光伏發(fā)電系統(tǒng)容配比分析

趙 鷹 盧海勇

上海電力設(shè)計(jì)院有限公司

0 引言

近年來，國內(nèi)光伏發(fā)電行業(yè)取得了舉世矚目的快速發(fā)展，連續(xù)多年新增裝機(jī)容量和累計(jì)裝機(jī)容量位居全球第一。隨著光伏發(fā)電系統(tǒng)的不斷進(jìn)步，也對(duì)光伏發(fā)電行業(yè)的發(fā)展提出了系統(tǒng)效率高，系統(tǒng)可靠性高，綜合造價(jià)低，度電成本低，實(shí)現(xiàn)平價(jià)上網(wǎng)［1］的要求。

事實(shí)上，由于地區(qū)間太陽能資源、氣象條件和地理環(huán)境的差異，相同配置的光伏發(fā)電系統(tǒng)在不同區(qū)域的出力情況也相差很大。即便是國內(nèi)I類資源區(qū)的光伏發(fā)電系統(tǒng)，在系統(tǒng)投運(yùn)后的首年，光伏發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)際輸出功率基本都低于交流側(cè)功率標(biāo)稱值。而考慮到光伏組件的衰減，在光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行的全壽命周期內(nèi)，上網(wǎng)功率遠(yuǎn)低于交流側(cè)功率標(biāo)稱值。因而，國內(nèi)光伏發(fā)電站的實(shí)際出力低于傳統(tǒng)意義上的“電站容量”出力。此類情況一方面降低了光伏發(fā)電系統(tǒng)中設(shè)備的利用率，另一方面也導(dǎo)致了光伏發(fā)電系統(tǒng)投資增加、全周期上網(wǎng)發(fā)電量不高和度電成本高［2］。

由于我國太陽能資源分布不均勻，太陽能資源迥異，不同區(qū)域的光伏發(fā)電系統(tǒng)出力差異很大，其直流/交流最佳配比也不相同。本文通過研究一個(gè)工程實(shí)例的不同容配比情況，計(jì)算此區(qū)域項(xiàng)目全壽命周期的最低度電成本，旨在助力此區(qū)域大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化工作［3-4］。

1 工程概述

項(xiàng)目基地位于西北沙漠腹地，海拔高度約1 120～1 160 m?？傮w裝機(jī)容量為2 000 MW，擬建光伏場址區(qū)域內(nèi)占地面積約6 666．67 hm2。

采用METEONORM計(jì)算軟件對(duì)場址所在地的太陽能輻射計(jì)算，1990-2010年多年平均輻射量為1 652 kWh/m2。該站址所在地太陽能資源豐富程度屬于B級(jí)地區(qū)，太陽能資源豐富，適合建設(shè)并網(wǎng)發(fā)電項(xiàng)目。

基于可研初設(shè)階段的技術(shù)方案，項(xiàng)目主要以固定式為主。因此，本階段以固定式方案進(jìn)行容配比研究。光伏發(fā)電系統(tǒng)的總投資構(gòu)成主要考慮組件價(jià)格、支架/樁基、電氣設(shè)備、電纜、施工費(fèi)用、土地費(fèi)用和其他費(fèi)用［5-6］。在計(jì)算不同直流/交流比的總投資時(shí)，主要基于以下假設(shè)條件：

1）電氣設(shè)備投資、施工費(fèi)用（不含組件、支架、樁基安裝）和項(xiàng)目其他費(fèi)用不變;

2）組件、支架+樁基、電纜（含安裝）投資、土地費(fèi)用、場地整理和生態(tài)治理隨直流側(cè)容量增加。

此外,通過PVsyst軟件模擬不同容配比下的25年發(fā)電量，通過對(duì)所有投資及發(fā)電量進(jìn)行折現(xiàn)處理，計(jì)算項(xiàng)目全壽命周期度電成本［7］。

平準(zhǔn)化度電成本指標(biāo)按以下公式計(jì)算：

式中：

i——折現(xiàn)率（%）；

n——系統(tǒng)運(yùn)行年數(shù)（n=1,2,……，N）；

N——光伏發(fā)電系統(tǒng)評(píng)價(jià)周期，單位：年；

I0——靜態(tài)初始投資，單位：元；

It——項(xiàng)目增值稅抵扣，單位：元；

VR——光伏系統(tǒng)殘值，單位：元；

Mn——第n年運(yùn)營成本；

Yn——年上網(wǎng)電量，單位：kWh。

光伏發(fā)電系統(tǒng)容配比優(yōu)化計(jì)算需考慮地理位置、地形條件、太陽能資源條件、組件選型、安裝類型、布置方式、逆變器性能、建設(shè)成本、光伏方陣至逆變器或并網(wǎng)點(diǎn)的各項(xiàng)損耗、電網(wǎng)需求等因素，經(jīng)過技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性比選后確定。容配比優(yōu)化分析宜使用試算法進(jìn)行計(jì)算，宜從低到高選取容配比進(jìn)行多點(diǎn)計(jì)算，得出最優(yōu)容配比，其優(yōu)化計(jì)算流程見圖1［8-9］。

圖1 光伏發(fā)電系統(tǒng)容配比優(yōu)化計(jì)算流程圖

2 計(jì)算過程及結(jié)果

通過光伏發(fā)電系統(tǒng)容配比優(yōu)化計(jì)算后，得出以下結(jié)果：

1）占地面積

本次光伏發(fā)電項(xiàng)目分析計(jì)算按640個(gè)方陣2 016 MW容量考慮。根據(jù)實(shí)際布置占地約34畝/MWp進(jìn)行估算，可得到上述區(qū)域的占地面積，見表1。

2）總投資費(fèi)用

在本區(qū)域，當(dāng)交流側(cè)容量為2 016 MW、直流側(cè)容量分別為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時(shí)，光伏發(fā)電項(xiàng)目各浮動(dòng)分項(xiàng)單位投資見表2。表2中組件的價(jià)格按2．15元/Wp計(jì)算，土地費(fèi)用按200元/年/畝計(jì)算，將25年土地費(fèi)用折現(xiàn)至首年，項(xiàng)目建設(shè)管理費(fèi)用按0．089元/Wp計(jì)算。

可計(jì)算得到不同直流側(cè)容量時(shí)，光伏發(fā)電項(xiàng)目的浮動(dòng)分項(xiàng)單位投資見表2，光伏發(fā)電項(xiàng)目的總投資見表3。

項(xiàng)目運(yùn)維費(fèi)用包含材料費(fèi)用、其他費(fèi)用、土地租賃費(fèi)用、人員工資及福利、修理費(fèi)、保險(xiǎn)費(fèi)用等，其取費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)見表4。

經(jīng)計(jì)算后項(xiàng)目運(yùn)維費(fèi)用見表5。

經(jīng)計(jì)算后項(xiàng)目總成本現(xiàn)值見表6。

3）發(fā)電量計(jì)算結(jié)果

采用PVSYST 6．8．6版本軟件，按照國內(nèi)常用單晶硅光伏組件的衰減情況，針對(duì)不同直流/交流比時(shí)系統(tǒng)的25年上網(wǎng)發(fā)電量進(jìn)行計(jì)算，不同直流/交流比時(shí)系統(tǒng)的25年上網(wǎng)發(fā)電量計(jì)算結(jié)果見表7。

4）度電成本計(jì)算

按照本文第1部分論述的項(xiàng)目全壽命周期度電成本計(jì)算方法，度電成本按照項(xiàng)目總投資除以25年累計(jì)發(fā)電量進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表8。

表1 不同直流側(cè)容量時(shí)的光伏發(fā)電項(xiàng)目的占地面積（單位：畝）

表2 光伏發(fā)電項(xiàng)目的浮動(dòng)分項(xiàng)單位投資

表3 光伏發(fā)電項(xiàng)目的總投資

表4 光伏發(fā)電項(xiàng)目的運(yùn)維取費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)

表5 光伏發(fā)電項(xiàng)目的運(yùn)維費(fèi)

表6 光伏發(fā)電項(xiàng)目總成本

表7 不同直流/交流比時(shí)上網(wǎng)發(fā)電量（單位：MWh）

表8 不同直流/交流比時(shí)，各區(qū)域的度電成本

3 結(jié)果分析

1）項(xiàng)目建設(shè)成本分析

由表2可以看出，光伏發(fā)電系統(tǒng)的總投資隨著直流/交流比的增加而增加。此外，組件的費(fèi)用占項(xiàng)目總投資的比例較高，以直流/交流比為1:1為例，占總投資比為42．5%；隨著直流/交流比增加，組件的費(fèi)用占項(xiàng)目總投資的比例增加，以直流/交流比1．45為例，占比為45．0%。

由表2和表3可見，當(dāng)直流/交流比為1時(shí)，系統(tǒng)的單瓦投資為4．88元/Wp，當(dāng)直流/交流比為1．45時(shí)，系統(tǒng)的單瓦投資為4．66元/Wp。這是由于直流容量的增加，光伏發(fā)電系統(tǒng)“固定部分”并未變化。因此，增加直流/交流比值，可以降低項(xiàng)目單位投資（均按直流側(cè)計(jì)算）。不同直流/交流比時(shí)，系統(tǒng)單位投資見圖2。

圖2 不同直流/交流比時(shí)系統(tǒng)單位投資

2）項(xiàng)目發(fā)電量分析

由表7可見，對(duì)于不同的光伏發(fā)電系統(tǒng)直流/交流比，直流端容量較高的系統(tǒng)首年發(fā)電量高，但容配比較高時(shí)，增加的容量部分發(fā)電效率明顯降低。由表7及表9可見，隨著直流/交流比的增加，光伏發(fā)電系統(tǒng)的25年累計(jì)上網(wǎng)電量增加，但相較于直流/交流比，單位系統(tǒng)容量的發(fā)電量增加值降低（當(dāng)容配比超過1．2時(shí)）。不同直流/交流比時(shí)，運(yùn)行期年平均發(fā)電量見表10。

表9 不同直流/交流比時(shí)，增加容量發(fā)電效率分析

表10 不同直流/交流比時(shí)，運(yùn)行期年平均發(fā)電量

3）度電成本分析

由表8可見，對(duì)于不同的容配比進(jìn)行度電成本分析，可見本項(xiàng)目最低度電成本下的容配比方案，此外，從圖3中可見，在1．2～1．4容配比之間，度電成本都比較低，在1．4以上容配比下，系統(tǒng)限發(fā)較為嚴(yán)重，不適合本項(xiàng)目雙面組件的方案，而容配比低于1．2時(shí)，度電成本較高，不利于項(xiàng)目全壽命周期下的投資收益。

圖3 不同直流/交流比時(shí)，各區(qū)域的度電成本

綜上所述，本工程容配比最低在1．3左右，但可以依據(jù)項(xiàng)目具體情況在1．2～1．4容配比之間選擇合適條件進(jìn)行項(xiàng)目實(shí)施。

4 結(jié)論

通過對(duì)比研究，對(duì)項(xiàng)目光伏發(fā)電系統(tǒng)在不同直流/交流比時(shí)的項(xiàng)目投資、發(fā)電量和度電成本進(jìn)行了分析計(jì)算，分析計(jì)算結(jié)果和主要結(jié)論如下：

1）增加系統(tǒng)的直流/交流比值，可以降低系統(tǒng)單位投資（按直流側(cè)計(jì)算）；

2）隨著系統(tǒng)直流/交流比的增加，光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量增加，但相比于首年，系統(tǒng)增加的發(fā)電量比例降低；

3）隨著直流/交流比增加，系統(tǒng)的度電成本呈現(xiàn)先降低再升高的情況，存在一個(gè)最優(yōu)直流/交流比；

4）可研階段的光伏發(fā)電系統(tǒng)直流/交流比未考慮項(xiàng)目全壽命周期的情況，存在一定的優(yōu)化空間，但1．2的容配比下度電成本也較低，具體實(shí)施階段可視情況選取。