分布式光伏发电在现代水厂的应用分析

2023-08-05盛大春合肥供水集团有限公司安徽合肥230011

安徽建筑 2023年7期

盛大春（合肥供水集团有限公司，安徽合肥 230011）

1 引言

近年来在各国政府相关政策的支持下，光伏发电产业得到了快速发展。国内光伏发电的开发起步虽然较晚，但发展迅猛，目前我国光伏发电装机容量稳居全球首位。在双碳政策的推动下，光伏产业在国内迎来了新一波的建设热潮。“自发自用、余电上网”的分布式光伏发电系统，由于其装机规模小、安装及系统接入方式灵活的特点，多用于低于35 kV 或更低电压等级的电网。在自来水厂屋顶及周边空地上安装光伏组件，既充分利用了有限的空间资源，又能降低水厂的运营成本，具有显著的经济效益[4]。

2 工程背景

某水厂项目总规模为80 万m3/d，分三期进行建设，其中一期建设20 万m3/d、二期扩建40 万m3/d、三期再扩建20 万m3/d。根据前期方案及规划，在水厂部分建构筑物及部分远期预留地同步建设分布式光伏发电系统。光伏设计结合水厂一期工程，同步进行设计并同时建成使用。光伏发电系统拟安装在反冲洗泵房、综合加药间、膜池、脱水机房、办公宿舍楼等屋顶以及部分地面区域。

3 分布式光伏发电优势

分布式并网光伏系统通常在不同地点接入配电网，以满足特定用户的需求，支持现有配电网的经济运行。分布式并网光伏系统主要基于厂区、公用建筑物表面、户用屋顶以及其他分散空闲场地。一般有两种计费计量方式，一种是“全额上网”方式，该方式将光伏系统所发电能全部传输到电网中；另一种称为“自发自用、余电上网”方式，该方式的光伏系统所发电量供用户负载使用后，多余电量再经户用双向智能电表输送到电网中。分布式并网光伏系统属于自给自足的发电运行方式，对电网的依赖程度少于其他并网方式，可减少对线路的损害程度，降低损耗。另外安装在建筑物表面和屋顶等的分布式并网光伏系统，实现了一地两用，有效地减少了光伏系统的占地面积，是今后大规模光伏发电的重要应用形式。

接入方式原理示意图如图1所示。

图1 光伏发电接入系统图

4 水厂光伏发电方案设计

光伏发电系统组成光伏发电系统主要由以下几个部分组成即光伏组件及支架等安装配件、直流防雷汇流箱、光伏并网逆变器、并网接口设备、系统的防雷及接地装置、系统的连接电缆及防护材料。

4.1 主要光伏系统设备选型

4.1.1 光伏组件

光伏发电最核心的器件是光伏组件，目前市场上光伏组件的类型有晶硅组件和薄膜组件。

①晶体硅太阳电池

单晶硅电池是最早出现且工艺最为成熟的太阳电池，也是大规模生产的硅基太阳电池中效率最高的，目前光电转换效率一般19.5%～20.5%；多晶硅电池目前常用的是铸锭多晶硅技术，材料制造简便，节约电耗，总的生产成本比单晶硅低其光电转换效率一般18%～19%。

②非晶硅太阳电池和薄膜太阳电池

非晶硅电池是在不同衬底上附着非晶态硅晶粒制成的，工艺简单，硅原料消耗少，衬底廉价，并且可以方便的制成薄膜，具有弱光性好、受高温影响小的特性，其光电转换效率一般为5%～11%[5]。

单晶硅电池组件是目前市场上技术比较成熟的产品，具有可靠性、普遍性的特点，且效率最高，相应占地面积较小，故障率极低，运行维护最为简单，适合于屋顶光伏应用。因此本工程全部采用单晶硅电池组件。

4.1.2 光伏并网逆变器

光伏并网逆变器主要有集中式并网逆变器和组串式并网逆变器。集中式并网逆变器效率高、功率大，可以同时接纳数百块光伏电池组件，并且需要通过汇流箱对多个光伏电池组串进行汇流后再接入到逆变器直流输入端，多用于大型开阔地面或荒漠光伏电站，其光伏逆变器数量小，便于统一监控，但其无冗余能力，系统可靠性低。组串式并网逆变器的额定功率一般较小，其分布式控制的结构，系统配置灵活，便于安装维护，适用于分散式并网发电系统。各光伏组串间的逆变器是冗余关系，相互之间无影响，可靠性高。两者的综合对比见表2。

表2 光伏并网逆变器综合对比

由于本项目光伏组件均分散建设水厂各建构筑物屋顶及地面，对系统的可维护性、可靠性有较高的要求，因此选用组串式并网型光伏逆变器。

4.2 项目装机及光伏系统串并联方案

光伏发电单元系统是指1 台逆变器与对应的n 组太阳电池组串所构成的最小光伏发电单元，是实现“太阳能-太阳电池-直流电能-逆变器-交流电能-用户或升压并网”的最小组成部分。

决定太阳能电池组件串联的数量主要包括逆变器的最高输入电压、最低工作电压、太阳能电池组件允许的最大系统电压，而太阳能电池组串的并联数量由逆变器的额定容量确定。

光伏组件串联数计算公式如下：

式中：Vdcmax 为逆变器输入直流侧最大电压；Vdcmax 为逆变器输入直流侧最小电压；Voc为电池组件开路电压；Vmp为电池组件最佳工作电压；N 为光伏组件串联数。

本项目采用固定支架式光伏组件，通过技术与经济综合比较，电池组件选用550 Wp 单晶硅电池组件，太阳能电池组件数量共计约2720 块，总安装容量约为1500 kW。其中屋顶式太阳能电池组件数量共计约1600 块，总安装容量约为882 kW；地面式太阳能电池组件数量共计约1120 块，总安装容量约为618 kW。

为满足光伏并网逆变器输入要求，光伏组件采用20块光伏组件一串、多串并连的方式，光伏组串通过直流防雷汇流箱汇流后，接到20 kW 逆变器直流侧。全厂共设5 处光伏发电接入点，其中V 型滤池及辅助泵房接入点光伏发电系统主接线图见图2。

图2 V型滤池及辅助泵房接入点光伏发电系统主接线图

4.3 光伏阵列的布置

水平面上的太阳能辐射量，需要换算成光伏阵列倾斜面的辐射量才能进行发电量的计算。对于某一倾角固定安装的光伏阵列，所接受的太阳辐射能与倾角有关，较简便的辐射量计算经验公式为：

式中：Rβ为倾斜光伏阵列面上的太阳能总辐射量；S 为水平面上太阳直接辐射量；D 为散射辐射量；α为中午时分的太阳高度角；β为光伏阵列倾角。

为了避免阵列之间遮阴，光伏电池组件阵列间距应不小于一个特定的距离，为防止阴影遮挡及考虑装机量最大化，综合考虑节约用地及发电收益，本工程太阳能光伏阵列安装倾角选用30°。由光伏阵列安装倾角，可以计算出光伏方阵前后排阵列间距约4 m，光伏阵列布置示意图如图3所示。

图3 光伏方阵布置图

4.4 系统防雷接地设计

为了保证本工程光伏并网发电系统安全可靠，防止因雷电、工频过电压等外在因素导致设备损坏，光伏发电系统应考虑必要的防雷接地措施。

光伏发电系统逆变并网设施设在建筑物内，利用构筑物屋顶接闪带对直击雷进行防护，水厂构筑物的自然接地装置与光伏电场各光伏板之间组成联合接地网。光伏发电系统保护接地、工作接地共用接地装置，接地装置的接地电阻值不大于1 Ω。将光伏电池组件金属边框与支撑支架可靠连接，并与接地网连接，形成统一的接地通路。

除做好防雷接地系统的连接之外，为防止雷电波侵入及操作过电压，在屋内配电装置进、出线均装设电涌保护器，各汇流箱和直流柜内均安装防雷模块。

4.5 光伏并网接口设计

光伏并网接口设备是光伏逆变器与电网间的枢纽设备，它以三相光伏发电电站为保护监控对象，通过对分布式电源并网点遥信、遥测、遥控数据进行有效监控，实现对分布式电源的综合监测、保护开断功能，具有数据采集、抄表计费、各项保护、故障切除、异常信息报警、检有压自动并网控制等综合性功能。

并网接口设备具备如下主要功能。

①并网点开断功能

具有明显的开断指示及开断故障电流的能力，具备失压跳闸闭锁及检有压合闸功能。

②计量功能

预留安装计量表位置，可配置标准计量表，计量发电量。

③交流汇流功能

具备交流汇流功能，满足组串式逆变器的并网需求，支持多路交流输入，每路输入有单独的开关控制，单路输入故障可与其它输入回路隔离，不影响其它回路正常并网发电。

图4 并网接口设备系统示意图

表1 各类光伏组件性能比较

④测控功能

遥测——集线路的电压、电流、电量，通过本地液晶显示，并可接收电网调度指令上传遥测信息；

遥信——采用光耦合隔离，采集开关位置信号、开关跳闸信号以及分布式电源逆变器告警信号等；

遥控——根据通讯规约，接受电网调度机构指令，实现分布式电源的投退及并离网控制。

⑤完善的保护功能

具备欠电压保护、过电压保护、失压闭锁、低频保护、短路保护等基本保护功能。同时，控制器应在检测到电源系统断电时分闸，电源系统恢复时实现自动检有压合闸；当检测到分布式光伏电站孤岛运行时，应能断开并网开关。

5 光伏发电系统运行及经济效益

5.1 光伏发电系统运行情况

厂光伏电站装机容量为1500 kW。本电站设计运营寿命为25 年，自发自用多点并网接入水厂供配电系统。预计寿命期内年发电量约150万kW·h，能有效降低水厂的运行成本。同时，每年节省标煤约513 t(火电煤耗按标煤耗340 g/kW·h计)，减少二氧化碳排放约1566 t、二氧化硫约7.8 t、氮氧化合物1.54 t、烟尘排放量约0.62 t。高峰期间，光伏发电量可满足水厂一期用电量的40%。