?yōu)化配置決策方案。隨著土地價(jià)格升高，固定最優(yōu)傾角式的容量配比逐漸增加。

③初始投資成本至少需要降低30%方可使實(shí)證基地平準(zhǔn)化度電成本小于該地區(qū)最新上網(wǎng)指導(dǎo)電價(jià)。