史玉立

(常州劉國鈞高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，常州 213000)

0 引言

在全球化石能源形勢日益緊張的今天，化石能源短缺將導(dǎo)致電力供應(yīng)緊張，世界各國都在尋求新的能源替代戰(zhàn)略；同時(shí)，在環(huán)保要求下，傳統(tǒng)的燃煤火力發(fā)電還會引起溫室氣體排放增加、經(jīng)濟(jì)效益下降等問題。在“雙碳”目標(biāo)下，積極增加清潔能源和可再生能源在電力系統(tǒng)中的份額刻不容緩。光伏發(fā)電是目前碳排放量最少的一種發(fā)電技術(shù)，具有清潔、安全等顯著優(yōu)勢，是具有潛力的可再生能源發(fā)電技術(shù)[1-2]。而隨著可利用的土地資源日益減少，利用廠房、倉庫屋頂建設(shè)分布式光伏電站，可有效節(jié)省土地資源，是當(dāng)前光伏電站建設(shè)的一大發(fā)展方向[3-4]。屋頂分布式光伏電站能充分利用閑置的屋頂資源，其生產(chǎn)電能過程清潔高效，且可以為用戶節(jié)約大量電費(fèi)[5-6]。但由于光伏發(fā)電為間隙性電源，不能隨時(shí)、全天候滿足負(fù)荷需求，因此，在建設(shè)光伏電站時(shí)配套建設(shè)儲能系統(tǒng)[7]，不僅能緩解負(fù)荷大的狀況，而且還對電力系統(tǒng)的能量管理、安全穩(wěn)定運(yùn)行、電能質(zhì)量控制等均具有重要意義?；诖耍疚囊阅彻S的光儲一體化的屋頂分布式光伏電站的設(shè)計(jì)和建設(shè)為例，分析了此類光伏電站的設(shè)計(jì)、接入電網(wǎng)方式及運(yùn)行效果，以期為該類光伏電站的建設(shè)提供參考。

1 光儲一體化的屋頂分布式光伏電站的設(shè)計(jì)

1.1 僅屋頂分布式光伏電站的設(shè)計(jì)

1.1.1 光伏組件

首先僅對某工廠屋頂建設(shè)的分布式光伏電站進(jìn)行分析。該工廠的屋頂共有2個(gè)區(qū)域可進(jìn)行建設(shè)，分別為區(qū)域1 和區(qū)域2，其中，區(qū)域1 為車間1～車間3 的屋頂，區(qū)域2 為車間4 的屋頂。該光伏電站的總建設(shè)面積約為5.93 萬m2，總裝機(jī)容量為5999.36 kWp，采用545 Wp的單面單晶硅光伏組件，標(biāo)準(zhǔn)測試條件(STC)下該類光伏組件的參數(shù)如表1所示。

表1 STC 下單面單晶硅光伏組件的參數(shù)Table 1 Parameters of single-sided mono-Si PV module under STC

單面單晶硅光伏組件串聯(lián)后構(gòu)成光伏組串，然后接入逆變器，因此，1 串光伏組串中光伏組件的最大串聯(lián)數(shù)Sn要小于等于整串光伏組串接入逆變器時(shí)逆變器所能承受的最大系統(tǒng)電壓Vs與光伏組件開路電壓Voc的比值，即Sn≤Vs/Voc。根據(jù)該光伏電站的設(shè)計(jì)情況，最大系統(tǒng)電壓小于逆變器的最大輸入電壓(1500 V)，光伏組件開路電壓為49.65 V，計(jì)算得到1 串光伏組串中光伏組件最大串聯(lián)數(shù)的理論值約為30 塊。為保障光伏發(fā)電系統(tǒng)有一定的安全余量，并考慮屋頂分布式光伏電站中光伏組件的實(shí)際布置情況，最后通過實(shí)踐選用27 塊光伏組件串聯(lián)成1 串光伏組串；根據(jù)逆變器容量情況，由每16 串光伏組串并聯(lián)接入1 臺逆變器。

1.1.2 逆變器

該光伏電站采用型號為SUN2000-196KTL-H3的智能型光伏逆變器，該逆變器的相關(guān)參數(shù)如表2所示。

表2 逆變器的參數(shù)Table 2 Parameters for inverter

1.1.3 屋頂分布式光伏電站的接線方式

通過分析該光伏電站所在地的光照條件，發(fā)現(xiàn)該光伏電站中光伏組件的實(shí)際最大輸出功率約為理論最大輸出功率的85%，直流端的系統(tǒng)效率損失約10%，綜合計(jì)算得到該光伏電站的系統(tǒng)效率在80%左右。按此推算，該光伏電站采用的光伏組件和逆變器的配置情況如表3所示。

表3 本光伏電站中光伏組件和光伏逆變器的配置情況Table 3 Configuration of PV modules and PV inverters in the PV power station in this paper

綜合考慮到本光伏電站所在地周邊的供電網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀及后續(xù)發(fā)展，并兼顧節(jié)約資源、工程可行性、電網(wǎng)安全、業(yè)主要求及工程進(jìn)展等方面的要求，該光伏電站通過1個(gè)并網(wǎng)點(diǎn)接入廠區(qū)的10 kV 配電網(wǎng)。該光伏電站采用10 kV 并網(wǎng)，共使用26 臺逆變器，該逆變器可將直流電逆變?yōu)?00 V 的三相交流電。車間1 和車間3 屋頂?shù)墓夥疥嚲捎? 臺196 kW 的逆變器完成直交轉(zhuǎn)換，并均通過7 回低壓電纜連接至升壓變低壓側(cè)，然后分別經(jīng)過1 臺1600 kVA 升壓變(編號分別為1#和3#)升壓至10 kV。車間2 和車間4屋頂?shù)墓夥疥嚲捎? 臺196 kW 的光伏逆變器完成直交轉(zhuǎn)換，并均通過6 回低壓電纜連接至升壓變低壓側(cè)，然后分別經(jīng)過1 臺1250 kVA 升壓變(編號分別為2#和4#)升壓至10 kV。1#和2#升壓變組成一組，3#和4#升壓變組成一組，通過2 回10 kV 電纜接入光伏匯集站10 kV 母線，最后接入10 kV 配電網(wǎng)。屋頂分布式光伏電站的接線方式示意圖如圖1所示。

圖1 屋頂分布式光伏電站的接線方式示意圖Fig.1 Schematic diagram of wiring mode of rooftop distributed PV power station

1.2 儲能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.2.1 儲能系統(tǒng)的接線方式

為了最大化利用本屋頂分布式光伏電站所發(fā)電量，考慮為其配備1 套儲能系統(tǒng)。峰時(shí)將該光伏電站所發(fā)電量并入電網(wǎng)，而平時(shí)、谷時(shí)將該光伏電站所發(fā)電量充入儲能系統(tǒng)，再利用峰谷電價(jià)進(jìn)行放電，可以在減輕電網(wǎng)用電負(fù)荷的同時(shí)減少用戶的電費(fèi)支出。

該儲能系統(tǒng)的儲能電池采用磷酸鐵鋰電池。儲能系統(tǒng)規(guī)模為2.5MW/11.3MWh，共包括20個(gè)儲能單元，每個(gè)儲能單元的容量為564.5 kWh；包括2 套1250 kVA 變流功率艙，每個(gè)變流功率倉設(shè)置2 臺630 kW 儲能變流器(PCS)；2 臺容量均為1600 kVA 的升壓變；并網(wǎng)端的電壓等級為10.0/0.4 kV。

根據(jù)GB/T 36547—2018《電化學(xué)儲能系統(tǒng)接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》，本儲能系統(tǒng)通過1個(gè)儲能開關(guān)站接入10 kV 母線。儲能系統(tǒng)并網(wǎng)后所有的放電電量全部通過主變10 kV 母線消納，為自發(fā)自用性質(zhì)。本儲能系統(tǒng)的接線方式示意圖如圖2所示。

圖2 儲能系統(tǒng)的接線方式示意圖Fig.2 Schematic diagram of wiring mode of energy storage system

1.2.2 儲能系統(tǒng)的充放電策略

本儲能系統(tǒng)采用“兩充兩放”的策略，即：充電時(shí)，通過雙向逆變器將三相交流電轉(zhuǎn)換為直流電，通過磷酸鐵鋰電池儲能單元儲能；放電時(shí)，通過PCS 輸出低壓三相交流電，儲能系統(tǒng)通過2 臺1600 kVA 的升壓變升壓至10 kV。具體的充放電策略如表4所示。

表4 儲能系統(tǒng)的充放電策略Table 4 Charge and discharge strategy of energy storage system

根據(jù)儲能系統(tǒng)的充放電策略，1 天中，儲能系統(tǒng)的充放電順序及時(shí)長為谷時(shí)充電4 h、峰時(shí)放電4 h、平時(shí)充電4 h、峰時(shí)放電3.5 h。由于充放電次數(shù)和時(shí)長會影響儲能系統(tǒng)內(nèi)儲能單元的壽命，因此將儲能單元每天的充放電次數(shù)和時(shí)長折合成設(shè)備損耗。由于該儲能系統(tǒng)在谷時(shí)(00:00～08:00)充電、峰時(shí)(08:00～12:00)放電各1 次均用時(shí)4 h，因此可折合為設(shè)備損耗1次，而平時(shí)(12:00～17:00)充電、峰時(shí)(17:00～21:00)放電1 次均用時(shí)約3.5 h，可折合成損耗次數(shù)約0.86 次，則設(shè)備每日的損耗為1.86 次。根據(jù)該光伏電站所在地的光照情況和所處工廠的工作情況，該儲能系統(tǒng)每年運(yùn)行約330 天。

根據(jù)該儲能系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)儲能電池的放電深度(DOD)約為90%、PCS 交流側(cè)的綜合充放電效率為84.5%，以及儲能系統(tǒng)的15年使用壽命內(nèi)逐年衰減系數(shù)，得到該儲能系統(tǒng)首年充電量為7.1739 GWh，首年放電量為5.1224 GWh；15年總充、放電量分別為93.1136 GWh 和66.4854 GWh；15年年均充、放電量分別為6.2076 GWh和4.4324 GWh。綜合峰谷電價(jià)差價(jià)、工廠用電情況及建設(shè)成本，該儲能系統(tǒng)降低了工廠的用電成本，緩解了電網(wǎng)峰值用電壓力，且收益大于成本，滿足了設(shè)計(jì)要求。

2 光儲一體化的屋頂分布式光伏電站的運(yùn)行效果

屋頂分布式光伏電站的總裝機(jī)容量為5999.36 kWp，按系統(tǒng)效率80%計(jì)算，其輸出功率約為4799.924 kW；儲能系統(tǒng)的充放電功率按2.5 MW計(jì)算，則光儲一體化屋頂分布式光伏電站運(yùn)行后主變負(fù)荷變化情況如表5所示。

通過表5可知：該光儲一體化的屋頂分布式光伏電站投運(yùn)后，綜合日常屋頂分布式光伏電站發(fā)電時(shí)刻及儲能系統(tǒng)的峰谷充放電情況，所有光伏方陣所發(fā)電量及儲能系統(tǒng)所儲電量均可以被負(fù)荷全部消納。同時(shí)，根據(jù)電力實(shí)際使用情況可以發(fā)現(xiàn)，該光儲一體化屋頂分布式光伏電站投運(yùn)后，整個(gè)廠區(qū)的電力負(fù)荷在峰、谷、平各時(shí)段都較為平穩(wěn)，無劇烈波動，說明該電站的削峰效果明顯，為工廠節(jié)約了大量電費(fèi)。

表5 光儲一體化屋頂分布式光伏電站運(yùn)行后主變負(fù)荷變化Table 5 Load change of main transformer after operation of PV-energy storage integrated roof distributed PV power station

3 結(jié)論

本文針對在某工廠屋頂建設(shè)的光儲一體化的屋頂分布式光伏電站的設(shè)計(jì)及運(yùn)行后的效果進(jìn)行了分析，根據(jù)實(shí)際使用情況可以看出，整個(gè)廠區(qū)的電力負(fù)荷在峰、谷、平各時(shí)段都較為平穩(wěn)，無劇烈波動，該電站投運(yùn)后，削峰效果明顯，為工廠節(jié)約了大量電費(fèi)。建設(shè)屋頂分布式光伏電站，充分利用了工廠閑置的屋頂資源，生產(chǎn)電能過程清潔高效；而在建設(shè)屋頂分布式光伏電站的同時(shí)配套建設(shè)儲能系統(tǒng)，為工廠節(jié)約了大量電費(fèi)，還利用了峰谷電價(jià)政策有效節(jié)約用電成本，穩(wěn)定電能質(zhì)量，是未來發(fā)展光伏電站的有效方式之一，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。