戴仁德，桂中心，張威振

(湖南中大設計院有限公司，長沙 410075)

0 引言

在人力成本不斷攀升、物價不斷上漲、市場競爭日益激烈的今天，企業(yè)若不能更好地開源節(jié)流、改革創(chuàng)新，將很難保持原有的競爭力。過去，廠房的租金及管理費用一直是生產(chǎn)企業(yè)最大的成本支出，需要投入大量的資金。作為分布式光伏發(fā)電的一種應用形式，光電建筑受到了國家的大力支持，作為生產(chǎn)企業(yè)閑散資源的廠房屋頂可得到充分利用。

隨著光伏發(fā)電成本逐年下降，我國光伏市場近年來持續(xù)快速發(fā)展，可將光伏發(fā)電與建筑相結合的光電建筑具有應用場景靈活、開發(fā)周期短等優(yōu)勢，裝機潛力巨大，發(fā)展前景廣闊[1]。近零能耗、零能耗等更高節(jié)能水平的綠色建筑正逐步應用和普及，高效、智能化的光伏發(fā)電系統(tǒng)將成為新時期重要的建筑能源供應形式，有助于推動我國建筑從傳統(tǒng)的耗能建筑逐步轉向產(chǎn)能的光電建筑。分布式光伏發(fā)電是將電力接入配電網(wǎng)，實現(xiàn)了發(fā)電與用電并存，并解決了遠距離輸電的問題[2]。今后以光電建筑為主的分布式光伏發(fā)電項目將會越來越多，因此，光電建筑中光伏裝機容量成為需要考慮的問題?；诖耍疚囊云髽I(yè)用電大數(shù)據(jù)為基礎，對光電建筑中光伏電力自用電率最高時的最佳光伏裝機容量進行估算，以期實現(xiàn)投資收益最大化。

1 光電建筑的電力消納問題

分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)多建于建筑物的屋頂，與建筑物相結合。光伏電力的消納方式主要分為全額上網(wǎng)和“自發(fā)自用、余電上網(wǎng)”這2種模式。全額上網(wǎng)模式的電價采用當?shù)孛摿蛎弘妰r進行結算；而“自發(fā)自用、余電上網(wǎng)”模式中，余電上網(wǎng)部分的電價采用當?shù)孛摿蛎弘妰r，自發(fā)自用部分的電價則基本為屋頂企所用電電價或折扣電價。折扣電價為當前的主流形式，由專業(yè)的光伏發(fā)電投資企業(yè)(下文簡稱“投資企業(yè)”)租用用電企業(yè)的屋頂，投資企業(yè)對用電企業(yè)所產(chǎn)生的電費給予折扣優(yōu)惠或對所租用的屋頂支付租金，從而實現(xiàn)投資企業(yè)和用電企業(yè)雙贏。從投資企業(yè)投資收益最大化的角度來看，由于“自發(fā)自用、余電上網(wǎng)”模式的整體收益高于全額上網(wǎng)模式，尤其是自用電率較高時的投資收益更好[3]。因此，其可選擇“自發(fā)自用、余電上網(wǎng)”模式。

在最大程度利用屋頂面積的同時，投資企業(yè)還需要考慮用電企業(yè)能否全部或大部分消納光伏發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)電量。由于余電上網(wǎng)的電價通常遠低于自發(fā)自用的電價，因此，當余電上網(wǎng)電力的占比過高時，項目的經(jīng)濟性將大打折扣，而且當計算自用電率出現(xiàn)較大偏差時，將導致投資企業(yè)的投資收益率大幅下降，嚴重時甚至低于最低收益率標準值。

由于不同行業(yè)的用電量不同，而且同一行業(yè)采用不同的生產(chǎn)方式時也可導致用電量不同；且一個企業(yè)的用電負荷會隨著市場需求、季節(jié)等因素呈現(xiàn)階段性變化，也可能由于峰谷電價時段、生產(chǎn)需要、排班方式等因素在一天之內(nèi)發(fā)生變化。與此同時，一天之內(nèi)不同時刻、不同季節(jié)時光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率也呈現(xiàn)不同規(guī)律。根據(jù)上述原因，存在企業(yè)全年用電量看似很高但光伏電力不一定能被完全消納，或企業(yè)用電負荷比光伏裝機容量小但光伏電力被完全消納的情況。例如，某些鑄造冶煉企業(yè)集中在低谷電價時段(00:00～06:00)工作，而在其他時間的用電量就很少；某些企業(yè)的冬季用電量大、夏季用電量小，而光伏發(fā)電系統(tǒng)是冬季發(fā)電量小、夏季發(fā)電量大，這樣就會導致余電上網(wǎng)電力的占比較大。

常規(guī)計算光伏發(fā)電項目中自用電率的方法較為簡單，主要是將企業(yè)的用電負荷與光伏發(fā)電系統(tǒng)的理論峰值輸出功率進行比較，或將企業(yè)用電量與光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量進行比較，從而確定自用電率。2019年某企業(yè)的總用電量與光伏發(fā)電項目預計發(fā)電量的對比如表1所示。

表1 2019年某企業(yè)的總用電量與光伏發(fā)電項目預計發(fā)電量的對比Table 1 Comparison of total electricity consumption of a company and estimated power generation capacity of PV power generation project in 2019

若采用上述常規(guī)方法計算光伏發(fā)電項目的自用電率容易存在較大偏差，這是因為常規(guī)方法容易忽略光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率曲線與企業(yè)用電負荷曲線之間的匹配性。因此可根據(jù)用電企業(yè)的用電大數(shù)據(jù)對該企業(yè)的用電情況進行詳細分析。

2 總體方案

從電網(wǎng)公司的電力用戶用電信息采集系統(tǒng)中導出目標企業(yè)(即用電企業(yè))的用電相關數(shù)據(jù)，如該企業(yè)近5年內(nèi)的日用電量，月用電量峰、平、谷時段用電量，以及有功功率曲線等；同時，可獲取目標企業(yè)所有電氣設備的功率負荷參數(shù)、配電圖、設備工藝流程圖，并采集企業(yè)內(nèi)電氣設備的用電數(shù)據(jù)，甚至可以采集目標企業(yè)未來規(guī)劃的設備擴充方案；通過查詢NASA、當?shù)貧庀缶?，可獲得項目所在地近20年的日照數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)。

利用VC++編程軟件開發(fā)出計算時所需要的模擬軟件，在軟件界面輸入上述所有參數(shù)數(shù)據(jù)，以特定模型的算法模擬得出單位量下的光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率曲線、每年的光伏發(fā)電量、目標企業(yè)的日用電負荷曲線(尤其是節(jié)假日和設備檢修日的日用電負荷功率曲線)，以及該企業(yè)未來的用電量數(shù)據(jù)；然后根據(jù)不同光伏裝機容量所對應的光伏發(fā)電系統(tǒng)日輸出功率曲線，并結合企業(yè)的日用電負荷曲線，擬合得出不同光伏裝機容量所對應的自用電率，以及模擬軟件推薦的最佳光伏裝機容量和對應的最佳自用電率。通過挖掘用電大數(shù)據(jù)，實現(xiàn)投資企業(yè)對投資風險的把控，提高投資收益。本文以湖南省某工業(yè)園的用電大數(shù)據(jù)為例，對最佳光伏裝機容量和最佳自用電率進行分析。

2.1 太陽能資源情況分析

由于每個省份的電價存在差異，因此需查詢項目所在地的峰段、平段、谷段時的電價。當光伏發(fā)電系統(tǒng)的系統(tǒng)效率取0.82 、項目所在地的太陽輻照量取 1198 kWh/m2時，根據(jù)《光資源分析報告》，采用Meteonorm 7.3軟件計算得到項目所在地的太陽能資源等效利用小時數(shù)。本項目中光伏發(fā)電系統(tǒng)的首年理論發(fā)電小時數(shù)為 982.36 h，該發(fā)電小時數(shù)中不同時段時的太陽能資源中尺度評估數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 項目所在地的太陽能資源中尺度評估數(shù)據(jù)Table 2 Mesoscale evaluation data of solar energy resources of project site

2.2 企業(yè)用電特點分析

由于工業(yè)園內(nèi)的企業(yè)每年春節(jié)和國慶節(jié)都會休息，因此計算企業(yè)用電量時需扣除這些休息日。以2019年工業(yè)園內(nèi)企業(yè)的節(jié)假日生產(chǎn)、作息情況為例進行分析，該園區(qū)內(nèi)企業(yè)除春節(jié)(2月4—10日)、國慶節(jié)(10月1— 7日)休息外，其他日期均正常工作，則全年工作天數(shù)取 351天；每天主要的工作時間為07:00～20:00。

2.3 日用電負荷情況分析

從電網(wǎng)公司的電力用戶用電信息采集系統(tǒng)查詢得到該工業(yè)園區(qū)2019年1～12月各個時段的日用電負荷數(shù)據(jù)；然后隨機從每個月內(nèi)取2～3天的日用電負荷數(shù)據(jù)，共獲得32天的完整日用電負荷數(shù)據(jù)，其中包括25個工作日、5個周日，以及2個休息日(國慶節(jié)取10月1日、春節(jié)取2月5日)；最后對日用電負荷數(shù)據(jù)進行處理。

1)將1天內(nèi)各個時段的電力負荷數(shù)據(jù)相加，可得到24 h的電力負荷數(shù)據(jù)之和，同樣方法可得到選取的32天的日用電負荷數(shù)據(jù)。

2)將32天的日用電負荷數(shù)據(jù)按月分類，對每個月的2～3天的數(shù)據(jù)取平均值作為當月的典型日用電負荷數(shù)據(jù)，并以此數(shù)據(jù)作為電力消納分析的計算參數(shù)。

3)通過分析可知，企業(yè)工作日主要用電時段中07:00～20:00的平均用電負荷高位約為800～1230 kW，用電負荷曲線與光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率曲線相比較為平穩(wěn)。

2.4 電力消納分析

2.4.1計算參數(shù)說明

1)由于光伏發(fā)電系統(tǒng)的檢修等工作一般會安排在晚上進行，避開了自發(fā)自用部分的限電，且項目所在地的電力消納情況良好，余電上網(wǎng)部分不存在消納壓力。

2)由于利用Meteonorm7.3軟件模擬得到的光伏發(fā)電系統(tǒng)的首年理論發(fā)電小時數(shù)982.36 h屬于理論值，考慮到光伏組件衰減、光伏發(fā)電量逐年降低等情況，以該數(shù)據(jù)進行消納分析會導致得到的自用電率偏低。

3)計算自發(fā)自用部分和余電上網(wǎng)部分的綜合電價時，保守考慮 1%的非計劃檢修等因素導致的綜合發(fā)電量損失。

4)根據(jù)工業(yè)園區(qū)的實際情況，以本文所取的2019 年的電力負荷數(shù)據(jù)作為計算參數(shù)(不含招商引資新入駐企業(yè)的新增用電需求)。

2.4.2 計算結果分析

根據(jù)當?shù)靥柲苜Y源和用戶電力負荷需求，綜合分析光伏電力自用電率后，計算得到工業(yè)園區(qū)內(nèi)用戶年均日用電負荷與光伏發(fā)電系統(tǒng)日輸出功率情況、全年不同時刻的光伏發(fā)電量及自用電率情況，具體如圖1、表3所示。

表3 全年不同時刻的光伏發(fā)電量及自用電率情況Table 3 PV power generation capacity and self-consumption rate at different times of year

圖1 用戶年均日用電負荷與光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率對比Fig. 1 Comparison of users’annual average daily electrici load and output power of PV power generation system

將項目所在地的氣象數(shù)據(jù)、光伏發(fā)電自用電率、光伏發(fā)電余電上網(wǎng)率及當?shù)氐拿摿蛎弘妰r等相關數(shù)據(jù)輸入模擬軟件，得到該項目不同裝機容量時的項目收益率，如圖2所示。

圖2 不同光伏裝機容量時的項目收益率Fig. 2 Project rate of return for different PV installed capacity

由圖2可知，當光伏電力的自用電率為85.11%時，本項目的最佳光伏裝機容量為2.27 MW，當超過該裝機容量后，隨著裝機容量的增大，項目收益率越來越低。

3 結論

本文利用電網(wǎng)公司電力用戶用電信息采集系統(tǒng)和企業(yè)電氣設備技術參數(shù)，通過Meteonorm7.3軟件進行數(shù)據(jù)建模，得到企業(yè)日用電負荷曲線和光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率曲線，并以此得到項目的最佳光伏裝機容量及最佳的光伏電力自用電率。利用用電大數(shù)據(jù)和模擬軟件對光伏裝機容量進行模擬具有以下優(yōu)勢：

1)利用軟件和算法自動處理用電數(shù)據(jù)，令數(shù)據(jù)使用更加高效。利用處理后的數(shù)據(jù)一方面可為企業(yè)節(jié)能方案提供參考，另一方面可為光伏投資企業(yè)投資提供有力支撐，降低投資風險。

2)助推投資企業(yè)精準投資。在以往的實際光伏發(fā)電項目中，往往選擇用電負荷穩(wěn)定且明顯高于光伏發(fā)電系統(tǒng)理論峰值輸出功率的企業(yè)作為光伏裝機容量計算時的用電方，但優(yōu)質的屋頂是分布式光伏發(fā)電項目的稀缺資源；在優(yōu)質屋頂面積足夠大的情況下，對于光伏發(fā)電項目投資者來說，裝機容量越大，越有利于管理和規(guī)模擴張。通過挖掘企業(yè)的用電大數(shù)據(jù)，建立用電負荷和光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率曲線模型，得出精準的光伏發(fā)電自用電率和最佳光伏裝機容量，讓投資企業(yè)有的放矢，精準投資。

3)優(yōu)化調整發(fā)展思路，創(chuàng)新客戶服務新模式。對于企業(yè)的用電大數(shù)據(jù)外部人員很難獲取，而且企業(yè)自身往往也只關注電費。希望通過本文的研究能令用電企業(yè)對其設備進行節(jié)能改造或改變現(xiàn)有運行方式，提高節(jié)能效率。如此一來，光伏發(fā)電投資企業(yè)可主動精準地向建筑企業(yè)提供綜合能效服務，提升目標企業(yè)的體驗感和獲得感。同時，這也是電網(wǎng)公司優(yōu)化調整的發(fā)展思路，即創(chuàng)新客戶服務新模式，以便大幅促進與建筑相結合的光伏發(fā)電系統(tǒng)的應用。