更高光伏系统电压、更低度电成本的可行性探讨

光伏行业，亟待一次真正的突破性技术创新，来推动度电成本持续下行。

一、光伏行业：新愿景、新机遇!

随着“2030年实现碳排放达峰、2060年碳中和”，“2030年一次能源消费中非化石能源占比25%，风电、太阳能发电总装机12亿千瓦以上”等一系列雄伟目标的提出，中国在发展可再生能源、减少温室气体排放领域已经成为全球领先的国家!顶层设计勾画出的蓝图，给以风电、光伏为代表的可再生能源带来更广阔的发展空间。根据中国光伏行业协会的预期，十四五期间，国内光伏平均年新增装机预期在70~90GW之间。即“十四五”期间，新增光伏装机将达到350~450GW，累计装机预期达到600~700GW之间;装机规模实现140%~180%的增长，成为仅次于煤电的第二大装机类型!届时，光伏电力将成为“主力电”之一。

 

 

二、新挑战：低价光伏时代已经不远

当前，保障小时数以内的光伏电量直接用较高的“煤电基准价”结算，未参与市场化交易;未来，在光伏电力逐渐转变为“主力电”过程中，必将全电量进入电力市场，与火电甚至水电进行直接竞争，市场交易电价将会低于当前的“煤电基准价”。另一方面，由于光伏出力不稳定的特性，需要其他能源提供辅助服务，这块也会增加一部分成本。因此，当前以“煤电基准价”计算的平价上网，并不是光伏项目度电成本(LCOE)下降的终点， 而是一个新起点;“光伏电价+辅助服务费”与煤电、水电的交易价格相当，才是真正的平价!因此，如何持续降低LCOE仍然是十四五期间重要的课题。

三、提升光伏系统电压，是LCOE下降最重要的方式!

过去十年，光伏行业技术快速发展，推动成本持续下降;除产品本身的技术进步和规模效应等带来价格下降外，系统技术不断创新也是光伏LCOE下降的重要方式;其中光伏系统电压等级的提升，是降低LCOE最重要的方式之一。

表1：光伏系统的电压变化趋势

 

 

1500V逆变器自2015年推出，2016年的SNEC展上已经成为各厂家的主推型号;国内也开展针对1500V与1000V成本对比的大讨论。毫无疑问，更高电压等级带来更低的初始投资。因此，2017年的领跑者项目普遍采用了1500V系统。

光伏系统电压等级提高，降本作用主要体现在以下三点。

1)减少设备用量，降低初始投资

系统电压升高1.5倍之后，单个组串的组件数量可增加1.5倍，相同规模电站的组串数量减少33%，可明显节省直流电缆、汇流箱、桩基础等设备设施;同时，系统电压升高能带来电流降低，从而使线损明显降低。因此，电压提升之后，在相同的线损要求下，输入功率可大幅提高，即单个发电单元的规模可以大幅提高。同一电站的设备，例如交流侧线缆、逆变器、变压器、厂区监控等设备，数量将明显减少，这些设备安装费用随之降低。经分析，当系统电压从1000V提高到1500V之后，EPC成本可以下降约0.1元/Wp。详见《1500V光伏系统经济性分析》。

2)发电量增加

虽然电压升高、单组串组件数量增加之后，匹配损失会略微增加，但由于电压升高可明显降低线损，且逆变器效率提高，所以1500V 系统可以实现更高的发电小时数。详见《1500V光伏系统经济性分析》。

3)运维成本降低

由于电压升高之后，直流电缆和汇流箱数量减少，施工过程中安装的电缆接头、汇流箱接线就会减少，而这两处是故障易发点;同等规模光伏电站的组串数量，电站逆变器、变压器、低压配电开关等设备数量减少，会推动整个电站安装维护成本降低。

四、系统电压继续提升面临的困境

毋庸置疑，光伏系统电压提高能带来的LCOE下降，这已经被光伏行业普遍接受。然而，在当前的1500V基础上，光伏系统电压是否可以进一步提高，实现更大的降本效果?

据TUV南德大中华区智慧能源副总裁许海亮介绍，现有的1500V电压如果直接提高，会面临诸多困难。

首先，适用标准要变!

电压提升之后，组件、逆变器、线缆、电气设备等，整个产业链的设备都要进行重新认证。根据国际惯例，直流端1500V、交流端1000V属于低压范畴，检测认证执行低压标准;而高于这一电压，则被划分到中压范畴，适应的检测认证标准、难度、周期、检测费用都将大幅提高。光伏行业技术迭代快，标准从低压提高到中压 ，将限制行业的技术迭代速度。

其次，设备成本提高!

当系统电压从低压提高到中压之后，根据IEC标准，全部电气设备的爬电距离、电气间隙、介电性能要求都要提高一个等级。例如，电压升高，爬电距离要求增加从而导致接线盒尺寸都需要变大，背板厚度需要增加，来提高绝缘性能，从而导致组件成本增加。同样，关键的电气设备，如汇流箱、逆变器、断路器等，零部件需按照中压标准设计，成本将会大幅提升。

再次，运维成本提高!

当光伏组件使用中压等级后，则整个光伏厂区全部成为中压厂区。因此，光伏组件的维护、接线端子的插接处理、甚至组件的清洗、防尘网更换等，都需要有专业取得中高压电工证的人员进行安装、维护，操作复杂性及对人员技能要求提升。

当前很多光伏电站在推广“光伏+”业务，厂区内会经常出现一些非电力专业人员。由于电压等级提高，当发生组件玻璃碎裂、背板磨损等情况，对人身安全隐患更大。

 

 

五、未来提升系统电压的可行性探索

从前文的分析中可以看出，2015年以来，经过充分的讨论与实践，光伏系统电压提高能显著降低LCOE、提高光伏电的竞争力，这已经是全行业的共识。然而，由于1500V是低压范畴内的最高电压，直接进一步提高光伏系统电压，将面临中压标准的各种限制，无论可行性和系统成本都存在很大的难度。光伏行业似乎陷入“亟待提升电压降本”和“中压标准带来成本增加”的困局之中。

是否有技术创新可以破局?也许可以借鉴一下输电侧的特高压技术的思路。当前，我国特高压一般采用1000kV交流特高压或者±800kV的直流特高压。直流特高压±800kV的设计思路，使电压绝对值控制在1000V以内，却实现了1600V的效果!同为直流，这种设计思路是否可以应用到光伏系统的直流侧?如果可以的话，将成为光伏系统端的一次重大突破，犹如拨云见日，将整个行业推上一个新层次，成为一个划时代的技术进步!从1000V提升到1500V的经验来看，我国光伏行业上下游配套产业齐全，生产效率高、成本低，电压升级后，全行业上下游能迅速完成相关配套，迅速完成行业升级。

 

要实现“十四五”的倍速增长，光伏行业要跑步进入平价上网，甚至低价上网时代，电站投资水平控制，也到了分厘必争的程度。整个行业通过“系统电压升级”等重大技术进步，实现投资水平下降、LCOE下降的需求也十分迫切。我们期待新一代技术的突破创新，让LCOE将进一步下降!而我们距离光伏电价比“煤电基准价”更低的“低价光伏”时代，已经不远!

文章作者：王淑娟