孔雷軍

(廣州市高速公路有限公司，廣州 510335)

0 引言

目前在房建工程中已有大量的建筑物利用外墻設(shè)置太陽能電池板，與公共電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)，為建筑提供供電服務(wù)。在高速公路領(lǐng)域，光伏發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用主要有：

(1)光伏獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)。在用電負(fù)荷周邊建設(shè)微型光伏發(fā)電站，該電站完全獨(dú)立，不與供電電網(wǎng)相聯(lián)，為公共電網(wǎng)未覆蓋、或長(zhǎng)距離供電不經(jīng)濟(jì)的負(fù)荷供電，主要供攝像機(jī)、氣象站等小負(fù)荷設(shè)備用電。為滿足夜間或陽光不足時(shí)負(fù)荷用電的需求，該類應(yīng)用需設(shè)置較大的儲(chǔ)能設(shè)施，通常儲(chǔ)能設(shè)施的投資遠(yuǎn)高于光伏發(fā)電設(shè)施。

(2)補(bǔ)充型光伏發(fā)電系統(tǒng)。利用高速公路服務(wù)區(qū)停車區(qū)車棚頂部、收費(fèi)站大棚頂部等部位設(shè)置光伏發(fā)電站[1]，通過與公共電網(wǎng)并網(wǎng)的方式，共同供區(qū)域內(nèi)的負(fù)荷用電。該類光伏發(fā)電不反向送電到公共電網(wǎng)，主要目的是減少公共電網(wǎng)的消耗，降低電費(fèi)支出。該方式采用交流的方式并入高速公路的低壓配電網(wǎng)，已在上海市、甘肅省、山西省等多個(gè)省市的高速公路中應(yīng)用[2]。

(3)全并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)。電網(wǎng)公司利用高速公路的互通、邊坡等空閑地塊設(shè)置光伏發(fā)電站，電站所發(fā)的電力全部進(jìn)入公共電網(wǎng)，高速公路方以出租場(chǎng)地或發(fā)電分成的方式獲取收益。該方式已在江蘇省、河北省的高速公路中應(yīng)用[3]。

本文結(jié)合廣州新白云國際機(jī)場(chǎng)第二高速公路南段工程(本文簡(jiǎn)稱“機(jī)場(chǎng)二高南段”)，對(duì)光伏發(fā)電、直流并網(wǎng)技術(shù)在隧道工程的應(yīng)用進(jìn)行探討。

1 工程概況

機(jī)場(chǎng)二高南段項(xiàng)目是廣州城區(qū)通往機(jī)場(chǎng)的第二條高速通道的組成部分，全長(zhǎng)約24km，采用全線照明方案。在近城區(qū)廣深高速公路北側(cè)的大觀路段設(shè)置有大觀路隧道，為雙向6車道下沉式隧道，設(shè)計(jì)車速80km/h，全長(zhǎng)1 520m，其中暗埋段長(zhǎng)945m，西洞口敞開段長(zhǎng)300m。為減少陽光直射的影響，西洞口設(shè)置減光建筑。

大觀路隧道為下穿式隧道，西洞口接近正西方向，為減少黃昏時(shí)分陽光的影響，洞口設(shè)置了遮光棚，長(zhǎng)150m、寬30.4m。為了實(shí)現(xiàn)減光段亮度的平穩(wěn)過渡，充分利用減光棚頂部空間，減光棚上設(shè)置光伏發(fā)電板，在達(dá)到減光過渡的同時(shí)，兼顧光伏板發(fā)電，為隧道照明提供綠色能源，減少碳排放，節(jié)省運(yùn)營電費(fèi)。

機(jī)場(chǎng)二高南段項(xiàng)目在廣州主城區(qū)內(nèi)建設(shè)，互通立交密集，且設(shè)置全線照明。按照傳統(tǒng)的高速公路配電方案，需要約2km設(shè)置一個(gè)10kV供電點(diǎn)，在立交互通區(qū)域還需加密設(shè)置供電點(diǎn)。而供電部門不能密集地提供電網(wǎng)接入點(diǎn)，一般要求建設(shè)單位采用10kV配電開關(guān)房接入，在高速公路紅線內(nèi)自行建設(shè)10kV配電系統(tǒng)。

由于在高速公路紅線范圍內(nèi)自建10kV供電系統(tǒng)的造價(jià)達(dá)100萬元/km，為減少沿線10kV供電點(diǎn)的數(shù)量，結(jié)合高速公路上的LED燈具、攝像機(jī)、情報(bào)板等負(fù)載均為直流的特性，機(jī)場(chǎng)二高南段項(xiàng)目采用在收費(fèi)站/隧道變電站接入10kV公共電網(wǎng)，使用變壓器降低為0.4kV交流電后，通過直流柜轉(zhuǎn)換為750V直流電源，向高速公路沿線設(shè)備供電(圖1)。LED燈具的電源模塊通過直流電壓轉(zhuǎn)換，將750V直流電變換為L(zhǎng)ED照明所需的電壓[4]。

圖1 供配電方案

2 光伏發(fā)電系統(tǒng)

光伏發(fā)電系統(tǒng)一般由光伏列陣、直流匯流柜、繼電保護(hù)裝置、儲(chǔ)能裝置以及最大功率點(diǎn)跟蹤裝置等組成。光伏系統(tǒng)中最基礎(chǔ)的環(huán)節(jié)就是光伏列陣，光伏列陣將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，然后再通過電池單體根據(jù)電壓電流的實(shí)際需求，將其串并聯(lián)安裝在支架上。最大功率點(diǎn)跟蹤裝置能夠保證電池列陣時(shí)刻保持最大的輸出功率。儲(chǔ)能裝置主要是對(duì)光伏系統(tǒng)中的電能進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制[5]。

大觀路隧道照明總負(fù)荷為200.88kW，其中西洞口出口加強(qiáng)照明和入口加強(qiáng)照明功率合計(jì)為83kW，為了節(jié)約建設(shè)投資和后期運(yùn)營維護(hù)費(fèi)用，采用光伏發(fā)電“即發(fā)即用”的總體方案。結(jié)合光伏發(fā)電輸出、日照強(qiáng)度、加強(qiáng)段照明需求三者的正相關(guān)性，選擇隧道加強(qiáng)照明消納光伏發(fā)電產(chǎn)生的電能。此外，由于光伏發(fā)電功率不大，與運(yùn)營期間的維護(hù)成本相比，安裝最大功率點(diǎn)跟蹤裝置的建設(shè)投入及運(yùn)營維護(hù)費(fèi)用遠(yuǎn)大于其產(chǎn)生的效益。結(jié)合即發(fā)即用的總體方案，機(jī)場(chǎng)二高南段項(xiàng)目的光伏發(fā)電系統(tǒng)無需建設(shè)儲(chǔ)能裝置和最大功率點(diǎn)跟蹤裝置 。

機(jī)場(chǎng)二高南段項(xiàng)目選用370W單晶硅太陽能電池板(約為200Wp/m2)，單塊太陽能電池工作輸出電壓為34V～41V。直流電壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓應(yīng)與主干配電直流750V相當(dāng)，因此采用20塊電池板串聯(lián)的方式接入直流匯流柜，單路輸出功率為8.4kWp。為滿足加強(qiáng)照明負(fù)載功率83kW的需求，直流匯流柜匯集12路光伏電池串聯(lián)電流，并配備必要的防雷設(shè)施后，輸出到直流變換柜，并入高速公路直流配電網(wǎng)。

3 光伏發(fā)電與市電并網(wǎng)

光伏發(fā)電并網(wǎng)后，應(yīng)優(yōu)先于市電向負(fù)載供電。對(duì)比光伏發(fā)電和市電，光伏發(fā)電是一種電源，它可以輸出電能，而且只能輸出電能；而電網(wǎng)是一種特殊的電源，它既可以向負(fù)載提供電能，也可以作為負(fù)載接收電能。根據(jù)電流都是從電壓高處流向電壓低處的原理，當(dāng)光伏發(fā)電時(shí)，并網(wǎng)設(shè)備的電壓始終比電網(wǎng)的電壓略高一點(diǎn)，因此負(fù)載可優(yōu)先使用光伏發(fā)電，只有當(dāng)光伏的功率小于負(fù)載功率后，并網(wǎng)點(diǎn)的電壓才會(huì)下降，電網(wǎng)才會(huì)向負(fù)載供電。光伏并網(wǎng)有交流并網(wǎng)和直流并網(wǎng)兩種。

從國外的資產(chǎn)評(píng)估人才培養(yǎng)模式中我們看出，無論是重視準(zhǔn)入考試的美國還是重視高等教育的澳大利亞，其對(duì)資產(chǎn)評(píng)估人員的后續(xù)教育都一絲不茍。對(duì)后續(xù)教育未能完成的資產(chǎn)評(píng)估師的懲罰都十分嚴(yán)厲。我國的后續(xù)教育開展時(shí)間較短，處罰力度也相對(duì)較輕，造成許多資產(chǎn)評(píng)估師對(duì)后續(xù)教育相對(duì)敷衍。因此，我國資產(chǎn)評(píng)估協(xié)會(huì)可以成立專門的后續(xù)教育培訓(xùn)機(jī)構(gòu)，負(fù)責(zé)我國資產(chǎn)評(píng)估師的后續(xù)教育的培訓(xùn)以及監(jiān)管。除去正常的后續(xù)教育，各資產(chǎn)評(píng)估機(jī)構(gòu)還應(yīng)多開展關(guān)于資產(chǎn)評(píng)估行業(yè)的研討會(huì)，和其他資產(chǎn)評(píng)估人員互相交流研究心得，互相促進(jìn)對(duì)資產(chǎn)評(píng)估行業(yè)的理解。

3.1 交流并網(wǎng)

太陽能電池板輸出的為直流電，而市電為交流電，因此必須設(shè)置逆變器實(shí)現(xiàn)直流到交流的轉(zhuǎn)換。在交流并網(wǎng)饋電系統(tǒng)中，交流并網(wǎng)設(shè)備必須采集電網(wǎng)的電壓/頻率/相位，逆變器輸出的交流電和市電網(wǎng)相位頻率相同，輸出電壓略高于市網(wǎng)電壓，使光伏發(fā)電能夠優(yōu)先被使用。

交流并網(wǎng)設(shè)備具備交流過壓、欠壓保護(hù)，超頻、欠頻保護(hù)，高溫保護(hù)，交流及直流的過流保護(hù)，直流過壓保護(hù)，防孤島保護(hù)等功能。在出現(xiàn)異常情況時(shí)，應(yīng)切斷交流輸出，以避免出現(xiàn)反向送電產(chǎn)生的安全風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 直流并網(wǎng)

由于太陽能電池板輸出為直流電，相比于交流，直流并網(wǎng)時(shí)不必考慮相位、頻率一致性等問題。通過DC/DC轉(zhuǎn)換電路，將直流匯流箱輸入的直流電直接變換為略高于負(fù)載回路的直流電壓，通過半導(dǎo)體電路的單向保護(hù)功能，即可并入負(fù)載回路(圖2)。

圖2 直流并網(wǎng)

3.3 直流并網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)

(1)并網(wǎng)易控，電網(wǎng)波動(dòng)小。直流并網(wǎng)設(shè)備中的直流變換柜能夠允許較寬的電壓輸入范圍，功率輸出易控，可根據(jù)太陽能電池板提供的電量，以恒流源的形式靈活地將能量注入負(fù)載電路中，便捷地實(shí)現(xiàn)輸出功率的控制。且光伏發(fā)電交流并網(wǎng)故障短路電流暫態(tài)過程持續(xù)周期長(zhǎng)、波動(dòng)大；直流并網(wǎng)的系統(tǒng)短路電流僅短時(shí)振蕩,恢復(fù)非?？靃6]。

(2)轉(zhuǎn)換設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單可靠。隨著國家綠色能源政策的推進(jìn)，電動(dòng)車充電樁大規(guī)模地安裝使用，直流電壓轉(zhuǎn)換技術(shù)和元件產(chǎn)品的可靠性已經(jīng)得到驗(yàn)證。相比逆變器的交流轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)對(duì)市電的頻率和相位的跟蹤需要大量電容、電感元件，直流電壓轉(zhuǎn)換設(shè)備的結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單可靠。

(3)與市電電網(wǎng)相對(duì)隔離，提高了整個(gè)電網(wǎng)的安全性。直流配電系統(tǒng)通過對(duì)市電進(jìn)行整流而形成，直流部分對(duì)市電的影響被半導(dǎo)體元件隔離，不會(huì)出現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)的能量反送，全部發(fā)電量由自身負(fù)載消耗，因此光伏發(fā)電系統(tǒng)并入的電能對(duì)市電電網(wǎng)的影響極小。而交流并網(wǎng)系統(tǒng)缺乏這種隔離功能，一般認(rèn)為配電網(wǎng)內(nèi)光伏發(fā)電系統(tǒng)不應(yīng)主動(dòng)參與電壓調(diào)節(jié)，但光伏發(fā)電作為間歇性電源的接入不但會(huì)影響穩(wěn)態(tài)電壓分布，還會(huì)引起系統(tǒng)電壓波動(dòng)，可能導(dǎo)致系統(tǒng)電壓超限，須采取合理的控制和補(bǔ)償措施[7]。

3.4 光伏發(fā)電并網(wǎng)方案

機(jī)場(chǎng)二高南段項(xiàng)目在收費(fèi)站/隧道變電所采用10kV接入供電部門的電網(wǎng)，因此，光伏發(fā)電所產(chǎn)生的電能采用10kV回送電網(wǎng)是不可行的。光伏發(fā)電與項(xiàng)目的配電并網(wǎng)在負(fù)載出線回路側(cè)完成，由直流變換柜負(fù)責(zé)對(duì)供電母線的電壓進(jìn)行監(jiān)控，并將直流匯流柜輸入的電壓穩(wěn)定到略高于供電母線的電壓，和直流配電系統(tǒng)的負(fù)載回路分別通過IGBT實(shí)現(xiàn)并接，實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電和直流配電系統(tǒng)的并網(wǎng)。在此結(jié)構(gòu)中，IGBT的單向?qū)щ娞匦裕瑢?shí)現(xiàn)了兩個(gè)直流系統(tǒng)的故障隔離。

3.5 光伏發(fā)電和隧道照明的協(xié)同

機(jī)場(chǎng)二高南段項(xiàng)目的隧道監(jiān)控系統(tǒng)中設(shè)置亮度檢測(cè)儀，可以實(shí)時(shí)檢測(cè)洞內(nèi)外的亮度，并將相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送到照明控制主機(jī)。照明控制主機(jī)計(jì)算得出相應(yīng)隧道內(nèi)的照明值，逐步調(diào)整加強(qiáng)照明段的發(fā)光亮度，使得隧道內(nèi)的照明亮度與外場(chǎng)亮度相適應(yīng)。當(dāng)外場(chǎng)亮度增大時(shí)，照明控制主機(jī)發(fā)出增強(qiáng)加強(qiáng)段照明的信號(hào)，加強(qiáng)照明用電量增加；同時(shí)光伏發(fā)電系統(tǒng)受太陽光照射產(chǎn)生電能，外場(chǎng)亮度增加時(shí)，光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量相應(yīng)增加。光伏發(fā)電和隧道加強(qiáng)照明協(xié)同一致，可充分利用光伏發(fā)電，減少市電電能消耗。

4 節(jié)能減排評(píng)估

機(jī)場(chǎng)二高南段項(xiàng)目增加的光伏發(fā)電系統(tǒng)，主要用于加強(qiáng)段的照明，裝機(jī)容量設(shè)定為100kWp，負(fù)載消耗約88.32kW。光伏板采用固定傾角安裝的方式，按照最佳傾角，本項(xiàng)目光伏發(fā)電系統(tǒng)25年的發(fā)電量見表1。

表1 機(jī)場(chǎng)二高南段項(xiàng)目光伏發(fā)電系統(tǒng)25年發(fā)電量

按照目前市電接入0.8元/千瓦時(shí)計(jì)算，平均每年節(jié)省電費(fèi)約6.3萬元；根據(jù)施工圖預(yù)算，88.8kWp的光伏發(fā)電系統(tǒng)投入約為50萬元，約9年可以收回投資。

按照25年累計(jì)發(fā)電196.75萬千瓦時(shí)計(jì)算，25年合計(jì)可減少標(biāo)準(zhǔn)煤的消耗707.07t，減少CO2排放1 762.26t，減少SO2排放53.03t，減少NOx排放26.51t，減少粉塵排放480.81t，社會(huì)效益和生態(tài)效益顯著。

5 結(jié)語

廣州機(jī)場(chǎng)二高南段項(xiàng)目采用外場(chǎng)監(jiān)控和照明系統(tǒng)全直流配電、光伏發(fā)電直流并網(wǎng)方案，是對(duì)國家《2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案》中提出的開展光(光伏發(fā)電)儲(chǔ)(儲(chǔ)能)直(直流配電)柔(柔性用電)應(yīng)用的一個(gè)探索，即將進(jìn)入實(shí)施階段，可為高速公路“直柔”用電提供參考應(yīng)用。

廣州機(jī)場(chǎng)二高南段項(xiàng)目充分利用洞口的散碎地塊，設(shè)置太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)“即發(fā)即用”，可有效地降低隧道照明電費(fèi)費(fèi)用。采用直流配電、直流并網(wǎng)的方式實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)間的故障隔離，能夠提升供電并網(wǎng)的可靠性，便捷地實(shí)現(xiàn)分布式可再生能源的并網(wǎng)，充分利用可再生能源。

直流配電和可再生能源的并網(wǎng)應(yīng)用尚處于試點(diǎn)階段?？稍偕茉醇皶r(shí)消納是方案應(yīng)用的關(guān)鍵，雖然在建筑行業(yè)已有較多應(yīng)用，但在高速公路應(yīng)用場(chǎng)景中相關(guān)的配套設(shè)備還不夠豐富，應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)仍需不斷地積累和完善。