大型光伏電站超配的設計思考

本文介紹了地面電站光伏方陣容配比優化建議，分析了常見類型組件和逆變器的最佳容配比的方案。在工程實證和設計規範的基礎上，提出了結合項目地條件、支架類型，逆變器類 型等和組件匹配的優化設計思路。

文|杜玉雄

北京晶澳太陽能技術支持總監

本文3339字，閱讀需要6分鐘

隨著國內外光伏市場的變化，平價和競價項目的快速發展對光伏系統經濟性提出了更加嚴 苛的要求。新版《光伏發電站設計規範》中明確且細化了設計要求，對國內的三類光資源地區 提出了超配建議；基於光伏行業發展狀況，在未來一段時間內，光伏組件產品依舊保持多樣 化，技術特性的不同也對系統設計提出了更高要求。本文針對組件輸出特性，提出超配設計 建議以供同行參考。

1 光伏組件的輸出特性

光伏組件的輸出特性不同於理想的恆壓源或是恆流源，組件的輸出電壓和輸出電流受 輻照度和溫度的影響很大，在實際使用中輻照度和溫度時時變化，因此組件的輸出也一直處 於變化中。因此，逆變器作為最核心的平衡部件，其中一個主要作用是跟蹤組件或組串的 MPPT 工作點，逆變器相當於一個滑動變阻器，時時跟蹤光伏組件或組串的最佳工作點，保 證組件或組串處於最大輸出功率的工作狀態。如組件偏離最佳工作點，輸出功率會低於最大 功率，從而造成發電損失。

2 計算光伏電站發電量公式

眾所周知，光伏電站年度發電量是光伏系電站輸出功率對時間的積分，在設計規範中有 詳細計算，如下面公式：

式中：E——光伏發電站上網電量（kWh）；

n ——計算時段數，對於一個完整計算年，若按 1 小時間隔計算，則為 8760。

HA i ——計算時段水平面太陽能輻射量，（kWh/ m2）；

ηzq i ——計算時段光伏方陣太陽能輻射量傾角、方位角修正係數；

ηyy i ——計算時段光伏方陣太陽能輻射量陰影遮擋損失修正係數；

ηrs i ——計算時段光伏組件表面太陽入射角損失修正係數；

ηwd i ——計算時段光伏組件工作溫度修正係數；

ηns i ——計算時段逆變器輸入功率限制引起的發電量損失修正係數，如果該時段沒有 功率限制，取 1；

ηnb i ——計算時段光照條件下的逆變器輸入功率對應的轉化效率；

PAZ——光伏電站的安裝容量（kWp）；

Es——標準條件下的輻照度（常數=1 kW/m2）；

K——其它效率係數。其它效率係數 K 是考慮光伏組件類型、光伏組件輸出功率偏 離峰值、光伏組件表面污染、組串適配損失、光伏組件衰減、集電線路損 耗、升壓變壓器損耗、站用電率、系統可利用率等各種因素後的修正係數。

在此我們重點論述式中ηns i 的物理意義，規範中的定義為「計算時段逆變器輸入功率限 制引起的發電量損失修正係數，如果該時段沒有功率限制，取 1「；當此數值取 1 時，即不 會出現逆變器對光伏組件或組串的限發，通常是限流。因此提高光伏電站發電量需保證沒有功率或電流限發，在文章《大型光伏電站方陣優化設計思考》中有過限發的分析，在此不做 贅述。

下圖為青海項目的逆變器輸入端的功率曲線，即，光伏方陣的發電量就是光伏方陣瞬 時輸出功率對時間的積分。

3 適宜的容配比

為降低系統成本，提高經濟性，在新版規範中，對光伏方陣的安裝容量與逆變器額定容 量之比（以下簡稱容配比）有相應的建議。原文描述如下：

光伏發電系統中光伏方陣與逆變器之間的容量配比應綜合考慮光伏方陣的安裝類型、場地條 件、太陽能資源、各項損耗等因素，經技術經濟比較後確定。光伏方陣的安裝容量與逆變器額定容量之比符合下列規定：

1 一類太陽能資源地區，不宜超過 1.2；

2 二類太陽能資源地區，不宜超過 1.4；

3 三類太陽能資源地區，不宜超過 1.8。

通常認為適當的提高容配比提供高系統的經濟性，鑒於環境和設備的複雜性，規範中謹 慎的採用了不宜超過的描述。另一方面，新規範也明確了需綜合考慮光伏方陣的安裝類型、 場地條件、太陽能資源、各項損耗等因素，簡言之，設計方案需綜合考慮設備選型（支架類 型、組件類型等），同時也要因地制宜。

4 容配比設計建議

可以肯定的是，在不限發的前提下，提高光伏方陣和逆變器的容量配比，能夠提高系統 的經濟性和發電輸出。在其他設計條件不變時，提高容配比的方案主要有以下兩種：第一， 提高逆變器的輸入電壓，即加大組串長度；第二提高逆變器的輸入電流，即增加逆變器的輸 入路數。

4.1 第一種方案

提高組串內串聯組件數量，加大組串長度，提高組串輸出電壓。在系統電壓 允許範圍內串聯更多的組件數量，在新規範中串聯組件數量明確規定：

式中：Kv——光伏組件的開路電壓溫度係數；

K'v ——光伏組件的工作電壓溫度係數；

N ——光伏組件串聯數（N 取整）；

t——光伏組件晝間環境極限低溫（℃）；

t'——工作狀態下光伏組件的電池極限高溫（℃）；

Vdcmax ——逆變器和光伏組件允許的最大系統電壓，取兩者小值（直流，V）

VMPPTmin——逆變器 MPPT 電壓最小值（V）；

Voc ——光伏組件的開路電壓（V）；

Vpm——光伏組件最佳工作電壓（V）。

其中 t 為光伏組件晝間環境極限低溫（℃），此溫度為氣象統計中極限低溫，此低溫時對應 低輻照度，光伏組件輸出電壓在低輻照時也會降低。在文章《大型光伏電站方陣優化設計思考》中有過分析，在此不做贅述。

綜上，1500V 系統能顯著提高組串數量，提高系統經濟性；在系統電壓確定後，組件的開 路電壓和環境限制下，組串數量亦可確定，組串式逆變器和集中式逆變器計算方案相同。

4.2 第二種方案

提高逆變器的輸入電流，即增加逆變器的輸入路數。在輸入路數配置 上，組串式逆變器和集中式逆變器的設計有很大不同。如下為逆變器方陣示意圖。

4.2.1 組串式逆變器的應用

組串式逆變器的輸入路數和 MPPT 路數已限定，以某知名逆變器廠家的組串式逆變器為 例，SG225HX 型號逆變器有 12 路 MPPT，每路 MPPT 最大輸入組串數量，因此最大允許 24 路組串輸入。有個別項目為提高容配比，有採用「Y」型端子的方案，但是結合目前主 流組件型號的工作電流數值，增加路數意味著輸入電流翻倍，已遠超允許的輸入電流，導致嚴重的限發，因此」Y」型端子不可取。詳見下面計算結果。

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以我司某電站記錄的氣象數據為例，環境低溫-15℃，最佳傾角固定支架安裝，三種常見的雙面組件類型，功率依次為 410Wp、445Wp、445Wp。

4 月份部分時段組件安裝傾角輻照度數據

依照環境條件和光伏組件工作特性，計算組件/組串輸出電流為：

因為組串式逆變器的輸入路數確定，不管在何種環境，容配比已被限定，失去了設計 的靈活性。我國幅員遼闊，三類光資源區域的光照資源差異很大，同一類光資源區的環境 溫度差異也很大，放眼全球，環境差異更大，如採用單一的組串式逆變器配置，很難找到 事宜的環境會組件類型匹配，勢必會導致嚴重的限發或是容量浪費。因此，組串式逆變器 需增加型號，多樣化輸入電流和功率等級才能匹配組件類型和多樣的氣候條件，實現系統 良好的經濟性。同時，常規的 G1-158.76 規格電池組件在組串式逆變器中限發遠遠低於 M6-166 規格電池組件，同樣的設計條件，有更高的系統效率和經濟性。

4.2.2 集中式逆變器的應用

仍以上述項目為例，環境低溫-15℃，最佳傾角固定支架安裝，三種常見的雙面組件類 型，功率依次為 410Wp、445Wp、445Wp。

在不限發的條件下，即ηns i 各時段取值均為 1（如ηns i 部分時段取值變化，可按照係數相 應調整組串數量），光伏方陣/逆變器容量配比（容配比）計算結果如下：

上面計算結果為考慮低輻照修正允許的組串長度；如不考慮低輻照修正，每種設計組串 減少2塊組件，容配比也相應降低。在文章《大型光伏電站方陣優化設計思考》中有過分析， 在此不做贅述。

目前組件類型多樣（各種規格的矽片和分切技術），且性能參數各異，再疊加複雜多樣 的氣候條件和支架類型，更需嚴格落實規範要求，實現更優的經濟性；集中式逆變器的技術 特性決定其系統方案設計更加靈活，可匹配不同類型組件和氣候類型，通過更科學的容配比， 提高系統的經濟性；常規的 G1-158.76 規格電池組件在容配比設計中更具靈活性，同樣的設 計條件，允許更高容配比，因此對系統的經濟性更有利。限於篇幅，計算用的組件參數未附 在文中，如有興趣可聯繫組件廠家提供。

5 結論

當前，光伏組件缺乏規範和標準，導致組件類型多樣化且此狀態會持續相當長一段時間， 其主要表現為組件尺寸和規格多樣，組件電壓、電流參數繁雜，這給業主和設計單位選型、 設計、施工等工作造成嚴重困擾，同時對逆變器的設計也帶來了挑戰。全國各地光伏電站運 行記錄逐步完善，因此，綜合項目實際氣象條件，因地制宜優選設備類型和優化設計方案， 能夠大大提高系統經濟性。

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