光伏发电系统容配比分析

赵 鹰 卢海勇

上海电力设计院有限公司

0 引言

近年来，国内光伏发电行业取得了举世瞩目的快速发展，连续多年新增装机容量和累计装机容量位居全球第一。随着光伏发电系统的不断进步，也对光伏发电行业的发展提出了系统效率高，系统可靠性高，综合造价低，度电成本低，实现平价上网［1］的要求。

事实上，由于地区间太阳能资源、气象条件和地理环境的差异，相同配置的光伏发电系统在不同区域的出力情况也相差很大。即便是国内I类资源区的光伏发电系统，在系统投运后的首年，光伏发电系统的实际输出功率基本都低于交流侧功率标称值。而考虑到光伏组件的衰减，在光伏发电系统运行的全寿命周期内，上网功率远低于交流侧功率标称值。因而，国内光伏发电站的实际出力低于传统意义上的“电站容量”出力。此类情况一方面降低了光伏发电系统中设备的利用率，另一方面也导致了光伏发电系统投资增加、全周期上网发电量不高和度电成本高［2］。

由于我国太阳能资源分布不均匀，太阳能资源迥异，不同区域的光伏发电系统出力差异很大，其直流/交流最佳配比也不相同。本文通过研究一个工程实例的不同容配比情况，计算此区域项目全寿命周期的最低度电成本，旨在助力此区域大规模光伏发电系统优化工作［3-4］。

1 工程概述

项目基地位于西北沙漠腹地，海拔高度约1 120～1 160 m。总体装机容量为2 000 MW，拟建光伏场址区域内占地面积约6 666．67 hm2。

采用METEONORM计算软件对场址所在地的太阳能辐射计算，1990-2010年多年平均辐射量为1 652 kWh/m2。该站址所在地太阳能资源丰富程度属于B级地区，太阳能资源丰富，适合建设并网发电项目。

基于可研初设阶段的技术方案，项目主要以固定式为主。因此，本阶段以固定式方案进行容配比研究。光伏发电系统的总投资构成主要考虑组件价格、支架/桩基、电气设备、电缆、施工费用、土地费用和其他费用［5-6］。在计算不同直流/交流比的总投资时，主要基于以下假设条件：

1）电气设备投资、施工费用（不含组件、支架、桩基安装）和项目其他费用不变;

2）组件、支架+桩基、电缆（含安装）投资、土地费用、场地整理和生态治理随直流侧容量增加。

此外,通过PVsyst软件模拟不同容配比下的25年发电量，通过对所有投资及发电量进行折现处理，计算项目全寿命周期度电成本［7］。

平准化度电成本指标按以下公式计算：

式中：

i——折现率（%）；

n——系统运行年数（n=1,2,……，N）；

N——光伏发电系统评价周期，单位：年；

I0——静态初始投资，单位：元；

It——项目增值税抵扣，单位：元；

VR——光伏系统残值，单位：元；

Mn——第n年运营成本；

Yn——年上网电量，单位：kWh。

光伏发电系统容配比优化计算需考虑地理位置、地形条件、太阳能资源条件、组件选型、安装类型、布置方式、逆变器性能、建设成本、光伏方阵至逆变器或并网点的各项损耗、电网需求等因素，经过技术性和经济性比选后确定。容配比优化分析宜使用试算法进行计算，宜从低到高选取容配比进行多点计算，得出最优容配比，其优化计算流程见图1［8-9］。

图1 光伏发电系统容配比优化计算流程图

2 计算过程及结果

通过光伏发电系统容配比优化计算后，得出以下结果：

1）占地面积

本次光伏发电项目分析计算按640个方阵2 016 MW容量考虑。根据实际布置占地约34亩/MWp进行估算，可得到上述区域的占地面积，见表1。

2）总投资费用

在本区域，当交流侧容量为2 016 MW、直流侧容量分别为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时，光伏发电项目各浮动分项单位投资见表2。表2中组件的价格按2．15元/Wp计算，土地费用按200元/年/亩计算，将25年土地费用折现至首年，项目建设管理费用按0．089元/Wp计算。

可计算得到不同直流侧容量时，光伏发电项目的浮动分项单位投资见表2，光伏发电项目的总投资见表3。

项目运维费用包含材料费用、其他费用、土地租赁费用、人员工资及福利、修理费、保险费用等，其取费标准见表4。

经计算后项目运维费用见表5。

经计算后项目总成本现值见表6。

3）发电量计算结果

采用PVSYST 6．8．6版本软件，按照国内常用单晶硅光伏组件的衰减情况，针对不同直流/交流比时系统的25年上网发电量进行计算，不同直流/交流比时系统的25年上网发电量计算结果见表7。

4）度电成本计算

按照本文第1部分论述的项目全寿命周期度电成本计算方法，度电成本按照项目总投资除以25年累计发电量进行计算，计算结果见表8。

表1 不同直流侧容量时的光伏发电项目的占地面积（单位：亩）

表2 光伏发电项目的浮动分项单位投资

表3 光伏发电项目的总投资

表4 光伏发电项目的运维取费标准

表5 光伏发电项目的运维费

表6 光伏发电项目总成本

表7 不同直流/交流比时上网发电量（单位：MWh）

表8 不同直流/交流比时，各区域的度电成本

3 结果分析

1）项目建设成本分析

由表2可以看出，光伏发电系统的总投资随着直流/交流比的增加而增加。此外，组件的费用占项目总投资的比例较高，以直流/交流比为1:1为例，占总投资比为42．5%；随着直流/交流比增加，组件的费用占项目总投资的比例增加，以直流/交流比1．45为例，占比为45．0%。

由表2和表3可见，当直流/交流比为1时，系统的单瓦投资为4．88元/Wp，当直流/交流比为1．45时，系统的单瓦投资为4．66元/Wp。这是由于直流容量的增加，光伏发电系统“固定部分”并未变化。因此，增加直流/交流比值，可以降低项目单位投资（均按直流侧计算）。不同直流/交流比时，系统单位投资见图2。

图2 不同直流/交流比时系统单位投资

2）项目发电量分析

由表7可见，对于不同的光伏发电系统直流/交流比，直流端容量较高的系统首年发电量高，但容配比较高时，增加的容量部分发电效率明显降低。由表7及表9可见，随着直流/交流比的增加，光伏发电系统的25年累计上网电量增加，但相较于直流/交流比，单位系统容量的发电量增加值降低（当容配比超过1．2时）。不同直流/交流比时，运行期年平均发电量见表10。

表9 不同直流/交流比时，增加容量发电效率分析

表10 不同直流/交流比时，运行期年平均发电量

3）度电成本分析

由表8可见，对于不同的容配比进行度电成本分析，可见本项目最低度电成本下的容配比方案，此外，从图3中可见，在1．2～1．4容配比之间，度电成本都比较低，在1．4以上容配比下，系统限发较为严重，不适合本项目双面组件的方案，而容配比低于1．2时，度电成本较高，不利于项目全寿命周期下的投资收益。

图3 不同直流/交流比时，各区域的度电成本

综上所述，本工程容配比最低在1．3左右，但可以依据项目具体情况在1．2～1．4容配比之间选择合适条件进行项目实施。

4 结论

通过对比研究，对项目光伏发电系统在不同直流/交流比时的项目投资、发电量和度电成本进行了分析计算，分析计算结果和主要结论如下：

1）增加系统的直流/交流比值，可以降低系统单位投资（按直流侧计算）；

2）随着系统直流/交流比的增加，光伏发电系统的发电量增加，但相比于首年，系统增加的发电量比例降低；

3）随着直流/交流比增加，系统的度电成本呈现先降低再升高的情况，存在一个最优直流/交流比；

4）可研阶段的光伏发电系统直流/交流比未考虑项目全寿命周期的情况，存在一定的优化空间，但1．2的容配比下度电成本也较低，具体实施阶段可视情况选取。