平价上网时代下光伏电站的设计优化研究

马庆虎，马 超

(1.天津大学建筑工程学院，天津 300072；2.国家电投集团青海光伏产业创新中心有限公司，西宁 810000)

0 引言

近年来，在太阳电池光电转换效率和光伏组件功率提高、光伏逆变器和升压变等集成设备技术进步，以及光伏电站开发、建设、运维经验积累等因素推动下，光伏电站的平准化度电成本(LCOE)持续下降。除此之外，国家层面也出台了推动光伏电站平价上网的政策。比如：国家发展和改革委员会、国家能源局印发了《关于积极推进风电、光伏发电无补贴平价上网有关工作的通知》(发改能源[2019]19 号)[1]。光伏电站平价上网是主流趋势，影响光伏电站平价上网的主要因素包括项目所在地的太阳能资源条件、综合系统效率、初始投资、贷款利率、光伏组件衰减率、土地成本、运行维护成本、财税政策、电力是否全额收购等[2-3]。本文以青海省共和县某光伏电站为例，从光伏电站的设计优化和主要设备选型2个方面来降低光伏电站的LCOE，通过对光伏组件选型、逆变器匹配性、光伏支架运行方式、容配比等方面进行分析，得出光伏电站单瓦成本或LCOE 较低时的方案。以期通过该方法来优化光伏电站的设计方案，降低其LCOE，提高其发电量，促进光伏电站平价上网。

1 边界条件

以青海省共和县某装机容量为100 MW 的光伏电站(36°01′01′N，100°30′50′E)为例，该光伏电站所在地的海拔高程为2880 m，通过Solargis 网站查询到电站所在地的年太阳辐射量为6400 MJ/m2；光伏组件采用PERC 单晶硅光伏组件，标称功率分别为440、490、540、600 Wp，对应的太阳电池尺寸分别为156、166、182、210 mm；逆变器分别采用500 kW 集中式和196 kW 组串式2 种类型；光伏支架运行方式分别采用固定式光伏支架和平单轴跟踪式光伏支架，材质均选择钢支架；容配比分别采用1.0:1、1.1:1、1.2:1、1.3:1、1.4:1。光伏组件、逆变器、固定式光伏支架、平单轴跟踪式光伏支架、电缆等主要设备的价格按目前市场主流价格进行测算。

2 光伏电站的设计优化分析

2.1 光伏组件选型分析

早期，太阳电池用硅片的尺寸标准主要源自半导体硅片行业，经历了3个阶段：1981—2012年，以100、125 mm 为主；2013—2018年，以156、156.75 mm 为主；2018年后出现了158.75、160、161.7、166、182、210 mm 等尺寸。2019—2025年不同尺寸太阳电池的市场占比如图1所示。

图1 2019—2025年不同尺寸太阳电池的市场占比Fig.1 Market share of solar cells of different sizes from 2019 to 2025

从图1可以看出：210 mm 大尺寸太阳电池的占比逐年增加。

本文采用不同太阳电池尺寸时光伏组件的电性能对比如表1所示。

表1 不同太阳电池尺寸时光伏组件的电性能对比Table 1 Electrical performance comparison of PV modules with different solar cell sizes

从表1可以看出：采用尺寸为156 mm 的太阳电池时，光伏组件的短路电流为10.68 A；分别采用尺寸为166 和182 mm 的太阳电池时，光伏组件的短路电流分别为11.62 和13.85 A；而采用尺寸为210 mm 的太阳电池时，光伏组件的短路电流为18.26 A。由此可知，随着太阳电池尺寸的增大，光伏组件的短路电流呈明显增大的趋势。太阳电池尺寸为182 mm 及以下时，光伏组件的开路电压基本持平，而太阳电池尺寸为210 mm 时光伏组件的开路电压出现下降。

对于1 MW 的光伏方阵而言，采用不同光伏组件标称功率时，该光伏方阵所需的光伏组件数量如表2所示。

表2 不同光伏组件标称功率时1 MW 光伏方阵所需的光伏组件数量对比Table 2 Comparison of number of PV modules required for 1 MW PV array under different nominal power of PV modules

从表2可以看出：随着单块光伏组件标称功率的提升，1 MW 光伏方阵所需的光伏组件总数量减少，促使光伏组件间连接点、电缆用量均减少，所需的接触电阻也降低，系统整体损耗也随之减小。由此可知，单块光伏组件的标称功率越大，其优势越明显。当然，实际工程应用中，还需从施工安装、运行维护、可靠性等方面分析大功率光伏组件的成本。

2.2 逆变器匹配性分析

以500 kW 集中式和196 kW 组串式2 种类型逆变器为例进行分析。

500 kW 集中式逆变器适用于采用各种尺寸太阳电池的光伏组件。对于太阳电池尺寸为210 mm 的双面光伏组件，其额定工作电流约为17.25 A；但考虑到10%的背面发电增益后，光伏组件的最大功率点工作电流能达到18.98 A，与500 kW 集中式逆变器配套的直流汇流箱的每一路熔断器的额定工作电流需由15 A增大到30 A。

196 kW 组串式逆变器适用于采用各种尺寸太阳电池的光伏组件，但需根据光伏组件不同串联数量、光伏组串不同接入数量分别考虑。例如：196 kW 组串式逆变器的最大输入电压为1500 V，最大功率点跟踪(MPPT)数量为3 路，MPPT 电压范围为500～1500 V，每路MPPT 最大输入电流分别为100/100/100 A，每路MPPT 可接入光伏组串数量为4/5/5 串；该逆变器的额定功率为196 kW，最大输出功率为216 kW。以196 kW组串式逆变器为例，对其进行匹配性分析，具体如表3所示。

表3 不同标称功率光伏组件的196 kW 组串式逆变器匹配性分析Table 3 Matching analysis of 196 kW string inverters with PV modules of different nominal power

从表3可以看出：随着光伏组件标称功率的增大，接入逆变器的光伏组串数量逐渐减小，可根据光伏组串的串并联数量选择合理截面的交直流电缆，以降低损耗，提高光伏组件和逆变器的匹配性，减少逆变器限发的光伏组件发电量。

2.3 光伏支架运行方式分析

按照目前中国光伏电站的建设运行经验，固定式光伏支架基本免维护且初始投资较低，跟踪式光伏支架需要后期维护且初始投资较固定式光伏支架高，但跟踪式光伏支架单瓦成本下的发电量比固定式光伏支架的高。下文对固定式光伏支架和平单轴跟踪式光伏支架的单瓦成本进行对比分析。

2.3.1 固定式光伏支架的单瓦成本

固定式光伏支架主要应用于平地、山地、水面、屋顶等场景。对于平地或水面场景而言，固定式光伏支架排布不受地形影响，一般选用4排横向布置方案；而对于山地场景而言，由于受到地形条件限制，光伏支架单元不宜过大，一般选用2 排竖向布置。固定式光伏支架的重量主要与光伏组件的外形尺寸和重量相关，不同应用场景下光伏支架形式会有所区别，但对于同一种光伏支架形式，支架的工程量变化趋势一致。以常用的光伏组件4 排横向布置的固定式光伏支架为例，对不同光伏组件标称功率时固定式光伏支架的单瓦成本进行对比，对比结果如表4所示。

表4 不同光伏组件标称功率时固定式光伏支架的单瓦成本Table 4 One watt cost of fixed PV support at different nominal power of PV modules

从表4可以看出：随着单块光伏组件标称功率的增加，固定式光伏支架的单瓦成本逐步降低，这说明单块光伏组件的标称功率越高，优势也越明显。

2.3.2 平单轴跟踪式光伏支架的单瓦成本

以目前市场上主流的平单轴跟踪式光伏支架1 排横向布置的排布方式为例，对不同光伏组件标称功率时此类光伏支架的单瓦成本进行对比分析，分析结果如表5所示。

表5 不同光伏组件标称功率时平单轴跟踪式光伏支架的单瓦成本Table 5 One watt cost of flat single axis tracking PV support with different nominal power of PV modules

平单轴跟踪式光伏支架的主轴长度决定了单套光伏支架的光伏组件容量，对于1 排横向布置的排布方式，当单轴长度达到85 m 以上时，支架的自由端过长，扭转角过大，不利于支架的稳定运行。因此，在保证支架可靠运行情况下，选择单瓦成本较低的布置方案可节省光伏电站初始投资。

2.4 容配比分析

国内常用的平准化度电成本CL,E的计算式如式(1)所示。此计算方法在光伏电站的财务分析中广泛使用[4-5]。

式中：I0为项目的初始投资；VR为固定资产残值；An为第n年的运营成本；Pn为第n年的贷款利息；Yn为第n年的发电量。

在边界条件统一的情况下，不考虑资产残值和逐年的贷款利息时，对LCOE 进行简化，得到简化后的LCOE 计算公式，即：

式中：i为年份；为多年的平均发电量；为多年的平均运营成本。

以3.15 MW 光伏方阵为例，对容配比进行分析时的边界条件为：采用540 WpPERC 双面单晶硅光伏组件、500 kW 集中式逆变器、固定式光伏支架。对不同容配比下光伏方阵的LCOE进行测算，测算结果如表6所示。

表6 不同容配比下光伏方阵的LCOE 测算结果Table 6 LCOE calculation results of PV array under different PV power to inverter power ratios

从表6可以看出：随着容配比增加，LCOE先呈下降趋势，但下降到某最低点后又开始呈增加趋势，说明LCOE 的降低并不是与容配比增加成反比关系，而是在边界条件一定的情况下会出现一个较优容配比。在光伏电站设计方案比选时，建议采用此方法得出项目的较优容配比。

3 结论

本文以青海省共和县某光伏电站为例，从光伏电站的设计优化和主要设备选型2个方面来降低光伏电站的LCOE，通过对光伏组件选型、逆变器匹配性、光伏支架运行方式、容配比等方面进行分析，得出光伏电站单瓦成本或LCOE 较低时的方案。研究结果显示：

1)光伏组件选型方面：太阳电池尺寸为182 mm 及以下时，光伏组件的开路电压基本持平，而太阳电池尺寸为210 mm 时光伏组件的开路电压下降、短路电流明显增大；并且随着单块光伏组件标称功率的提升，1 MW 光伏方阵的光伏组件间连接点、电缆用量均减少，所需的接触电阻也降低，系统整体损耗也随之减小，优势也越来越明显。

2)逆变器匹配性方面：500 kW 集中式逆变器对于采用不同尺寸太阳电池的光伏组件均能适用，但对于太阳电池尺寸为210 mm 的大电流光伏组件，与500 kW 集中式逆变器配套的直流汇流箱的每一路熔断器的额定电流需由15 A 增大到30 A；组串式逆变器对于采用不同尺寸太阳电池的光伏组件均能适用，随着光伏组件标称功率的增大，接入逆变器的光伏组串数量，可根据光伏组串的串并联数量选择合理截面的交直流电缆，以降低损耗，提高光伏组件和逆变器的匹配性，减少逆变器限发的光伏组件发电量。

3)光伏支架运行方式方面：对于固定式光伏支架，随着单块光伏组件标称功率的增加，其单瓦成本逐步降低，单块大功率光伏组件的优势也越来越明显；对于平单轴跟踪式光伏支架，主轴长度越长越不利于支架的稳定运行，在保证支架可靠运行的情况下，选择单瓦成本较低的布置方案可节省光伏电站初始投资。

4)容配比方面：随着容配比增加，LCOE 先呈下降趋势，但下降到某最低点后又开始呈增加趋势，这说明LCOE 的降低并不是与容配比增加成反比关系，而是在边界条件一定的情况下会出现一个较优容配比。