连世江 刘会龙 李昂 胡兆伟 吴山川
隆基绿能光伏工程有限公司 ，陕西 西安，710018
【摘要】本文分析了光伏电站应进行组件容量超配的原因，并通过计算及软件模拟，论证光伏组件超配的必要性以及超配的合理比例，分析了超配对逆变器及变压器的影响。同时，提出了了主动超配的分析方法，以实现光伏电站最低的度电成本。
【关键词】光伏发电；超配；系统效率；容配比；逆变器；度电成本；
0 引言
光伏发电作为新型清洁能源，近年取得了快速发展，光伏装机容量及发电量不断攀升，截止2018年底，全国光伏发电装机容量达174GW，年发电量达1775亿kWh。光伏的快速发展，得益于对新能源电源的需求以及光伏度电成本的不断下降，降低度电成本一直以来是光伏产业链各个企事业努力的方向，如何确定合理的光伏组件容配比，对降低光伏度电成本具有重要意义。
早期光伏电站在设计过程中，组件容量与逆变器功率均按照1：1的比例配置，即1kWp的组件对应1kW的逆变器，近几年，组件的超配比例不断再提高，国外部分项目容配比已提高至1.4:1~1.5:1,本文拟分析各因素对超配比例的影响，提出合理的超配比例及计算方法。
1 超配原因
光伏电源不同于常规水电、风电等电源，组件标称功率为峰值功率，以常规315Wp组件为例，在标准测试环境下，当辐照度达到1000W/m2，组件温度为25℃时，组件的输出功率才能达到315W，而在实际工况下，太阳辐照度大部分时间均在1000W/m2以下，当辐照度达到最大时，基本在夏季正午前后，其组件温度也高于25℃，组件功率很难达到315W。根据厂家提供的产品参数，在正常电池工作温度下（NOCT），辐照度为800W/m2，环境温度20℃，风速1m/s时，315Wp组件输出功率仅能达到229Wp，减少了约27.3%的功率输出。
同时考虑光伏电站的系统效率，光伏发电系统受光伏灰尘、组件参数不匹配、温升、电缆损耗、逆变器损耗、变压器损耗、开关设备等损耗，整站的系统效率一般为80%左右，即光伏电站在光照、温度等较理想的情况下，整站最大功率为光伏组件安装容量的80%，而在实际复杂工作条件下，最大功率会更低。
以西安市区装机容量为1000kWp的光伏电站为例，通过PVSYS软件模拟光伏日均发电曲线如下图所示：
图1.1 1000kWp光伏日均发电曲线
从图中可以看出，年日均发电曲线中11点至13点光伏功率达到最大，日均最大功率为350kW左右，7月份功率最高，日均最大功率为450kW左右，12月份功率最小，日均最大功率为250kW左右。
光伏电站出力比装机容量小，如仍然按照同样功率配置逆变器、变压器等设备，则全年逆变器、变压器等设备均运行在额定功率以下，设备得不到充分利用，造成投资成本的增加。所以，应按照光伏电站的实际出力特性，提高组件与逆变器及变压器等设备的配置比例，发挥设备的实际使用价值，以降低度电成本，提高项目收益。
2 逆变器超配计算
以采用单晶组件，组串式逆变器项目为例进行计算：单晶组件首年衰减系数取3%，直流电缆损耗1%，逆变器损耗最小为1%，其它损耗2%（灰尘、组件参数不匹配、温升等损失具有一定随机性，保守估算取2%）。
表2.1 损耗统计表
即逆变器交流侧输出功率为光伏系统安装容量的93%。
同时，目前市场上主流逆变器均具备长时间超额定功率10%的运行能力，以50kW组串逆变器为例，其交流侧输出功率最大可达55kW。考虑逆变器的过载运行能力，组件安装容量与逆变器额定功率比例可按照下式进行计算：
组件容量×93%=逆变器额定功率×（1+10%） （2.1）
组件容量/逆变器额定功率=1.18 （2.2）
即，组件逆变器超配比例为1.18，逆变器直流侧组件可按照18%比例进行超配。
18%的超配比例仅考虑了系统效率对超配的影响，实际运行情况下，受辐照度、温度等的影响，组件功率很难达到峰值，实际的设计过程中，组件逆变器的超配比例应至少按照20%进行设计。
通过以上计算分析，光伏电站组件容量应按照不少于20%的比例进行超配，实际项目实施过程中，按照逆变器实际出力情况，按照20%超配进行设计的光伏电站，其逆变器出力并未出线削峰。
3 超配对变压器的影响
光伏电站中采用的逆变器均具备功率控制功能，除了能够按照电网调度指令进行有功及无功功率输出调节外，也可以根据自行运行情况、环境温度等，进行功率输出调节，即无论直流侧组件容量超出逆变器额定功率多少，其交流侧均不会超过逆变器容量的1.1倍。
常规变压器均具备一定的过负荷能力，以油变压器为例，影响变压器超负荷运行能力有两个因素，一是环境温度，二是变压器负荷率。变压器不同过负荷倍数及过负荷时间如下表所示：
表3.1 变压器运行过负荷时间
（注：引自电力系统设计手册表7-4）
考虑光伏发电的特殊性，电站出力曲线从日出时逐渐增加，正午到达峰值后逐渐下降，最大负荷持续时间较短，根据此特性，按照同等逆变器功率配置变压器，完全可以满足短时过负荷运行能力，当环境温度越低，变压器散热好，变压器油温越低，过负荷能力越强，相对于夏季，春、秋、冬季环境温度相对较低，更加有利于变压器超负荷运行。由于组件功率逐年衰减，系统出力持续下降，变压器最初几年时间内的超负荷运行，也不易于对变压器寿命产生影响。
4 主动超配
以上对光伏发电系统超配的计算和验证，旨在不减小发电量的情况下，降低度电成本，以实现电站度电成本的最小化。主动超配则是采用更高比例的组件、逆变器的超配比例，以牺牲部分发电量，来降低单瓦造价，以实现最小的度电成本。例如，在主动超配的情况下，当光伏安装容量一定时，减少逆变器的数量，提高组件与逆变器的超配比例，在部分时段，逆变器直流侧输入功率大于最大直流功率，逆变器在自我保护的情况下，出现功率削峰，电站整体发电量有所下降，当发电量减少的损失，小于不主动超配时逆变器增加的投资额度时，光伏电站度电成本会呈现出降低的趋势。所以应根据具体项目情况，按照光伏发电量模拟及设备投资情况，进行敏感性分析，确定最佳的组件逆变器配置比例，以能实现最低的度电成本。
5 总结
本文分析了光伏电站应进行组件容量超配的原因，并通过计算及软件模拟，论证光伏组件超配的必要性以及超配的合理比例，常规光伏电站，组件与逆变器的容配比应按照不小于1.2倍进行设计。因变压器具备一定的过负荷能力，综合光伏发电的出力曲线，当进行组件超配时，不会变压器产生影响。同时，提出了了主动超配的分析方法，应按照具体项目光照资源情况及设备配置情况，进行分析计算，以实现光伏电站最低的度电成本。