福建永福電力設(shè)計(jì)股份有限公司 陳仙蘭

在社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展下，對(duì)能源的需求日益提升，導(dǎo)致傳統(tǒng)化石能源被過(guò)渡開(kāi)發(fā)利用，產(chǎn)生了一系列的氣候變化與環(huán)境污染等問(wèn)題，引起了社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。太陽(yáng)能具有清潔、無(wú)毒、可再生的特性，是一種寶貴的自然資源。我國(guó)太陽(yáng)能資源豐富，全國(guó)太陽(yáng)光照年輻射總量在917～2333kWh/m2，有一半以上地區(qū)年日照時(shí)數(shù)不低于2000小時(shí)。近年光伏產(chǎn)業(yè)作為我國(guó)重要的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)得到了快速的推廣和應(yīng)用，光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展對(duì)保證能源安全、改善能源結(jié)構(gòu)、呵護(hù)自然生態(tài)環(huán)境等方面發(fā)揮了關(guān)鍵性作用[1]。

我國(guó)高速公路里程在世界名列前茅，而高速服務(wù)區(qū)作為高速公路的“驛站”是一種重要的基礎(chǔ)設(shè)施，對(duì)保障運(yùn)輸效率，提升行車安全起到關(guān)鍵性作用。在高速公路產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展下，高速服務(wù)區(qū)的建設(shè)方面也得到了廣泛重視，全國(guó)高速服務(wù)區(qū)的數(shù)量逐步上升，建設(shè)面積不斷擴(kuò)大，高速服務(wù)區(qū)的用電量也在日益增大，對(duì)電力服務(wù)也提出了更高的要求。但通常高速服務(wù)區(qū)的電力來(lái)源是通過(guò)農(nóng)村電網(wǎng)輸送的，在高速服務(wù)區(qū)用電量不斷加大下，供電系統(tǒng)也面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

近年我國(guó)分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)發(fā)展態(tài)勢(shì)迅猛，目前安裝容量增長(zhǎng)速度十分迅速，特別是將將分布式太陽(yáng)能光伏建設(shè)在高速公路服務(wù)區(qū)是當(dāng)下研究的熱點(diǎn)[2]：一方面，高速服務(wù)區(qū)場(chǎng)地寬闊，可為太陽(yáng)能光伏電站建設(shè)提供廣闊空間；另一方面，光伏并網(wǎng)后還可緩解電網(wǎng)壓力，滿足高速服務(wù)區(qū)的用電需求，提升高速服務(wù)區(qū)的服務(wù)水平，促進(jìn)高速公路產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。

1 太陽(yáng)能光伏發(fā)電概述

1.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)

光伏發(fā)電模型。光伏電池系統(tǒng)是一種將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能的設(shè)備，因此輻照強(qiáng)度、溫度等因素會(huì)對(duì)輸出功率產(chǎn)生重要影響，其發(fā)電模型為[3]：PPV=fPVPPV.ratedA/As[1+ρ(T-Ts)]，式中：PPV為發(fā)電的實(shí)際功率，PPV.rated為額定功率；fPV為功率比值系數(shù)，通常取值0.9；ρ 為功率溫度系數(shù)，通常取值-0.47%；A 為實(shí)際輻照強(qiáng)度，As為標(biāo)準(zhǔn)輻照強(qiáng)度；T 為光伏發(fā)電系統(tǒng)表面實(shí)際溫度，Ts為光伏發(fā)電系統(tǒng)表面標(biāo)準(zhǔn)溫度。

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。電池列陣是將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能的重要裝置，通過(guò)將多個(gè)電池陣列并聯(lián)，將電池陣列轉(zhuǎn)換成的電能一并匯入?yún)R流箱內(nèi)，再將其傳送入逆變器中，實(shí)現(xiàn)DC 轉(zhuǎn)換成AC，即得到電網(wǎng)能夠輸送的交流電，再經(jīng)過(guò)升壓，將發(fā)電站中的電能通過(guò)電能傳輸設(shè)備和并網(wǎng)設(shè)備并入配電網(wǎng)中（圖1）。

圖1 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)逆變器與電網(wǎng)連接，兩者之間同相位、同頻率，這樣經(jīng)過(guò)逆變器的電能才能夠直接并入到電網(wǎng)中；此外，當(dāng)光伏系統(tǒng)提供的電量較少、不足以驅(qū)動(dòng)交流負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，電網(wǎng)還可對(duì)交流負(fù)荷供電，保證負(fù)荷的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，經(jīng)由逆變器自帶的防孤島，太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)就會(huì)暫停向電網(wǎng)進(jìn)行供電，使得整個(gè)光伏系統(tǒng)具有良好的安全性。

1.2 太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)要求

由于分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)屬于諧波源之一，要考慮電壓波動(dòng)、電壓值、頻率、諧波、直流分量等滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，同時(shí)還要符合電網(wǎng)要求。電壓波動(dòng)：輸出為正弦波，電壓波形失真度不超過(guò)5%；電壓值：電壓值偏差小于額定電壓的7%；諧波：分布式電源接入電網(wǎng)后，公共連接點(diǎn)的諧波電壓應(yīng)滿足GB/T 14549的規(guī)定；頻率：輸出電流頻率為50±0.5Hz；直流分量：向公共連接點(diǎn)注入的直流電流分量要低于額定值的5%，在安全設(shè)計(jì)時(shí)要進(jìn)行短路保護(hù)。

2 分布式光伏發(fā)電站在高速服務(wù)區(qū)的應(yīng)用情況

2.1 應(yīng)用于高速公路服務(wù)區(qū)的必要性

高速服務(wù)區(qū)是高速公路重要的配套設(shè)施，電能、水和天然氣是高速服務(wù)區(qū)消耗較多的三大能源，其中電能的消耗位居首位。高速服務(wù)區(qū)的用電主要包括服務(wù)區(qū)日常運(yùn)營(yíng)管理、電動(dòng)汽車充電、照明系統(tǒng)等。隨著高速公路建設(shè)的飛速發(fā)展，司乘人員對(duì)服務(wù)區(qū)的服務(wù)質(zhì)量需求日益提升，特別是電動(dòng)汽車使用量的不斷加大，導(dǎo)致高速公路服務(wù)區(qū)的電能消耗量顯著上升，因此對(duì)服務(wù)區(qū)的日常電能管理和服務(wù)提出了更高的要求。

高速服務(wù)區(qū)通常位于偏僻、空闊區(qū)域。目前多數(shù)高速服務(wù)區(qū)的電能來(lái)源主要是由農(nóng)村電網(wǎng)輸送的，時(shí)常會(huì)發(fā)生供電電壓不穩(wěn)定、電能損耗大等問(wèn)題。隨著可再生能源的蓬勃發(fā)展，為電力系統(tǒng)帶來(lái)了新的發(fā)展格局，太陽(yáng)能是可再生能源的重要代表，與比風(fēng)力發(fā)電相比具有成本低，不受地域限制等優(yōu)勢(shì)，在高速服務(wù)區(qū)推行光伏發(fā)電可有效降低區(qū)域電力負(fù)荷壓力，還能夠達(dá)到低碳、減排的目的，有利于打造生態(tài)、低碳、綠色型高速服務(wù)區(qū)[3]，因此在高速服務(wù)區(qū)推行光伏發(fā)電站勢(shì)在必行。

2.2 并網(wǎng)系統(tǒng)相比于獨(dú)立光伏系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)

并網(wǎng)系統(tǒng)相比于獨(dú)立光伏系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中體現(xiàn)出了較多的優(yōu)勢(shì)：基于高速服務(wù)區(qū)自身的用電特點(diǎn)，通常高速服務(wù)區(qū)在白天需要消耗較多的電量，晚上用電量較少，光伏并網(wǎng)后實(shí)現(xiàn)了即發(fā)即用，有效降低了電網(wǎng)遠(yuǎn)距離供電過(guò)程中造成的線路損耗；并網(wǎng)系統(tǒng)無(wú)需采用儲(chǔ)能裝置，降低了工程成本，也避免了蓄電池的自放電和充放電過(guò)程造成的電能損耗；良好地起到了對(duì)公用電網(wǎng)調(diào)峰的作用，降低了服務(wù)區(qū)用電負(fù)荷對(duì)電網(wǎng)的供電壓力，有效提升了電網(wǎng)的供電的可靠性。

2.3 分布式光伏發(fā)電站在高速公路服務(wù)區(qū)的設(shè)計(jì)及節(jié)能效果

2.3.1 光伏發(fā)電站系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

光伏組件選型：晶體硅太陽(yáng)能電池組件目前國(guó)內(nèi)外使用最普遍的是單晶硅、多晶硅，多晶硅電池片效率一般在17%～19%左右，單晶硅電池片電池效率一般在19%～22%左右。多晶硅電池制備工藝簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)性優(yōu)異，但電池效率較低、單組件容量低、發(fā)電時(shí)間較短，價(jià)格優(yōu)勢(shì)不明顯。單晶硅光伏組件的容量及效率增加收益明顯。故推薦采用更加主流、單片容量及轉(zhuǎn)化效率更高的單晶硅光伏組件。

逆變器選型：目前市場(chǎng)上主要有集中式逆變器和組串式逆變器。服務(wù)區(qū)建筑眾多，屋面光伏組件朝向不一致，對(duì)應(yīng)的方位角多，組串式逆變器的體積小、重量輕，搬運(yùn)和安裝都非常方便，滿足屋面安裝要求，因此高速服務(wù)區(qū)需采用MPPT 回路數(shù)更多的組串式逆變器，提高系統(tǒng)發(fā)電效率。

光伏方陣支架：光伏支架現(xiàn)階段應(yīng)用較多的有固定支架和跟蹤系統(tǒng)兩種。固定式安裝是目前應(yīng)用較多的一種安裝方式，結(jié)合屋頂環(huán)境設(shè)置最佳角度再將電池固定，在排布上要注意太陽(yáng)能電池不能出現(xiàn)相互遮擋現(xiàn)象；太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)是一種支撐光伏方陣的裝置，靈敏度高，保證獲得最佳的太陽(yáng)入射，但跟蹤式支架初始投資高、維護(hù)費(fèi)用高，且安裝要求高、安裝進(jìn)度慢，故推薦采用固定式運(yùn)行方式。

光伏陣列安裝傾角：彩鋼瓦屋頂因受制于屋頂結(jié)構(gòu)，組件傾角宜與鋼構(gòu)屋頂保持一致，考慮采用平鋪布置，安裝傾角同屋頂傾角。車棚區(qū)域組件傾角采用同車棚傾角，平鋪布置?；炷廖蓓斂赏ㄟ^(guò)支架調(diào)整改變光伏組件的安裝傾角，提升發(fā)電量。服務(wù)區(qū)需盡可能提升系統(tǒng)裝機(jī)容量，以減小系統(tǒng)單位造價(jià)，實(shí)現(xiàn)規(guī)?；б?。同時(shí)考慮到風(fēng)荷載問(wèn)題，減小傾角能一定程度上節(jié)省組件支架用鋼量及條形基礎(chǔ)的混凝土用量，進(jìn)一步減小初始投資。故在技術(shù)合理的前提下，從經(jīng)濟(jì)性角度出發(fā)，混凝土屋頂推薦組件安裝傾角選擇7°。

光伏陣列間距：合理設(shè)置光伏陣列間距十分關(guān)鍵，陣列間距要進(jìn)行科學(xué)計(jì)算，確定與建筑物和適宜距離，同時(shí)還要結(jié)合實(shí)際情況，充分考慮前、后排的陰影遮擋問(wèn)題。通常光伏陣列間距的確定原則為：冬至日當(dāng)天早晨9:00至下午15:00這一時(shí)間段光伏組件不應(yīng)被遮擋，且光伏方陣陣列間距垂直距離應(yīng)不小于D（圖2）。

圖2 光伏方陣陣列間距示意圖

2.3.2 光伏發(fā)電站系統(tǒng)的節(jié)能效果

光伏發(fā)電是一種清潔的能源，既不直接消耗資源，同時(shí)又不釋放污染物、廢料，也不產(chǎn)生溫室氣體破壞大氣環(huán)境，也不會(huì)有廢渣的堆放、廢水排放等問(wèn)題，有利于保護(hù)周圍環(huán)境，是一種綠色可再生能源。按安裝容量1MWp、年利用小時(shí)數(shù)1000小時(shí)、年平均發(fā)電量1000MWh、發(fā)電耗煤平均305.5g 標(biāo)煤/kWh，每年可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤838噸，減少粉塵排放量約0.04噸，減少氮氧化物約0.2噸、二氧化硫約0.19噸。由此可見(jiàn)，節(jié)能效益明顯。

2.4 分布式光伏發(fā)電站在高速公路服務(wù)區(qū)的應(yīng)用案例

福建省有6對(duì)服務(wù)區(qū)全部建設(shè)太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)，均采用光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，系統(tǒng)發(fā)電主要用于服務(wù)區(qū)的日常運(yùn)營(yíng)管理用電，自發(fā)自用，余量并入電網(wǎng)中。福建省標(biāo)桿燃煤上網(wǎng)電價(jià)為0.3932元/kWh，相對(duì)較低，因此在建設(shè)光伏系統(tǒng)時(shí)，主要根據(jù)服務(wù)區(qū)的用電負(fù)荷來(lái)確定安裝容量。以古田服務(wù)區(qū)為例，位于上杭縣廈蓉高速，建筑面積約4000m2，光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用的是單晶硅光伏組件，總安裝容量300kWp，光伏系統(tǒng)產(chǎn)生的電能采用380V 低壓并網(wǎng)的方式就近接入服務(wù)區(qū)配電房低壓側(cè)。

從理論運(yùn)行情況來(lái)看，以服務(wù)區(qū)光伏系統(tǒng)發(fā)電量情況分析，古田服務(wù)區(qū)年均利用小時(shí)數(shù)約1126.16小時(shí)，年均發(fā)電量約337.85MWh，光伏系統(tǒng)所發(fā)電量有95.35%被服務(wù)區(qū)用電設(shè)備就地利用，4.65%上網(wǎng)。冬季光伏系統(tǒng)發(fā)電量低，夏季光伏系統(tǒng)發(fā)電量較高，一年中發(fā)電量最大的月份是7月（圖3），高達(dá)42164.2kWh/月，最低月份為2月，在20636.42kWh/月，整體發(fā)電量較高的月份集中在4～10月，這個(gè)階段光伏發(fā)電系統(tǒng)供給服務(wù)區(qū)的用電量也較大，緩解了電網(wǎng)的壓力。從全年來(lái)看，光伏發(fā)電系統(tǒng)供給服務(wù)區(qū)的用電量占到了總用電量的70%以上，節(jié)能效果顯著，充分表明了光伏光電在高速服務(wù)區(qū)應(yīng)用價(jià)值廣闊[4]。

圖3 古田服務(wù)區(qū)光伏系統(tǒng)年度發(fā)電情況

3 結(jié)語(yǔ)

分布式太陽(yáng)能光伏發(fā)電是國(guó)家鼓勵(lì)扶持的清潔可再生能源，將分布式光伏發(fā)電應(yīng)用于高速公路服務(wù)區(qū)中，一方面，充分利用了服務(wù)區(qū)的閑置屋頂，且經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著；另一方面，顯著降低了服務(wù)區(qū)的用電成本，還有效緩解了電網(wǎng)的供電壓力，符合“十四五”，推動(dòng)我國(guó)能源清潔低碳綠色轉(zhuǎn)型的國(guó)情。接下來(lái)在高速公路服務(wù)區(qū)中建設(shè)分布式太陽(yáng)能光伏發(fā)電站，還要在設(shè)計(jì)及施工方面加強(qiáng)重視，竭力開(kāi)發(fā)新材料、新技術(shù)、新工藝來(lái)提升分布式太陽(yáng)能光伏發(fā)電輸出的效率。