光伏电站优化设计与应用

田 巍

（辽宁太阳能研究应用有限公司，辽宁 沈阳 110136）

1 系统设计

为了不造成环境污染，不占用土地资源，某厂区在其建筑屋面满足铺设太阳能电池板要求的基础上，在屋顶上安装分布式光伏发电站。该项目采用两套方案：一是以最佳倾角安装太阳能电池板，二是在厂房屋顶上平铺太阳能电池板。

1.1 电能计量系统

该项目的电能计量系统参考国家电网公司的《分布式电源接入系统典型设计》，采用380 V 计量方式，在用户低压计量相进行计量。计量装置具有信息采集功能，能够分别计量上网和下网的电量。光伏电站发电量的消纳方式主要分为两种：自发自用和余电上网。上网和下网的电量按国家规定的上网电价和销售电价分别计算售电费和用电费。

在该项目的4 个并网点均安装具有双向计量功能的智能远程费控电能表及相应的配套设备，通过专用电流互感器计量数据。相应的配套设备包括GPRS 远程无线终端和隔离开关。智能电能表前后预留隔离开关安装位置；若无安装位置，则加装三相智能电能表计量箱。电能计量装置具备采集信息数据与传输的功能，可实时监控有功和无功对应的数据，合理收集三项电流不平衡的监测数值。

光伏系统中的电子设备为交流负荷提供电能，同时也会影响本地电网的电能质量。逆变器将系统中的直流电转换成交流电，这一转化过程存在间歇与波动。为了确保系统能够提供可靠的电能，电能直流指标应满足GB/T12325、GB/T12326、GB/T14549、GB/T15543等国家标准。

光伏并网点断路器具备失压跳闸功能，可通过逆变器内的低压保护与频率保护实现解列，不配置独立的安全自动装置。当系统发生孤岛效应时，立即启动保护措施，断开电网。同时，系统具备继电保护配置等紧急控制装置，并在时间上与低电压穿越匹配相结合。

1.2 系统元器件的选型

1.2.1 光伏组件

该项目选择隆基太阳能光伏组件，型号为Longi 450W，尺寸（长×宽×高）为2094mm×1038mm×35mm，外观如图1所示，参数如表1所示。

表1 光伏组件主要参数

1.2.2 逆变器

光伏并网点逆变器并网时应符合逆变器类型分布式电源接入配网技术的要求，该项目选择的逆变器为锦浪GCI-100K-5G型，具有反孤岛功能，具体参数如表2所示。

表2 逆变器主要技术参数

1.3 最佳倾角设计方案

1.3.1 最佳倾角

当选择不同的倾角时，光伏电站每个月接收到的太阳能辐射量差异很大。因此，当采用固定倾角时，选择最佳角度来确保最优化发电，使发电量达到最大值。

最佳倾角通过PVsyst 软件进行模拟来确定，设计界面如图2所示。

图2 PVsyst太阳能电池板倾角设计界面

太阳能电池板的安装方式选择固定式倾角，朝向为正南，即方位角为0°，最佳安装角度θ为40°。

1.3.2 太阳能电池板间距

该项目地点建设在φ=40°的纬度上。太阳高度角α是冬至日上午9:00的太阳高度角，太阳赤纬角随地球自转而改变，冬至日北半球的太阳赤纬角δ是-23.45°，而上午9:00 时的时角ω为45°，如图3所示。

图3 太阳能电池板间距

式中，α为太阳高度角，α=2.98°；δ为太阳赤纬角，δ=41.12°；φ为建设地点的纬度；ω为时角；β为太阳方位角；L为组件后的投影长度，L=8.38 m；太阳能电池方阵的间距D=6.31 m。

1.3.3 太阳能电池板的连接方案

屋顶的理论面积为12 000 m2，按最佳倾角安装方式计算，该屋顶约能安装1 344 块光伏组件。根据太阳能电池板的参数以及锦浪GCI-100K-5G逆变器参数，利用太阳能电池板串并联的计算方法，考虑到温度变化的影响，该项目选择16 串联，14并联。

已知太阳能电池板间距为6.31 m，尺寸为2 094 mm×1 038 mm×35 mm，最佳安装倾角为40°，则太阳能电池方阵的实际安装面积为11 097.47 m2，屋顶剩余面积为902.53 m2。

1.4 平铺设计方案

组件在屋顶的安装方式主要是平铺安装和固定倾角安装，这两种安装方式都需要考虑屋顶的面积、设施位置以及阴影对组件的影响。对于平铺安装形式的光伏电站，不必考虑前后排组件之间的阴影遮挡，在安装的时候适当留出检修的通道以及电缆桥架的通道。屋顶面积为12 000 m2，应尽量把屋顶的面积铺满，平铺安装的太阳能电池板以16串、15并的方式连接。经计算，屋顶可以装下4 800块太阳能电池板，使用的面积为11 672.23 m2，屋顶剩余的面积为327.77 m2。

2 系统优化

2.1 光伏发电量

光伏发电站的年平均发电量Ep：

式中，HA为单位面积太阳能年辐射总量；PAZ为组件的安装容量；K为系统综合效率，K=0.83。

2.2 最佳倾角发电量

使用PVsyst 软件进行模拟，可以得到固定倾角为40°时的太阳辐射总量，如表3所示。

柴油机发电系统是复杂的非线性动态系统,该系统在稳定点运行时波动很小,因此可以用线性化模型来表示稳定工作点附近的动态过程[6-7]。柴油发电系统的数学模型可以满足

表3 固定倾角年太阳辐射总量

由公式（5）可知，该项目采用固定倾角安装方式后，首年的发电量为857 740.060 8 kW·h。

由于光伏发电组件存在衰减率，在没有接收太阳光照射之前，光伏组件的衰减率都比较小；当光伏组件开始接收太阳光照射后，衰减率就会急剧增大，多年后，衰减率会逐渐稳定下来。光伏发电站的发电量会随着年衰减率的增加而减小，光伏组件的年衰减率曲线如图4 所示，年衰减率与发电量的关系如表4所示。

图4 光伏组件衰减率曲线

表4 衰减率对应发电量

2.3 平铺式发电量

使用PVsyst 软件进行模拟，可以得到平铺安装方式下太阳辐射总量，如表5所示。

表5 平铺年太阳辐射总量

若该项目采用平铺安装方式，则首年的发电量为2 574 998.64 kW·h。光伏组件的年衰减率与发电量的关系如表6所示。

表6 衰减率对应发电量

3 经济技术评估

从电费调查、净现值和回收期3 个方面对该项目进行经济技术评估，其框架如图5所示。

图5 经济技术评估框架

屋顶光伏发电项目是一个附加在屋顶上的发电系统，在厂区的变压器容量满足接入条件的情况下，接入原厂区的配电室，并按“用户自发自用、余量上网”的方式，将该项目所发电量先供应给厂区，多余的电量送入电网。通过双向计量表记录正向用电和反向用电，向厂区供应的净电量即为厂区减少的电网购电量，由此减少厂区购买电能的支出，这部分就是该项目所产生的节能效益。根据2019年9月电费结算单可知，峰值电价为0.872 06元，平值电价为0.581 38元，谷值电价为0.290 69元。

通过软件模拟峰值、平值、谷值时段与太阳能发电的时段，可得峰值时段的发电量占比为43.575%，平值时段的发电量占比为56.421%，谷值时段的发电量占比为0.004%。根据地理位置的不同，对3个时间段进行划分：峰值时段为7:00～11:00和19:00～23:00；平值时段为11:00～19:00；谷值时段为23:00～7:00，如图6所示。

图6 光伏电站不同时段发电量占比

光伏电费为0.708 元/（kW·h），每度电合计代收费用约为0.033 8元/（kW·h），则实际光伏电费为0.741 8 元/（kW·h）。根据光伏电费和平均年发电量可知，最佳倾角光伏系统的年平均收益为58 万元，平铺光伏系统的年平均收益为175万元。

3.1 光伏发电系统寿命期净现值

对于长期使用的光伏电站，采用净现值和动态回收期所得到的数值来检验其是否合理，同时验证经济效益是否合理。

式中，NPV为太阳能电池板寿命期的净现值；C0为系统的初始投资；B为分布式光伏电站的平均年收益；C为系统运行维护的成本；i为社会折现率，i=10%；n为太阳能电池组件的工作年限，n=20；nb为太阳能电池板的更换周期；Bcost为更换太阳能电池板的成本。

3.1.1 最佳倾角系统寿命期的净现值

单晶450 W 光伏组件的价格为832.5 元，该系统总共使用1 344 块太阳能电池板，系统总容量为604.8 kW，花费120万元；逆变器的价格为2.3万元/台，该方案使用了6 台逆变器，花费13.8 万元；支架、线缆及其他设备花费88万元。

该系统的初始投资C0为221.8 万元，分布式光伏电站平均年收益B为58 万元，系统运行维护成本C为1 万元，光伏阵列的热斑效应使得太阳能电池板更换周期nb为1 年，更换太阳能电池板的成本Bcost为1.2万元。将上述的数值代入式（6）中得

由此可见，该项目具有可行性。

3.1.2 平铺系统寿命期的净现值

该系统使用的太阳能电池板共有4 800 块，系统容量为2 160 kW，花费400万元；使用20台逆变器，花费46万元；支架、线缆等其他费用共320万元。

系统初始投资C0为766万元，分布式光伏电站平均年收益B为175 万元，系统运行维护成本C为3.6 万元，光伏阵列的热斑效应使得太阳能电池板更换周期nb为1年，更换太阳能电池板成本Bcost为4万元。将上述的数值代入公式（6）中得

由此可见，该项目具有可行性。

3.2 系统回收期

3.2.1 动态回收期

电站从初期投入到发电获得收益并回收成本的周期为动态回收期，依据项目基准收益率来计算每年的净收益。设投资回收期为ndp，社会年利率为i。根据回收期的定义，初始投资C0与年净收益(B-C)的关系为

1）最佳倾角系统的动态回收期

已知C0为221.8 万元，(B-C)为57 万元，i为10%。由式（9）可计算出最佳倾角安装形式的光伏电站的动态回收期ndp为5.17年。

2）平铺安装系统动态回收期

已知C0为766 万元，(B-C)为171.4 万元，i为10%。由式（9）可计算出平铺安装形式的光伏电站的动态回收期ndp为6.21年。

3.2.2 静态回收期

除了动态回收期，也可以利用静态回收期nsp来计算光伏电站的回收期：

最佳倾角安装形式系统的静态回收期为3.9年，平铺安装形式系统的静态回收期为4.5 年。因此，对这两种安装形式的分布式光伏发电站的建设投资都是可行的。

4 优化分析

最佳倾角安装形式与平铺安装形式的对比结果如表7所示。

表7 最佳倾角安装形式与平铺安装形式各项对比

通过表7 可以看出，两种系统都能充分地利用屋顶的面积，但是平铺形式的利用率比最佳倾角形式更大一些；最佳倾角系统的投资成本为221.8 万元，对应净现值大于0，系统在使用寿命期间内可以把投资成本回收，收益可达253.2万元，回收成本后可赚取投资成本的1.14倍；平铺系统的投资成本为766万元，对应净现值也大于0，同样能在使用寿命期间内把投资成本回收，收益可达659 万元，回收成本后可赚取投资成本的0.86倍。由此可见，最佳倾角安装形式系统的效益更大。

5 结论

1）对比两套设计方案，最佳倾角安装方式共需要1 344 块450 W 的光伏组件，总容量为605 kW，使用的屋顶面积为11 097.47 m2；平铺安装方式共需要4 800块450 W的光伏组件，总容量为2 160 kW，使用的屋顶面积为11 672.23 m2。这两套方案对屋顶面积的使用率都在90%以上。

2）通过发电量的计算可知，最佳倾角安装方式的平均年发电量为783 545 kW·h，平铺安装方式的平均年发电量为235 2261 kW·h。每生产1度电相当于减少0.997 kg 的二氧化碳，最佳倾角安装方式系统平均每年可减少783.76 t 二氧化碳，平铺安装方式系统平均每年可减少2 352.91 t二氧化碳。

3）通过经济技术评估分析可知，最佳倾角安装方式系统的寿命期净现值为253.2，动态回收期为5.17年；平铺安装方式系统的寿命期净现值为659，动态回收期为6.21年。这说明两套系统设计合理，都具有可行性。通过对比可知，最佳倾角安装方式的回收期比平铺安装方式要短，可以在更短的时间内回收投资成本，在光伏阵列剩余的寿命期内赚取更多的收益。