光伏电站容配比探讨

陈晨 丁学林 邹仲芳

（上海航天智慧能源技术有限公司 上海 201100）

0 引言

光伏产业是我国少有的形成国际竞争优势、实现全产业链自主可控的战略性新兴产业，也是推动我国能源变革的重要引擎。我国在“十四五”规划中提出要力争实现“碳达峰、碳中和”的目标，但中国当前仍处于工业化和城镇化进程中，经济发展和民生改善的任务还很重，并且能源结构偏煤、产业结构偏重，从“碳达峰”到“碳中和”的时间比发达国家缩短了一半左右。因此，对我国而言实现“碳达峰、碳中和”的目标仍然面临着巨大挑战。面对诸多挑战，加速能源转型［1］，大力发展光伏等新能源是实现该目标的必然选择。从经济角度出发，推广光伏新能源必须考虑工程的建设成本和经济效益。随着光伏组件的价格下降，光伏电站容配比对电站收益率的影响越来越大［2］。

1 容配比概述

1.1 光伏电站容配比的概念

容配比［3］是指光伏电站中组件标称功率与逆变器额定输出功率的比例，其计算如式（1）。

式中：R 为容配比；PDC为光伏组件安装容量；PAC为光伏发电系统额定容量。

1.2 提升容配比的原因

（1）光伏组件的标称功率与实际输出功率存在差距。组件标称功率是在标准环境25 ℃条件下测得的，辐照度1 000 W/m2［4］，光谱分布1.5。而不同区域的辐照度差异较大，实际输出功率达不到理论值。

（2）系统损耗。在组件容量和逆变器容量一致的情况下，由于客观存在的各种损耗，如组件表面灰尘污渍、线路损耗、逆变器转换效率等因素，逆变器实际输出最大容量只有逆变器额定容量的90%左右，我国光伏电站整体的系统效率在80%～85%之间。

（3）有利于电网运行。提升容配比可以延长电站满载运行时间，降低输出功率变化幅度和电网的调峰压力，使光伏电站的输出功率更加稳定。

1.3 提升容配比的意义

（1）搭配储能系统，使输出功率平滑。

（2）补偿光照的不足，降低各环节造成的效率损失，使电站达到预期输出功率。

（3）组件输出功率变高可以使逆变器启动更早，停机更晚，延长系统发电时间。

（4）提高了逆变器、箱变等设备的利用效率，摊薄了固定设施的建设成本，降低单位工程造价。

1.4 政策依据

2020 年10 月23 日，《光伏发电系统效能规范》（NB/T 10394—2020）正式发布，这是我国首个正式下发的、全面放开容配比的规范。该规范也将容配比限制提高到最高1.8∶1。此规范对降低发电成本、助力平价上网意义重大。

2 增加容配比方案

（1）直流侧增容。针对电站容量按照交流侧统计，若直流侧土地满足超配组件的安装面积要求，便可增加安装容量。

（2）交流测减容。针对电站容量按照直流侧统计，增加容配比的措施为减少交流测容量配置，减少逆变器和箱变的容量，降低投资成本。

3 增加容配比对设备选型的要求

3.1 增容对逆变器的影响

由于逆变器的接线端子要足够多，从而满足超配要求；而超配易造成逆变器过载运行，需要设备具有更强的耐压能力；逆变器长时间满功率运行会导致机器内部温度上升，而电子元件的寿命与温度成反比。因此提高容配比对元器件的寿命有很大影响。

3.2 对箱变的影响

若电站设计额定功率为P，在不考虑线路损耗的情况下，箱变要具备1.1 倍的过载运行能力，具体关系如图1 所示。

图1 电站设计额定功率与箱变运行能力之间的关系

4 光伏电站最佳容配比的设计

4.1 设计原则

超配设计原则以逆变器不限发为原则，具体比例为Ⅰ类地区1.1 倍、Ⅱ类地区1.2 倍、Ⅲ类地区1.3 倍。

现在电站超配以LCOE（平准化度电成本，光伏发电系统在评价周期内发生的所有成本和全部可上网电量的折现比值，单位为元/千瓦时）最低为原则［5］，追求更高容配比、更优的组件布局设计等，见式（2）。

4.2 设计方法

综合考虑项目的地理位置、地形条件、太阳能资源条件、组件选型、安装类型、布置方式、逆变器性能、建设成本、光伏方阵至逆变器和并网点的各项损耗、电网需求等因素，借助Pvsyst 仿真工具和财务收益测算模型，使用试算法进行计算。从低到高选取容配比进行多点计算，得出最优容配比；系统发电量可利用Pvsyst 模拟计算得出［6］。

5 容配比对光伏电站的影响

为了探究容配比对光伏电站的影响，本文取自上海市多个光伏电站的数据进行研究，分别探究不同容配比对光伏电站首年利用小时数、发电系统线损等因素的影响。

5.1 容配比对首年利用小时数的影响

目前常选择在直流侧增容的方法提高容配比，由于逆变器限功率运行的时间会随着容配比的提高而增加，因此以电站直流侧装机容量计算的等效利用小时会发生变化，高容配比下的电站首年利用小时会有所下降。以上海地区为例，不同容配比下的光伏电站首年利用小时数如图2 所示。

图2 不同容配比的光伏电站首年利用小时数

由图2 可知，当容配比R=1.0～1.4 时，不同容配比下的光伏电站首年利用小时数约为1 289 h，首年利用小时基本没有明显变化；当容配比R=1.5 时，该光伏电站首年利用小时数约为1 287.5 h，这时首年利用小时开始略有降低，但降幅很少，降幅为0.104%，此时容配比对发电量的影响很小；当容配比R=1.6 时，首年利用小时下降明显，约为6 h，降幅约为0.47%；当容配比R=1.8 时，电站的首年利用小时降低了31.74 h，降幅2.46%，其发电量也会随之减少；同时反映随着光伏电站容配比的增大，电站的首年利用小时数会降低，并且降低的幅度会越来越大，最终造成光伏电站发电量的减少。

5.2 容配比对发电系统线损的影响

不同的容配比下，对线损的影响是不同的，图3 为不同容配比下的某光伏站的线损情况。从图中可以看出，当容配比为分别为R=1.0、1.1、1.2、1.3 时，其线损分别是0.15%、0.162%、0.179%、0.214%，说明电站的容配比越大，其线损也越大。当容配比R 从1.0 增大至1.1 时，线损从0.15%提高至0.162%，线损增加了0.012%，变化幅度为8%；当R 从1.1 增大至1.2 时，线损从0.162%提高至0.179%，线损增加了0.017%，线损变化幅度为10.5%；当R 从1.2 增大至1.3 时，线损从0.179%提高至0.214%，线损增加了0.035%，线损变化幅度为19.6%；反映出当容配比增加相同的幅度时，容配比基数越大，其对应的线损增加的幅度也越大，说明容配比越大对线损的变化情况影响越大。

图3 容配比与线损之间的变化曲线

5.3 初始容配比对发电量的影响

目前光伏电站的理论寿命为25 a，随着光伏组件材料的不断老化，光伏电站的实际容配比是在逐年下降的。从图4 可以看出：容配比与电站使用时间之间成线性关系，且随着时间变化，电站的容配比不断减小。但是若电站的初始容配比较高，即使容配比随着时间的推移降低后，由于逆变器限功率时间减少，年利用小时增加。虽然发电量的增幅不及组件的衰减速度，但增加容配比可以减缓组件衰减造成的发电量减少。

图4 容配比与时间之间的变化曲线

5.4 容配比对运维及投资的影响

目前光伏电站的运维成本在0.02 元/Wp 左右，直流侧增容会造成光伏组件的清洗成本和日常运维费用的增加。

光伏电站公共部分投资成本大约在0.8 元/W～1.5 元/W，投资总成本构成如图5 所示，包含组件、逆变器、支架、配电箱、光伏电流、辅助料、施工等成本。若考虑直流侧增容，虽然公共部分与原来相比投资总额不会变化太多，但是会使项目的总容量增加，从而使公共部分的单位投资成本会有所下降。

图5 光伏投资占比

6 总结

（1）当容配比R=1.0～1.4 时，对电站的首年利用小时数影响很小；当容配比R≥1.5 时，随着容配比的增大，电站的首年利用小时数会降低，且降低的幅度会越来越大。

（2）不同的容配比，对线损的影响是不同的；当电站的容配比越大，其线损也越大；容配比基数越大时，对线损的变化幅度影响也越大。

（3）提升容配比可以减缓光伏电站因组件衰减而导致发电量的降低。

（4）提升容配比，可以提高逆变器、箱变等设备的利用效率，并降低工程造价，增加直流侧装机容量，降低电站的投资成本和发电成本。