Cách thiết kế hợp lý tỷ lệ công suất của trạm điện mặt trời

Với nhu cầu toàn cầu ngày càng tăng đối với năng lượng tái tạo, công nghệ phát điện quang điện đã được phát triển nhanh chóng. Là nền tảng cốt lõi của công nghệ phát điện quang điện, tính hợp lý trong thiết kế của nhà máy điện mặt trời ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất phát điện, sự ổn định trong vận hành và lợi ích kinh tế của nhà máy. Trong đó, tỷ lệ công suất, như một thông số then chốt trong thiết kế nhà máy điện mặt trời, có tác động quan trọng đến hiệu suất tổng thể của nhà máy. Mục đích của bài viết này là thảo luận về cách thiết kế hợp lý tỷ lệ công suất của nhà máy điện mặt trời để nâng cao hiệu suất phát điện và tính kinh tế.

01 Tổng quan về tỷ lệ công suất trạm quang điện
Tỷ lệ công suất của trạm quang điện đề cập đến tỷ lệ giữa công suất lắp đặt của các mô-đun quang điện và công suất của thiết bị biến tần.
Do sự bất ổn định của việc phát điện quang điện và ảnh hưởng lớn từ môi trường, việc thiết kế tỷ lệ công suất của trạm quang điện theo cấu hình 1:1 dựa trên công suất lắp đặt của các mô-đun quang điện sẽ gây lãng phí công suất của biến tần quang điện. Do đó, để cải thiện hiệu suất phát điện của hệ thống quang điện dưới điều kiện vận hành ổn định, tỷ lệ công suất tối ưu nên lớn hơn 1:1. Thiết kế tỷ lệ công suất hợp lý không chỉ có thể tối đa hóa đầu ra công suất mà còn thích ứng với các điều kiện ánh sáng khác nhau và đối phó với một số tổn thất của hệ thống.

02 Các yếu tố ảnh hưởng chính đến tỷ lệ thể tích
Thiết kế tỷ lệ công suất hợp lý cần được xem xét toàn diện dựa trên tình hình cụ thể của dự án. Các yếu tố ảnh hưởng đến tỷ lệ công suất bao gồm suy giảm của thành phần, tổn thất hệ thống, bức xạ, góc lắp đặt thành phần, v.v. Phân tích cụ thể như sau.

1. Suy giảm thành phần
Trong trường hợp lão hóa bình thường, mức suy giảm của thành phần trong năm đầu tiên khoảng 1%, từ năm thứ hai trở đi, suy giảm sẽ thay đổi tuyến tính và tỷ lệ suy giảm sau 30 năm khoảng 13%, nghĩa là công suất phát điện hàng năm của thành phần đang giảm dần và không thể duy trì liên tục công suất định mức, vì vậy thiết kế tỷ lệ công suất quang điện cần phải xem xét sự suy giảm của thành phần trong suốt vòng đời của nhà máy để tối đa hóa sản lượng phát điện của các thành phần phù hợp và nâng cao hiệu quả hệ thống.

Đường cong suy giảm công suất tuyến tính 30 năm của mô-đun quang điện

2. Tổn thất hệ thống
Trong hệ thống quang điện, có nhiều loại tổn thất giữa mô-đun quang điện và đầu ra của biến tần, bao gồm tổn thất do nối tiếp và song song các mô-đun, tổn thất do bụi bẩn, tổn thất dây cáp DC, tổn thất biến tần quang điện, v.v., tổn thất ở mỗi giai đoạn sẽ ảnh hưởng đến công suất đầu ra thực tế của biến tần nhà máy điện quang điện.

Báo cáo mô phỏng nhà máy điện quang điện PVsyst

Như được hiển thị trong hình, cấu hình thực tế và tổn thất che khuất của dự án có thể được mô phỏng bởi PVsyst trong ứng dụng dự án; Trong điều kiện bình thường, tổn thất DC của hệ thống quang điện khoảng 7-12%, tổn thất của biến tần khoảng 1-2%, và tổng tổn thất khoảng 8-13%. Do đó, có sự chênh lệch về tổn thất giữa công suất lắp đặt của các mô đun quang điện và dữ liệu sản lượng điện thực tế. Nếu chọn công suất lắp đặt của mô đun theo tỷ lệ 1:1 so với công suất của biến tần quang điện, công suất đầu ra tối đa thực tế của biến tần chỉ đạt khoảng 90% công suất định mức của biến tần, ngay cả khi ánh sáng tốt nhất, biến tần vẫn không hoạt động đầy tải, làm giảm hiệu suất sử dụng của biến tần và hệ thống.

3. Chiếu xạ thay đổi ở các vùng khác nhau
Thành phần chỉ có thể đạt được công suất đầu ra định mức dưới điều kiện hoạt động STC (điều kiện hoạt động STC: Độ mạnh ánh sáng là 1000W/m², nhiệt độ pin là 25°C và chất lượng không khí là 1.5), nếu điều kiện làm việc không đạt điều kiện STC, công suất đầu ra của mô-đun quang điện sẽ không tránh khỏi nhỏ hơn công suất định mức của nó, và sự phân bố thời gian của tài nguyên ánh sáng trong một ngày không thể hoàn toàn đáp ứng các điều kiện STC, chủ yếu là do sự khác biệt lớn về cường độ bức xạ và nhiệt độ giữa buổi sáng, trưa và chiều; Đồng thời, cường độ bức xạ và môi trường của các khu vực khác nhau có những ảnh hưởng khác nhau đến sản lượng điện của mô-đun quang điện, vì vậy ở giai đoạn ban đầu của dự án cần phải hiểu rõ dữ liệu tài nguyên ánh sáng địa phương theo khu vực cụ thể và thực hiện tính toán dữ liệu.

Theo tiêu chuẩn phân loại của Trung tâm Đánh giá Năng lượng Gió và Năng lượng Mặt trời thuộc Dịch vụ Khí tượng Quốc gia, có thể biết được dữ liệu cụ thể về bức xạ tại các khu vực khác nhau, và tổng bức xạ mặt trời hàng năm được chia thành bốn cấp độ:

Phân loại tổng bức xạ mặt trời hàng năm

Do đó, ngay cả trong cùng một khu vực tài nguyên, cũng có sự khác biệt lớn về lượng bức xạ trong suốt cả năm. Điều này có nghĩa là hệ thống có cấu hình giống nhau, tức là tỷ lệ công suất giống nhau, nhưng sản lượng điện lại không giống nhau. Để đạt được cùng một mức sản lượng điện, có thể điều chỉnh bằng cách thay đổi tỷ lệ thể tích.

Góc lắp đặt tấm pin
Sẽ có các loại mái khác nhau trong cùng một dự án cho trạm điện mặt trời quang伏phát ở phía người dùng, và các góc thiết kế thành phần khác nhau sẽ được áp dụng tùy thuộc vào các loại mái khác nhau, và bức xạ mà các thành phần tương ứng nhận được cũng sẽ khác nhau. Ví dụ, có mái ngói thép màu và mái bê tông trong một dự án công nghiệp và thương mại ở tỉnh Chiết Giang, và các góc nghiêng thiết kế lần lượt là 3° và 18°. Dữ liệu chiếu xạ của mặt phẳng nghiêng được mô phỏng bởi PV cho các góc nghiêng khác nhau được hiển thị trong hình bên dưới. Có thể thấy rằng bức xạ mà các thành phần lắp đặt ở các góc khác nhau nhận được là khác nhau. Nếu mái phân bố chủ yếu là ngói, năng lượng đầu ra của các thành phần có cùng công suất sẽ thấp hơn so với những thành phần có một góc nghiêng nhất định.

Tổng bức xạ góc nghiêng 3°

Tổng bức xạ góc nghiêng 18°

Ý tưởng thiết kế tỷ lệ công suất 03
Theo phân tích trên, việc thiết kế tỷ lệ công suất chủ yếu nhằm cải thiện lợi ích tổng thể của nhà máy điện bằng cách điều chỉnh công suất truy cập DC của bộ biến tần. Hiện nay, các phương pháp cấu hình tỷ lệ công suất chủ yếu được chia thành quá tải bù và quá tải chủ động.

1. Bù quá tải
Quá tải bù nghĩa là thông qua việc điều chỉnh tỷ lệ thể tích, bộ biến tần có thể đạt đến đầu ra tải đầy khi ánh sáng tốt nhất. Phương pháp này chỉ xem xét phần mất mát cục bộ trong hệ thống quang điện, bằng cách tăng công suất của thành phần (như hình dưới đây), có thể bù đắp cho tổn thất năng lượng trong quá trình truyền dẫn, để bộ biến tần thực sự đạt hiệu quả đầu ra tải đầy trong quá trình sử dụng thực tế, và không có tổn thất cắt đỉnh.

Sơ đồ bù quá tải

2. Quá tải chủ động
Kết nối vượt công suất chủ động là tiếp tục tăng khả năng của các mô-đun quang điện trên cơ sở bù đắp vượt công suất (như hình bên dưới). Phương pháp này không chỉ xem xét tổn thất hệ thống mà còn tổng hợp xem xét chi phí đầu tư và thu nhập cùng các yếu tố khác. Mục tiêu là giảm thiểu chi phí điện trung bình (LCOE) của hệ thống bằng cách chủ động kéo dài thời gian làm việc đầy đủ của biến tần, tìm kiếm sự cân bằng giữa chi phí đầu vào tăng thêm của thành phần và thu nhập phát điện của hệ thống. Ngay cả trong điều kiện ánh sáng kém, biến tần vẫn có thể hoạt động với tải đầy đủ, từ đó kéo dài thời gian làm việc đầy đủ; Tuy nhiên, đường cong sản lượng thực tế của hệ thống sẽ xuất hiện hiện tượng "cắt đỉnh" như trong hình, và một số khoảng thời gian ở trạng thái vận hành giới hạn phát điện. Tuy nhiên, dưới tỷ lệ công suất phù hợp, LCOE của toàn bộ hệ thống là thấp nhất, nghĩa là lợi ích được tăng lên.

Bản đồ kết nối vượt công suất chủ động

Như hình bên dưới, LCOE tiếp tục giảm khi tỷ lệ công suất tăng lên. Tại điểm tỷ lệ dư thừa bù đắp, LCOE của hệ thống chưa đạt giá trị thấp nhất. Khi tỷ lệ công suất được tăng thêm đến điểm tỷ lệ dư thừa chủ động, LCOE của hệ thống đạt giá trị thấp nhất và sẽ tăng sau khi tỷ lệ công suất được tăng thêm. Do đó, điểm dư thừa chủ động là tỷ lệ công suất tối ưu của hệ thống.

Biểu đồ LOCE/tỷ lệ công suất

Đối với bộ biến tần, cách để đạt được LCOE tối thiểu của hệ thống yêu cầu khả năng phân bổ dư thừa đủ lớn ở phía DC, nhằm đạt được điều này, đặc biệt cho các khu vực có điều kiện chiếu sáng kém, cần một phương án dư thừa chủ động cao hơn để kéo dài thời gian đầu ra định mức của bộ biến tần và tối đa hóa việc giảm LCOE của hệ thống.

04 Kết luận và Đề xuất
Tóm lại, các phương án vượt công suất bù và vượt công suất chủ động là những biện pháp hiệu quả để cải thiện hiệu suất của hệ thống quang điện, nhưng mỗi phương án có trọng tâm riêng. Vượt công suất bù tập trung chủ yếu vào việc bù đắp tổn thất của hệ thống, trong khi vượt công suất chủ động chú ý nhiều hơn đến việc tìm kiếm sự cân bằng giữa việc tăng đầu vào và cải thiện thu nhập. Do đó, trong dự án thực tế, nên lựa chọn toàn diện phương án tỷ lệ công suất phù hợp theo yêu cầu của dự án.