盛大春 （合肥供水集團(tuán)有限公司，安徽 合肥 230011）

1 引言

近年來(lái)在各國(guó)政府相關(guān)政策的支持下，光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)得到了快速發(fā)展。國(guó)內(nèi)光伏發(fā)電的開(kāi)發(fā)起步雖然較晚，但發(fā)展迅猛，目前我國(guó)光伏發(fā)電裝機(jī)容量穩(wěn)居全球首位。在雙碳政策的推動(dòng)下，光伏產(chǎn)業(yè)在國(guó)內(nèi)迎來(lái)了新一波的建設(shè)熱潮?！白园l(fā)自用、余電上網(wǎng)”的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，由于其裝機(jī)規(guī)模小、安裝及系統(tǒng)接入方式靈活的特點(diǎn)，多用于低于35 kV 或更低電壓等級(jí)的電網(wǎng)。在自來(lái)水廠屋頂及周邊空地上安裝光伏組件，既充分利用了有限的空間資源，又能降低水廠的運(yùn)營(yíng)成本，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益[4]。

2 工程背景

某水廠項(xiàng)目總規(guī)模為80 萬(wàn)m3/d，分三期進(jìn)行建設(shè)，其中一期建設(shè)20 萬(wàn)m3/d、二期擴(kuò)建40 萬(wàn)m3/d、三期再擴(kuò)建20 萬(wàn)m3/d。根據(jù)前期方案及規(guī)劃，在水廠部分建構(gòu)筑物及部分遠(yuǎn)期預(yù)留地同步建設(shè)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)。光伏設(shè)計(jì)結(jié)合水廠一期工程，同步進(jìn)行設(shè)計(jì)并同時(shí)建成使用。光伏發(fā)電系統(tǒng)擬安裝在反沖洗泵房、綜合加藥間、膜池、脫水機(jī)房、辦公宿舍樓等屋頂以及部分地面區(qū)域。

3 分布式光伏發(fā)電優(yōu)勢(shì)

分布式并網(wǎng)光伏系統(tǒng)通常在不同地點(diǎn)接入配電網(wǎng)，以滿足特定用戶的需求，支持現(xiàn)有配電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。分布式并網(wǎng)光伏系統(tǒng)主要基于廠區(qū)、公用建筑物表面、戶用屋頂以及其他分散空閑場(chǎng)地。一般有兩種計(jì)費(fèi)計(jì)量方式，一種是“全額上網(wǎng)”方式，該方式將光伏系統(tǒng)所發(fā)電能全部傳輸?shù)诫娋W(wǎng)中；另一種稱(chēng)為“自發(fā)自用、余電上網(wǎng)”方式，該方式的光伏系統(tǒng)所發(fā)電量供用戶負(fù)載使用后，多余電量再經(jīng)戶用雙向智能電表輸送到電網(wǎng)中。分布式并網(wǎng)光伏系統(tǒng)屬于自給自足的發(fā)電運(yùn)行方式，對(duì)電網(wǎng)的依賴程度少于其他并網(wǎng)方式，可減少對(duì)線路的損害程度，降低損耗。另外安裝在建筑物表面和屋頂?shù)鹊姆植际讲⒕W(wǎng)光伏系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了一地兩用，有效地減少了光伏系統(tǒng)的占地面積，是今后大規(guī)模光伏發(fā)電的重要應(yīng)用形式。

接入方式原理示意圖如圖1所示。

圖1 光伏發(fā)電接入系統(tǒng)圖

4 水廠光伏發(fā)電方案設(shè)計(jì)

光伏發(fā)電系統(tǒng)組成光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)部分組成即光伏組件及支架等安裝配件、直流防雷匯流箱、光伏并網(wǎng)逆變器、并網(wǎng)接口設(shè)備、系統(tǒng)的防雷及接地裝置、系統(tǒng)的連接電纜及防護(hù)材料。

4.1 主要光伏系統(tǒng)設(shè)備選型

4.1.1 光伏組件

光伏發(fā)電最核心的器件是光伏組件，目前市場(chǎng)上光伏組件的類(lèi)型有晶硅組件和薄膜組件。

①晶體硅太陽(yáng)電池

單晶硅電池是最早出現(xiàn)且工藝最為成熟的太陽(yáng)電池，也是大規(guī)模生產(chǎn)的硅基太陽(yáng)電池中效率最高的，目前光電轉(zhuǎn)換效率一般19.5%～20.5%；多晶硅電池目前常用的是鑄錠多晶硅技術(shù)，材料制造簡(jiǎn)便，節(jié)約電耗，總的生產(chǎn)成本比單晶硅低其光電轉(zhuǎn)換效率一般18%～19%。

②非晶硅太陽(yáng)電池和薄膜太陽(yáng)電池

非晶硅電池是在不同襯底上附著非晶態(tài)硅晶粒制成的，工藝簡(jiǎn)單，硅原料消耗少，襯底廉價(jià)，并且可以方便的制成薄膜，具有弱光性好、受高溫影響小的特性，其光電轉(zhuǎn)換效率一般為5%～11%[5]。

單晶硅電池組件是目前市場(chǎng)上技術(shù)比較成熟的產(chǎn)品，具有可靠性、普遍性的特點(diǎn)，且效率最高，相應(yīng)占地面積較小，故障率極低，運(yùn)行維護(hù)最為簡(jiǎn)單，適合于屋頂光伏應(yīng)用。因此本工程全部采用單晶硅電池組件。

4.1.2 光伏并網(wǎng)逆變器

光伏并網(wǎng)逆變器主要有集中式并網(wǎng)逆變器和組串式并網(wǎng)逆變器。集中式并網(wǎng)逆變器效率高、功率大，可以同時(shí)接納數(shù)百塊光伏電池組件，并且需要通過(guò)匯流箱對(duì)多個(gè)光伏電池組串進(jìn)行匯流后再接入到逆變器直流輸入端，多用于大型開(kāi)闊地面或荒漠光伏電站，其光伏逆變器數(shù)量小，便于統(tǒng)一監(jiān)控，但其無(wú)冗余能力，系統(tǒng)可靠性低。組串式并網(wǎng)逆變器的額定功率一般較小，其分布式控制的結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)配置靈活，便于安裝維護(hù)，適用于分散式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。各光伏組串間的逆變器是冗余關(guān)系，相互之間無(wú)影響，可靠性高。兩者的綜合對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 光伏并網(wǎng)逆變器綜合對(duì)比

由于本項(xiàng)目光伏組件均分散建設(shè)水廠各建構(gòu)筑物屋頂及地面，對(duì)系統(tǒng)的可維護(hù)性、可靠性有較高的要求，因此選用組串式并網(wǎng)型光伏逆變器。

4.2 項(xiàng)目裝機(jī)及光伏系統(tǒng)串并聯(lián)方案

光伏發(fā)電單元系統(tǒng)是指1 臺(tái)逆變器與對(duì)應(yīng)的n 組太陽(yáng)電池組串所構(gòu)成的最小光伏發(fā)電單元，是實(shí)現(xiàn)“太陽(yáng)能-太陽(yáng)電池-直流電能-逆變器-交流電能-用戶或升壓并網(wǎng)”的最小組成部分。

決定太陽(yáng)能電池組件串聯(lián)的數(shù)量主要包括逆變器的最高輸入電壓、最低工作電壓、太陽(yáng)能電池組件允許的最大系統(tǒng)電壓，而太陽(yáng)能電池組串的并聯(lián)數(shù)量由逆變器的額定容量確定。

光伏組件串聯(lián)數(shù)計(jì)算公式如下：

式中：Vdcmax 為逆變器輸入直流側(cè)最大電壓；Vdcmax 為逆變器輸入直流側(cè)最小電壓；Voc為電池組件開(kāi)路電壓；Vmp為電池組件最佳工作電壓；N 為光伏組件串聯(lián)數(shù)。

本項(xiàng)目采用固定支架式光伏組件，通過(guò)技術(shù)與經(jīng)濟(jì)綜合比較，電池組件選用550 Wp 單晶硅電池組件，太陽(yáng)能電池組件數(shù)量共計(jì)約2720 塊，總安裝容量約為1500 kW。其中屋頂式太陽(yáng)能電池組件數(shù)量共計(jì)約1600 塊，總安裝容量約為882 kW；地面式太陽(yáng)能電池組件數(shù)量共計(jì)約1120 塊，總安裝容量約為618 kW。

為滿足光伏并網(wǎng)逆變器輸入要求，光伏組件采用20塊光伏組件一串、多串并連的方式，光伏組串通過(guò)直流防雷匯流箱匯流后，接到20 kW 逆變器直流側(cè)。全廠共設(shè)5 處光伏發(fā)電接入點(diǎn)，其中V 型濾池及輔助泵房接入點(diǎn)光伏發(fā)電系統(tǒng)主接線圖見(jiàn)圖2。

圖2 V型濾池及輔助泵房接入點(diǎn)光伏發(fā)電系統(tǒng)主接線圖

4.3 光伏陣列的布置

水平面上的太陽(yáng)能輻射量，需要換算成光伏陣列傾斜面的輻射量才能進(jìn)行發(fā)電量的計(jì)算。對(duì)于某一傾角固定安裝的光伏陣列，所接受的太陽(yáng)輻射能與傾角有關(guān)，較簡(jiǎn)便的輻射量計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式為：

式中：Rβ為傾斜光伏陣列面上的太陽(yáng)能總輻射量；S 為水平面上太陽(yáng)直接輻射量；D 為散射輻射量；α為中午時(shí)分的太陽(yáng)高度角；β為光伏陣列傾角。

為了避免陣列之間遮陰，光伏電池組件陣列間距應(yīng)不小于一個(gè)特定的距離，為防止陰影遮擋及考慮裝機(jī)量最大化，綜合考慮節(jié)約用地及發(fā)電收益，本工程太陽(yáng)能光伏陣列安裝傾角選用30°。由光伏陣列安裝傾角，可以計(jì)算出光伏方陣前后排陣列間距約4 m，光伏陣列布置示意圖如圖3所示。

圖3 光伏方陣布置圖

4.4 系統(tǒng)防雷接地設(shè)計(jì)

為了保證本工程光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)安全可靠，防止因雷電、工頻過(guò)電壓等外在因素導(dǎo)致設(shè)備損壞，光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)考慮必要的防雷接地措施。

光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變并網(wǎng)設(shè)施設(shè)在建筑物內(nèi)，利用構(gòu)筑物屋頂接閃帶對(duì)直擊雷進(jìn)行防護(hù)，水廠構(gòu)筑物的自然接地裝置與光伏電場(chǎng)各光伏板之間組成聯(lián)合接地網(wǎng)。光伏發(fā)電系統(tǒng)保護(hù)接地、工作接地共用接地裝置，接地裝置的接地電阻值不大于1 Ω。將光伏電池組件金屬邊框與支撐支架可靠連接，并與接地網(wǎng)連接，形成統(tǒng)一的接地通路。

除做好防雷接地系統(tǒng)的連接之外，為防止雷電波侵入及操作過(guò)電壓，在屋內(nèi)配電裝置進(jìn)、出線均裝設(shè)電涌保護(hù)器，各匯流箱和直流柜內(nèi)均安裝防雷模塊。

4.5 光伏并網(wǎng)接口設(shè)計(jì)

光伏并網(wǎng)接口設(shè)備是光伏逆變器與電網(wǎng)間的樞紐設(shè)備，它以三相光伏發(fā)電電站為保護(hù)監(jiān)控對(duì)象，通過(guò)對(duì)分布式電源并網(wǎng)點(diǎn)遙信、遙測(cè)、遙控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行有效監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)對(duì)分布式電源的綜合監(jiān)測(cè)、保護(hù)開(kāi)斷功能，具有數(shù)據(jù)采集、抄表計(jì)費(fèi)、各項(xiàng)保護(hù)、故障切除、異常信息報(bào)警、檢有壓自動(dòng)并網(wǎng)控制等綜合性功能。

并網(wǎng)接口設(shè)備具備如下主要功能。

①并網(wǎng)點(diǎn)開(kāi)斷功能

具有明顯的開(kāi)斷指示及開(kāi)斷故障電流的能力，具備失壓跳閘閉鎖及檢有壓合閘功能。

②計(jì)量功能

預(yù)留安裝計(jì)量表位置，可配置標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量表，計(jì)量發(fā)電量。

③交流匯流功能

具備交流匯流功能，滿足組串式逆變器的并網(wǎng)需求，支持多路交流輸入，每路輸入有單獨(dú)的開(kāi)關(guān)控制，單路輸入故障可與其它輸入回路隔離，不影響其它回路正常并網(wǎng)發(fā)電。

圖4 并網(wǎng)接口設(shè)備系統(tǒng)示意圖

表1 各類(lèi)光伏組件性能比較

④測(cè)控功能

遙測(cè)——集線路的電壓、電流、電量，通過(guò)本地液晶顯示，并可接收電網(wǎng)調(diào)度指令上傳遙測(cè)信息；

遙信——采用光耦合隔離，采集開(kāi)關(guān)位置信號(hào)、開(kāi)關(guān)跳閘信號(hào)以及分布式電源逆變器告警信號(hào)等；

遙控——根據(jù)通訊規(guī)約，接受電網(wǎng)調(diào)度機(jī)構(gòu)指令，實(shí)現(xiàn)分布式電源的投退及并離網(wǎng)控制。

⑤完善的保護(hù)功能

具備欠電壓保護(hù)、過(guò)電壓保護(hù)、失壓閉鎖、低頻保護(hù)、短路保護(hù)等基本保護(hù)功能。同時(shí)，控制器應(yīng)在檢測(cè)到電源系統(tǒng)斷電時(shí)分閘，電源系統(tǒng)恢復(fù)時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢有壓合閘；當(dāng)檢測(cè)到分布式光伏電站孤島運(yùn)行時(shí)，應(yīng)能斷開(kāi)并網(wǎng)開(kāi)關(guān)。

5 光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行及經(jīng)濟(jì)效益

5.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行情況

廠光伏電站裝機(jī)容量為1500 kW。本電站設(shè)計(jì)運(yùn)營(yíng)壽命為25 年，自發(fā)自用多點(diǎn)并網(wǎng)接入水廠供配電系統(tǒng)。預(yù)計(jì)壽命期內(nèi)年發(fā)電量約150萬(wàn)kW·h，能有效降低水廠的運(yùn)行成本。同時(shí)，每年節(jié)省標(biāo)煤約513 t(火電煤耗按標(biāo)煤耗340 g/kW·h計(jì))，減少二氧化碳排放約1566 t、二氧化硫約7.8 t、氮氧化合物1.54 t、煙塵排放量約0.62 t。高峰期間，光伏發(fā)電量可滿足水廠一期用電量的40%。

圖5 光伏發(fā)電板安裝在廠內(nèi)空地上

圖6 光伏發(fā)電板安裝在清水池上

5.2 經(jīng)濟(jì)效益分析

本工程光伏發(fā)電系統(tǒng)造價(jià)包括光伏電池組件、電纜、并網(wǎng)逆變器、配套支架等，總投資約700萬(wàn)元。

光伏組件年輻照量為1238.1 kW·h/（m2·a），組件裝機(jī)容量為1500 kWp，光伏發(fā)電系統(tǒng)綜合效率約為82.5%，根據(jù)《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50797-2012）計(jì)算，年發(fā)電量為153.2 萬(wàn)kW·h。

電池組件在光照及常規(guī)大氣環(huán)境中使用會(huì)有衰減，單晶硅550 組件按25 年衰減不超過(guò)20%計(jì)算，首年衰減2.5%，其余每年衰減0.5%。首年光伏發(fā)電系統(tǒng)年發(fā)電量約149.4萬(wàn)kW·h[3]。

自發(fā)自用的補(bǔ)貼收益=當(dāng)?shù)厣暇W(wǎng)電價(jià)×理論發(fā)電量=0.6×149.4=89.6 萬(wàn)元/年[4]。

以25 年建設(shè)運(yùn)營(yíng)期，考慮項(xiàng)目的投資回報(bào)情況見(jiàn)表3。

由表3可知，在第8年時(shí)靜態(tài)投資回報(bào)由負(fù)轉(zhuǎn)正，因此本分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目預(yù)計(jì)8年即可以收回投資并盈利。

6 小結(jié)

本文以某現(xiàn)代水廠為例，結(jié)合城市水廠屋頂閑置可利用面積較大、生產(chǎn)用電負(fù)荷連續(xù)不間斷等項(xiàng)目特點(diǎn)，與水廠同步設(shè)計(jì)并建設(shè)了分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)。一期工程建成后，分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)峰值功率可達(dá)到水廠總用電需求的40%，很好的達(dá)到了節(jié)能降耗目的，獲得良好的生態(tài)和經(jīng)濟(jì)效益，值得推廣應(yīng)用。