基于辐照强度估算光伏最佳容配比的一种方法

程相奥，王 霆，王 琨，周刘俊

（平高集团有限公司，河南 平顶山）

引言

基于我国提出的“双碳”政策，高碳排放的化石能源被逐渐限制，而新能源行业由此迅速发展起来。在政府部门的规划下，近年风电、光伏等新能源行业装机容量连创新高并且增量稳居全球第一，这种趋势短期内并不会改变，新能源行业将会在未来持续发展很长一段时间，前景十分广阔。根据国家能源局制定的“2023 年能源工作路线图”，2023 年要实现风电装机规模4.3 亿千瓦，太阳能发电装机规模达到4.9 亿千瓦时。这其中，光伏装机规模从2022 年的388 GW 增加到490 GW，增长约102 GW，这也意味着2023 年我国光伏装机规模将首次突破百GW 的大关。这对光伏电站的建设方来说无疑是重大机会。而作为光伏电站的建设方，建设光伏电站时往往首先考虑如何降低度电成本，而光伏容配比是目前影响光伏项目度电成本的重要因素之一。

在2020 年之前，由于没有相应的容配比规范，我国的光伏电站的容配比一般按照1:1 进行设计。直到2020 年《光伏发电系统效能规范（NB/T10394-2020）》发布，这是我国首个正式下发的、全面放开容配比的规范，该规范将容配比限制提高到最高1.8：1，以交流侧计算“额定容量”[1]。容配比的提高不仅可以提高厂家的出货量，推动整个产业的发展，也能降低建设方的度电成本，还能产生更多零碳电力，一举三得。目前，欧洲的光伏电站普遍按照1.2:1～1.4:1 的容配比进行超配，美国、印度的光伏电站的容配比设计可达1.4 倍以上，而日本的甚至可以达到2 倍，这也意味着中国光伏电站的容配比仍有较大的提升空间[2]。

随着容配比的开放，如何确定最佳容配比问题也随之而来，容配比较低则发电量不足，发电收益有所降低，容配比较高则会造成弃光弃电甚至设备的损坏。因此确定最佳容配比对于建设方而言至关重要。目前主流确定容配比的方法是综合考虑度电成本的方法，本文提出一种基于辐照强度估算光伏容配比的一种方法，并用PVsyst 软件对案例验证该方法的准确性。

1 基于辐照强度估算最佳容配比的方法

1.1 影响容配比的主要因素

目前对于光伏项目而言，并网容量是指交流侧配置容量，即固定交流测配置不变，而改变直流测容量，这就导致了光伏容配比的不同。影响光伏容配比的主要因素有两个，第一是年辐照量，第二是直流侧系统损耗。

根据GB/T 31155-2014《太阳能资源等级总辐射》[3]的划分标准，中国太阳能资源区共分为4 类。年水平面太阳总辐照量等级的划分如表1 所示。我国幅员辽阔，不同的地区光资源差异巨大，水平面年辐照量直接影响光伏组件发电量的高低，例如内蒙古某县的年水平面辐照量可达1 767 kWh/m2，而洛阳市某县的年水平面辐照量只有1 441 kWh/m2，这就意味着若在这两地建设的光伏电站在交流侧容量固定的情况下产生同样的发电量，后者的容配比须达到前者的1.23 倍。根据GB/T 50797-2012《光伏发电站设计规范》[4]6.6.2 条光伏并网的发电量可按式(1)计算。

表1 年水平面总辐照量等级

式中：HA——水平面太阳能总辐照量(kWh/m2)；

EP——上网发电量(kW·h)；

ES——标准条件下的辐照度(1kW·h/m)；

PAZ——组件安装容量(kWp)；

K——综合效率系数。

综合效率系数主要取决于两方面的乘积，一方面是组件安装最佳倾角的增量系数，另一方面是直流侧系统损耗减量系数。直流侧系统损耗减量系数包括的方面更多，如高温导致的太阳能电池输出效率降低、灰尘或阴影遮挡导致光伏组件辐照量降低、光伏组件因串联电流不一致的失配导致效率降低、直流线损、逆变器MPPT 追踪效率降低及逆变器自身损耗等[5]。当采用不同厂家的组件、线缆以及光伏电站位于不同地区时，光伏电站整体的效率也不尽相同，当光伏电站所在资源情况差异不大但系统效率不同时，若达到相同的发电量，系统效率低的则需提高容配比。

1.2 采用度电成本分析最佳容配比的方法

目前主流确定最佳容配比的方法是采用度电成本分析的方法，即按制容配比的不同，通过数据分析得出度电成本与容配比间的关系，最后找出度电成本的最低点所对应的容配比值。虽然这种方法较为准确，但其统计的数据十分巨大，不仅包括各容配比下的各项成本，如土地成本、光伏本体（组件、支架、线缆）成本以及运维成本等[6-7]，还包括各容配比下的发电量数据，每取一个容配比值均要进行发电量测算，若容配比取间隔过大，则无法准确测算出最佳容配比值，若容配比取间隔过小，则提高了整体的工作量，降低了项目前期运行效率。因此笔者认为应先估算出一个容配比的范围，而后再根据度电成本进行准确的最佳容配比分析。

1.3 基于辐照强度估算最佳容配比的一种方法

前文提到影响光伏容配比的两方面因素，即年辐照量与系统效率。辐照量与系统效率是决定光伏电站发电量的关键因素，最佳安装倾角辐照量在遮挡或其他损失后在光伏电池的转化下产生电量，又经过光伏方阵的系统损失后进入逆变器，在经过交流侧输出电能。辐照量取决于辐照强度与日照时长，是日照时长下辐照强度的积分。辐照强度经过单位面积光伏组件转化为光伏组件的输出功率，全部光伏组件的输出功率除去温度损失、失配损失及直流线损、逆变器损耗等直流侧损失即为逆变器的实际输出功率。在不考虑交流侧损失的情况下，发电量也是在日照时长下逆变器实际输出功率的积分。因此逆变器的实际输出功率取决于辐照强度与直流侧系统效率，有以下关系如式(2)所示。

式中：WP——逆变器实际输出功率(kW)；

IE——辐照强度(kW/m2)；

S——光伏组件受光面积(m2)；

K1——光伏组件转化效率(%)；

K2——直流侧系统效率(%)。

由于交流侧容量固定，当选定逆变器、光伏组件型号以及项目地点后，辐照强度、光伏组件转化效率、单个光伏板面积以及直流侧系统效率都能确定，因此只需确定逆变器的实际输出功率便可计算出此时光伏组件数量，进而求得容配比。

逆变器的输出功率是有上限的，往往是标称功率的1.1 倍。这就意味着当辐照强度大于一定值时，逆变器输出的功率不再增加，在相同日照时长下发电量不再增加。因此应保持光伏方阵输出功率不大于逆变器最大输出功率。辐照强度在每月、每日中不断变化、时高时低，若采用平均辐照强度代入上式进行计算则当实际辐照强度高于平均值时整个光伏方阵容量超配，不仅不能提高发电量，反而长时间过载还会损坏设备，因此笔者认为辐照强度应取最佳倾角下辐照量最高月份的平均最高辐照度。类似的，直流侧系统效率也相应取高，这样不会造成光伏方阵的实际输出功率高于逆变器的最大输出功率，造成发电量损失。按上述思路整理后式(2)得式(3)。

基于上述论证，随着容配比的增加，相应的投资成本也成比例增加，但是发电量的增量却不是成比例增加，而是呈现先稳定后降低的趋势。随着容配比的增加，发电量增量开始降低的点所对应的容配比即为最佳容配比的点。

2 PVsyst 软件模拟验证

基于上述理论分析，下面对针对某个光伏电站进行模拟验证，首先采用文本提出的公式计算光伏最佳容配比，其次利用PVsyst 软件对项目采用不同容配比进行模拟分析，按制容配比为自变量，发电量增量为因变量，得出发电量增量随容配比变化曲线，进而确定最佳容配比值，最后对两组容配比值进行误差分析。

以内蒙古某县某项目为案例，交流侧容量配置10 MW，采用某厂175 KW 逆变器，光伏组件采用某厂550 Wp 组件，单块组件面积2.58 m2。该地区年太阳辐射总量6 361.83 MJ/m2，合1 767 kWh/m2，全县全年日照时数在3 300 h 以上，属于A类资源区。

首先采用文本提出的公式计算光伏最佳容配比，根据式(3)，逆变器最大输出功率为取额定功率的1.1倍，该地各月份辐照量如图1 所示，由图1 可知辐照量最大的月份为五月，取每天标准日照时长6 h，可计算的月平均最大辐照强度为1.02 KW/m2，光伏组件转化效率根据组件实际情况确定，本案例中取21.6%。参照我国多个光伏电站的测量数据，电站直流侧损耗之和在10.6%～12.8%之间[8]，本案例直流侧损耗取温度损失3%、组件失配损失1%、组件污秽损失3%、直流线损1.5%，逆变器转换损失1.5%，直流侧损耗共计10%。代入数据可得光伏组件最大数量377 块，合每个逆变器接入组串14.5 串，此时容配比为1.185。而逆变器接入组串一般为整数，因此取逆变器并联组串数量为14，计算得容配比1.144。

图1 月平均辐照量

其次利用PVsyst7.2 软件对该项目进行模拟分析，取交流测容量10.15 MW，总系统效率80.51%，取容配比从1.14～1.30，间隔为0.02，容配比为1.18 时软件模拟的结果如图2 所示，将不同容配比下软件模拟结果整理后如表2 所示，不同容配比下发电量环比增量如图3 所示。由表2 及图3 可知，在交流侧容量及系统效率固定的情况下，随着容配比的增加，年发电量逐渐增大，但发电量环比增量呈先升高后降低的趋势，当容配比为1.2 时发电量环比增量最大为308 MWh，当容配比超过1.2 时发电量环比增量逐渐降低。因此根据软件模拟分析该项目最佳容配比为1.2。此时逆变器接入组串数14.7，由于逆变器接入组串数为整数，并且增加容配比发电量环比增量下降，环比收益降低，因此向下取整为14，容配比为1.14。

图2 容配比为1.18 时模拟结果

图3 发电量环比增量

表2 PVsyst 软件模拟结果

3 结论

通过案例分析可知，本文提出计算方法计算出的最佳容配比与PVsyst 软件模拟结果偏差较小，约1.2%，验证了该方法的准确性与可行性。但由于该方法未全面考虑成本分析，使得该方法有一定的片面性，因此笔者建议用该方法作为光伏电站容配比的前期技术性估算，通过计算结果缩小容配比取值范围后，继而基于平准化度电成本(LCOE)研究光伏电站的最佳容配比。