CN111738526B - 一种以系统收益最优为目标的光伏系统优化设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种以系统收益最优为目标的光伏系统优化设计方法，包括，如何选定光伏组件类型、逆变器型式、组件排布方式、支架跟踪型式以及组件‑逆变器容配比数值以实现光伏系统收益最优，其中：系统各设备和参数的选型是在全部上述组合方式下，以倾角作为迭代变量，以系统收益作为优化设计目标，通过优化迭代后求得的。该方法的优点是：将光伏系统收益作为优化设计目标，综合考虑了系统组件类型、逆变器形式、组件排布和跟踪类型、容配比、土地成本以及电站运维成本等对光伏系统收益的影响，从而获得最优光伏系统设计方案。

Description

一种以系统收益最优为目标的光伏系统优化设计方法
技术领域
本发明涉及太阳能发电技术领域，尤其涉及一种以系统收益最优为目标的光伏系统优化设计方法。
背景技术
目前，常见的光伏系统设计通常分为两步。第一步为系统设计，即主要以发电量最大为设计目标、部分项目结合具体建设条件进行各参数设计。第二步，在前序设计的基础上结合投资、运维成本等计算项目的投资收益。以上两步完成后，部分项目会根据要求在两个步骤间进行微调优化。
然而，多个算例显示，发电量最大时投资收益并非最大。如，以甘肃地区某项目为例，当地发电量最大的倾角为35°，而倾角25°时内部收益率最大，可以获得更高收益。
因此，需要一种能够以光伏系统全生命周期为优化设计对象，以投资运营商最关心的电站收益作为系统优化设计目标，将影响光伏系统前期建设和后期运营的全部主要指标投入自动寻优，以实现系统设计全部主要参数自动优化的设计方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种以系统收益最优为目标的光伏系统优化设计方法，从而解决现有技术中存在的前述问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种以系统收益最优为目标的光伏系统优化设计方法，所述设计方法包括，
S1、针对系统设计的多种组合方式，以倾角作为迭代变量，分别计算各组合方式的各个倾角下的评价参数及最优容配比；
S2、获取各个组合方式的系统收益，以分别确定各组合方式的系统收益最佳的倾角及其对应的光伏系统设计方案；
S3、比较各种组合方式下光伏系统设计方案的最优系统收益值，从而确定最终的光伏系统设计方案。
优选的，系统的组合方式由光伏组件类型、逆变器类型、组件排布方式、支架跟踪型式和容配比布置方式构成。
优选的，所述评价参数包括倾斜面辐射量、发电量、电站的占地面积和系统造价。
优选的，所述容配比为组件-逆变器容配比；各种组合方式的最优容配比计算如下，
A、计算该种组合方式的光伏组件在任意辐照、任意温度下的实际输出功率；
B、计算该种组合方式的逆变器的实际输出功率，利用逆变器的额定输出功率计算逆变器的实际输出功率；
C、以系统收益为目标，分别计算该种组合方式的光伏系统下不同容配比对应的系统收益值，对比后确定该种组合方式的最优容配比；
D、计算弃光率。
优选的，光伏系统的造价和系统收益需要考虑的因素有光伏组件类型、逆变器类型、支架跟踪类型、建安-工程-土地-送出费用、后期运维成本、费用通胀和税款。
优选的，所述倾角的迭代步长可以为1°。
优选的，光伏组件的类型有单晶硅光伏组件、多晶硅光伏组件、双玻和双面光伏组件；逆变器的类型有集中式逆变器、组串式逆变器和集散式逆变器；排布方式考虑阵列中不同横排、竖排组件的布置方式；支架跟踪型式有固定式和固定可调式。
本发明的有益效果是：1、优化设计目标为系统投资收益，实现了包含组件类型、逆变器型式、排布方式、支架跟踪型式等全部主要系统设计参数的一站式自动寻优；2、优化设计参数不仅包含组件、逆变器、系统排布、支架倾角等，还特别实现了组件-逆变器容配比的自动寻优；3、采用适当的优化算法，可以在保证优化效果的同时大幅提升了优化效率。4、优化结果显示，与传统以发电量为目标的设计方法相比，以内部收益率IRR为目标的优化设计方法可以实现投资收益提升1.06％以上，而且光资源越差的地区提升效果越显著，该设计方法在当前光伏平竞价项目背景下对于进一步降低度电成本、提高运营收益非常重要。
附图说明
图1是本发明实施例中优化设计方法的原理图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本实施例中提供了一种以系统收益最优为目标的光伏系统优化设计方法，所述设计方法包括，
S1、针对系统设计的多种组合方式，以倾角作为迭代变量，分别计算各组合方式的各个倾角下的评价参数及最优容配比；
S2、获取各个组合方式的系统收益，以分别确定各组合方式的系统收益最佳的倾角及其对应的光伏系统设计方案；
S3、比较各种组合方式下光伏系统设计方案的最优系统收益值，从而确定最终的光伏系统设计方案。
本实施例中，系统的组合方式包括多种，主要由光伏组件类型、逆变器类型、组件排布方式和支架跟踪型式构成；光伏组件的类型有单晶硅光伏组件、多晶硅光伏组件、双玻和双面光伏组件；逆变器的类型有集中式逆变器、组串式逆变器和集散式逆变器；排布方式考虑阵列中不同横排、竖排组件的布置方式，如竖一、竖二、横二、横四等；支架跟踪型式有固定式和固定可调式。通过改变其中的光伏组件类型和/或逆变器类型和/或组件排布方式和/或支架跟踪型式，可以构成多种系统的组合方式。评价参数具体包括倾斜面辐射量、发电量、电站的占地面积和系统造价。
本实施例中，优化设计方法的执行流程为：
1、选定一个包括光伏组件类型、逆变器类型、组件排布方式和支架跟踪型式的系统组合方式，以倾角作为迭代变量，计算求得该组合方式下对应倾角下的倾斜面辐射量、发电量、占地面积和系统造价，以及该组合方式在各个对应倾角下的光伏系统的最优组件-逆变器容配比；
2、将系统收益(如内部收益率IRR)作为优化目标，比较求得此种系统组合方式下系统收益最佳的倾角和对应的光伏系统设计方案；
3、改变系统组合方式，求得不同组合方式下光伏系统的最优系统收益值，重复前两步，直至遍历全部组合方式；
4、比较各组合方案下的最优系统收益值，从而确定最终的光伏系统设计方案。
本实施例中，迭代倾角的范围最大可以为0-90°，也可以为5-55°，或根据项目实际情况设置优化迭代范围。倾角迭代的初值可从范围内的最小值开始；倾角的迭代步长可以设置为1°。即以光伏组件安装倾角为迭代变量，迭代步长为1°，通过不同倾角下涉及组件类型、逆变器型式、排布方式、支架跟踪型式、容配比、系统造价、财务成本、运维费用等变量的循环迭代，求得最终的光伏系统设计方案。
本实施例中，步骤S1中的评价参数计算包括
S11、计算各组合方式的光伏系统组件接收的倾斜面辐射量；
S12、计算各组合方式的光伏系统的发电量；
S13、计算各组合方式的光伏系统的总占地面积；
S14、计算各组合方式的光伏系统的造价和投资收益；
S15、计算各组合方式的光伏系统的组件-逆变器最佳容配比；
S16、给倾角迭代增加一个步长，获取各个倾角下最优的系统收益值(如内部收益率IRR)。
本实施例中，步骤S11中，光伏系统的组件接收的倾斜面辐射量为斜面直接辐射、斜面散射和地面反射之和，
所述斜面直接辐射计算如下，
Hbt＝DH
其中，
Figure BDA0002565753480000041
Figure BDA0002565753480000042
Figure BDA0002565753480000051
Figure BDA0002565753480000052
Figure BDA0002565753480000053
G函数定义如下，
Figure BDA0002565753480000054
定义以下参数，
Figure BDA0002565753480000055
pi＝0.409+0.5016sin(ωs-60)，
Figure BDA0002565753480000056
Figure BDA0002565753480000057
Bi＝cosωscosβ+tanδsinβcosγ，
Figure BDA0002565753480000058
其中，H为水平面总辐射量；Hbt为斜面直接辐射；Hi和Hd分别为水平面上各月总辐射量和水平面上各月散射辐射量；
Figure BDA0002565753480000059
为地理纬度；β为光伏组件安装倾角；γ为光伏组件安装方位角；ωs为水平面上日落时角，可利用式
Figure BDA00025657534800000510
求出，正为日落时角，负为日出时角；ωsr为倾斜面日出时角；ωss为倾斜面日落时角；δ为太阳赤纬角；
所述斜面散射计算如下，
Figure BDA0002565753480000061
Figure BDA0002565753480000062
其中，Hdt为斜面散射；ω's为倾斜面上日落时角，可利用式
Figure BDA0002565753480000063
求出；
所述地面反射计算如下，
Hrt＝0.5ρH(1-cosβ)
其中，Hrt为地面反射，ρ为地表反射率，不同地表类型取值不同；
因此，所述倾斜面辐射量计算为，
Ht＝Hbt+Hdt+Hrt
其中，Ht为倾斜面辐射量。
本实施例中，步骤S12具体为，光伏系统的组件表面的发电量计算如下，
E＝P×Ht×η/Gstc
其中，E为光伏系统的组件表面的发电量；P为光伏电池板总安装容量；η为系统效率；Gstc为标准状态下总辐射量，取值为1000W/m2。其中，系统效率η根据光伏组件的类型和逆变器的类型确定。选择不同的组件和逆变器类型，设备效率不同，进而可以获得不同的系统效率和发电量。
本实施例中，步骤S13具体为，当光伏系统的光伏组件朝南安装时，电站总占地面积计算仅需考虑组件南北向间距，并以冬至日上午9时至下午15时前后排组件间不遮挡为计算依据，所述光伏系统的总占地面积计算如下，
S＝(L1*cosβ+L1*sinβcosγ/tanα)*L2
其中，S为光伏系统的总占地面积，α为太阳高度角；(L1,L2)为组件安装方式下的方阵尺寸；组件安装方式可以考虑固定倾角、可调倾角、自动跟踪三种安装方式，其中，固定可调倾角安装采用年最大安装倾角计算组件间距和光伏系统的占地面积。
其中，固定可调倾角优化方案通过枚举法实现。即，通过比较相同倾角调节次数下、不同组件倾角组合后的发电量，求取对应调节次数下发电量最大的倾角组合方案。如，本次寻优组合涉及的固定可调倾角方案调节次数为2时，通过列举一年调整2次倾角时、不同月份不同倾角的全部组合方案，求得年发电量最大的倾角组合方案，保存该方案作为本次一年2种倾角布置方式的角度方案。
本实施例中，步骤S14具体为，光伏系统的造价和投资收益需要考虑的因素有光伏组件类型、逆变器类型、支架跟踪类型、建安-工程-土地-送出费用、后期运维成本、费用通胀和税款。
本实施例中，通过计算光伏组件在项目气象环境条件和不同容配比组合下的实际输出功率，求得该组合型式的光伏系统下各个倾角对应的最佳容配比，具体包括，
A、计算光伏组件在任意辐照、任意温度下的实际输出功率，
Figure BDA0002565753480000071
其中，P为光伏组件在任意辐照、任意温度下的实际输出功率；Pstc为光伏组件的额定输出功率；Tstc为标准状态下光伏组件的工作温度，取值为25℃；k为光伏组件的功率温度系数；G'为实际辐照度(单位：W/m2)；Tc为光伏组件的实际工作温度，可由式
Figure BDA0002565753480000072
计算获得，Tair为环境温度，TcN为NOCT条件下光伏组件温度，取值273+45±2(单位：K)；TaN为NOCT条件下环境温度，取值273+20(单位：K)；GTN为NOCT条件下光伏组件表面的辐射量，取值800(单位：W/m2)；η1为光伏组件转化效率；τβ为常数，取值0.9；
B、计算逆变器的实际输出功率，利用逆变器的额定输出功率计算逆变器的实际输出功率；
理论输出功率＝INT(θ*106/Pstc)*P*η/1000000
其中，θ为逆变器的额定输出功率，若理论输出功率<θ时,实际输出功率就等于理论输出功率值；若理论输出功率≥θ时，实际输出功率就等于θ；
举例说明对于逆变器实际输出功率的计算，其基本思路：
以逆变器的额定输出功率为1MW为例，在光伏组件超配时，逆变器的理论输出功率＝INT(1000000/Pstc)*P*η/1000000，实际输出功率为：
当理论输出功率<1MW时，实际输出功率就等于理论输出功率值；
当理论输出功率≥1MW时，实际输出功率就等于1MW。
C、以系统收益为目标，计算该组合型式的光伏系统下不同容配比对应的系统收益值，对比后确定最佳容配比；
D、计算弃光率，
弃光率＝[(理论输出功率-实际输出功率)/理论输出功率]*100％。
弃光率是容配比设计的一个重要物理量，反映光伏系统组件-逆变器最佳容配比下的系统性能参数。
本实施例中，步骤S1中的迭代步长可以为1°，每次迭代都能获取对应倾角和该倾角对应的最优系统收益值(如内部收益率IRR)。
通过采用本发明公开的上述技术方案，得到了如下有益的效果：
本发明提供了一种以系统收益最优为目标的光伏系统优化设计方法，该设计方法以光伏系统全生命周期为优化设计对象，以投资运营商最关心的系统收益作为系统优化设计目标，综合考虑系统设备类型、组件安装方式、组件/逆变器容配比、土地成本和后期运维成本等各个环节对光伏系统收益的影响，将影响光伏系统前期建设和后期运营的全部主要指标投入自动寻优，以便得出最优设计方案并提高光伏系统收益；实际计算结果显示，与传统以发电量为目标的设计方法相比，以内部收益率IRR为目标的优化设计方法可以实现投资收益提升1.06％以上，而且光资源越差的地区提升效果越显著，该设计方法在当前光伏平竞价项目背景下对于进一步降低度电成本、提高运营收益非常重要。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种以系统收益最优为目标的光伏系统优化设计方法，其特征在于：所述设计方法包括，
S1、针对系统设计的多种组合方式，以倾角作为迭代变量，分别计算各组合方式的各个倾角下的评价参数及最优容配比；
S2、获取各个组合方式的系统收益，以分别确定各组合方式的系统收益最佳的倾角及其对应的光伏系统设计方案；
S3、比较各种组合方式下光伏系统设计方案的最优系统收益值，从而确定最终的光伏系统设计方案。
2.根据权利要求1所述的以系统收益最优为目标的光伏系统优化设计方法，其特征在于：系统的组合方式由光伏组件类型、逆变器类型、组件排布方式、支架跟踪型式和容配比布置方式构成。
3.根据权利要求1所述的以系统收益最优为目标的光伏系统优化设计方法，其特征在于：所述评价参数包括倾斜面辐射量、发电量、电站的占地面积和系统造价。
4.根据权利要求1所述的以系统收益最优为目标的光伏系统优化设计方法，其特征在于：所述容配比为组件-逆变器容配比；各种组合方式的最优容配比计算如下，
A、计算该种组合方式的光伏组件在任意辐照、任意温度下的实际输出功率；
B、计算该种组合方式的逆变器的实际输出功率，利用逆变器的额定输出功率计算逆变器的实际输出功率；
C、以系统收益为目标，分别计算该种组合方式的光伏系统下不同容配比对应的系统收益值，对比后确定该种组合方式的最优容配比；
D、计算弃光率。
5.根据权利要求3所述的以系统收益最优为目标的光伏系统优化设计方法，其特征在于：光伏系统的造价和系统收益需要考虑的因素有光伏组件类型、逆变器类型、支架跟踪类型、建安-工程-土地-送出费用、后期运维成本、费用通胀和税款。
6.根据权利要求1所述的以系统收益最优为目标的光伏系统优化设计方法，其特征在于：所述倾角的迭代步长为1°。
7.根据权利要求2所述的以系统收益最优为目标的光伏系统优化设计方法，其特征在于：光伏组件的类型有单晶硅光伏组件、多晶硅光伏组件、双玻和双面光伏组件；逆变器的类型有集中式逆变器、组串式逆变器和集散式逆变器；排布方式考虑阵列中不同横排、竖排组件的布置方式；支架跟踪型式有固定式和固定可调式。
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