降低大型光伏发电站度电成本的优化设计应用

摘 要：【在光伏发电站的度电成本构成中，电站设计所采用的技术方案对度电成本的影响不容忽视，本文将结合光伏系统集成技术研究及电气设备特点，提出在光伏发电系统设计中可以进一步完善和改进的环节；通过运用一些新的设计理念和方法，可有效地提高电站整体系统效率，提高发电量，降低配套设备及材料用量，从而使度电成本进一步得到有效的降低。】

关键词：光伏发电；系统效率；度电成本；设计

中图分类号： TM31 文献标识码： A 文章编号：

一 引言

近年来，国家政策的大力支持为我国光伏产业的发展注入了强劲的动力，加速了产业规划的进度，中国的太阳能光伏终端市场也由此进入了一个新的征程，大型光伏并网电站项目在各地不断涌现，电站建设规模也在一步步攀升，同时，伴随着国际光伏市场大环境以及产业格局的变化，光伏产业链中各环节的成本逐步走低，使得光伏发电系统关键部件的价格大幅下降并且已越来越接近成本，而中国国内目前的上网电价水平及未来变化趋势也难以支撑较高的投资收益，这种情况下只有通过对光伏电站的设计进行优化，采用一些

新技术、新产品和新工艺来进一步降低电站的建设运行成本，提高电站的收益率。

二 光伏电站技术现状

自2009年至今全国各地已有上百座10MWp级以上规模的大型光伏发电站已建成投运，仅2011年的新增装机规模就已接近3GWp。电站的设计及集成安装技术从最初的模仿发展到现今，正逐步向合理性和专业化方向迈进，光伏发电系统的设计由最初参差不齐的光伏企业自行设计转向了具有电力行业设计资质的专业设计院所。从已建成投运的大型光伏电站整体情况来看，由于多数设计单位在光伏系统应用方面所投入的研究工作较少，大多数相关的设计人员对光伏发电系统的认识以及对相关部件的电气特性的掌握正处于学习阶段，还缺乏深入的理解和实践经验，创新能力比较弱，针对光伏电站的整体设计水平不高，经济性不强，普遍存在套用类似设计。光伏电站建设中除组件和逆变器外，在设计环节的成本优势并没有被充分挖掘。同时，国内光伏电站的整体设计思想、建设水平及运行管理等方面与实施大型光伏项目较早的欧美发达国家相比尚有一定的差距。

三 降低度电成本的有效措施

在光伏发电度电成本的构成中，光伏电站的建设投资成本和运行维护成本占决定性因素，随着光伏组件价格的逐步下降，光伏电站建造成本中的其他设备成本所占比重将会相对增高，图1是目前的一个典型的地面安装的光伏电站的主要成本构成及各部分所占比重，其中光伏组件成本占58%，其它部分占42%。但是，光伏组件及其它配套设备成本下降的空间将会越来越小，而其他能够进一步降低电价成本的措施一是通过光伏系统集成技术的研究进一步提升系统发电效率，提高光伏电站发电量；二是优化工程设计技术，进一步降低除设备外的其他环节成本；三是创新光伏电站的管理模式，降低电站运营成本。

图1光伏电站的主要成本构成及各部分所占比重

作为国内最早从事光伏发电系统应用的特变电工新疆新能源股份公司，经过十余年的经验积累和发展，在光伏发电应用技术研究及光伏工程设计、建设、技术服务、运维等方面奠定了良好的基础，自2009年以来，针对大型光伏并网系统，主要以围绕度电成本最低化作为目标，开展了一系列设计集成技术研究和工程实践，通过优化设计，可有效地提升电站整体系统效率，降低主要设备及材料成本，从而使度电成本进一步得到降低。

1 采用更高效的大功率光伏设备

作为基本发电部件的光伏组件在光伏电站中是按照光伏逆变器输入参数的要求由一定的数量串联后再通过汇集设备并联接入到光伏逆变器的输入端，按照目前光伏电站典型设计，一个光伏电站发电单元基本上是按1MWp进行设计，这种设计结构具有以下特点：⑴单块光伏组件的封装功率越小，并联的支路就越多，所需的支路电缆及并联汇集设备也就越多；⑵每个发电单元容量受光伏逆变器功率的限制，设计的灵活性较差。针对上述特点，在光伏电站设计中在满足经济性的前提下，选用高效大功率光伏组件将会使组串的并联支路减少，直接带来的好处就是能够减少并联组缆的用量和减少并联汇集设备的数量，规模越大，效果越明显。而更高效的大功率逆变器的应用，在设计中将会引起关联设备材料的配置随之而变化，在逆变器前端，由于逆变器输入功率的增大，必然是输入电流的增大或输入电压的升高，不论是输入电流的增大还是输入电压的升高，其结果都会带来汇流设备和电缆的用量减少。而在逆变器后端带来的结果将是变压器功率密度的增大，相应的会使发电单元配套设施的数量、土建工程量、高压电缆的用量、开关设备用量、监控点数等发生不同量的减少。

更加安全可靠的大功率并网逆变器在大型光伏电站应用的必要性已在行业内被认可，目前国内外各主要逆变器生产厂商都在着手进行更大功率逆变器的开发，特变电工新疆新能源股份有限公司推出的单机1000KW和单机1250KW光伏逆变器可将光伏发电单元升级到2MWp和2.5MWp，产品通过应用表现出了较明显的优势。

2采用多分裂升压变压器以增大发电单元容量

目前市场上绝大多数无隔离变压器的大功率集中式光伏逆变器在应用中都不能够将交流输出侧直接并联在一起使用，一般都是通过一台双分裂变压器的两组分裂绕组并联在一起构成一个逆变升压单元，在逆变器容量不可突破的前提下，采用这种设计结构的光伏电站其每个发电单元的容量受限于逆变器的数量，大规模应用时，发电单元的并联点数量将会很多，增加了系统的复杂性，不利于电站的安全稳定运行。为此，将升压变压器采用多分裂结构形式，在一台多分裂变压器上可同时接入多台光伏逆变器，在增大发电单元升压变压器单机容量的同时，可使后级的配套中压设备及电缆用量进一步减少，例如，如果采用四分裂变压器，原设计选用单机功率为500KW的集中式光伏逆变器，每个发电单元的容量就会由1MWp变为2MWp，升压变压器单台容量将增大一倍，与升压变压器配套的开关控制设备以及送出电缆数量将会减少一倍，不仅能在一定程度上简化电气系统结构，增强系统运行的稳定性，也能使系统效率得到提升，电站规模越大，效果将会越明显。

3用非晶合金变压器作为发电单元的升压设备

非晶合金变压器是用新型导磁材料制作铁芯而成的变压器，其单位损耗和励磁特性远优于硅钢片，选用非晶合金为铁芯的变压器，其最显著特点就是节能，被称为21世纪电力产品中的“绿色产品”。非晶合金变压器最显著的特点是空载损耗很低，节能效果明显。由于非晶合金材料具有优越的导磁性，更易于以极少的能耗磁化或消磁。同时，制作铁心的非晶合金带材的的厚度是硅钢片的1/10左右，其涡流损耗大大降低，因此非晶合金变压器的空载损耗远远低于传统变压器，同时其负载运行的效率也比传统变压器要高。非晶合金变压器要比硅钢片作铁芯的变压器的空载损耗下降75%左右，空载电流下降约80%左右，轻载运行的效率高1个百分点以上，是目前节能效果最理想的电力变压器。自从1982年美国通用电气公司研制的非晶合金变压器商业投运以来，非晶合金变压器技术已在世界上许多国家都得到应用和发展。

在大型光伏并网发电系统中，一般都是采用升压变压器将光伏逆变器输出的低压交流电能提升至与中压电网相匹配的电压，按照目前典型的模块化逆变升压设计方案，光伏电站的每个发电单元按1MWp进行设计并配置一台升压变压器。根据各地有效光照时数以及光伏逆变器MPPT窗口电压范围的不同，一个光伏电站平均每天的有效工作时间大约为5～8小时，其它时间里逆变器均处于待机状态，升压变压器也就相应地处于空载状态，即便是在工作的时间内也有大约三分之一的时间为轻载状态。一台1000KVA传统变压器的空载损耗一般是在1500W左右，如果不计变压器的负载损耗，一座10MWp的光伏电站每年仅变压器带来的功率损耗就达10万千瓦时左右，按照25年的运营期计算，总的损耗高达250万千瓦时，随着光伏电站建设规模的扩大，这一部分的损耗也会按比例增大。