光伏發電系統容配比分析

趙 鷹 盧海勇

上海電力設計院有限公司

0 引言

近年來，國內光伏發電行業取得了舉世矚目的快速發展，連續多年新增裝機容量和累計裝機容量位居全球第一。隨著光伏發電系統的不斷進步，也對光伏發電行業的發展提出了系統效率高，系統可靠性高，綜合造價低，度電成本低，實現平價上網［1］的要求。

事實上，由于地區間太陽能資源、氣象條件和地理環境的差異，相同配置的光伏發電系統在不同區域的出力情況也相差很大。即便是國內I類資源區的光伏發電系統，在系統投運后的首年，光伏發電系統的實際輸出功率基本都低于交流側功率標稱值。而考慮到光伏組件的衰減，在光伏發電系統運行的全壽命周期內，上網功率遠低于交流側功率標稱值。因而，國內光伏發電站的實際出力低于傳統意義上的“電站容量”出力。此類情況一方面降低了光伏發電系統中設備的利用率，另一方面也導致了光伏發電系統投資增加、全周期上網發電量不高和度電成本高［2］。

由于我國太陽能資源分布不均勻，太陽能資源迥異，不同區域的光伏發電系統出力差異很大，其直流/交流最佳配比也不相同。本文通過研究一個工程實例的不同容配比情況，計算此區域項目全壽命周期的最低度電成本，旨在助力此區域大規模光伏發電系統優化工作［3-4］。

1 工程概述

項目基地位于西北沙漠腹地，海拔高度約1 120～1 160 m?？傮w裝機容量為2 000 MW，擬建光伏場址區域內占地面積約6 666．67 hm2。

采用METEONORM計算軟件對場址所在地的太陽能輻射計算，1990-2010年多年平均輻射量為1 652 kWh/m2。該站址所在地太陽能資源豐富程度屬于B級地區，太陽能資源豐富，適合建設并網發電項目。

基于可研初設階段的技術方案，項目主要以固定式為主。因此，本階段以固定式方案進行容配比研究。光伏發電系統的總投資構成主要考慮組件價格、支架/樁基、電氣設備、電纜、施工費用、土地費用和其他費用［5-6］。在計算不同直流/交流比的總投資時，主要基于以下假設條件：

1）電氣設備投資、施工費用（不含組件、支架、樁基安裝）和項目其他費用不變;

2）組件、支架+樁基、電纜（含安裝）投資、土地費用、場地整理和生態治理隨直流側容量增加。

此外,通過PVsyst軟件模擬不同容配比下的25年發電量，通過對所有投資及發電量進行折現處理，計算項目全壽命周期度電成本［7］。

平準化度電成本指標按以下公式計算：

式中：

i——折現率（%）；

n——系統運行年數（n=1,2,……，N）；

N——光伏發電系統評價周期，單位：年；

I0——靜態初始投資，單位：元；

It——項目增值稅抵扣，單位：元；

VR——光伏系統殘值，單位：元；

Mn——第n年運營成本；

Yn——年上網電量，單位：kWh。

光伏發電系統容配比優化計算需考慮地理位置、地形條件、太陽能資源條件、組件選型、安裝類型、布置方式、逆變器性能、建設成本、光伏方陣至逆變器或并網點的各項損耗、電網需求等因素，經過技術性和經濟性比選后確定。容配比優化分析宜使用試算法進行計算，宜從低到高選取容配比進行多點計算，得出最優容配比，其優化計算流程見圖1［8-9］。

圖1 光伏發電系統容配比優化計算流程圖

2 計算過程及結果

通過光伏發電系統容配比優化計算后，得出以下結果：

1）占地面積

本次光伏發電項目分析計算按640個方陣2 016 MW容量考慮。根據實際布置占地約34畝/MWp進行估算，可得到上述區域的占地面積，見表1。

2）總投資費用

在本區域，當交流側容量為2 016 MW、直流側容量分別為2 016 MWp、2 217．6 MWp、2 419．2 MWp、2 520 MWp、2 620．8 MWp、2 721．6 MWp、2 822．4 MWp、2 923．2 MWp時，光伏發電項目各浮動分項單位投資見表2。表2中組件的價格按2．15元/Wp計算，土地費用按200元/年/畝計算，將25年土地費用折現至首年，項目建設管理費用按0．089元/Wp計算。

可計算得到不同直流側容量時，光伏發電項目的浮動分項單位投資見表2，光伏發電項目的總投資見表3。

項目運維費用包含材料費用、其他費用、土地租賃費用、人員工資及福利、修理費、保險費用等，其取費標準見表4。

經計算后項目運維費用見表5。

經計算后項目總成本現值見表6。

3）發電量計算結果

采用PVSYST 6．8．6版本軟件，按照國內常用單晶硅光伏組件的衰減情況，針對不同直流/交流比時系統的25年上網發電量進行計算，不同直流/交流比時系統的25年上網發電量計算結果見表7。

4）度電成本計算

按照本文第1部分論述的項目全壽命周期度電成本計算方法，度電成本按照項目總投資除以25年累計發電量進行計算，計算結果見表8。

表1 不同直流側容量時的光伏發電項目的占地面積（單位：畝）

表2 光伏發電項目的浮動分項單位投資

表3 光伏發電項目的總投資

表4 光伏發電項目的運維取費標準

表5 光伏發電項目的運維費

表6 光伏發電項目總成本

表7 不同直流/交流比時上網發電量（單位：MWh）

表8 不同直流/交流比時，各區域的度電成本

3 結果分析

1）項目建設成本分析

由表2可以看出，光伏發電系統的總投資隨著直流/交流比的增加而增加。此外，組件的費用占項目總投資的比例較高，以直流/交流比為1:1為例，占總投資比為42．5%；隨著直流/交流比增加，組件的費用占項目總投資的比例增加，以直流/交流比1．45為例，占比為45．0%。

由表2和表3可見，當直流/交流比為1時，系統的單瓦投資為4．88元/Wp，當直流/交流比為1．45時，系統的單瓦投資為4．66元/Wp。這是由于直流容量的增加，光伏發電系統“固定部分”并未變化。因此，增加直流/交流比值，可以降低項目單位投資（均按直流側計算）。不同直流/交流比時，系統單位投資見圖2。

圖2 不同直流/交流比時系統單位投資

2）項目發電量分析

由表7可見，對于不同的光伏發電系統直流/交流比，直流端容量較高的系統首年發電量高，但容配比較高時，增加的容量部分發電效率明顯降低。由表7及表9可見，隨著直流/交流比的增加，光伏發電系統的25年累計上網電量增加，但相較于直流/交流比，單位系統容量的發電量增加值降低（當容配比超過1．2時）。不同直流/交流比時，運行期年平均發電量見表10。

表9 不同直流/交流比時，增加容量發電效率分析

表10 不同直流/交流比時，運行期年平均發電量

3）度電成本分析

由表8可見，對于不同的容配比進行度電成本分析，可見本項目最低度電成本下的容配比方案，此外，從圖3中可見，在1．2～1．4容配比之間，度電成本都比較低，在1．4以上容配比下，系統限發較為嚴重，不適合本項目雙面組件的方案，而容配比低于1．2時，度電成本較高，不利于項目全壽命周期下的投資收益。

圖3 不同直流/交流比時，各區域的度電成本

綜上所述，本工程容配比最低在1．3左右，但可以依據項目具體情況在1．2～1．4容配比之間選擇合適條件進行項目實施。

4 結論

通過對比研究，對項目光伏發電系統在不同直流/交流比時的項目投資、發電量和度電成本進行了分析計算，分析計算結果和主要結論如下：

1）增加系統的直流/交流比值，可以降低系統單位投資（按直流側計算）；

2）隨著系統直流/交流比的增加，光伏發電系統的發電量增加，但相比于首年，系統增加的發電量比例降低；

3）隨著直流/交流比增加，系統的度電成本呈現先降低再升高的情況，存在一個最優直流/交流比；

4）可研階段的光伏發電系統直流/交流比未考慮項目全壽命周期的情況，存在一定的優化空間，但1．2的容配比下度電成本也較低，具體實施階段可視情況選取。