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逆变电站的光伏设计
作者:均益安联    发布于:2015-06-17 16:20:00    文字:【】【】【

逆变电站的光伏设计
   一:补偿超配和主动超配
     过去,光伏系统的容量按直流功率定义的。在实际应用中则按并网交流功率设计,过去光伏-逆变器容量比为1:1,现在理论要求为1.2:1,甚至更高这是国内光伏行业专家王斯成老师在2014年的一次研讨会上的讲话光伏组件容量和逆变器容量比,习惯称为容配比。光伏应用早期,系统按照1:1的容配比设计。应用研究中发现,以系统平均化度电成本(Levelized Cost Of Electricity, LCOE)最低为标准衡量系统最优,在各种光照条件、组件铺设倾斜角度等情况下,达到系统最优的容配比都远远超过1:1。也就是说,一定程度的提升光伏组件容量,有利于提升系统的整体经济效益,这就是我们谈的组件超配。
(一)、系统容配比主要影响因素
合理的容配比设计,需要结合具体项目的情况,综合考虑,主要影响因素包括辐照度、系统损耗、组件安装角度等方面,具体分析如下。
1、不同区域辐照度不同
根据国家气象局风能太阳能评估中心划分标准,将我国太阳能资源地区分为四类,不同区域辐照度差异较大。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7998 MJ/m2,比格尔木的6815 MJ/m2高17%。 意味着相同的系统配置,即相同的容配比下,噶尔地区的发电量比格尔木高17%。若要达到相同的发电量,可以通过改变容配比来实现。

2、系统损耗 
光伏系统中,能量从太阳辐射到光伏组件,经过直流电缆、汇流箱、直流配电到达逆变器,当中各个环节都有损耗。如图1所示,直流侧损耗通常在7-12%左右,逆变器损耗约1-%,总损耗约为8-13%(此处所说的系统损耗不包括逆变器后面的变压器及线路损耗部分)。实际应用中,系统损耗应在20-30%,如果逆变效率不高,可能损耗会进一步加大。也就是说,在组件容量和逆变器容量相等的情况下,由于客观存在的各种损耗,逆变器实际输出最大容量只有逆变器额定容量的80%左右,即使在光照最好的时候,逆变器也没有满载工作。降低了逆变器和系统的利用率。


3、组件安装角度
不同角度安装的组件所接收到的辐照度不同,如分布式屋顶多采用平铺的方式,则相同容量的组件,输出能量比有一定倾角的低。
(二)、补偿超配与主动超配
由上分析可见,选择合适的系统容配比需要考虑诸多因素,为了进一步说明这个问题,这里将超配分为两部分,一是通过提高组件容量,补偿各种原因引起的损耗部分,使逆变器的实际输出最大功率达到逆变器的额度功率,定义为补偿超配。同时进一步提高组件的容量,提高系统满载工作时间,定义为主动超配。主动超配时,系统在中午光照较好时段存在一定时间的限功率运行,但系统的LCOE达到最低值,即收益最大化。
1、补偿超配
由于光伏系统中的系统损耗客观存在,通过适当提升组件配比,补偿能量在传输过程中的系统损耗,使得逆变器可达到满功率工作的状态,这就是光伏系统补偿超配方案设计思路。
如图所示,通过将容配比从1:1提升到1.2:1,使得逆变器在光照最好的时候能达到满载输出。提高了逆变器的利用率。也降低了系统每W的成本。
2、主动超配
在补偿超配使得逆变器部分时间段达到满载工作后,继续增加光伏组件容量,通过主动延长逆变器满载工作时间,在增加的组件投入成本和系统发电收益之间寻找平衡点,实现LCOE最小,这就是光伏系统主动超配方案设计思路。
     在主动超配的情况下,由于受到逆变器额定功率的影响,在组件实际功率高于逆变器额定功率的时段内,系统将以逆变器额定功率工作;在组件实际功率小于逆变器额定功率的时段内,系统将以组件实际功率工作。最终所产生的系统实际发电量曲线将出现如图所示的“削顶”现象。
主动超配方案设计,系统会存在部分时间段内处于限发工作,此段时间内逆变器控制组件工作偏离实际最大功率点。但是,在合适的容配比值下,系统整体的LCOE是最低的,即收益是增加的。
补偿超配、主动超配与LCOE关系如下所示,LCOE随着容配比的提高不断下降,在补偿超配点,系统LCOE没有到达最低值,进一步提高容配比到主动超配点,系统的LCOE达到最低。再继续提高容配比后,LCOE则将会升高。因此,主动超配点是系统最佳容配比值。
二:超配方案中的逆变器选型及影响
通过合理的超配方案设计,可以实现对光伏系统的优化,发电量进一步提升,系统平均化度电成本(Levelized Cost Of Electricity, LCOE)进一步降低,投资方整体收益进一步提升。



在组件超配方案设计中,需要考虑当地光照条件、系统损耗、铺设倾斜角度等因素的影响,同时,逆变器的性能和选型也十分重要。集中型逆变器由于单机容量大,过载能力强,比组串型逆变器更适于超配。此外,超配后由于接入逆变器的组件容量提高了,会不会超过逆变器的运行范围,造成逆变器长期过载运行而影响逆变器安全?限功率运行时,直流电压会不会超过逆变器的允许范围?带着这些疑问,我们做了详细分析。
(一)、集中型逆变器设计超配方案更灵活
      在光伏系统设计中,光伏组件是以组串为单位接入逆变器的。以常见的地面电站为例,一般每串22块组件,以每块组件为250Wp计算,也就是每个组串的功率为5500W。在系统设计中,不论是否进行超配,不论是选用集中型还是组串型,方案都必须满足每个逆变器所接入的组件容量为5500W的整数倍数这一基本要求。
以国内市场上主流的30KW额定功率的组串逆变器、和500KW额定功率的集中逆变器,可实现超配的容配比方案进行比较,
在容配比(容配比=组件功率/逆变器额定功率)0.92到1.50之间,30KW的组串逆变器可现实4种方案,500KW的集中逆变器可实现53种方案;也就是说,在容配比1.5以下,选用30KW的组串型逆变器仅有3种超配方案设计,选用500KW的集中型逆变器则可以有46种超配方案设计,可以满足不同项目配置的需要。
另外,部门厂家的组串式逆变器,直流输入端子数量都是按照标准额定容量配置的,无法接入更多的组串数量,尤其是针对光照资源较差的二三类区域,容配比可以相对较大的情况下,由于输入端子数量的限制,根本无法实现最优的容配比,而采用集中型逆变器方案中,因为有直流汇流箱对组串的汇流环节,可接入的组串数量基本不受限制,进行超配方案时非常灵活。
(二)、超配对逆变器的影响
超配时,由于组件容量超过逆变器容量,对逆变器的安全运行有哪些影响呢?
1、逆变器是否会过载运行   
补偿超配时,去除系统损耗后,逆变器实际输出的最大功率等于逆变器的额度功率,在逆变器的正常工作范围内,这很容易理解。而主动超配时,去除系统损耗后,若组件都工作在最大功率点,则将超过逆变器额度功率,会造成逆变器过载运行,甚至会超过逆变器的工作范围到达逆变器过载保护点,这是不允许的。如何解决这个问题呢?唯一的办法只有限制组件的输出,也就是通过逆变器控制,使得组件输出偏离最大工作点,以确保逆变器输出不超过其额度功率。由此可见,超配仅增加了逆变器满载运行的时间,提高了逆变器的利用率。逆变器不会过载运行,也就不会超过逆变器的运行范围。
2、限功率运行时会有哪些影响
由组件输出特性可知,在主动超配时,由于系统部分时间段内出现了限功率运行,逆变器控制组件输出偏离最大功率点,如下图所示,当工作点由A点向右偏离到C点时,组件输出电流减小,输出电压将升高。当超配的功率越大,被限制的功率也就越大,每块组件的输出电流越小,组件工作点越向右偏移,电压越大,也就是说,超配功率越大,输出电压越高。通过分析计算,可获得不同容配比下逆变器实际工作电压如表2所示。可见,当容配比为1.5倍时,逆变器实际工作电压电压从MPPT电压673V抬升到770V,在逆变器的允许工作范围内。也就是说,即使在超配1.5倍时,系统的直流电压也不会影响逆变器的安全运行。
(三)、总结
通过分析,在系统超配设计过程中,逆变器的选型十分关键,集中式逆变器由于单机容量与单个组串容量比值大,过载能力强,因此可方便的进行不同比例的配置,设计灵活,满足不同区域容量各异的要求。同时,合理的超配对逆变器及系统的正常工作没有任何影响,不会超过逆变器的安全运行范围。
超配比例,可以作为相应的地区电站开发项目投资依据,对项目的投资回报预计将会有很大帮助。

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