杜玉雄：大型光伏电站超配的设计思考-solarbe文库

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大型光伏电站超配的设计思考北京晶澳太阳能技术支持总监杜玉雄摘要本文介绍了地面电站光伏方阵容配比优化建议，分析了常见类型组件和逆变器的最佳容配比的方案。在工程实证和设计规范的基础上，提出了结合项目地条件、支架类型，逆变器类型等和组件匹配的优化设计思路。关键词光伏电站；方阵设计；容配比；发电量；设备选型随着国内外光伏市场的变化，平价和竞价项目的快速发展对光伏系统经济性提出了更加严苛的要求。新版光伏发电站设计规范中明确且细化了设计要求，对国内的三类光资源地区提出了超配建议；基于光伏行业发展状况，在未来一段时间内，光伏组件产品依旧保持多样化，技术特性的不同也对系统设计提出了更高要求。本文针对组件输出特性，提出超配设计建议以供同行参考。 1. 光伏组件的输出特性光伏组件的输出特性不同于理想的恒压源或是恒流源，组件的输出电压和输出电流受辐照度和温度的影响很大，在实际使用中辐照度和温度时时变化，因此组件的输出也一直处于变化中。因此，逆变器作为最核心的平衡部件，其中一个主要作用是跟踪组件或组串的 MPPT 工作点，逆变器相当于一个滑动变阻器，时时跟踪光伏组件或组串的最佳工作点，保证组件或组串处于最大输出功率的工作状态。如组件偏离最佳工作点，输出功率会低于最大功率，从而造成发电损失。理想的恒流源输出特性理想的恒压源输出特性光伏组件的温度和辐照度输出特性（最大功率点时时变化） 2. 计算光伏电站发电量公式众所周知，光伏电站年度发电量是光伏系电站输出功率对时间的积分，在设计规范中有详细计算，如下面公式 𝐸𝑝 ∑𝐻𝐴𝑖 𝑛 𝑖1 η𝑧𝑞𝑖 ηyy𝑖 η𝑟𝑠𝑖 η𝑤𝑑𝑖 η𝑛𝑠𝑖 η𝑛𝑏𝑖 𝑃𝐴𝑍𝐸 𝑆 𝐾 式中 E𝑃 光伏发电站上网电量（ kWh）； n 计算时段数，对于一个完整计算年，若按 1 小时间隔计算，则为 8760。 HAi 计算时段水平面太阳能辐射量，（ kWh/ m2）； ηzqi 计算时段光伏方阵太阳能辐射量倾角、方位角修正系数； ηyyi 计算时段光伏方阵太阳能辐射量阴影遮挡损失修正系数； ηrsi 计算时段光伏组件表面太阳入射角损失修正系数； ηwdi 计算时段光伏组件工作温度修正系数； ηnsi 计算时段逆变器输入功率限制引起的发电量损失修正系数，如果该时段没有功率限制，取 1； ηnbi 计算时段光照条件下的逆变器输入功率对应的转化效率； PAZ 光伏电站的安装容量（ kWp）； Es 标准条件下的辐照度（常数 1 kW/m2）； K 其它效率系数。其它效率系数 K 是考虑光伏组件类型、光伏组件输出功率偏离峰值、光伏组件表面污染、组串适配损失、光伏组件衰减、集电线路损耗、升压变压器损耗、站用电率、系统可利用率等各种因素后的修正系数。在此我们重点论述式中 ηnsi 的物理意义，规范中的定义为 “ 计算时段逆变器输入功率限制引起的发电量损失修正系数，如果该时段没有功率限制，取 1“；当此数值取 1 时，即不会出现逆变器对光伏组件或组串的限发，通常是限流。因此提高光伏电站发电量需保证没有功率或电流限发，在文章大型光伏电站方阵优化设计思考中有过限发的分析，在此不做赘述。下图为青海项目的逆变器输入端的功率曲线，即，光伏方阵的发电量就是光伏方阵瞬时输出功率对时间的积分。 3. 适宜的容配比为降低系统成本，提高经济性，在新版规范中，对光伏方阵的安装容量与逆变器额定容量之比（以下简称容配比）有相应的建议。原文描述如下光伏发电系统中光伏方阵与逆变器之间的容量配比应综合考虑光伏方阵的安装类型、场地条件、太阳能资源、各项损耗等因素，经技术经济比较后确定。光伏方阵的安装容量与逆变器额定容量之比符合下列规定 1 一类太阳能资源地区，不宜超过 1.2； 2 二类太阳能资源地区，不宜超过 1.4； 3 三类太阳能资源地区，不宜超过 1.8。通常认为适当的提高容配比提供高系统的经济性，鉴于环境和设备的复杂性，规范中谨慎的采用了不宜超过的描述。另一方面，新规范也明确了需综合考虑光伏方阵的安装类型、场地条件、太阳能资源、各项损耗等因素，简言之，设计方案需综合考虑设备选型（支架类型、组件类型等），同时也要因地制宜。 4. 容配比设计建议可以肯定的是，在不限发的前提下，提高光伏方阵和逆变器的容量配比，能够提高系统的经济性和发电输出。在其他设计条件不变时，提高容配比的方案主要有以下两种第一，提高逆变器的输入电压，即加大组串长度；第二提高逆变器的输入电流，即增加逆变器的输入路数。 4.1 第一种方案提高组串内串联组件数量，加大组串长度，提高组串输出电压。在系统电压允许范围内串联更多的组件数量，在新规范中串联组件数量明确规定 VMPPTmin Vpm[1t′−25Kv′] ≤ N ≤ Vdcmax Voc[1t−25Kv] 式中 Kv 光伏组件的开路电压温度系数； K v 光伏组件的工作电压温度系数； N 光伏组件串联数（ N 取整）； t 光伏组件昼间环境极限低温（℃）； t 工作状态下光伏组件的电池极限高温（℃）； Vdcmax 逆变器和光伏组件允许的最大系统电压，取两者小值（直流， V） VMPPTmin 逆变器 MPPT 电压最小值（ V）； Voc 光伏组件的开路电压（ V）； max49.27 max43.3 0 10 20 30 40 50 60 700 730 800 830 900 930 1000 1030 1100 1130 1200 1230 1300 1330 1400 1430 1500 1530 1600 1630 1700 1730 1800 1830 1900 1930 瞬时功率（ KW PERC双面与常规单晶逆变器瞬时功率对比逆变器 SUN200-50KTL-C1， 2018/4/17 PERC双面 49.68KW 常规单晶 48.24KW Vpm 光伏组件最佳工作电压（ V）。其中 t 为光伏组件昼间环境极限低温（ ℃ ），此温度为气象统计中极限低温，此低温时对应低辐照度，光伏组件输出电压在低辐照时也会降低。在文章大型光伏电站方阵优化设计思考中有过分析，在此不做赘述。综上， 1500V 系统能显著提高组串数量，提高系统经济性；在系统电压确定后，组件的开路电压和环境限制下，组串数量亦可确定，组串式逆变器和集中式逆变器计算方案相同。 4.2 第二种方案，提高逆变器的输入电流，即增加逆变器的输入路数。在输入路数配置上，组串式逆变器和集中式逆变器的设计有很大不同。如下为逆变器方阵示意图。组串式逆变器光伏方阵示意图集中式或集散式逆变器的光伏方阵示意图 4.2.1 组串式逆变器的应用组串式逆变器的输入路数和 MPPT 路数已限定，以某知名逆变器厂家的组串式逆变器为例， SG225HX 型号逆变器有 12 路 MPPT，，每路 MPPT 最大输入组串数量，因此最大允许 24 路组串输入。有个别项目为提高容配比，有采用 “ Y” 型端子的方案，但是结合目前主流组件型号的工作电流数值，增加路数意味着输入电流翻倍，已远超允许的输入电流，导致严重的限发，因此 ”Y” 型端子不可取。详见下面计算结果。以我司某电站记录的气象数据为例，环境低温 -15℃ ，最佳倾角固定支架安装，三种常见的双面组件类型，功率依次为 410Wp、 445Wp、 445Wp。 4 月辐照强度 W/m2 序号 1 2 3 日期 4.08 4.06 4.01 时段 800 21 800 55 800 33 900 748 900 737 900 731 1000 948 1000 924 1000 918 1100 1032 1100 1052 1100 1057 1200 1151 1200 1166 1200 1143 1300 1158 1300 1172 1300 1188 1400 1147 1400 1134 1400 1140 1500 1048 1500 992 1500 1110 1600 776 1600 812 1600 818 1700 547 1700 617 1700 568 1800 27 1800 32 1800 33 4 月份部分时段组件安装倾角辐照度数据依照环境条件和光伏组件工作特性，计算组件 /组串输出电流为组件类型工作电流辐照度组件工作温度背面增益电流温度系数修正后工作电流 JAM72D10- 410/MB 9.93 1100W/m2 55℃60℃ 815 0.044/K 12.2A JAM78D10- 445/MB 9.9 815 0.044/K 12.1A XXXX-M6-445M 10.8 815 0.06/K 13.3 A 组件类型工作电流辐照度组件工作温度背面增益电流温度系数修正后工作电流 JAM72D10- 410/MB 9.93 1200W/m2 55℃60℃ 815 0.044/K 13.3A JAM78D10- 445/MB 9.9 815 0.044/K 13.27 A XXXX-M6-445M 10.8 815 0.06/K 14.56 A 因为组串式逆变器的输入路数确定，不管在何种环境，容配比已被限定，失去了设计的灵活性。我国幅员辽阔，三类光资源区域的光照资源差异很大，同一类光资源区的环境温度差异也很大，放眼全球，环境差异更大，如采用单一的组串式逆变器配置，很难找到事宜的环境会组件类型匹配，势必会导致严重的限发或是容量浪费。因此，组串式逆变器需增加型号，多样化输入电流和功率等级才能匹配组件类型和多样的气候条件，实现系统良好的经济性。同时，常规的 G1-158.76 规格电池组件在组串式逆变器中限发远远低于 M6-166 规格电池组件，同样的设计条件，有更高的系统效率和经济性。某知名逆变器厂家组串式逆变器性能参数 4.2.2 集中式逆变器的应用仍以上述项目为例，环境低温 -15℃ ，最佳倾角固定支架安装，三种常见的双面组件类型，功率依次为 410Wp、 445Wp、 445Wp。在不限发的条件下，即 ηnsi 各时段取值均为 1（如 ηnsi 部分时段取值变化，可按照系数相应调整组串数量），光伏方阵 /逆变器容量配比（容配比）计算结果如下组件类型开路电压环境低温电压温度系数理论数量 1500V 系统组串长度 JAM72D10- 410/MB 49.82 -15℃ -0.272/K 29.5 29 块 /串 JAM78D10- 445/MB 53.85 -0.272/K 27.2 27 块 /串 XXXX-M6- 445M 49.8 -0.30/K 28.8 28 块 /串 1500V 系统不同类型组件的组串数量组件类型工作电流 4178A（串数）取整串数组串长度输入直流容量光伏方阵 / 逆变器容量配比 JAM72D10- 410/MB 13.3A 314.13 314 29 块 /串 3733.46 KW 1.19 JAM78D10- 445/MB 13.27 A 314.8 314 27 块 /串 3679.26 KW 1.21 XXXX-M6- 445M 14.56 A 286.9 286 28 块 /串 3688.16 KW 1.14 1500V 系统不同类型组件的数量和容配比上面计算结果为考虑低辐照修正允许的组串长度；如不考虑低辐照修正，每种设计组串减少 2 块组件，容配比也相应降低。在文章大型光伏电站方阵优化设计思考中有过分析，在此不做赘述。某知名逆变器厂家集中式逆变器性能参数目前组件类型多样（各种规格的硅片和分切技术），且性能参数各异，再叠加复杂多样的气候条件和支架类型，更需严格落实规范要求，实现更优的经济性；集中式逆变器的技术特性决定其系统方案设计更加灵活，可匹配不同类型组件和气候类型，通过更科学的容配比，提高系统的经济性；常规的 G1-158.76 规格电池组件在容配比设计中更具灵活性，同样的设计条件，允许更高容配比，因此对系统的经济性更有利。限于篇幅，计算用的组件参数未附在文中，如有兴趣可联系组件厂家提供。 5. 结论当前，光伏组件缺乏规范和标准，导致组件类型多样化且此状态会持续相当长一段时间，其主要表现为组件尺寸和规格多样，组件电压、电流参数繁杂，这给业主和设计单位选型、设计、施工等工作造成严重困扰，同时对逆变器的设计也带来了挑战。全国各地光伏电站运行记录逐步完善，因此，综合项目实际气象条件，因地制宜优选设备类型和优化设计方案，能够大大提高系统经济性。