基于LCOE的平单轴光伏发电项目设计优化研究

贺 坤，龚 震

(国家电投集团科学技术研究院有限公司，北京 102209)

0 引言

2020年9 月，中国提出“二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”的目标。2021年3月通过的《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》，进一步强调要大力发展清洁能源。光伏发电作为主要的清洁能源应用形式，其发展具有重要意义。

光伏发电系统中的光伏支架种类主要包括固定倾角光伏支架、固定可调光伏支架、平单轴光伏支架及斜单轴光伏支架。其中，平单轴光伏支架具有广泛的应用前景，不少研究学者对采用平单轴光伏支架的光伏发电项目(下文简称为“平单轴光伏发电项目”)进行了研究。其中，谢磊等[1]研究了不同地域的平单轴光伏发电项目的容配比对其发电量及收益率的影响；袁炜东[2]以陕西省某光伏电站为例，研究了峰值功率为380 W的光伏组件采用平单轴光伏支架时东西向间距的优化设计；马竞涛[3]以峰值功率为370 W的双面光伏组件为例，研究了平单轴光伏支架高度对双面光伏组件发电量的影响。随着光伏组件技术的发展，目前峰值功率为500+W、600+W的光伏组件已成为市场主流产品，平单轴光伏支架技术也得到了迅速发展，反向跟踪和太阳入射光优化的控制技术方案已基本成熟，但目前针对以上技术方案的研究相对欠缺。

平准化度电成本(LCOE)是国内外常用的分析发电技术成本的指标，该指标是对项目生命周期内的成本和上网电量先进行平准化，再计算得到的发电成本，用于项目技术方案之间的横向对比时，可评判单位电量的成本高低。Aldersey-Williams等[4]对国外关于LCOE建模的研究进行了综述。国内学者[5-7]结合新能源产业特点及国内财税政策，对LCOE的计算模型进行了优化。吴江等[8]基于国外大型光伏发电项目，提出了基于LCOE对项目装机规模设计进行优化的一般思路。陈琦等[9]以LCOE为指标，对采用固定倾角光伏支架的单面、双面双玻光伏组件的经济性进行了比较研究，但该研究未涉及平单轴光伏支架方案。张德晶等[10]以LCOE为评价指标，对国内不同纬度地区的光伏发电项目采用固定倾角光伏支架、平单轴光伏支架等形式时的经济性进行了比较研究，但未涉及平单轴光伏支架方案的具体技术参数的经济性比选。可以看出，以LCOE为指标，基于目前先进的光伏组件技术及平单轴光伏支架控制技术的经济性研究相对欠缺。

综上所述，本文以江西省新余市某水面集中式光伏发电项目和宁夏回族自治区中卫市某地面集中式光伏发电项目为例，采用PVsyst软件建模，对平单轴光伏发电项目的设计参数进行深入的仿真模拟研究，并结合LCOE评价指标开展技术经济性比较，为平单轴光伏发电项目的工程实践提供设计优化思路。

1 光伏方阵模型的参数设置

1.1 项目设置

为保证本研究的代表性和工程实践性，选取位于不同纬度地区的两个典型大型集中式光伏发电项目为研究对象，采用数值模拟的方式开展研究。这两个典型项目的基本信息情况如表1所示。

表1 典型项目的基本信息情况Table 1 Basic information of typical projects

1.2 光伏方阵设备基本参数

1.2.1 光伏组件选型

2019年，部分主流光伏组件生产厂家推出了峰值功率为600+W的光伏组件；2022年，已有多家光伏组件生产厂家的600+W光伏组件实现量产。文献[11]的研究表明：大尺寸化、高功率光伏组件可以有效提升其光电转换效率，同时降低其制造成本及LCOE。

考虑到技术先进性，本研究选择某厂家生产的标称功率为665 W的双面双玻光伏组件用于模拟计算，其主要技术参数如表2所示。

表2 双面双玻光伏组件的主要技术参数Table 2 Main technical parameters of bifacial double glass PV modules

1.2.2 逆变器选型

考虑到逆变器参数与光伏组件参数匹配，本研究选用某厂家生产的额定功率为320 kW的逆变器。该逆变器的工作电压为1080 V，最大输入电压为1500 V；最大可接入16路最大功率点跟踪(MPPT)，最大转换效率为99.01%。

1.3 光伏方阵建模参数设置

目前，光伏仿真软件主要有加拿大政府资助研发的RETScreen软件、德国宇航中心研发的Greenius软件、瑞士日内瓦大学研发的PVsyst软件等，其中，PVsyst软件的参数设置丰富、算法灵活，广泛应用于光伏发电工程实践中。本研究采用PVsyst7.2软件进行仿真研究。

当前常用的光资源数据库包括美国国家航空航天局研发的NASA-SEE资源库、瑞士的Meteonorm研究所研发的Meteonrom 8.0资源库，以及Solargis公司研发的Solargis资源库。其中，Solargis数据库的空间分辨率最高，数据年代最近，因此本研究采用Solargis数据库的数据。

本研究采用的基本方案为：选用300台额定功率为320 kW的逆变器；光伏支架选择平单轴光伏支架，平单轴南北向布置，跟踪范围为-45°～+45°；光伏组件每两块为1排，竖向布置；光伏支架东西向间距设置应保证冬至日09:00～15:00(当地真太阳时)前后排光伏组件无阴影遮挡；光伏组件最低处距地高度为1.5 m；容配比约为1.0:1。

由于两个光伏发电项目所在地的纬度、最低环境温度、太阳辐照度等数据不同，因此两个光伏发电项目的仿真参数设置有所不同，具体如表3所示。项目A为水面集中式光伏发电项目，全年地表反射率按0.15考虑；项目B为地面集中式光伏发电项目，需要考虑冬季积雪情况，12月～次年2月的地表反射率按0.30考虑，其他各月按0.20考虑。

鉴于本研究两个光伏发电项目均采用同一型号的双面双玻光伏组件，光伏组件的首年和逐年衰减率一致。为便于讨论，以发电小时数表征发电量情况，发电小时数统一以首年无衰减的发电小时数考虑。

2 平单轴光伏发电项目的发电量模拟及仿真结果分析

2.1 支架优化控制策略对项目发电量的影响

传统平单轴光伏支架的控制策略采用天文控制策略，实时跟踪太阳方位，通过平单轴转动实现太阳光线入射角最小，以达到单个光伏组件接收的太阳辐射量最多的目的。但该控制策略存在两方面问题；一方面，在阴雨天，太阳辐射以漫反射为主，此时跟踪太阳方位不能保证光伏组件接收的太阳辐射量最多；另一方面，实时跟踪太阳方位，在光伏支架东西向间距一定的情况下，会不同程度的出现前后排光伏组件阴影遮挡情况，从而影响光伏发电系统的发电量。

Fernández-Ahumada等[12]研究了一种入射光优化的平单轴光伏支架控制策略，研究结果表明：在漫反射为主的太阳辐射条件下，相对于传统跟踪太阳方位的方式，平单轴光伏支架采用水平角度能够提高光伏组件接收的太阳辐射量，从而提高光伏发电系统的发电量。

王士涛[13]对基于反向跟踪技术的太阳能跟踪系统及应用进行了研究，研究结果表明：反向跟踪技术可以在光伏支架东西向间距一定的条件下，减少前后排光伏组件的阴影遮挡，从而提高光伏发电系统的发电量。

PVsyst7.2软件版本在平单轴光伏支架的控制策略中加入了以上两种支架优化控制策略。本文以同型号的单面光伏组件作为仿真模拟的对比组进行分析。

对采用支架优化控制策略前、后，项目A和项目B分别采用单面光伏组件和双面光伏组件时的发电小时数情况进行仿真模拟。支架优化控制策略对光伏发电项目发电小时数的影响如图1所示。

图1 支架优化控制策略对光伏发电项目发电小时数的影响Fig.1 Influence of optimal control strategy for brackets on power generation hours of PV power generation projects

从图1可以看出：采用支架优化控制策略后，无论采用单面光伏组件，还是采用双面光伏组件，两个光伏发电项目的发电小时数增长量均超过30 h。其中，项目A在采用单面光伏组件的情况下，采用支架优化控制策略后的发电小时数提高39 h；采用双面光伏组件的情况下，采用支架优化控制策略后的发电小时数提高31 h。项目B在采用单面光伏组件的情况下，采用支架优化控制策略后的发电小时数提高45 h；采用双面光伏组件的情况下，采用支架优化控制策略后的发电小时数提高37 h。

考虑到在成本基本不变的条件下，采用支架优化控制策略后光伏发电项目发电量的提升较为明显，因此下文模拟中均采用支架优化控制策略。

2.2 光伏支架东西向间距对项目发电量的影响

不同的光伏支架东西向间距会对光伏发电项目的发电量产生影响。在采用反向跟踪技术控制策略的情况下，当光伏支架东西向间距较小时，光伏组件为避免来自东西向的阴影遮挡，平单轴光伏支架会选择放弃追踪太阳方位，选择不产生阴影遮挡的角度，从而导致光伏发电项目的发电量减少；但是，光伏支架东西向间距过大时，又会造成土地的浪费，并导致工程造价提高。

根据GB 50797—2012《光伏发电站设计规范》的要求，本研究以不采用反向跟踪技术控制策略情况下，冬至日09:00～15:00(当地真太阳时)前后排光伏组件无阴影遮挡为条件计算出基本光伏支架东西向间距。经过计算可以得到：项目A的基本光伏支架东西向间距为9.44 m，项目B的基本光伏支架东西向间距为13.27 m。在此基础上以0.5 m为步长左右各递进4次，共得到9组光伏支架东西向间距数值，其中，项目A的光伏支架东西向间距为7.44～11.44 m，项目B的光伏支架东西向间距为11.27～15.27 m。

在项目A、项目B分别采用单面光伏组件和双面光伏组件的情况下，对光伏支架东西向间距变化时不同光伏发电项目的发电小时数进行仿真模拟，结果如图2所示。

图2 光伏支架东西向间距的变化对光伏发电项目发电小时数的影响Fig.2 Impact of change in the east-west spacing of PV brackets on power generation hours of PV power generation projects

从图2可以看出：在项目A中，当光伏支架东西向间距由7.44 m提高到7.94 m时，采用单面光伏组件和双面光伏组件时的发电小时数分别提高了13.14 h和15.33 h；而随着光伏支架东西向间距持续提高，项目的发电小时数增长趋势变缓；当光伏支架东西向间距由10.94 m提高到11.44 m时，采用单面光伏组件和双面光伏组件时的发电小时数分别提高了4.38 h和5.48 h。项目B的发电小时数随着光伏支架东西向间距变化的趋势与项目A发电小时数的变化趋势相同。

综合分析可以得出：随着光伏支架东西向间距增大，无论采用单面光伏组件还是采用双面光伏组件，光伏发电项目的发电量都会增加；但是随着光伏支架东西向间距持续增大，发电量的增加量会逐渐减小。另外，当光伏支架东西向间距增加一定量时，光伏发电项目采用双面光伏组件时的发电量提升量略高于其采用单面光伏组件时的发电量提升量。

2.3 光伏组件最低处距地高度对项目发电量的影响

光伏组件最低处距地高度是通过影响双面光伏组件背面发电量增益的方式来影响光伏发电项目的发电量，因此在研究光伏组件最低处距地高度对光伏发电项目发电量的影响时，不考虑采用单面光伏组件的情况。

在光伏组件最低处距地高度由0.5 m提高到4.0 m的情况下，采用双面光伏组件时项目A、项目B发电量的变化情况如图3所示。

图3 光伏组件最低处距地高度的变化对光伏发电项目发电量的影响Fig.3 Impact of change in height from ground at the lowest point of PV modules on power generation capacity of PV power generation projects

从图3可以看出：在光伏组件最低处距地高度由0.5 m提高到4.0 m的情况下，项目A、项目B的发电小时数和发电量增长率呈现同样的变化趋势；随着光伏组件最低处距地高度的提高，光伏发电项目的发电量逐渐增大，当光伏组件最低处距地高度超过3.0 m后，光伏发电项目发电量的提升效果显著降低。

2.4 容配比对项目发电量的影响

在光伏发电项目中，容配比通常指光伏组件与逆变器的容量配置比例。本次仿真模拟采用光伏组件安装容量不变，逐渐减少逆变器台数的方式来表现容配比的变化。

项目A、项目B分别采用单面光伏组件和双面光伏组件的情况下，当容配比逐渐提高时，光伏发电项目发电小时数的变化情况如图4所示。

图4 容配比的变化对光伏发电项目发电小时数的影响Fig.4 Impact of changes in PV power to inverter power ratio on power generation hours of PV power generation projects

从图4可以看出：当逆变器减少为220台，即项目A的容配比提高到1.424:1时，该项目的发电小时数明显降低；且随着容配比的进一步提高，该项目的发电小时数降低的更明显。当逆变器台数减少为230台，即项目B的容配比提高到1.316:1时，该项目的发电小时数明显降低；且随着容配比的进一步提高，该项目的发电小时数降低的更明显。

与项目A相比，由于项目B所在地的太阳辐射量更大，随着容配比的提高，项目B发电量的减少趋势更为显著，这与谢磊等[1]的研究结果呈现出同样的规律。

3 LCOE建模及分析

3.1 LCOE建模

LCOE是国内外常用的分析发电技术成本的指标。结合国内学者的研究成果[5]，计算不同设计方案下光伏发电项目的LCOE，其计算式为：

式中：CE为项目的LCOE；I0为项目初始投资；i为折现率；n为光伏发电系统运行的第n年；N为光伏发电系统的总运行周期，本文按25年考虑；An为第n年的运营成本；Tn为第n年除运营成本外的其他费用；VR为25年计算期满后的固定资产残值；Yn为第n年光伏发电系统的发电量。

LCOE计算过程考虑了国内光伏行业“三免三减半”和“增值税抵扣”的财政政策。结合国内光伏市场情况，本研究的运营成本选择60元/kW，项目A的租地费用选择250元/亩(1亩约为666.67 m2)，项目B的租地费用选择200元/亩；单面光伏组件的成本选择1.93元/kW，双面光伏组件的成本选择1.95元/kW。

3.2 光伏支架东西向间距对LCOE的影响

保持其他条件不变，当光伏支架东西向间距增大时，根据上文PVsyst仿真模拟结果，光伏发电项目的发电小时数增加，但增加量会逐渐减小；同时由于光伏支架东西向间距增大，电缆和用地面积增大，导致项目初始投资和运营期租地成本提高。

经测算，在项目A、项目B分别采用单面光伏组件和双面光伏组件的情况下，光伏支架东西向间距的变化对光伏发电项目LCOE的影响如图5所示。

图5 光伏支架东西向间距的变化对光伏发电项目LCOE的影响Fig.5 Impact of changes in the east-west spacing of PV brackets on LCOE of PV power generation projects

从图5可以看出：随着光伏支架东西向间距的增大，两个光伏发电项目的LCOE均呈现先减小后增大的趋势。项目A中，采用单面光伏组件时，当光伏支架东西向间距为10.44 m时LCOE最小，为0.2859元/kWh；采用双面光伏组件时，当光伏支架东西向间距为10.94 m时LCOE最小，为0.2807元/kWh。项目B中，采用单面光伏组件时，当光伏支架东西向间距为12.77 m时LCOE最小，为0.1934元/kWh；采用双面光伏组件时，当光伏支架东西向间距为13.27 m时LCOE最小，为0.1893元/kWh。

综合分析可以得出：无论光伏发电项目采用双面光伏组件还是采用单面光伏组件，光伏支架东西向间距对LCOE的影响均表现为：LCOE随着光伏支架东西向间距的增大呈现出先减小后增大的变化趋势。

3.3 光伏组件最低处距地高度对LCOE的影响

根据上文PVsyst仿真模拟结果，在采用双面光伏组件的条件下，随着光伏组件最低处距地高度的提高，光伏发电项目的发电小时数增加，但增加量会逐渐减小；同时由于光伏组件最低处距地高度提高，光伏支架的用桩量增加，导致项目初始投资增加。

经测算，当采用双面光伏组件时，光伏组件最低处距地高度的变化对光伏发电项目LCOE的影响如图6所示。从图6可以看出：在光伏组件最低处距地高度由0.5 m提高到4.0 m的过程中，两个光伏发电项目的LCOE均呈现先降低后提高的趋势。其中，项目A在光伏组件最低处距地高度为1.5 m时的LCOE最低，为0.2805元/kWh；项目B在光伏组件最低处距地高度为3.0 m时的LCOE最低，为0.1879元/kWh。

图6 光伏组件最低处距地高度对光伏发电项目LCOE的影响Fig.6 Impact of height from ground at the lowest point of PV modules on LCOE of PV power generation projects

3.4 容配比对LCOE的影响

随着容配比的提高，逆变器台数减少，项目初始投资减少；当逆变器减少到一定数量后，光伏组件与逆变器的失配损失增加，导致光伏发电项目的发电量减少。

经测算，在项目A、项目B分别采用单面光伏组件和双面光伏组件的情况下，容配比的变化对光伏发电项目LCOE的影响如图7所示。

从图7可以看出：随着容配比的提高，两个光伏发电项目的LCOE均呈现先降低再升高的趋势。其中，项目A中，若采用单面光伏组件，当容配比为1.3630:1时LCOE最低，为0.2846元/kWh；若采用双面光伏组件，当容配比为1.3060:1时LCOE最低，为0.2800元/kWh。项目B中，若采用单面光伏组件，当容配比为1.2607:1时LCOE最低，为0.1926元/kWh；若采用双面光伏组件，当容配比为1.2103:1时LCOE最低，为0.1885元/kWh。分析可得，同一个光伏发电项目中，采用双面光伏组件时的最优容配比低于采用单面光伏组件时的最优容配比。由于光伏发电项目所在地不同，太阳辐射量存在差异，因此针对不同项目给出的优化方案也存在差异性。

3.5 最优设计方案的LCOE分析

综合以上最优参数的选取，重新设定项目A、项目B的设计方案参数，再次采用PVsyst软件分别模拟两个光伏发电项目的发电量，并计算得出其LCOE。

1)项目A的最优设计方案：采用双面光伏组件，光伏支架东西向间距为10.94 m，并光伏组件最低处距地高度为1.5 m，容配比为1.3060:1，此时该项目的LCOE为0.2794元/kWh；该值比基本设计方案的LCOE降低了0.0067元/kWh，降低幅度为2.34%。

2)项目B的最优设计方案：采用双面光伏组件，光伏支架东西向间距为13.27 m，光伏组件最低处距地高度为3.0 m，容配比为1.2103:1，此时该项目的LCOE为0.1869元/kWh；该值比基本设计方案的LCOE降低了0.0065元/kWh，降低幅度为3.38%。

4 结论

本文以江西省新余市某水面集中式光伏发电项目(项目A)和宁夏回族自治区中卫市某地面集中式光伏发电项目(项目B)为例，在光伏发电项目采用平单轴光伏支架的情况下，利用PVsyst软件对支架优化控制策略、光伏支架东西向间距、光伏组件最低处距地高度、容配比等因素对光伏发电项目发电量的影响进行了仿真模拟研究，并以LCOE为评价指标研究了以上参数的最优取值，得到的主要结论如下：

1)采用支架优化控制策略可以显著提高光伏发电项目的发电量，分别采用单面、双面光伏组件时，项目A和项目B的发电小时数提升均超过30 h。

2)光伏发电项目的发电量会随着光伏支架东西向间距的增大或光伏组件最低处距地高度的增大而提高，但随着光伏支架东西向间距持续增大或光伏组件最低处距地高度持续增大，发电量的提高趋势均会逐渐减小；而发电量会随着容配比的增大而降低，且降低趋势会逐渐增大。

3)由于光伏发电项目的LCOE受发电小时数、项目初始投资、运营期成本等多重因素的影响，LCOE随着光伏支架东西向间距、光伏组件最低处距地高度、容配比的增大均呈现出先减小后增大的趋势，因此光伏支架东西向间距、光伏组件最低处距地高度、容配比均存在最优参数设置。在最优设计方案下，项目A、项目B的LCOE分别降低了0.0067、0.0065元/kWh，降低幅度分别为2.34%、3.38%。

本研究可对光伏发电项目采用平单轴光伏支架时设计参数的选择提供一定参考价值。