屋顶分布式光伏电站在油田计量间的应用

陈国杰

(大庆油田信息技术公司,黑龙江 大庆 163000)

2019年,中国石油、天然气消费所排放的CO2分别达到15.2亿吨和5.9亿吨,占全国总排放量的21%。在2020年12月,习主席提出到2030年,全国风电、太阳能发电总装机容量将达到1.2×106MW以上,非化石能源占一次能源消费比重将达到25%左右。因此,中国石油天然气集团有限公司在“碳中和”目标下面临巨大挑战,在“双碳”目标和“能耗双控”政策下,油田作为典型的高耗能行业一直在积极探索更加节能低碳的绿色发展之路。大庆油田电网是全国最大的企业电网之一,电力供应需求量大,且主要负责油田生产用电,大庆油田每年消耗电能1.50×1010kW·h。

大庆油田既是产能大户同时也是用能大户,按集团公司“油、气、热、电、氢”综合性能源公司转型总体要求,以资源为前提,以电网为依托,以负荷用电为基础,以“源、网、荷、储”为主要技术路线,规模化建设风力发电、光伏发电以替代国网电能,实现油田电能的清洁替代。从光伏组件选型、场区布置、电气接线、组件支架等方案的设计及对项目的经济效益进行分析,研究结果表明： 大庆地区利用太阳能资源发电,具有较好的开发前景;站场区域内屋顶构造稳定,不需土地征用;新建光伏电站均可就近接入电网系统;施工建设条件及交通运输条件齐全、便利;经过项目投资概算和财务分析,屋顶光伏项目可以取得更好的经济效益。

1 屋顶光伏发电在计量间上的应用分析

1.1 建设原则

根据油田新能源发电项目的发展规划,依托大庆油田配电网,形成“源、网、荷、储”一体化模式。充分利用已建的生产设施,降低建设投资,提高节能工程项目建设的整体经济效益。结合油田的中长期规划,优化光伏发电规模,确定合理的容配比,保证发电安全可靠。

1.2 光资源分析

大庆市年峰值日照时长可以达到1.4×103h以上,年日照时长在2.6×103～2.8×103h,年太阳能辐射量超过4.8×103～5.0×103MJ/m2,属于太阳能资源非常丰富的地区。大庆市年平均温度较低,有利于提高光伏组件的转换效率。

根据大庆市安达气象站提供的1987—2016年日照时数,绘制出该地区近30 a日照时间年际变化如图1所示。

图1 安达气象站日照时间年际变化曲线

从图1可看出,1987—2016年间安达气象站日照百分率分布年际变化与日照时间变化趋势基本一致,该气象站日照百分率分布年际变化数值为51.9%～65.8%,油田场址日照时间变化趋势平稳,适合建设光伏电站。

距离该项目光伏电站场址最近的气象站为安达气象站,该气象站属于一般气象站,暂无太阳能辐射数据。因此,该项目采用气象软件和光伏软件相结合分析场址太阳能数据,分别采集了NASA卫星数据、Meteonorm8.0气象数据以及SolarGIS太阳能辐射数据。

1.2.1 NASA太阳能辐射数据

本次采集1983—2005年的NASA卫星数据,太阳辐射数据是NASA通过太空卫星观测后再反演至地面数据得到。结合建设地点位置,NASA模拟太阳能辐射月际变化见表1所列。

表1 NASA模拟太阳能辐射月际变化 MJ/m2

1.2.2 Meteonorm8.0太阳能辐射数据

通过建设地点的经纬度坐标搜索可以得到该地区2008—2018年的平均辐射量,Meteonorm8.0平均辐射数据如图2所示。

图2 Meteonorm8.0太阳能平均辐射量示意

1.2.3 SolarGIS太阳能辐射数据

SolarGIS主要的数据要素包括太阳辐射,气温、海拔高度、水平面及倾角等,使用SolarGIS太阳能资源评估工具对场址区域太阳能资源进行模拟,结果见表2所列。

表2 SolarGIS模拟太阳能辐射月际变化 MJ/m2

1.2.4 辐射量卫星数据分析

综上可知,Meteonorm、NASA和SolarGIS以及气象站提供的辐射数据月际变化趋势基本上是一致的。由于NASA近年没有更新数据,SolarGIS使用辐射数据的是年平均值计算,为了获取当前建设地址的相对准确数据,该项目采用Meteonorm中的太阳辐射数据作为建设场址太阳能资源评估数据。

2 光伏发电系统设计

该项目建设区域位于大庆油田开发有限责任公司,利用作业区计量间建筑屋顶开发建设分布式光伏发电项目。

2.1 太阳能光伏组件

对于组件选择最重要指标是光电转换效率,在设备选型时优先选择光电转换效率高的组件,其次考虑光伏组件的耐久性和可靠性,光伏组件长期在户外运行,其耐久性和可靠性直接影响光伏发电系统的稳定性和寿命。组件应具备良好的抗风压、抗冲击、抗腐蚀性能,确保组件能在恶劣环境中安全运行。

太阳能光伏组件包括单晶硅、多晶硅和非晶电池组件。采用单晶硅光电转换效率高、衰耗小、技术成熟、稳定性好,广泛应用于光伏市场。电池片采用P-N结构,钢化玻璃用于支撑光伏组件结构,具有透光、减少反射光、阻绝空气和水的作用,EVA是一种热熔胶粘剂,将电池片、钢化玻璃、背板粘接在一起,组件背板具有保护作用增加了组件的耐老化、耐腐蚀性,延长组件的使用寿命。

在选择电池组件时主要关注5个参数特征： 峰值功率、开路电压、短路电流、工作电压、工作电流。

考虑到彩钢板屋面受力及传力构件的彩钢板檩条承载力和光伏组件材料性能对比,该项目采用单晶硅电池片。

2.2 逆变器选择

在光伏并网系统中,逆变控制部分应用包括： DC/AC转换,控制转换电压、频率、相位、谐波等重要数据指标,逆变器具有跟踪功能,交流过压、欠压保护,超频、欠频保护、短路保护,交流及直流的过流保护,过载保护,反极性保护,高温保护,防孤岛保护等保护功能。

电弧故障中断装置(AFCI)通过判断电流波形成能够及时检测和中断电弧故障,具有关断更快的功能。智能组串分段(SSLD)具有直流侧故障快速分段功能,能够提升电站主动安全能力。

2.3 光伏阵列设计及布置方案

2.3.1 光伏支架倾角

光伏阵列的安装倾角对光伏发电系统的效率影响较大,对于固定式光伏阵列最佳倾角即光伏发电系统全年发电量最大时的倾角,在不考虑遮挡及不可利用辐射等因素的前提下,通过NASA太阳能辐射数据以及PVsyst软件计算倾斜面上各月日平均太阳辐射量,生成倾斜面太阳辐射变化曲线以及最佳倾角,组件采用固定方式安装。

利用PVsyst软件选取38°～45°不同的倾角进行模拟,得出年辐射量见表3所列。

表3 PVsyst软件模拟年辐射量

通过以上分析可知,根据倾斜面上太阳辐射变化趋势,当光伏组件方位角为0(正南),倾角为42°时,全年平均太阳总辐射量最大,彩钢板屋顶光伏为减少荷载及风阻因素采取与屋顶斜度相同的固定安装方式,倾角为38°。

2.3.2 光伏阵列组串设计

光伏组件串联数量计算,利用GB 50797—2012《光伏发电站设计规范》中组串计算公式,如式(1)所示：

(1)

式中：N——光伏组件串联数,N取整;Udcmax——逆变器允许最大直流输入电压,V;Uoc——光伏组件开路电压,V;Kv——光伏组件开路电压温度系数;t——光伏组件工作条件下的极限最低温度,℃。

为达到技术和经济最优化,地面光伏电站一般采用最大组件串联设计。式(1)中,Udcmax=1 080 V,Uoc=49.50 V,t=-36.2 ℃。经计算,N≤19,结合逆变器最佳输入电压和光伏组件工作环境等因素综合分析,最终确定该工程选用光伏组件串联数为16个。

3 光伏管理系统

该系统利用数据集成和共享技术,将业务数据形象化、直观化、具体化,实时反映运行状态,有机整合各系统功能,形成智能发电中心、智能设备管理中心、报警中心、智能巡检中心。

子站数据通过纵向加密装置与电力调度中心进行数据的交互,实现数据及资源的交互共享;通过正反向隔离装置与横向隔离装置对数据访问和控制;通过防火墙实现与调度中心内部的数据库、组态系统等进行数据对接,保证电网的安全性。

光伏管理系统功能如下：

1)实时监控功能。实现对光伏、储能等重要供能设备,以及变电站主要配能设施的监视,并能以图形曲线的形式展示数据。供能设备运行监控展示内容包括： 设备的运行参数,如交/直流电压、电流、功率,电网频率,当日发电量、累计发电量,逆变器的输出功率、功率因数、额定功率,组串详情,储能单元的容量、温度、交换功率等实时信息。

2)故障诊断功能。通过数据分析和模型诊断分析技术,对光伏电站通常出现的故障问题进行提前预警。

3)数据采集及处理功能。实现实时/历史数据采集、传输、处理及分析功能,具备断点续传,标准电力接口协议,支持第三方自定义开发与集成。

4)功率预测。有功功率、无功电压自动控制系统(ACG/AVC),对相应电站进行调节,保证电网稳定、高效、安全地运行。

5)办公自动化系统。实现办公网与企业网系统自动化,优化组织结构,提高运行效率。

6)运维平台功能。对已接入电站进行运维管理,及时解决现场难题。

4 发电量计算

4.1 光伏发电系统效率

光伏发电系统的能量转换主要包括： 能量来源环节、能量转化环节、能量输出环节等,上述各环节中均存在不同的能量损失。能量来源环节的主要损失为不可利用的太阳辐射损失,包括早晚阴影遮挡引起的损失及光线通过玻璃的反射、折射损失,灰尘积雪遮挡损失等;能量转化环节的主要损失为由于电池组件质量缺陷或者不匹配造成的损失,温度影响损失等;能量输出环节的主要损失为欧姆损失(直流、交流线路,保护二极管,线缆接头等)、逆变器效率损失、变压器效率损失以及系统故障及维护损耗等。

综合以上多种影响因素,光伏阵列的能量损失为η1=88.15%,逆变器能量损失为η2=98.3%,交流并网能量损失为η3=94.75%,总能量损失η=η1×η2×η3=82%。

4.2 发电量测算

结合逐年发电量与峰值利用时长进行财务经济评价分析,屋顶光伏装机容量为17.28 kWp。结合该工程系统效率85.6%,计算出运行期逐年发电量和年峰值利用时长。运行期逐年发电量和年峰值利用情况见表4所列。

表4 运行期逐年发电量和年峰值

5 结束语

通过开展新能源业务,不仅实现了中石油定制的“十四五”新能源规划,而且为该公司提高了经济效益。发展新能源业务,是大庆油田“当好标杆旗帜、建设百年油田”的外在要求,也是推进转型升级、持续发展的内在需求。围绕油田绿色、低碳转型发展目标,该公司全面推进新能源应用步伐,本着“先节能瘦身,再清洁替代”的原则,通过开展优化、简化、节能等一系列措施,打造清洁能源替代示范工程,实现油气生产用能最大限度的清洁替代。