基于渔光互补光伏发电项目设计优化研究

基于渔光互补光伏发电项目设计优化研究

李章勇,李志虎,魏世龙

（国能（广东）综合能源有限公司，广东 广州 510000）

摘要：光伏发电项目的设计方案直接影响着项目投资收益，在项目前期开发和工程设计过程中，在满足设计规范、保证工程安全和质量的前提下，对常规光伏发电项目的设计方案进行深入的优化，可以有效提高系统发电量、降低项目总投资。作者结合广东省某渔光互补光伏发电项目管理实践，通过对该项目设计方案中的交流电缆的设计选型、箱逆变一体机的应用、容配比的优化设计、单双面组件的优选、光伏支架材料的选择、等一系列的设计优化措施，最终实现项目LCOE降低，从而满足公司投资收益率的要求，为该项目顺利推进奠定了坚实的基础。

关键词：投资收益；发电量；总投资；LCOE；设计优化

引言

近来年，随着光伏技术的不断发展，以及国家新能源政策的大力支持下，我国光伏发电市场规模取得了极大的发展。然而，光伏电站自身的特点，决定了其发电量和发电稳定性受太阳辐照、气温、逆变器选型等多种因素影响。由于勘察和设计等原因，出现了电站发电效率低，投资收益率不能满足预期等问题。因此光伏电站的优化设计显得格外重要。

光伏电站要做到投资省、效益好，设计方案显得极其重要，在常规设计过程中，通常仅对电池组件选型、逆变器的选型、光伏阵列运行方式设计、倾角分析、接入系统方案、光伏场区平面布置等进行方案优选，同时综合考虑温度影响、灰尘遮挡、阴影遮挡、组件不匹配、低压直流和交流线损、逆变器效率、集电线路线损、并网系统损耗、倾角方位角损耗、故障检修及其他因素的影响，计算系统综合效率系数。

1.光伏发电项目设计优化概述

设计优化是在处理各种事物的一切可能方案中，借助最优化的数值计算与计算机技术，在安全可靠的前提下，寻求最优方案的过程。本文以广东省某某100MW渔光互补光伏发电项目为例，在常规设计的基础上，对交流电缆的选型、逆变器的选型、容配比的选择、单双面组件的选择、光伏支架材料的选择等进行深入的优化设计研究，从而降低LCOE的成本，提高项目收益能力。

2.优化方案

2.1采用铝芯电缆代替铜芯电缆

2.1.1电缆材质分析

电缆采购和施工成本在光伏发电项目的建设投资中占比较高，以该项目的箱变至升压站的35kV高压交流电缆为优化对象，目前普遍使用的交流电缆有铜芯和铝芯，而在常规设计中采用铜芯电缆。两种材质性能参数对比如下：

表1性能参数对比

2.1.2电缆载流量的分析

铜芯电缆每平方毫米的载流量是5-8A，铝芯电缆每平方毫米的载流量是3-5A，在相同的电压等级下，铝芯加大两个截面等级与铜芯做对比，也即50mm²截面的铜芯电缆与95mm²截面的铝芯电缆的载流量作对比见下表[1-4]：

表2 电缆载流量对比

2.1.3电缆价格分析

通过询价电缆生产厂家，35kV电缆采用两种材质电缆（铝芯电缆对应铜芯电缆加大两个截面等级）作价格对比，铜芯电缆与铝芯电缆价格如下表：

表3铜芯电缆与铝芯电缆价格分析

按照以上的价差为基础，对照该项目实际使用的电缆长度，方案优化后，节省造价如下：

表4电缆优化后节省造价分析

以上，该项目采用铝芯电缆加大两个截面等级代替铜芯电缆的优化方案，在载流量满足需要的前提下，仅计算材料费，箱变引出电缆可节省造价553万元。

2.2逆变器容配比优化分析

光伏电站在设计中根据不同地区、不同的环境下容配比设计各有不同，常规设计中容配比按1:1配置。2020年10月国家规范对逆变器容配比放开，根据测算及查阅资料提高容配比可提高逆变器和箱变的设备利用率，降低逆变器、箱变的工程造价，同时还可以摊薄升压站、送出线路等公用设施的投资成本，对LCOE的下降具有积极意义[5-7]。

2.2.1最优容配比分析

图1单瓦投资成本变化曲线图

以上发现，高容配比摊薄系统成本，单瓦造价下降，单瓦造价下降随容配比的提高而降低[8-9]。

图2发电量损失变化曲线图

以上发现，高容配比造成逆变器消峰弃电，降低系统效率，发电量损失随容配比的增加而增加。

图3最优容配比图

以上发现，容配比无穷低或无穷高都会导致LCOE偏高,在一定区间内，LCOE随容配比的增加而降低，超过该区域后，LCOE随容配比的增加而增加。因此，考虑投资成本和全寿命周期内损失电量，广东地区最优容配比在1.1-1.2之间。

2.2.2造价分析

按容配比1:1配置，该项目光伏厂区设计4MW为一个光伏发电单元，共25个发电单元，每个发电单元直流侧容量为4MW，每个单元配置14台285kW逆变器，相对应配置1台4000kVA美式箱变，根据厂家询价逆变器单价为0.15元/瓦，美式箱变单价为0.08254元/kVA，其投资见下表：

表5逆变器、箱变成本分析

按逆变器容配比1.1:1配置分析，以前述100MW基地光伏为例，光伏厂区设计4MW为一个光伏发电单元，共25个发电单元，每个发电单元直流侧容量为4MW，每个单元配置14台225kW逆变器，配置1台3150kVA美式箱变，根据厂家询价逆变器单价为0.15元/瓦，美式箱变单价为0.08254元/kVA，其投资见下表：

表6优化容配比后逆变器、箱变投资分析

按照容配比1:1优化到1.1:1，投资成本可以节省约211万元，电量损失0.02%，25年累计损失50万度电，按0.453元/kWh,损失23万元。

因此，逆变器容配比采用1.1:1配置，可以提高逆变器、箱变的利用率，降低投资成本，光伏容配比提升之后电站的满发小时数也相应提高；另一方面光伏电站的功率变化幅度也在同步降低，电站输出更加平滑稳定。

2.3采用箱逆变一体机方案

在以往的光伏电站大都采用逆变器组串汇流的方式接入箱变，目前箱逆变一体机箱变的技术成熟，国内也有采用箱逆变一体机的案例，采用箱逆变一体机后逆变器可以不单独采购，通过厂家询价箱逆变一体机的单价约为0.16元/kVA，同样以100MW基地光伏以逆变器容配比1.1:1计算箱变总容量为90909kVA。

2.3.1 性能分析

表7技术方案对比分析

2.3.2 成本分析

表8 箱变、逆变器成本对比分析

采用箱逆变一体机接入方式是将各个组件阵列的直流电汇流后接入箱变逆变器侧直流进线端，汇流后接入箱变的电缆为直流电缆，两种电缆的使用量无变化，但采用箱逆变一体机在运行、检修方面优于组串式逆变器的接入方式。

采用组串式逆变器接入方式采购逆变器和箱变的投资约为2114万元，而采用箱逆变一体机的采购投资约为1454万元。因此，该100MW渔光互补光伏发电项目采用箱逆变一体机可节省投资约660万元。

2.4采用双面双玻组件

目前市场有两种光伏组件，一种是单面双玻组件，另一种是双面双玻组件，常规设计采用单面双玻组件较多。双面双玻组件正面正常发电的情况下背面也可发出一定的电量，根据资料显示在光照条件不同的情况下背面可产生5%～10%发电量（本渔光互补项目取5%计算）。

2.4.1性能分析

双面电池的封装技术可分为双面双玻组件、双面(带边框)组件，其中双面双玻组件采用双层玻璃+无边框结构，双面(带边框)组件采用透明背板+边框形式。主流结构的双玻双面组件，具有生命周期较长、低衰减率、耐候性、防火等级高、散热性好、绝缘性、易清洗、更高的发电效率等优势。

2.4.2投资分析

双面双玻组件较单面双玻组件贵0.03元/瓦，目前单面组件价格2元/瓦，双面组件2.03元/瓦,100MW光伏电站采用两种组件采购组件的设备费见下表：

表9组件成本分析

从上表可以得出投资100MW基地光伏采用双面双玻组件，需要增加设备投资300万元。

2.4.3发电量分析

根据厂家数据显示，使用双面双玻组件在相同的条件下可增加发电量5%，组件下方反光效果越好增加发电量越高。该100MW基地光伏采用单面双玻组件25年平均年发电量11400万kWh,采用双面双玻组件增加5%发电量计算每年可多发电量约570万kWh，内部收益从7.4%提高到7.89%，投资回收年限缩短约1年，具体指标如下：

表10 组件发电指标分析

因此，采用双面双玻组件增加5%发电量计算每年可多发电量约570万kWh，以上网电价0.453元计算，每年可增加电费收入约247万元，25年累计增加收入6198万元，增益收益效果显著。

2.5采用镀铝镁锌支架

镀镁铝锌钢，其镀层中加入了铝、镁或其他微量元素(硅，镍等)，经查这种多元合金镀层钢材具有出色的耐候性及综合性。目前常用于汽车，畜牧，建筑等多个领域，非常适合替代传统热浸镀锌钢或GI板应用于光伏支架领域。

2.5.1性能分析

经过专家采用SEM观察了3种镀层截面微观形貌以及磷化后表面微观特征，通过中性盐雾试验对比了不同种类镀层钢板、同种镀层不同镀层质量钢板试验后的失重情况以及平均腐蚀速率磷化后的锌铁合金板耐蚀性与纯锌板相当，锌铝镁板具有最好的耐蚀性，相对耐蚀性约是前2者的6.5倍；与50 g/m~2的纯锌板和锌铁合金板相比，采用35 g/m~2镀层质量的锌铝镁板可具有较高的耐蚀性。

2.5.2投资成本分析

经厂家询价，镀镁锌铝目前价格为8500元/吨，同时期热镀锌价格为9300元/吨，以100MW进行成本分析。100MW热镀锌支架重量大约为3700吨，镀镁铝锌支架重量大约为3515吨-3145吨。

表11 支架采购成本分析

镀镁铝锌较热镀锌材料有较优异的性能，且有生产周期短、时间快，自我修复等符合光伏工程试验的特殊性能。

因此，从以上两种材料投资的分析，该100MW渔光互补光伏发电项目支架由镀镁铝锌支架较热镀锌支架可节约成本466万元。

3.结束语

该项目在设计优化前，不能满足投资收益要求。通过对箱变、逆变器、支架、电缆等计优化后，直接降低总投资约2000万元，相当于单瓦投资降低0.2元/瓦；同时因优化容配比和选用双面组件直接提高收益率近0.5%，使得该项目收益率满足投资决策标准。因此，设计优化在项目开发和建设过程中非常重要。

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作者简介：

李章勇，男，贵州六盘水人，学士，工程师、经济师、建造师，主要研究新能源项目开发、工程建设等。