光伏发电系统容配比计算基本原则及最优容配比经济性分析

容配比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。光伏应用早期，系统一般按照1∶1的容配比设计。在辐照度低于标准条件（1000W/m2）下的这类地区，同时受温度等因素影响，光伏组件长时间输出功率达不到标称功率，导致逆变器长期不能满载运行，造成了逆变器的容量浪费。

通过深入研究发现，适当提高光伏电站组件容量与逆变器容量比例，即超配设计，已成为提高光伏系统综合利用率、降低系统度电成本（LCOE）、提升收益的有效手段。本文通过理论分析，并结合实际应用案例数据，对容配比设计进行系统性的阐述，并结合国内电站的实际情况，对典型“领跑者”基地的容配比进行分析，为实际电站设计提供理论和实际依据。1 容配比影响因素光伏组件的功率均按照标准条件（STC：组件温度25℃，辐照度1000W/m2）标定，实际应用中，各地区的光照条件、环境温度、组件安装方式均不同，同时考虑灰尘遮挡、组件失配以及组件输出到逆变器之间直流线缆损耗等因素，逆变器的实际输入功率远小于组件的标称功率。1.1地区辐照度我国太阳能资源地区分可分为4类，不同区域辐照度差异较大，实际数据表明，即使在同一资源地区，不同地方的全年辐射量也有较大差异。例如，同是I类资源区的西藏噶尔和青海格尔木，噶尔的全年辐射量为7998MJ/m2，比格尔木的6815MJ/m2高17%。1.2系统损耗光伏组件输出经过直流电缆、汇流箱等设备到达逆变器，各个环节都有损耗，同时灰尘遮挡等原因会引起组件串并联失配，因此实际传输到逆变器的直流功率将远小于组件额定功率。如图1所示，不同电站实测平均数据表明，电站直流侧的总损耗约为8%~13%（此处系统损耗不包括逆变器后级的变压器及线路损耗）。

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因此，在组件标称功率与逆变器额定功率相等的情况下，由于客观存在的系统损耗，即使在STC条件下，逆变器实际输出功率仅为逆变器额定功率的90%左右，仍未满载工作，因此降低了逆变器和系统各部件的利用率，同时增加了系统损耗。1.3其他方面除了上述因素外，电站投资造价、上网电价、组件实际衰减情况、逆变器的性能差异、系统设计等因素都会对最优容配比设计产生一定的影响。2 最优容配比计算2.1容配比计算基本原则按照不同的原则，容配比可分为两类，如图2所示：第一类为补偿超配，以系统不会出现限功率为原则增大系统容配比；第二类为主动超配，以系统LCOE最低为原则增大系统容配比，由于会出现逆变器限功率的情况，系统将会损失一部分能量，但是综合投资与产出，系统的度电成本会达到最低。本文分别以上述两种容配比设计原则，对不同类型资源区的典型区域为例进行计算。

2.2 容配比计算边界条件现场数据统计，中国光伏电站能效比（PR）为80%左右，假设各环节的系统效率损失如表1所示。在不限功率的条件下，本文系统效率按照82.9%预设，高于目前电站的平均水平。其中1~6项为光伏阵列效率，预设为87.7%，与目前的现场测试结论基本一致，此段效率为影响容配比设计的重要因素；7~9项分别为逆变器转换损失、交流侧并网效率（含升压变效率及交流线损）及维修故障损失等综合效率。

当容配比超过一定比例，在原有预设值83.8%的基础上，系统整体效率还需要考虑限功率损失。不同容配比条件下，直流线缆长度不同，直流线损增加，现按照容配比每递增0.1，直流线损增加0.2%的设定计算。由于交流电缆线损基本保持不变，暂不考虑。组件的衰减按照第一年2.0%，往后每年按照0.7%的比例逐年衰减。在不超配工况下，初始投资成本按照7.5元/W预设，考虑到不同容配比会导致系统初始投资总量和单位初始投资变化，投资成本的变动主要考虑如表2所示内容。

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研究对象为“领跑者”基地典型区域，分别地处II、III类电价区，为了便于归一化分析，所在区域均按照II、III类地区的固定电价为例进行计算，其余涉及到经济性分析的通用边界条件如表3所示。

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2.3 容配比计算结果及分析为得到合理的容配比结果，本文根据2.2节的边界条件，以2016年“领跑者”典型地区大同、包头、济宁、两淮为例，借助PVsyst仿真工具和财务模型，对不同容配比进行发电量和经济性分析，结果如表4所示。

2.3.1限功率分析II类资源区光照较好的包头和大同，在容配比为1~1.2范围内系统不会出现限功率；1.2倍容配比时，大同地区系统限功率比例为0.01%，包头地区限功率比例为0.08%，比例较小，可忽略不计；1.2~1.5倍容配比系统会出现不同程度的限功率。III类区域由于光资源更加不足，系统限功率的拐点出现后移，1~1.4倍容配比范围内不会出现限功率，超过1.4倍系统将会出现不同程度的限功率，如济宁地区1.5倍容配比系统限功率比例为0.06%，两淮地区1.5倍容配比系统限功率比例为0.82%。选取2016年全年发电量最高的一天进行分析，8月28日组件倾斜面瞬时辐照度超过1000W/m2，同时环境温度较低，具体信息如图3所示。

选择额定输出功率为40kW逆变器进行试验，组件功率按照1.2倍配置，即组件功率50kW。如图4所示，此时逆变器最大输出功率为43.2kW，考虑到国际标准要求逆变器至少具备1.1倍长期过载能力，逆变器长时间输出44kW，不会出现限功率现象，与理论分析一致，进一步验证了仿真分析的正确性。树上鸟教育电气设计

2.3.2 经济性分析增加组件和逆变器的容配比不仅可以提高逆变器的利用率，也能提高电站的经济效益。从表4计算结果看，经济效益最优容配比大于限功率点对应的容配比。如图5所示，以大同地区为例，容配比为1.3时，系统度电成本（LCOE）最低，系统内部收益率（IRR）最高，为经济性最佳配置点；随着容配比的进一步增大，系统限功率持续升高，系统经济性变差。济宁和两淮地区，系统经济性最优容配比超过1.5。3 结语通过对“领跑者”基地中几类典型资源区进行仿真和试验，结果表明：在II类光资源区域，容配比配置为1.2倍时，不会出现限功率；容配比为1.2~1.3时，系统度电成本最低、经济性最佳；在III类资源区域，容配比低于1.4倍时，不会出现限功率；容配比超过1.4时，系统度电成本最低、经济性最佳。因此，合理设计系统容配比，有利于提升光伏发电系统的经济性。在不同类型资源地区，由于太阳能资源条件不同，地区温度、电价水平等特性不同，需要根据当地的具体情况进行计算。

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