基于逆变器过载损失的双面组件光伏电站最优容配比分析

陆 炜，田介花

(江苏林洋新能源科技有限公司，南京 210004)

0 引言

近年来，随着我国光伏组件和逆变器技术的发展和产业规模的扩大，光伏电站核心设备的成本不断降低，我国光伏发电进入了平价时代。为了使光伏电站获得更好的投资收益，可通过采用高效的双面光伏组件、提高光伏电站的容配比等措施，减少光伏电站的初始投资或提升其发电量。

在光伏电站中，容配比是指逆变器所连接的光伏组件容量与逆变器额定功率的比值，也就是直流侧容量与交流侧容量的比值。当直流侧容量与交流侧容量相同时，容配比等于1∶1；当直流侧容量大于交流侧容量时，容配比大于1∶1；当直流侧容量小于交流侧容量时，容配比小于1∶1。

受光照情况的影响，大部分时间光伏组件的输出功率都达不到逆变器的额定功率，即在容配比小于等于1∶1时，逆变器通常会处于非满负荷的运行状态，因此，为了提高逆变器的利用率，减少设备的资金投入，在光伏电站设计时，容配比通常要大于1∶1。但一般情况下，逆变器只有超过其额定功率1.1倍的过载能力，若再超过该过载能力，逆变器就会限额运行，由此造成的光伏组件输出功率损失就是逆变器过载损失。因此，在光伏电站设计时，需对容配比进行优化，这样不仅可以减少逆变器、箱变等交流设备的使用量，而且还可以将高容配比造成的光伏电站发电量损失降至最低。

目前，在光伏电站设计时，优化容配比的方法一般是采用软件对不同容配比下光伏电站的发电量进行模拟，再对不同发电量时的光伏电站收益率进行对比，光伏电站收益率最好时所对应的容配比即为该光伏电站的最优容配比[1-2]。然而，在利用软件对光伏电站的发电量进行模拟时，由于通过软件模拟得到的逆变器过载损失与实际的逆变器过载损失存在一定差距，导致根据该模拟得到的光伏电站发电量确定的最佳容配比不一定是该光伏电站真正的最佳容配比。

本文以位于江苏省宿迁市泗洪县的某个采用双面光伏组件的光伏电站(下文简称为“双面组件光伏电站”)为例，首先对比研究了不同容配比下该双面组件光伏电站中逆变器的实际过载损失和模拟过载损失之间的关系；然后采用最小二乘法多项式曲线拟合和数据映射法，利用不同容配比下双面组件光伏电站的实际发电量损失数据校正模拟得到的发电量损失数据，并由此得到更符合实际情况的光伏电站发电量推算值；最后通过校正后的发电量推算值获得与实际情况相符的双面组件光伏电站的最优容配比。

1 逆变器过载损失的实证分析和模拟

分别利用PVsyst仿真软件[3]模拟得到的数据和光伏电站的实际数据，对双面组件光伏电站在不同容配比下的逆变器过载损失和光伏电站发电量之间的关系进行分析。该双面组件光伏电站采用2.5 MW集中式逆变器；采用295 W的n型双面单晶硅光伏组件，每32块光伏组件串联成1个光伏组串；光伏组件的安装倾角为27°。

1.1 逆变器过载损失的实证分析

以本双面组件光伏电站中的2个装机容量分别为2.625、2.875 MWp的光伏方阵为例进行分析，这2个光伏方阵所对应的容配比分别为1.05∶1和1.15∶1。对不同容配比光伏方阵的输出功率数据进行采集，数据采集周期为2019年4月1日-2020年3月31日。2020年3月18日，不同容配比光伏方阵的输出功率曲线如图1所示。

从图1可以看出，当容配比为1.05∶1时，光伏方阵的最大输出功率约为2.5 MW；而当容配比为1.15∶1时，在11:30-13:00期间，光伏方阵的最大输出功率被限制在2.75 MW左右。这是因为逆变器的最大输出功率一般为其额定功率的1.1倍，当光伏方阵的最大输出功率超过逆变器的最大输出功率时，逆变器将出现过载现象，即将光伏方阵的最大输出功率限制在逆变器最大输出功率之内，这时光伏方阵的最大输出功率曲线会出现一段直线，一般称为削峰现象，如图1中容配比为1.15∶1时光伏方阵的输出功率曲线。因削峰现象导致光伏方阵应发的电量没有发出，由此造成的发电量损失称为逆变器过载损失。

图1 不同容配比光伏方阵的输出功率曲线Fig 1 Output power curves of PV array with different PV/inverter ratios

通过分析为期1年的采集数据后发现，容配比为1.05∶1时，光伏方阵输出功率曲线未出现削峰现象；而容配比为1.15∶1时，光伏方阵输出功率曲线出现了削峰现象。不同容配比的2个光伏方阵每千瓦发电量情况如表1所示。

表1 不同容配比的2个光伏方阵每千瓦发电量情况Table 1 Power generation per kW of two PV arrays with different PV/inverter ratios

由表1可知，相较于容配比为1.05:1的光伏方阵，容配比为1.15∶1的光伏方阵每千瓦年发电量损失比例为0.86%。

1.2 逆变器过载损失的模拟分析

为了研究逆变器过载损失和容配比之间的关系，利用PVsyst软件对光伏方阵装机容量为2.500～3.750 MWp、对应的容配比为1.00∶1～1.50∶1时逆变器的过载损失情况进行了模拟，具体模拟结果如表2所示。

表2 不同光伏方阵装机容量、不同容配比时逆变器过载损失的模拟结果Table 2 Simulation results of inverter overload loss under different installed capacity of PV arrays and different PV/inverter ratios

从表2中可以看出，当容配比从1.00∶1增加至1.20∶1时，光伏方阵每千瓦年发电量均为1225.00 kWh，且逆变器过载损失比例均为0%。这说明容配比小于等于1.20∶1时未发生逆变器过载损失，光伏方阵每千瓦年发电量保持一致。当容配比增加到1.25∶1时，开始出现逆变器过载损失，此时光伏方阵每千瓦年发电量也从之前的1225.00 kWh降至1224.78 kWh，相比未发生逆变器过载损失时，光伏方阵每千瓦年发电量减少了0.02%。随着容配比的继续提高，逆变器过载损失也继续增大，光伏方阵每千瓦年发电量也随之继续减少，这说明光伏方阵每千瓦年发电量值的大小与容配比及逆变器过载损失均相关。

2 逆变器过载造成的发电量损失校正方法

结合上文中表1的实测结果和表2中的模拟结果进行分析可以发现：在实际测试中，当容配比为1.15∶1时，逆变器发生了过载损失，相较于容配比为1.05∶1时，光伏方阵每千瓦年发电量损失为0.86%；而根据模拟结果，当容配比为1.15∶1时，未发生逆变器过载情况。这说明，根据模拟结果得到的因逆变器过载而损失的光伏方阵每千瓦发电量比实际的因逆变器过载而损失的光伏方阵每千瓦发电量小。因此，本文利用最小二乘法多项式曲线拟合的方法，以光伏方阵的实际发电量损失数据去校正模拟得到的光伏方阵发电量损失数据，以便于最终得到更贴近实际情况的光伏方阵最优容配比。

将表2中不同容配比时对应的光伏方阵每千瓦年发电量损失比例绘制成曲线，如图2所示，以方便后续利用最小二乘法多项式曲线拟合的方法进行相应分析。

图2 不同容配比下光伏方阵每千瓦年发电量损失比例曲线Fig. 2 Curve of annual power generation loss ratio of PV array per kW under different PV/inverter ratios

从图2中可以看出，当容配比小于等于1.2∶1时，光伏方阵无发电量损失；但当容配比大于1.2∶1后，随着容配比的提高，光伏方阵每千瓦年发电量损失比例快速增加，呈现非线性关系。

利用最小二乘法多项式曲线拟合的方法可以得到图2中曲线的方程，即：

式中：x为光伏方阵的容配比；y为光伏方阵每千瓦年发电量损失比例。

由表1中的实测数据可知，在实际情况下，当容配比为1.15∶1时，光伏方阵每千瓦年发电量损失比例为0.86%；而通过式(1)可以发现，在模拟情况下，当容配比为1.427∶1时，光伏方阵每千瓦年发电量损失比例才达到0.86%。这表明：在相同的年发电量损失比例的情况下，模拟得到的容配比远高于实际情况下的容配比。根据表1中的实测数据，当容配比为1.05∶1时，光伏方阵未因为逆变器过载而产生发电量损失；而当容配比为1.15∶1时，由于发生了逆变器过载损失，光伏方阵每千瓦产生了0.86%的年发电量损失。

将表1中未发生发电量损失时的容配比1.05∶1与表2中模拟时将发生发电量损失的临界容配比1.20∶1相对应，同时将年发电量损失同为0.86%的实际容配比1.150∶1与模拟得到的容配比1.427∶1相对应，采用数据映射法可以推算得到实际情况下容配比为1.05∶1～1.15∶1时的光伏方阵每千瓦年发电量损失推算曲线，如图3所示。

图3 不同容配比时的光伏方阵每千瓦年发电量损失推算曲线Fig. 3 Calculated curve of annual power generation loss of PV array per kW at different PV/inverter ratios

利用最小二乘法多项式曲线拟合的方法可以得到图3中光伏方阵每千瓦年发电量损失推算曲线的方程，即：

式中：y′为推算得到的光伏方阵每千瓦年发电量损失比例。

利用未发生逆变器过载损失时的光伏方阵每千瓦年发电量，再结合式(2)推算得到的光伏方阵每千瓦年发电量损失比例，就可以得到容配比为1.05∶1～1.15∶1时的光伏方阵每千瓦年发电量，如图4所示。

图4 不同容配比时的光伏方阵每千瓦年发电量曲线Fig. 4 Curve of annual power generation of PV array per kW at different PV/inverter ratios

3 双面组件光伏电站的容配比优化

优化光伏电站的容配比时，需要对不同容配比情况下光伏电站的发电量和建设成本进行测算，并计算投资收益率(IRR)，然后以IRR最高时对应的容配比作为光伏电站的最佳容配比。

容配比提高后，逆变器的过载损失也会相应提高，这会对光伏电站的发电量产生影响。由于双面光伏组件的背面也可以发电，在相同太阳辐照度的情况下，双面光伏组件的输出功率要比单面光伏组件的高，因此，在高容配比的情况下，双面组件光伏电站的发电量损失会更高。

根据表2中的数据，可以得到整个双面组件光伏电站在不同容配比情况下的年发电量模拟值，然后测算不同容配比时双面组件光伏电站的建设成本，最后可计算得到在不同容配比情况下该电站的IRR。模拟得到的不同容配比情况下双面组件光伏电站的IRR曲线如图5所示。

图5 模拟得到的不同容配比下双面组件光伏电站的IRR情况Fig. 5 IRR of bifacial modules PV power station under different PV/inverter ratios obtained by simulation

从图5可以看出，该双面组件光伏电站在容配比为1.3∶1时的IRR最高。则根据模拟数据，得到该双面组件光伏电站的最优容配比为1.3∶1。

根据表1中的实测数据，采用发电量损失校正方法获得不同容配比情况下该双面组件光伏电站的实际发电量数据，再进行IRR的测算。利用实测数据修正后的不同容配比下双面组件光伏电站的IRR曲线如图6所示。

图6 实测数据修正后的不同容配比下双面组件光伏电站的IRR情况Fig. 6 IRR of bifacial modules PV power station under different PV/inverter ratios after correction of measured data

从图6可以看出，在容配比为1.09∶1时，该双面组件光伏电站的IRR最高。因此该双面组件光伏电站的实际最优容配比为1.09∶1。

对比通过模拟发电量获得的该双面组件光伏电站的最优容配比和通过实测数据校正发电量损失后获得的该双面组件光伏电站的最优容配比可以看到，实际的最优容配比要低于模拟得到的最优容配比。因此，在对双面组件光伏电站进行容配比优化时，根据实际的逆变器过载损失情况进行推算，可以得到较为准确的最优容配比值。

4 结论

本文以某双面组件光伏电站中的2个光伏方阵为例，对在不同容配比下的逆变器过载损失和光伏方阵发电量情况进行了软件模拟和实际验证，得到如下结论：

1)通过软件模拟得到的逆变器过载损失发生在容配比大于1.2∶1以后；而通过分析光伏方阵的实测数据发现，容配比为1.15∶1时，逆变器就已经出现了过载损失，光伏方阵每千瓦年发电量损失为0.86%。

2)通过采用最小二乘法多项式曲线拟合法和数据映射法，从光伏电站的实际发电量损失数据出发，对模拟得到的光伏电站发电量损失进行校正，获得了符合实际情况的光伏电站发电量推算值，并由此得到了该双面组件光伏电站的实际最优容配比为1.09∶1；而采用模拟数据得到的该双面组件光伏电站的最优容配比为1.3∶1，实际的最优容配比要小于模拟得到的最优容配比。