陸 煒,田介花
(江蘇林洋新能源科技有限公司,南京 210004)
近年來(lái),隨著我國(guó)光伏組件和逆變器技術(shù)的發(fā)展和產(chǎn)業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大,光伏電站核心設(shè)備的成本不斷降低,我國(guó)光伏發(fā)電進(jìn)入了平價(jià)時(shí)代。為了使光伏電站獲得更好的投資收益,可通過(guò)采用高效的雙面光伏組件、提高光伏電站的容配比等措施,減少光伏電站的初始投資或提升其發(fā)電量。
在光伏電站中,容配比是指逆變器所連接的光伏組件容量與逆變器額定功率的比值,也就是直流側(cè)容量與交流側(cè)容量的比值。當(dāng)直流側(cè)容量與交流側(cè)容量相同時(shí),容配比等于1∶1;當(dāng)直流側(cè)容量大于交流側(cè)容量時(shí),容配比大于1∶1;當(dāng)直流側(cè)容量小于交流側(cè)容量時(shí),容配比小于1∶1。
受光照情況的影響,大部分時(shí)間光伏組件的輸出功率都達(dá)不到逆變器的額定功率,即在容配比小于等于1∶1時(shí),逆變器通常會(huì)處于非滿負(fù)荷的運(yùn)行狀態(tài),因此,為了提高逆變器的利用率,減少設(shè)備的資金投入,在光伏電站設(shè)計(jì)時(shí),容配比通常要大于1∶1。但一般情況下,逆變器只有超過(guò)其額定功率1.1倍的過(guò)載能力,若再超過(guò)該過(guò)載能力,逆變器就會(huì)限額運(yùn)行,由此造成的光伏組件輸出功率損失就是逆變器過(guò)載損失。因此,在光伏電站設(shè)計(jì)時(shí),需對(duì)容配比進(jìn)行優(yōu)化,這樣不僅可以減少逆變器、箱變等交流設(shè)備的使用量,而且還可以將高容配比造成的光伏電站發(fā)電量損失降至最低。
目前,在光伏電站設(shè)計(jì)時(shí),優(yōu)化容配比的方法一般是采用軟件對(duì)不同容配比下光伏電站的發(fā)電量進(jìn)行模擬,再對(duì)不同發(fā)電量時(shí)的光伏電站收益率進(jìn)行對(duì)比,光伏電站收益率最好時(shí)所對(duì)應(yīng)的容配比即為該光伏電站的最優(yōu)容配比[1-2]。然而,在利用軟件對(duì)光伏電站的發(fā)電量進(jìn)行模擬時(shí),由于通過(guò)軟件模擬得到的逆變器過(guò)載損失與實(shí)際的逆變器過(guò)載損失存在一定差距,導(dǎo)致根據(jù)該模擬得到的光伏電站發(fā)電量確定的最佳容配比不一定是該光伏電站真正的最佳容配比。
本文以位于江蘇省宿遷市泗洪縣的某個(gè)采用雙面光伏組件的光伏電站(下文簡(jiǎn)稱為“雙面組件光伏電站”)為例,首先對(duì)比研究了不同容配比下該雙面組件光伏電站中逆變器的實(shí)際過(guò)載損失和模擬過(guò)載損失之間的關(guān)系;然后采用最小二乘法多項(xiàng)式曲線擬合和數(shù)據(jù)映射法,利用不同容配比下雙面組件光伏電站的實(shí)際發(fā)電量損失數(shù)據(jù)校正模擬得到的發(fā)電量損失數(shù)據(jù),并由此得到更符合實(shí)際情況的光伏電站發(fā)電量推算值;最后通過(guò)校正后的發(fā)電量推算值獲得與實(shí)際情況相符的雙面組件光伏電站的最優(yōu)容配比。
分別利用PVsyst仿真軟件[3]模擬得到的數(shù)據(jù)和光伏電站的實(shí)際數(shù)據(jù),對(duì)雙面組件光伏電站在不同容配比下的逆變器過(guò)載損失和光伏電站發(fā)電量之間的關(guān)系進(jìn)行分析。該雙面組件光伏電站采用2.5 MW集中式逆變器;采用295 W的n型雙面單晶硅光伏組件,每32塊光伏組件串聯(lián)成1個(gè)光伏組串;光伏組件的安裝傾角為27°。
以本雙面組件光伏電站中的2個(gè)裝機(jī)容量分別為2.625、2.875 MWp的光伏方陣為例進(jìn)行分析,這2個(gè)光伏方陣所對(duì)應(yīng)的容配比分別為1.05∶1和1.15∶1。對(duì)不同容配比光伏方陣的輸出功率數(shù)據(jù)進(jìn)行采集,數(shù)據(jù)采集周期為2019年4月1日-2020年3月31日。2020年3月18日,不同容配比光伏方陣的輸出功率曲線如圖1所示。
從圖1可以看出,當(dāng)容配比為1.05∶1時(shí),光伏方陣的最大輸出功率約為2.5 MW;而當(dāng)容配比為1.15∶1時(shí),在11:30-13:00期間,光伏方陣的最大輸出功率被限制在2.75 MW左右。這是因?yàn)槟孀兤鞯淖畲筝敵龉β室话銥槠漕~定功率的1.1倍,當(dāng)光伏方陣的最大輸出功率超過(guò)逆變器的最大輸出功率時(shí),逆變器將出現(xiàn)過(guò)載現(xiàn)象,即將光伏方陣的最大輸出功率限制在逆變器最大輸出功率之內(nèi),這時(shí)光伏方陣的最大輸出功率曲線會(huì)出現(xiàn)一段直線,一般稱為削峰現(xiàn)象,如圖1中容配比為1.15∶1時(shí)光伏方陣的輸出功率曲線。因削峰現(xiàn)象導(dǎo)致光伏方陣應(yīng)發(fā)的電量沒(méi)有發(fā)出,由此造成的發(fā)電量損失稱為逆變器過(guò)載損失。
圖1 不同容配比光伏方陣的輸出功率曲線Fig 1 Output power curves of PV array with different PV/inverter ratios
通過(guò)分析為期1年的采集數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn),容配比為1.05∶1時(shí),光伏方陣輸出功率曲線未出現(xiàn)削峰現(xiàn)象;而容配比為1.15∶1時(shí),光伏方陣輸出功率曲線出現(xiàn)了削峰現(xiàn)象。不同容配比的2個(gè)光伏方陣每千瓦發(fā)電量情況如表1所示。
表1 不同容配比的2個(gè)光伏方陣每千瓦發(fā)電量情況Table 1 Power generation per kW of two PV arrays with different PV/inverter ratios
由表1可知,相較于容配比為1.05:1的光伏方陣,容配比為1.15∶1的光伏方陣每千瓦年發(fā)電量損失比例為0.86%。
為了研究逆變器過(guò)載損失和容配比之間的關(guān)系,利用PVsyst軟件對(duì)光伏方陣裝機(jī)容量為2.500~3.750 MWp、對(duì)應(yīng)的容配比為1.00∶1~1.50∶1時(shí)逆變器的過(guò)載損失情況進(jìn)行了模擬,具體模擬結(jié)果如表2所示。
表2 不同光伏方陣裝機(jī)容量、不同容配比時(shí)逆變器過(guò)載損失的模擬結(jié)果Table 2 Simulation results of inverter overload loss under different installed capacity of PV arrays and different PV/inverter ratios
從表2中可以看出,當(dāng)容配比從1.00∶1增加至1.20∶1時(shí),光伏方陣每千瓦年發(fā)電量均為1225.00 kWh,且逆變器過(guò)載損失比例均為0%。這說(shuō)明容配比小于等于1.20∶1時(shí)未發(fā)生逆變器過(guò)載損失,光伏方陣每千瓦年發(fā)電量保持一致。當(dāng)容配比增加到1.25∶1時(shí),開(kāi)始出現(xiàn)逆變器過(guò)載損失,此時(shí)光伏方陣每千瓦年發(fā)電量也從之前的1225.00 kWh降至1224.78 kWh,相比未發(fā)生逆變器過(guò)載損失時(shí),光伏方陣每千瓦年發(fā)電量減少了0.02%。隨著容配比的繼續(xù)提高,逆變器過(guò)載損失也繼續(xù)增大,光伏方陣每千瓦年發(fā)電量也隨之繼續(xù)減少,這說(shuō)明光伏方陣每千瓦年發(fā)電量值的大小與容配比及逆變器過(guò)載損失均相關(guān)。
結(jié)合上文中表1的實(shí)測(cè)結(jié)果和表2中的模擬結(jié)果進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn):在實(shí)際測(cè)試中,當(dāng)容配比為1.15∶1時(shí),逆變器發(fā)生了過(guò)載損失,相較于容配比為1.05∶1時(shí),光伏方陣每千瓦年發(fā)電量損失為0.86%;而根據(jù)模擬結(jié)果,當(dāng)容配比為1.15∶1時(shí),未發(fā)生逆變器過(guò)載情況。這說(shuō)明,根據(jù)模擬結(jié)果得到的因逆變器過(guò)載而損失的光伏方陣每千瓦發(fā)電量比實(shí)際的因逆變器過(guò)載而損失的光伏方陣每千瓦發(fā)電量小。因此,本文利用最小二乘法多項(xiàng)式曲線擬合的方法,以光伏方陣的實(shí)際發(fā)電量損失數(shù)據(jù)去校正模擬得到的光伏方陣發(fā)電量損失數(shù)據(jù),以便于最終得到更貼近實(shí)際情況的光伏方陣最優(yōu)容配比。
將表2中不同容配比時(shí)對(duì)應(yīng)的光伏方陣每千瓦年發(fā)電量損失比例繪制成曲線,如圖2所示,以方便后續(xù)利用最小二乘法多項(xiàng)式曲線擬合的方法進(jìn)行相應(yīng)分析。
圖2 不同容配比下光伏方陣每千瓦年發(fā)電量損失比例曲線Fig. 2 Curve of annual power generation loss ratio of PV array per kW under different PV/inverter ratios
從圖2中可以看出,當(dāng)容配比小于等于1.2∶1時(shí),光伏方陣無(wú)發(fā)電量損失;但當(dāng)容配比大于1.2∶1后,隨著容配比的提高,光伏方陣每千瓦年發(fā)電量損失比例快速增加,呈現(xiàn)非線性關(guān)系。
利用最小二乘法多項(xiàng)式曲線擬合的方法可以得到圖2中曲線的方程,即:
式中:x為光伏方陣的容配比;y為光伏方陣每千瓦年發(fā)電量損失比例。
由表1中的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可知,在實(shí)際情況下,當(dāng)容配比為1.15∶1時(shí),光伏方陣每千瓦年發(fā)電量損失比例為0.86%;而通過(guò)式(1)可以發(fā)現(xiàn),在模擬情況下,當(dāng)容配比為1.427∶1時(shí),光伏方陣每千瓦年發(fā)電量損失比例才達(dá)到0.86%。這表明:在相同的年發(fā)電量損失比例的情況下,模擬得到的容配比遠(yuǎn)高于實(shí)際情況下的容配比。根據(jù)表1中的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),當(dāng)容配比為1.05∶1時(shí),光伏方陣未因?yàn)槟孀兤鬟^(guò)載而產(chǎn)生發(fā)電量損失;而當(dāng)容配比為1.15∶1時(shí),由于發(fā)生了逆變器過(guò)載損失,光伏方陣每千瓦產(chǎn)生了0.86%的年發(fā)電量損失。
將表1中未發(fā)生發(fā)電量損失時(shí)的容配比1.05∶1與表2中模擬時(shí)將發(fā)生發(fā)電量損失的臨界容配比1.20∶1相對(duì)應(yīng),同時(shí)將年發(fā)電量損失同為0.86%的實(shí)際容配比1.150∶1與模擬得到的容配比1.427∶1相對(duì)應(yīng),采用數(shù)據(jù)映射法可以推算得到實(shí)際情況下容配比為1.05∶1~1.15∶1時(shí)的光伏方陣每千瓦年發(fā)電量損失推算曲線,如圖3所示。
圖3 不同容配比時(shí)的光伏方陣每千瓦年發(fā)電量損失推算曲線Fig. 3 Calculated curve of annual power generation loss of PV array per kW at different PV/inverter ratios
利用最小二乘法多項(xiàng)式曲線擬合的方法可以得到圖3中光伏方陣每千瓦年發(fā)電量損失推算曲線的方程,即:
式中:y′為推算得到的光伏方陣每千瓦年發(fā)電量損失比例。
利用未發(fā)生逆變器過(guò)載損失時(shí)的光伏方陣每千瓦年發(fā)電量,再結(jié)合式(2)推算得到的光伏方陣每千瓦年發(fā)電量損失比例,就可以得到容配比為1.05∶1~1.15∶1時(shí)的光伏方陣每千瓦年發(fā)電量,如圖4所示。
圖4 不同容配比時(shí)的光伏方陣每千瓦年發(fā)電量曲線Fig. 4 Curve of annual power generation of PV array per kW at different PV/inverter ratios
優(yōu)化光伏電站的容配比時(shí),需要對(duì)不同容配比情況下光伏電站的發(fā)電量和建設(shè)成本進(jìn)行測(cè)算,并計(jì)算投資收益率(IRR),然后以IRR最高時(shí)對(duì)應(yīng)的容配比作為光伏電站的最佳容配比。
容配比提高后,逆變器的過(guò)載損失也會(huì)相應(yīng)提高,這會(huì)對(duì)光伏電站的發(fā)電量產(chǎn)生影響。由于雙面光伏組件的背面也可以發(fā)電,在相同太陽(yáng)輻照度的情況下,雙面光伏組件的輸出功率要比單面光伏組件的高,因此,在高容配比的情況下,雙面組件光伏電站的發(fā)電量損失會(huì)更高。
根據(jù)表2中的數(shù)據(jù),可以得到整個(gè)雙面組件光伏電站在不同容配比情況下的年發(fā)電量模擬值,然后測(cè)算不同容配比時(shí)雙面組件光伏電站的建設(shè)成本,最后可計(jì)算得到在不同容配比情況下該電站的IRR。模擬得到的不同容配比情況下雙面組件光伏電站的IRR曲線如圖5所示。
圖5 模擬得到的不同容配比下雙面組件光伏電站的IRR情況Fig. 5 IRR of bifacial modules PV power station under different PV/inverter ratios obtained by simulation
從圖5可以看出,該雙面組件光伏電站在容配比為1.3∶1時(shí)的IRR最高。則根據(jù)模擬數(shù)據(jù),得到該雙面組件光伏電站的最優(yōu)容配比為1.3∶1。
根據(jù)表1中的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),采用發(fā)電量損失校正方法獲得不同容配比情況下該雙面組件光伏電站的實(shí)際發(fā)電量數(shù)據(jù),再進(jìn)行IRR的測(cè)算。利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)修正后的不同容配比下雙面組件光伏電站的IRR曲線如圖6所示。
圖6 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)修正后的不同容配比下雙面組件光伏電站的IRR情況Fig. 6 IRR of bifacial modules PV power station under different PV/inverter ratios after correction of measured data
從圖6可以看出,在容配比為1.09∶1時(shí),該雙面組件光伏電站的IRR最高。因此該雙面組件光伏電站的實(shí)際最優(yōu)容配比為1.09∶1。
對(duì)比通過(guò)模擬發(fā)電量獲得的該雙面組件光伏電站的最優(yōu)容配比和通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)校正發(fā)電量損失后獲得的該雙面組件光伏電站的最優(yōu)容配比可以看到,實(shí)際的最優(yōu)容配比要低于模擬得到的最優(yōu)容配比。因此,在對(duì)雙面組件光伏電站進(jìn)行容配比優(yōu)化時(shí),根據(jù)實(shí)際的逆變器過(guò)載損失情況進(jìn)行推算,可以得到較為準(zhǔn)確的最優(yōu)容配比值。
本文以某雙面組件光伏電站中的2個(gè)光伏方陣為例,對(duì)在不同容配比下的逆變器過(guò)載損失和光伏方陣發(fā)電量情況進(jìn)行了軟件模擬和實(shí)際驗(yàn)證,得到如下結(jié)論:
1)通過(guò)軟件模擬得到的逆變器過(guò)載損失發(fā)生在容配比大于1.2∶1以后;而通過(guò)分析光伏方陣的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),容配比為1.15∶1時(shí),逆變器就已經(jīng)出現(xiàn)了過(guò)載損失,光伏方陣每千瓦年發(fā)電量損失為0.86%。
2)通過(guò)采用最小二乘法多項(xiàng)式曲線擬合法和數(shù)據(jù)映射法,從光伏電站的實(shí)際發(fā)電量損失數(shù)據(jù)出發(fā),對(duì)模擬得到的光伏電站發(fā)電量損失進(jìn)行校正,獲得了符合實(shí)際情況的光伏電站發(fā)電量推算值,并由此得到了該雙面組件光伏電站的實(shí)際最優(yōu)容配比為1.09∶1;而采用模擬數(shù)據(jù)得到的該雙面組件光伏電站的最優(yōu)容配比為1.3∶1,實(shí)際的最優(yōu)容配比要小于模擬得到的最優(yōu)容配比。