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摘要：为迎接光伏电站平价上网的挑战，降低光伏发电的度电成本，提高光伏发电的经济性,光伏电站需要从提高能效和降低成本两方面着手。其中光伏电站不同的拓扑结构会影响电站能效和电站造价水平。参考实际运行的光伏电站案例以及设备的研究进展，从技术性能和经济性 2 方面对 4 种不同拓扑结构进行定量的比较分析。此外，文章着重研究了DC-DC 变换器成本变化对系统度电成本(levelized cost of energy，LCOE)的影响。研究结果表明，系统效率高的拓扑结构，并不一定是最经济的解决方案。各种拓扑结构选择要根据具体应用场景综合分析。研究结果对大型光伏电站设计有一定的参考意义。
关键词：直流变换器；模块化多电平变流器；最大功率追踪；度电成本；系统效率
1 光伏电站拓扑结构介绍
大型地面光伏电站存在多种形式，主要分为交流集中式、交流集散式、全直流级联式和全直流并联式 4 种。其中交流集中式应用最广泛，主要组网模式有典型 1MW 单元、典型 1260k W 单元等，随着逆变器技术的发展，2MW 或 2.5MW 也正在得到逐步应用。而全直流系统尚处在概念阶段，还未有实际工程投运。
1.1 传统交流集中式系统
目前，大多数投运和在建的光伏发电系统都采用交流站网的结构，如图 1 所示。以 1MW 为一个基本单元，组件通过汇流箱汇集到集中式逆变器，然后通过箱变升压至 35k V 接入到外送线路。每个子系统10 个单元，每个单元约1MW，总计10MW。这种结构的优点是设计简单，可靠性高，所需设备成熟，供货快，为快速施工提供了便利。但是，由于太阳能发电系统低压交流站网面积和长度较大，站内低压线路损耗过大，同时低压逆变器数量多，器件损耗大，发电效率不高。传统交流集中式系统主要适合于平坦荒漠且无遮挡地区。
图 1 传统集中交流式光伏发电系统示意图
1.2 交流集散式发电系统
除交流集中式系统以外，还有另外一种适合大规模光伏电站的系统，称为集散式系统(见图 2)。该系统和传统集中交流式不同之处是前端 DC/DC变换器可以实现最大功率跟踪(maximum power point tracking，MPPT)控制，后级逆变器仅实现逆变功能。这种系统结合了传统交流式系统和组串式系统的优点，既能够分散跟踪控制，也能集中并网，有效提高系统效率。在我国大型光伏电站已有众多应用。该系统适合于大规模地面电站，特别是朝向不一致地形，遮挡严重地区，如山地、丘陵等地区。
1.3 全直流级联式光伏发电系统
全直流级联光伏发电系统是指通过对电力电子光伏发电装置的标准化、模块化设计，通过级联方式，提高光伏系统传输线路的电压，从而实现对光伏发电场整体效率的显著提升。以图 3 中光伏发电系统 1 为例，在一个子系统内(约 10MW)，每 6个光伏阵列为 1 组，由 10 个相同的单元构成，60 个光伏阵列。每个光伏阵列的输出侧串联一个额定功率为 100~200k W 的 DC/DC 变换器，用于实现光伏阵列的最大功率跟踪。DC/DC 变换器的输出侧通过级联的方式搭建直流母线电压。最终将所有光伏发电单元连接至直流母线，通过一个大功率高 压 模 块 化 多 电 平 变 流 器 (modular multilevel converter，MMC)将能量送至交流电网。相比较传统方案，该方案具有如下优点：
图 2 交流集散式光伏发电系统示意图
图 3 全直流级联式光伏发电系统布局示意图
1）光伏场区内采用高压直流线路，缩短了低压线路的布线距离，将光伏系统的线路损耗降至 最低。
2）将变换器输出串联起来给后端逆变器供电， 构成串联模块式光伏发电系统。串联直流模块式系统在一定条件下能保证系统中每个组件均运行在最大功率点，提高了能量转化效率。
3）由于直流传输电能，完全避免了输电线的寄生电容和电感的影响，因此无功损耗较低。
4）传统的交流站网建设需要 3 根输电线，而直流系统建设只需要 2 根输电线，建设成本也可以大幅降低。
采用全直流级联方式，可节省箱式变压器，不仅降低了系统设备成本，也降低了系统安装土建成本。
需要指出的是，与传统集中式方案相比，全直流级联光伏发电系统通过直流升压，提升了系统效率，优势明显。但其对绝缘性以及安全性提出了更高的要求。经济性方面也是影响其大力推广的主要因素。
1.4 全直流并联式光伏发电系统
相对于全直流级联光伏发电系统，全直流并联式光伏发电系统结构基本相同，区别在于变流器的连接方式不同，全直流并联是通过将变流器直接并联在中高压直流母线上(见图 4)。这种结构的优点是电路简单，易扩展。但这种形式对于变换器的要求高，变流器需要承受更高的耐压水平，制造复杂度增加。变换器效率偏低。
光伏电站系统效率典型数据如下：
光伏电场占地面积大，直流侧电压低，电流大，导线有一定的损耗，一般该损耗值取 2%；
大量的太阳能电池板之间存在一定的特性差异，不一致性损失系数取 3%；
考虑太阳能电池板表面即使清理仍存在一定的积灰，遮挡损失系数取 4%；
光伏并网逆变器的效率(含隔离变压器，欧洲效率)约为 98%~98.5%；
油浸式变压器的效率达到 98.7%；
考虑到光伏电场很少工作在满负荷状态，绝大多数时间都工作在较低水平，且晚上不发电时还存在空载损耗，故逆变器效率按 98%计算；
升压变压器效率按 98%考虑；
早晚不可利用太阳能辐射损失系数 2.5%；
DC-DC 变流器效率按 95.6%考虑；
其他不可预见因素系数按 3%考虑。
对于全直流级联系统和并联系统，和传统交流系统相比，能效损失有相同因素，如天气、温度、积灰、组件衰减等。不同的因素主要体现在电气拓扑上，如直流损耗、变换器效率、MPPT 损失等。
2.2 度电成本分析
系 统 方 案 的 设 计 围 绕 最 小 化 度 电 成 本(levelized cost of energy，LCOE)CCLOE来进行，需要综合考虑如何降低系统投资成本和提高发电量两个方面因素；为达到目标，既不可无限制地压缩投资成本，亦不可盲目追求发电量，需要正确找到两者的平衡点。度电成本的计算公式为：
（2）为实现最小化度电成本目标，需对系统进行精细化设计，主要包括科学合理的组件串/并联设计、组件排布与连接设计、阵列倾角设计、阵列间距设计、箱变位置设计、线缆走向设计以及系统布局设计等，使系统高效运行，从而提高系统的能量效率(performance ratio)和发电量，降低系统初始投资成本。
目前对于光伏发电的度电成本分析主要有 2 种方法：静态成本法和动态成本法。从静态成本的结果来看，还贷期间光伏发电的成本非常高，而在整个项目的寿命期内却并非如此。相对来说，动态成本计算方法也称“全寿命期成本”，是在项目的整个寿命期内将光伏发电过程中发生的全部费用在寿命期内进行平均分摊。因此，通过计算动态成本将光伏发电过程中发生的全部费用在寿命期内进行均摊，有利于更为全面地了解整个运营期内的光伏发电成本。
3 算例分析
以西部某一 50MW 光伏电站为例，采用第 2节介绍的评估方法，从系统效率和 LCOE 2 个角度对 4 种不同拓扑结构进行对比。根据国家光资源等级划分，该地区属于 1 类光资源地区。发电小时数1500h。为方便比较，组件统一选用多晶 265 组件，光资源数据统一取自 Metronorm 软件。
表 2 和图 5 是 4 种不同拓扑结构下的系统效率对比。可以看出，由于组件和项目地理位置确定，4 种拓扑结构下的组件失配，温度影响，遮挡损耗等是相同的。最大的不同在于组网的电气部分。集散式结构、级联结构和并联结构采用分布式 MPPT控制，因此在MPPT控制损失方面较集中式有优势。直流级联结构和并联结构都采用中压直流升压并入电网，系统损耗较传统集中交流也有所下降。就逆变器或变流器本身而言，集中式逆变器和集散式逆变区逆变器损耗要低于直流级联和直流并联变流器。而集散式逆变器兼具 MPPT 分散控制和损耗小的优势，因此效率最高。总体而言，直流结构系统效率较传统交流结构系统效率提高了 2%~3%。
直流级联结构和并联结构相比，由于串联直流模块中的 DC-DC 变换器变压较小(一般小于 2) ，通常可采用简单的变换拓扑(如基本的 Boost 变换器)，而并联直流模块的DC-DC 变换器为直接与后端逆变器输入电压匹配，变压比通常达 10~20，因此必须采用较复杂的变换拓扑(如高频隔离型变换拓扑)，因而串联直流模块式系统中的 DC-DC 变换器的效率一般高于并联直流模块式系统。但另外一方面，全直流级联结构在弱光条件下存在一定程度的失配。
根据当前工程造价和产品市场价格，预测传统集中电站的工程造价约为 6.5 元/W，集散式为 6.56 元/W，而直流级联和直流并联结构分别为 8.5 元/W 和 8.6 元/W。图 6 给出了 4 种不同结构的电站初始投资对比。全直流的级联和并联结构较传统集中式高。其中主要差异在于 DC-DC 变流器上，当前适合于光伏系统DC-DC变换器处于研发阶段，未进行产业规模化，使得全直流系统成本过高。
尽管全直流系统在系统效率方面优于传统集中式系统，但由于价格高，在综合的度电成本方面，优势并不是十分明显；需要研究直流级联结构成本下降对度电成本的影响。图 8 给出了直流变换器成本下降和度电成本的关系。
假设当前交流系统度电成本为 0.509 元/(k Wh)，根据图 8，在其他设备价格不变的情况下，随着直流 DC-DC 变换器成本的下降，从 2.3 元/W 降至0.5 元/W 时，可实现直流级联系统的度电成本和交流系统相当。DC-DC 变换器成本下降率约为 78%。
需要特别指出的是，光伏市场发展迅猛，各种设备成本造价数据不断更新变化，基于本文数据假设所作的结论仅是代表一定的趋势，仅供参考。
4 结论
光伏电站系统拓扑优化是光伏电站提高能效，降低成本的重要手段之一。本文总结归纳了 4 种主要光伏系统拓扑结构，从技术性能、度电成本进行了对比，并给出了定量化结果。通过比较可以得出：
1）光伏电站拓扑结构的选择要综合考虑，系统效率高的，经济性不一定最优，需要从技术和经济性两个角度，并结合现场应用场景具体分析选择。
2）集散式光伏系统在大规模光伏电站的竞争力比较突出，其应用将逐步扩大，但集散式光伏系统的故障率和可靠性仍需要在更多实际电站中验证。
3）全直流级联结构是未来光伏电站的发展方向之一，特别是在弱电网地区，全直流级联系统结合柔性高压直流系统可以实现大规模光伏电站的外送。当前受制于规模化的影响，全直流级联光伏系统造价较高，但随着技术进步以及规模化应用，其成本会逐步降低。全直流光伏系统的研究刚起步，关键设备的研发及其运行与控制是下一步的重点工作。
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论文作者:张媛,刘皓
论文发表刊物:《电力设备》2017年第29期
论文发表时间:2018/3/13
标签：光伏论文; 系统论文; 变换器论文; 成本论文; 电站论文; 结构论文; 拓扑论文; 《电力设备》2017年第29期论文;