不同容量光伏发电单元的技术经济对比分析

陈 贶 王 亮 王满仓

(中国恩菲工程技术有限公司， 北京 100038)

新能源

不同容量光伏发电单元的技术经济对比分析

陈 贶 王 亮 王满仓

(中国恩菲工程技术有限公司， 北京 100038)

针对500 kWp、630 kWp，1 MWp和2 MWp 不同容量光伏发电单元的技术特点、材料使用和设备配置等，对其初始投资、运行费用、电能损耗等方面进行了技术经济对比分析，并根据相关技术和设备的发展趋势，对其技术经济变化进行了预测。

光伏发电单元； 容量； 技术经济分析； 预测

目前，大、中型地面光伏电站通常选用1 MWp发电单元，包括两台500 kW逆变器，同时也存在500 kW，630 kW或2 MW发电单元。而国内外对光伏电站发电单元的装机容量并没有严格规定。由于光伏电站具有重复率高，规模大，运行时间长等特点，本文以4种发电单元为背景建立数学模型，综合初始投资、运行维护和降低损耗等方面因素对发电单元装机容量进行技术经济分析。

1 建立模型

为了确保技术经济比较的客观性和科学性，需做以下假设：

(1)组件均采用38°固定倾角安装，安装支架、基础方式相同，组件串前、后、左、右之间间距相同，前后排间距9.5 m；500 kWp发电单元占地约105×110 m，630 kWp发电单元占地约130×110 m，1 MWp发电单元占地约170×130 m，2 MWp发电单元占地约260×160 m。由于占地面积基本与装机容量成比例，土地费用的影响予以忽略。

(2)采用相同品牌和型号的支架、组件、汇流箱、直流柜、逆变器和其余辅材等。

(3)采用相同的光伏系统设计方案，如20块组件为1个组件串，采用1组支架等；每个发电单元在中心位置设1间逆变器室。

(4)组件至汇流箱电缆采用1×4 mm2光伏电缆；汇流箱至直流柜电缆采用2×70 mm2光伏电缆；变压器输出高压电缆采用3×50 mm2高压电缆，并采用“T”接式连接方式。

(5)其余辅材、支架基础等由于折算到1 MWp后数量相同，对造价影响很小，予以忽略，4种发电单元主要设备及配置如表1所示。

表1 4种发电单元主要设备及配置表[1]

2 初始投资比较

根据表1可知，4种发电单元仅在汇流箱、动力箱、通信柜、光伏电缆、直流电缆、高压电缆头、逆变器室等方面有差异。采用相同的定额和标准，仅对有差异的设施设备进行投资测算，得出4种发电单元的初始投资情况，如表2所示。

表2 初始投资费用比较表 单位：万元

3 运营成本比较

变压器的运营成本指变压器运行期间所花费的费用总和，包括能耗费、人工费、维护保养费及其他费用。能耗费计算参见本文4.1节；由于光伏电站各发电单元均无人值班，且500 kWp、630 kWp、1 MWp和2 MWp发电单元组成电站的人员配备相同，不予考虑。由表1知，4种不同容量发电单元的区别主要在电缆长度和变压器配置方面。本文主要从变压器维护费、电缆维护费和中断供电损失电能3个方面进行分析[2]。

3.1 电缆维护费

参照国家电网有关线路维护的管理办法，输电线路的维护费用一般按线路长度计算。光伏电站内电缆电线维护费也与其消耗的电缆总长度成正比，因不同容量发电单元电缆消耗差别主要为1×4 mm2光伏电缆和2×70 mm2直流电缆，根据多年运行经验和电站运维实际成本，1×4 mm2光伏电缆的维护费用大约为2元/月·km；2×70 mm2直流电缆的维护费用大约为10元/月·km。由此可估算出1 MWp各自电缆维护费用如表3所示。

表3 电缆维护费用比较表 单位：元

3.2 汇流箱和电气盘柜维护费

光伏电站内汇流箱和电气盘柜维护费与安装数量成正比，因不同容量发电单元的差别在汇流箱、动力箱、通讯柜，根据多年运行经验和电站运维实际成本，汇流箱的维护费用约为160元/年·台；动力箱的维护费用大约为240元/年·台，通讯柜的维护费用大约为240元/年·台。由此可估算出各发电单元1 MWp电气盘柜维护费用如表4所示。

表4 盘柜维护费用比较表 单位：元

3.3 变压器修理费

由于光伏电站具有变压器型号统一、数量确定的特点，适合采用等效大修台数法进行分析，根据公式(1)～(4)[3]：

nBS=NB(1+KB1)

(1)

nBD=KB2nBS

(2)

nBZ=KB3(nBS-nBD)

(3)

nB=(nBDHBD+nBZHBZ)/HBD

(4)

式中：nBS——计算选用的变压器数量；NB——实际安装变压器台数。根据4种不同发电单元的变压器的配备情况，500 kWp发电单元该值取2，630 kWp发电单元该值取1.59，1 MWp和2 MWp发电单元该值取1；

KB1——未预见系数，取0.05；

nBD——变压器大修台数；

KB2——变压器大修率，取0.04；

nBZ——变压器中修台数；

KB3——变压器中修率，取0.10；

HBD——变压器大修工时，500 kVA变压器取200 h，630 kVA变压器取250 h，1 MVA变压器取380 h；

HBZ——变压器中修工时，500 kVA变压器取70 h，630 kVA变压器取90 h，1 MVA变压器取140 h。

由此可分别得出不同容量发电单元的变压器年均等效大修台数和维修费，见表5。

3.4 年中断发电损失

由于光伏电站的特点，电缆和变压器维修期间中断发电，直接造成损失。电缆和变压器维修造成的年中断供电损失成本可用公式(5)进行估算。计算均假设维修在白天进行，与光伏发电时间重合，不考虑夜间加班，结果见表6。

表5 变压器维修费比较表

Q=QD+QG+QB=PDTD+PGTG+PBTB

(5)

式中：Q——1 MWp年中断发电量损失，单位kW；

QD、QG、QB——分别表示电缆维修、盘柜维修、变压器维修造成每兆瓦年均中断发电量损失，单位kW。电缆维修和盘柜维修暂缺实际数据。该两部分对输电能力的影响较小，且对于4种发电单元而言，二者之间是反线性关系，存在部分费用抵消，本文予以忽略；

PB——变压器平均有功功率。由于光伏电站发电的特点，假设平均每天发电8 h，则平均效率η=[150/(1×365×8)]×100%=51.37%，得出500 kVA变压器平均功率PB=500×51.37%=256.85 kW；630 kVA变压器平均功率PB=630×51.37%=323.63 kW；1 MVA变压器平均功率PB=1 000×51.37%=513.70 kW；

TD——电缆维修时间，h；

TB——变压器维修时间，TB=nBS×HBD，HBD可参见本文3.3节。

4 电能损耗比较

假定当地日照时间峰值为1 500h，1MWp光伏组件年均上网发电量按150万kW·h计算，光伏组件最大工作电流取8.2A。以下计算均折算到1MWp容量。

表6 变压器维修中断发电损失比较表

4.1 变压器损耗电量比较

根据某品牌500 kVA、630 kVA和1 000 kVA变压器的参数，500 kVA变压器空载损耗0.75 kW，负载损耗7.35 kW，630 kVA变压器空载损耗0.87 kW，负载损耗8.30 kW，1 000 kVA变压器空载损耗1.20 kW，负载损耗12.00 kW。变压器平均有功效率根据以上计算结果取51.37%，分别计算出三种变压器的平均有功效率为98.95%、99.05%和99.15%，从而能得出每年500 kVA变压器比1 000 kVA变压器多损耗电能ΔQt=1 500 000×(99.15%-98.95%)=3 000 kW·h；每年630 kVA变压器比1 000 kVA变压器多损耗电能ΔQt=1 500 000×(99.15%-99.05%)=1 500 kW·h

4.2 直流电缆电能损耗比较

根据表1中材料和设备的差别以及直流电缆电能损耗的理论可知直流电缆损耗与光伏电缆和直流电缆长度成线性关系。

4.3 高压交流电缆电能损耗比较

由于500 kWp、630 kWp、1 MWp和2 MWp容量发电单元使用的高压电缆长度折算到1 MWp后分别是150 m、150 m、145 m、140 m，差别很小，予以忽略。

5 总体技术经济分析

汇总以上初始投资、运营成本、电能损耗等对比结果，以1 MWp发电单元为基准，按标杆电价0.9元/kW·h，运营20年，财务净现率8%进行计算，得出表8。从表8可初步得出：其他条件相同时，630 kWp发电单元成本最低，发电损耗较少，之后依次是500 kVA发电单元和1 MWp单元；2 MWp发电单元成本最高，发电损耗最多。

表7 直流电缆损耗比较表

备注：查电缆手册得出4 mm2光伏电缆和2×70 mm2直流电缆单位千米电阻分别为2.7 Ω/km和0.27 Ω/km；负号表示损耗减少。

表8 4种容量发电单元技术经济对比表

备注：负号表示损耗减少或资金节省；

6 预测

(1)不少厂家已推出MW级集装箱式逆变房，集逆变器、控制柜、直流配电柜、通风等功能于一体，使不同容量发电单元的土建工程差异进一步缩小。

(2)目前，铜价处于低位，导致电缆价格也处于低位，随着经济形势转好，未来电缆价格的回升将进一步加大500 kWp和630 kWp发电单元的初始投资优势。

(3)在分析电能损耗时，由于缺乏实际数据支撑，本文未对组件匹配损失进行分析，但由定性分析可知，500 kWp和630 kWp发电单元因消耗4 mm2光伏电缆较少，使得同一汇流箱内不同回路间组件串电压偏差最小，从而光伏组件的匹配性也越好。实际上，500 kVA和 630 kVA发电单元电能损失优势会进一步明显。

(4)由于当前技术和设备限制，4种发电单元设计均采用500 kW或630 kW逆变器，若将来推出装机容量更大，单瓦造价更低的逆变器，则需进一步分析对比。

通过以上分析可知，随着技术发展和经济形势企稳，在逆变器容量方面没有大的突破情况下，光伏电站发电单元容量不宜过大，以500 kWp和630 kWp为宜。

[1] 中国电力企业联合会主编. GB50797—2012《光伏发电站设计规范》[S].北京：中国计划出版社,2012。

[2] 路石俊. 变电站运营期成本分析[J]. 商场现代化，2010(7)：31-32.

[3] 《钢铁企业电力设计手册》编委会著. 钢铁企业电力设计手册[M]. 北京：冶金工业出版社,2007.

Techno-economic Analysis of Photovoltaic (PV) Power Unit with Different Capacity

CHEN Kuang, WANG Liang, WANG Man-cang

In view of the technical characteristics, materials, facilities and other properties of 500 kWp, 630 kWp, 1 MWp, 2 MWp PV power units, a comparative analysis on the aspects of technology and economy from the investment, operating costs and energy consumption is made. And based on the current development trend of technology and equipment, the techno-economic change is predicted as well.

photovoltaic (PV) power Unit; capacity; techno-economic analysis; predictions

2014-01-15

陈贶(1984—)，男，湖南湘潭人，硕士，工程师，主要从事大型地面光伏电站、分布式光伏电站的设计和建设管理工作。

TK51

A

1008-5122(2014)03-0049-04