不同容量光伏發(fā)電單元的技術(shù)經(jīng)濟對比分析

陳 貺 王 亮 王滿倉

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

新能源

不同容量光伏發(fā)電單元的技術(shù)經(jīng)濟對比分析

陳 貺 王 亮 王滿倉

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

針對500 kWp、630 kWp，1 MWp和2 MWp 不同容量光伏發(fā)電單元的技術(shù)特點、材料使用和設備配置等，對其初始投資、運行費用、電能損耗等方面進行了技術(shù)經(jīng)濟對比分析，并根據(jù)相關(guān)技術(shù)和設備的發(fā)展趨勢，對其技術(shù)經(jīng)濟變化進行了預測。

光伏發(fā)電單元； 容量； 技術(shù)經(jīng)濟分析； 預測

目前，大、中型地面光伏電站通常選用1 MWp發(fā)電單元，包括兩臺500 kW逆變器，同時也存在500 kW，630 kW或2 MW發(fā)電單元。而國內(nèi)外對光伏電站發(fā)電單元的裝機容量并沒有嚴格規(guī)定。由于光伏電站具有重復率高，規(guī)模大，運行時間長等特點，本文以4種發(fā)電單元為背景建立數(shù)學模型，綜合初始投資、運行維護和降低損耗等方面因素對發(fā)電單元裝機容量進行技術(shù)經(jīng)濟分析。

1 建立模型

為了確保技術(shù)經(jīng)濟比較的客觀性和科學性，需做以下假設：

(1)組件均采用38°固定傾角安裝，安裝支架、基礎方式相同，組件串前、后、左、右之間間距相同，前后排間距9.5 m；500 kWp發(fā)電單元占地約105×110 m，630 kWp發(fā)電單元占地約130×110 m，1 MWp發(fā)電單元占地約170×130 m，2 MWp發(fā)電單元占地約260×160 m。由于占地面積基本與裝機容量成比例，土地費用的影響予以忽略。

(2)采用相同品牌和型號的支架、組件、匯流箱、直流柜、逆變器和其余輔材等。

(3)采用相同的光伏系統(tǒng)設計方案，如20塊組件為1個組件串，采用1組支架等；每個發(fā)電單元在中心位置設1間逆變器室。

(4)組件至匯流箱電纜采用1×4 mm2光伏電纜；匯流箱至直流柜電纜采用2×70 mm2光伏電纜；變壓器輸出高壓電纜采用3×50 mm2高壓電纜，并采用“T”接式連接方式。

(5)其余輔材、支架基礎等由于折算到1 MWp后數(shù)量相同，對造價影響很小，予以忽略，4種發(fā)電單元主要設備及配置如表1所示。

表1 4種發(fā)電單元主要設備及配置表[1]

2 初始投資比較

根據(jù)表1可知，4種發(fā)電單元僅在匯流箱、動力箱、通信柜、光伏電纜、直流電纜、高壓電纜頭、逆變器室等方面有差異。采用相同的定額和標準，僅對有差異的設施設備進行投資測算，得出4種發(fā)電單元的初始投資情況，如表2所示。

表2 初始投資費用比較表 單位：萬元

3 運營成本比較

變壓器的運營成本指變壓器運行期間所花費的費用總和，包括能耗費、人工費、維護保養(yǎng)費及其他費用。能耗費計算參見本文4.1節(jié)；由于光伏電站各發(fā)電單元均無人值班，且500 kWp、630 kWp、1 MWp和2 MWp發(fā)電單元組成電站的人員配備相同，不予考慮。由表1知，4種不同容量發(fā)電單元的區(qū)別主要在電纜長度和變壓器配置方面。本文主要從變壓器維護費、電纜維護費和中斷供電損失電能3個方面進行分析[2]。

3.1 電纜維護費

參照國家電網(wǎng)有關(guān)線路維護的管理辦法，輸電線路的維護費用一般按線路長度計算。光伏電站內(nèi)電纜電線維護費也與其消耗的電纜總長度成正比，因不同容量發(fā)電單元電纜消耗差別主要為1×4 mm2光伏電纜和2×70 mm2直流電纜，根據(jù)多年運行經(jīng)驗和電站運維實際成本，1×4 mm2光伏電纜的維護費用大約為2元/月·km；2×70 mm2直流電纜的維護費用大約為10元/月·km。由此可估算出1 MWp各自電纜維護費用如表3所示。

表3 電纜維護費用比較表 單位：元

3.2 匯流箱和電氣盤柜維護費

光伏電站內(nèi)匯流箱和電氣盤柜維護費與安裝數(shù)量成正比，因不同容量發(fā)電單元的差別在匯流箱、動力箱、通訊柜，根據(jù)多年運行經(jīng)驗和電站運維實際成本，匯流箱的維護費用約為160元/年·臺；動力箱的維護費用大約為240元/年·臺，通訊柜的維護費用大約為240元/年·臺。由此可估算出各發(fā)電單元1 MWp電氣盤柜維護費用如表4所示。

表4 盤柜維護費用比較表 單位：元

3.3 變壓器修理費

由于光伏電站具有變壓器型號統(tǒng)一、數(shù)量確定的特點，適合采用等效大修臺數(shù)法進行分析，根據(jù)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——計算選用的變壓器數(shù)量；NB——實際安裝變壓器臺數(shù)。根據(jù)4種不同發(fā)電單元的變壓器的配備情況，500 kWp發(fā)電單元該值取2，630 kWp發(fā)電單元該值取1.59，1 MWp和2 MWp發(fā)電單元該值取1；

KB1——未預見系數(shù)，取0.05；

nBD——變壓器大修臺數(shù)；

KB2——變壓器大修率，取0.04；

nBZ——變壓器中修臺數(shù)；

KB3——變壓器中修率，取0.10；

HBD——變壓器大修工時，500 kVA變壓器取200 h，630 kVA變壓器取250 h，1 MVA變壓器取380 h；

HBZ——變壓器中修工時，500 kVA變壓器取70 h，630 kVA變壓器取90 h，1 MVA變壓器取140 h。

由此可分別得出不同容量發(fā)電單元的變壓器年均等效大修臺數(shù)和維修費，見表5。

3.4 年中斷發(fā)電損失

由于光伏電站的特點，電纜和變壓器維修期間中斷發(fā)電，直接造成損失。電纜和變壓器維修造成的年中斷供電損失成本可用公式(5)進行估算。計算均假設維修在白天進行，與光伏發(fā)電時間重合，不考慮夜間加班，結(jié)果見表6。

表5 變壓器維修費比較表

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

(5)

式中：Q——1 MWp年中斷發(fā)電量損失，單位kW；

QD、QG、QB——分別表示電纜維修、盤柜維修、變壓器維修造成每兆瓦年均中斷發(fā)電量損失，單位kW。電纜維修和盤柜維修暫缺實際數(shù)據(jù)。該兩部分對輸電能力的影響較小，且對于4種發(fā)電單元而言，二者之間是反線性關(guān)系，存在部分費用抵消，本文予以忽略；

PB——變壓器平均有功功率。由于光伏電站發(fā)電的特點，假設平均每天發(fā)電8 h，則平均效率η=[150/(1×365×8)]×100%=51.37%，得出500 kVA變壓器平均功率PB=500×51.37%=256.85 kW；630 kVA變壓器平均功率PB=630×51.37%=323.63 kW；1 MVA變壓器平均功率PB=1 000×51.37%=513.70 kW；

TD——電纜維修時間，h；

TB——變壓器維修時間，TB=nBS×HBD，HBD可參見本文3.3節(jié)。

4 電能損耗比較

假定當?shù)厝照諘r間峰值為1 500h，1MWp光伏組件年均上網(wǎng)發(fā)電量按150萬kW·h計算，光伏組件最大工作電流取8.2A。以下計算均折算到1MWp容量。

表6 變壓器維修中斷發(fā)電損失比較表

4.1 變壓器損耗電量比較

根據(jù)某品牌500 kVA、630 kVA和1 000 kVA變壓器的參數(shù)，500 kVA變壓器空載損耗0.75 kW，負載損耗7.35 kW，630 kVA變壓器空載損耗0.87 kW，負載損耗8.30 kW，1 000 kVA變壓器空載損耗1.20 kW，負載損耗12.00 kW。變壓器平均有功效率根據(jù)以上計算結(jié)果取51.37%，分別計算出三種變壓器的平均有功效率為98.95%、99.05%和99.15%，從而能得出每年500 kVA變壓器比1 000 kVA變壓器多損耗電能ΔQt=1 500 000×(99.15%-98.95%)=3 000 kW·h；每年630 kVA變壓器比1 000 kVA變壓器多損耗電能ΔQt=1 500 000×(99.15%-99.05%)=1 500 kW·h

4.2 直流電纜電能損耗比較

根據(jù)表1中材料和設備的差別以及直流電纜電能損耗的理論可知直流電纜損耗與光伏電纜和直流電纜長度成線性關(guān)系。

4.3 高壓交流電纜電能損耗比較

由于500 kWp、630 kWp、1 MWp和2 MWp容量發(fā)電單元使用的高壓電纜長度折算到1 MWp后分別是150 m、150 m、145 m、140 m，差別很小，予以忽略。

5 總體技術(shù)經(jīng)濟分析

匯總以上初始投資、運營成本、電能損耗等對比結(jié)果，以1 MWp發(fā)電單元為基準，按標桿電價0.9元/kW·h，運營20年，財務凈現(xiàn)率8%進行計算，得出表8。從表8可初步得出：其他條件相同時，630 kWp發(fā)電單元成本最低，發(fā)電損耗較少，之后依次是500 kVA發(fā)電單元和1 MWp單元；2 MWp發(fā)電單元成本最高，發(fā)電損耗最多。

表7 直流電纜損耗比較表

備注：查電纜手冊得出4 mm2光伏電纜和2×70 mm2直流電纜單位千米電阻分別為2.7 Ω/km和0.27 Ω/km；負號表示損耗減少。

表8 4種容量發(fā)電單元技術(shù)經(jīng)濟對比表

備注：負號表示損耗減少或資金節(jié)??；

6 預測

(1)不少廠家已推出MW級集裝箱式逆變房，集逆變器、控制柜、直流配電柜、通風等功能于一體，使不同容量發(fā)電單元的土建工程差異進一步縮小。

(2)目前，銅價處于低位，導致電纜價格也處于低位，隨著經(jīng)濟形勢轉(zhuǎn)好，未來電纜價格的回升將進一步加大500 kWp和630 kWp發(fā)電單元的初始投資優(yōu)勢。

(3)在分析電能損耗時，由于缺乏實際數(shù)據(jù)支撐，本文未對組件匹配損失進行分析，但由定性分析可知，500 kWp和630 kWp發(fā)電單元因消耗4 mm2光伏電纜較少，使得同一匯流箱內(nèi)不同回路間組件串電壓偏差最小，從而光伏組件的匹配性也越好。實際上，500 kVA和 630 kVA發(fā)電單元電能損失優(yōu)勢會進一步明顯。

(4)由于當前技術(shù)和設備限制，4種發(fā)電單元設計均采用500 kW或630 kW逆變器，若將來推出裝機容量更大，單瓦造價更低的逆變器，則需進一步分析對比。

通過以上分析可知，隨著技術(shù)發(fā)展和經(jīng)濟形勢企穩(wěn)，在逆變器容量方面沒有大的突破情況下，光伏電站發(fā)電單元容量不宜過大，以500 kWp和630 kWp為宜。

[1] 中國電力企業(yè)聯(lián)合會主編. GB50797—2012《光伏發(fā)電站設計規(guī)范》[S].北京：中國計劃出版社,2012。

[2] 路石俊. 變電站運營期成本分析[J]. 商場現(xiàn)代化，2010(7)：31-32.

[3] 《鋼鐵企業(yè)電力設計手冊》編委會著. 鋼鐵企業(yè)電力設計手冊[M]. 北京：冶金工業(yè)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

陳貺(1984—)，男，湖南湘潭人，碩士，工程師，主要從事大型地面光伏電站、分布式光伏電站的設計和建設管理工作。

TK51

A

1008-5122(2014)03-0049-04