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淺談分布式光伏發電在高速公路服務區的研究與應用
更新時間：2024-11-19 瀏覽次數：330
摘要：針對目前高速公路服務區用電負荷越來越大，本文設計了分布式光伏發電系統。通過對分布式光伏項目裝機容量、發電量、收益、總投資等方面分析可知，高速公路服務區分布式光伏發電項目收益高，經濟效益好，可進一步在高速公路推廣。
關鍵詞：高速公路；分布式光伏；發電量
0引言
隨著經濟的快速發展，能源的消耗越來越大。目前，化石能源仍然作為我們主要的能源資源，滿足人民的需求，滿足經濟發展?；茉醋鳛椴?再*資源，儲量相對有限，據科學家研究，現有化石能源將在數十年內耗盡，并且化石能源的開采和使用對環境造成了嚴重的影響，燃燒化石能源會產生大量的二氧化碳等溫室氣體，導致全球變暖和氣候變化。因此人類急需續租替代能源以滿足未來能源的需要。
太陽能作為一種可再生能源，被認為是石油的良好替代能源之一。太陽能可以通過太陽能電池板將太陽輻射轉化為電能。太陽能具有廣泛分布、**不斷的特點，并且不會產生碳排放。此外，隨著技術的進步，太陽能電池板的效能不斷提高，使得太陽能成為一個越來越有吸引力的替代能源選擇。
高速公路作為我國目前主要運輸方式之一。截至2022年底，我國高速公路通車總里程17.7萬公里，位居全球*一，并且還在高速增長中。我國高速公路有7000多個服務區，高速公路服務區是駕駛員和乘客休息，車輛加油充電的重要場所，在日常保障高速公路運營起著十分重要的作用?！案咚俟?光伏"在高速公路有廣泛的應用前景。
本文以天津某高速公路服務區分布式光伏方案為研究對象，分析分布式光伏在高速公路服務區應用優勢，測算投資收益情況，展望“高速公路+光伏"未來發展方向。
1太陽能光伏發電系統簡介
太陽能發電系統是利用光伏組件將太陽能轉化成電能的發電系統。太陽能光伏發電系統主要包括光伏組件方陣、并網逆變器、接入系統等。
光伏組件方陣利用太陽能轉化成電能(直流),由并網逆變器將直流電轉換為交流電，通過接入系統并網。
2“高速公路+光伏"優勢分析
(1)原則上不再新增建設用地。高速公路建設時，征地面積一般較大，光伏組件基本都布設在高速公路用地范圍內，充分的利用土地資源。
(2)施工便捷，項目施工所用的設備沿公路沿線布設，也可設置在服務區，材料運輸、建設施工均能有效保障，無需新建施工便道、場地平整等，可以很好地保障光伏項目的施工進度。
(3)管理成本相對較低，一般光伏項目需要專業的維護團隊維護，高速公路光伏發電站運維管理可與高速公路日常養護一并統籌，僅需增加少量的光伏運維的專業技術人員。
(4)就地消納比例高，高速公路光伏電站其所發電能供高速公路日常運營所需，就地消納情況良好，比如服務區辦公用電、廠區照明、充電樁等多種設備用電。
3投資收益測算分析
3.1項目概況
本項目位于津薊高速，津薊高速主線采用四車道高速公路標準，設計速度分別為100千米/小時，其中薊州區服務區占地面積約11萬m2,建有服務用房約4000m2,兩座加油站，車場等設施。為盡可能大面積鋪上光伏組件，考慮在服務區空地、停車場、建筑屋頂等地方敷設，經分析統計，上下行兩個方向服務區內可用作光伏發電區域面積約8000m2。
3.2項目開發模式
對于現狀的高速公路項目，目前常見的模式為高速公路的運營主體自行投資、建設、運維光伏項目，或者高速公路的運營主體提供路網閑置資源作為光伏項目建設場所，通過對外招商，
與*三方簽訂合同能源管理協議，由*三方負責設計、投資、建設、運維。本項目高速公路公司作為投資主體，負責項目投資本項目，故項目收益全部為高速公路公司所得。天津市目前一般工商業采用峰平谷電價，經現場調研，薊州區服務區白天綜合電價約0.8元/kWh。
3.3項目投資分析
通過對已建項目調研分析并向設備廠商詢價，分析得出服務區光伏發電項目建設成本單價以及項目運維期費用如表1所示：
表1項目基礎信息表
本項目按照容量812kWp,按照比較好的傾角、0°方位角布置光伏組件?？紤]光伏組件衰減、溫度修正系數、表面污染及遮擋修正系數、適配系數、逆變器平均效率、集電線路損耗系數等因素，本工程綜合修正系數K=0.85。建設成本單價組成如表2所示：
表2建設成本單價組成
本項目每瓦投資4.0元，總容量為812KWp,總投資為324.8萬元。
3.4項目發電分析
根據初步估算，本工程35°傾角，安裝容量為812kWp。單個組件容量580Wp,發電量根據下式計算。
Ep=HA×PAZ/ES×K (1)
式中：HA為傾斜面太陽能總輻射量(含背板增益)(KW·h/m2,峰值小時數)對于本工程，35°傾角取值1702KW·h/m2;Ep為上網發電量(KW·h);ES為標準條件下的輻照度(常數=1kWh/m2);PAZ為組件安裝容量(kWp);K為綜合效率系數，取0.85。
目前，市場上的光伏電池使用壽命一般為25年，根據太陽電池廠家提供的組件衰減參數，N型單晶硅雙面雙玻太陽電池組件首年衰減比例1%,逐年功率衰減0.4%,中間區間采用線性插值，如表3所示。
根據表3,光伏組件正面25年平均發電量110.88萬KW·h,
總發電量2772.06萬KW·h,全年平均有效小時數為1365.55h。根據產品規格書中可查得雙玻組件的背面系數為0.7,則：
表3光伏組件25年正面發電量表
背板輻射量=入射采光面的輻射量×背板輻照率=1702KW·h/m2×8.45%=143.82KW·h/m2,如表4所示。
表4光伏組件25年背面發電董表
根據表4,光伏組件背面25年平均發電量9.37萬KW·h,總發電量234.24萬KW·h,全年平均有效小時數為115.39h。
25年平均發電量=正面平均年發電量+背面平均年發電量=110.88萬KW·h+9.37萬KW·h=120.259.37萬KW·h,該系統平均有效小時數為1365.55h+115.39h=1480.94h。
3.5項目投資分析
綜合分析服務區全年每月白天耗電量，消納比例高達約85%,15%電量用于上網，如表5所示。
表5用電消納與上網配置
表6項目投資收益表
項目考慮全部采用自有資金，后期維護成本按照0.4元/W計。
項目總投資324.8萬元。由表6分析可知，本項目*5年收益297.30萬元，*6年收益355.67萬元。本項目在*5年半左右收益超過總投資324.8萬元。故項目靜態投資回收期在5~6年之間，25年總收益1397.11萬元，投資成本324.8萬元，凈利潤1072.31萬元，項目收益良好，投*回*豐厚。
4Acrel-2000MG充電站微電網能量管理系統
4.1平臺概述
Acrel-2000MG微電網能量管理系統，是我司根據新型電力系統下微電網監控系統與微電網能量管理系統的要求，總結國內外的研究和生產的*進經驗，專門研制出的企業微電網能量管理系統。本系統滿足光伏系統、風力發電、儲能系統以及充電站的接入，*進行數據采集分析，直接監視光伏、風能、儲能系統、充電站運行狀態及健康狀況，是一個集監控系統、能量管理為一體的管理系統。該系統在安全穩定的基礎上以經濟優化運行為目標，促進可再生能源應用，提高電網運行穩定性、補償負荷波動；有效實現用戶側的需求管理、消除晝夜峰谷差、平滑負荷，提高電力設備運行效率、降低供電成本。為企業微電網能量管理提供安全、可靠、經濟運行提供了全新的解決方案。
微電網能量管理系統應采用分層分布式結構，整個能量管理系統在物理上分為三個層：設備層、網絡通信層和站控層。站級通信網絡采用標準以太網及TCP/IP通信協議，物理媒介可以為光纖、網線、屏蔽雙絞線等。系統支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信規約。
4.2平臺適用場合
系統可應用于城市、高速公路、工業園區、工商業區、居民區、智能建筑、海島、無電地區可再生能源系統監控和能量管理需求。
4.3系統架構
本平臺采用分層分布式結構進行設計，即站控層、網絡層和設備層，詳細拓撲結構如下：
圖1典型微電網能量管理系統組網方式
5充電站微電網能量管理系統解決方案
5.1實時監測
微電網能量管理系統人機界面友好，應能夠以系統一次電氣圖的形式直觀顯示各電氣回路的運行狀態，實時監測光伏、風電、儲能、充電站等各回路電壓、電流、功率、功率因數等電參數信息，動態監視各回路斷路器、隔離開關等合、分閘狀態及有關故障、告警等信號。其中，各子系統回路電參量主要有：相電壓、線電壓、三相電流、有功/無功功率、視在功率、功率因數、頻率、有功/無功電度、頻率和正向有功電能累計值；狀態參數主要有：開關狀態、斷路器故障脫扣告警等。
系統應可以對分布式電源、儲能系統進行發電管理，使管理人員實時掌握發電單元的出力信息、收益信息、儲能荷電狀態及發電單元與儲能單元運行功率設置等。
系統應可以對儲能系統進行狀態管理，能夠根據儲能系統的荷電狀態進行及時告警，并支持定期的電池維護。
微電網能量管理系統的監控系統界面包括系統主界面，包含微電網光伏、風電、儲能、充電站及總體負荷組成情況，包括收益信息、天氣信息、節能減排信息、功率信息、電量信息、電壓電流情況等。根據不同的需求，也可將充電，儲能及光伏系統信息進行顯示。
圖1系統主界面
子界面主要包括系統主接線圖、光伏信息、風電信息、儲能信息、充電站信息、通訊狀況及一些統計列表等。
5.1.1光伏界面
圖2光伏系統界面
本界面用來展示對光伏系統信息，主要包括逆變器直流側、交流側運行狀態監測及報警、逆變器及電站發電量統計及分析、并網柜電力監測及發電量統計、電站發電量年有效利用小時數統計、發電收益統計、碳減排統計、輻照度/風力/環境溫濕度監測、發電功率模擬及效率分析；同時對系統的總功率、電壓電流及各個逆變器的運行數據進行展示。
5.1.2儲能界面
圖3儲能系統界面
本界面主要用來展示本系統的儲能裝機容量、儲能當前充放電量、收益、SOC變化曲線以及電量變化曲線。
圖4儲能系統PCS參數設置界面
本界面主要用來展示對PCS的參數進行設置，包括開關機、運行模式、功率設定以及電壓、電流的限值。
圖5儲能系統BMS參數設置界面
本界面用來展示對BMS的參數進行設置，主要包括電芯電壓、溫度保護限值、電池組電壓、電流、溫度限值等。
圖6儲能系統PCS電網側數據界面
本界面用來展示對PCS電網側數據，主要包括相電壓、電流、功率、頻率、功率因數等。
圖7儲能系統PCS交流側數據界面
本界面用來展示對PCS交流側數據，主要包括相電壓、電流、功率、頻率、功率因數、溫度值等。同時針對交流側的異常信息進行告警。
圖8儲能系統PCS直流側數據界面
本界面用來展示對PCS直流側數據，主要包括電壓、電流、功率、電量等。同時針對直流側的異常信息進行告警。
圖9儲能系統PCS狀態界面
本界面用來展示對PCS狀態信息，主要包括通訊狀態、運行狀態、STS運行狀態及STS故障告警等。
圖10儲能電池狀態界面
本界面用來展示對BMS狀態信息，主要包括儲能電池的運行狀態、系統信息、數據信息以及告警信息等，同時展示當前儲能電池的SOC信息。
圖11儲能電池簇運行數據界面
本界面用來展示對電池簇信息，主要包括儲能各模組的電芯電壓與溫度，并展示當前電芯的電壓、溫度值及所對應的位置。
5.1.3風電界面
圖12風電系統界面
本界面用來展示對風電系統信息，主要包括逆變控制一體機直流側、交流側運行狀態監測及報警、逆變器及電站發電量統計及分析、電站發電量年有效利用小時數統計、發電收益統計、碳減排統計、風速/風力/環境溫濕度監測、發電功率模擬及效率分析；同時對系統的總功率、電壓電流及各個逆變器的運行數據進行展示。
5.1.4充電站界面
圖13充電站界面
本界面用來展示對充電站系統信息，主要包括充電站用電總功率、交直流充電站的功率、電量、電量費用，變化曲線、各個充電站的運行數據等。
5.1.5視頻監控界面
圖14微電網視頻監控界面
本界面主要展示系統所接入的視頻畫面，且通過不同的配置，實現預覽、回放、管理與控制等。
系統應可以通過歷史發電數據、實測數據、未來天氣預測數據，對分布式發電進行短期、超短期發電功率預測，并展示合格率及誤差分析。根據功率預測可進行人工輸入或者自動生成發電計劃，便于用戶對該系統新能源發電的集中管控。
圖15光伏預測界面
系統應可以根據發電數據、儲能系統容量、負荷需求及分時電價信息，進行系統運行模式的設置及不同控制策略配置。如削峰填谷、周期計劃、需量控制、防逆流、有序充電、動態擴容等。
具體策略根據項目實際情況（如儲能柜數量、負載功率、光伏系統能力等）進行接口適配和策略調整，同時支持定制化需求。
圖16策略配置界面
應能查詢各子系統、回路或設備*時間的運行參數，報表中顯示電參量信息應包括：各相電流、三相電壓、總功率因數、總有功功率、總無功功率、正向有功電能、尖峰平谷時段電量等。
圖17運行報表
應具有實時報警功能，系統能夠對各子系統中的逆變器、雙向變流器的啟動和關閉等遙信變位，及設備內部的保護動作或事故跳閘時應能發出告警，應能實時顯示告警事件或跳閘事件，包括保護事件名稱、保護動作時刻；并應能以彈窗、聲音、短信和電話等形式通知相關人員。
圖18實時告警
應能夠對遙信變位，保護動作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數、電芯溫度（鋰離子電池）、壓力（液流電池）、光照、風速、氣壓越限等事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統事件和報警進行歷史追溯，查詢統計、事故分析。
圖19歷史事件查詢
應可以對整個微電網系統的電能質量包括穩態狀態和暫態狀態進行持續監測，使管理人員實時掌握供電系統電能質量情況，以便及時發現和消除供電不穩定因素。
1）在供電系統主界面上應能實時顯示各電能質量監測點的監測裝置通信狀態、各監測點的A/B/C相電壓總畸變率、三相電壓不平衡度*和正序/負序/零序電壓值、三相電流不平衡度*和正序/負序/零序電流值；
2）諧波分析功能：系統應能實時顯示A/B/C三相電壓總諧波畸變率、A/B/C三相電流總諧波畸變率、奇次諧波電壓總畸變率、奇次諧波電流總畸變率、偶次諧波電壓總畸變率、偶次諧波電流總畸變率；應能以柱狀圖展示2-63次諧波電壓含有率、2-63次諧波電壓含有率、0.5～63.5次間諧波電壓含有率、0.5～63.5次間諧波電流含有率；
3）電壓波動與閃變：系統應能顯示A/B/C三相電壓波動值、A/B/C三相電壓短閃變值、A/B/C三相電壓長閃變值；應能提供A/B/C三相電壓波動曲線、短閃變曲線和長閃變曲線；應能顯示電壓偏差與頻率偏差；
4）功率與電能計量：系統應能顯示A/B/C三相有功功率、無功功率和視在功率；應能顯示三相總有功功率、總無功功率、總視在功率和總功率因素；應能提供有功負荷曲線，包括日有功負荷曲線（折線型）和年有功負荷曲線（折線型）；
5）電壓暫態監測：在電能質量暫態事件如電壓暫升、電壓暫降、短時中斷發生時，系統應能產生告警，事件能以彈窗、閃爍、聲音、短信、電話等形式通知相關人員；系統應能查看相應暫態事件發生前后的波形。
6）電能質量數據統計：系統應能顯示1min統計整2h存儲的統計數據，包括均值、*值、*值、95%概率值、方均根值。
7）事件記錄查看功能：事件記錄應包含事件名稱、狀態（動作或返回）、波形號、越限值、故障持續時間、事件發生的時間。
圖20微電網系統電能質量界面
應可以對整個微電網系統范圍內的設備進行遠程遙控操作。系統維護人員可以通過管理系統的主界面完成遙控操作，并遵循遙控預置、遙控返校、遙控執行的操作順序，可以及時執行調度系統或站內相應的操作命令。
圖21遙控功能
應可在曲線查詢界面，可以直接查看各電參量曲線，包括三相電流、三相電壓、有功功率、無功功率、功率因數、SOC、SOH、充放電量變化等曲線。
圖22曲線查詢
具備定時抄表匯總統計功能，用戶可以自由查詢自系統正常運行以來任意時間段內各配電節點的發電、用電、充放電情況，即該節點進線用電量與各分支回路消耗電量的統計分析報表。對微電網與外部系統間電能量交換進行統計分析；對系統運行的節能、收益等分析；具備對微電網供電可靠性分析，包括年停電時間、年停電次數等分析；具備對并網型微電網的并網點進行電能質量分析。
圖23統計報表
系統支持實時監視接入系統的各設備的通信狀態，能夠完整的顯示整個系統網絡結構；可在線診斷設備通信狀態，發生網絡異常時能自動在界面上顯示故障設備或元件及其故障部位。
圖24微電網系統拓撲界面
本界面主要展示微電網系統拓撲，包括系統的組成內容、電網連接方式、斷路器、表計等信息。
可以對整個微電網系統范圍內的設備通信情況進行管理、控制、數據的實時監測。系統維護人員可以通過管理系統的主程序右鍵打開通信管理程序，然后選擇通信控制啟動所有端口或某個端口，快速查看某設備的通信和數據情況。通信應支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信規約。
圖25通信管理
應具備設置用戶權限管理功能。通過用戶權限管理能夠防止未經授權的操作（如遙控操作，運行參數修改等）。可以定義不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限，為系統運行、維護、管理提供可靠的安全保障。
圖26用戶權限
應可以在系統發生故障時，自動準確地記錄故障前、后過程的各相關電氣量的變化情況，通過對這些電氣量的分析、比較，對分析處理事故、判斷保護是否正確動作、提高電力系統安全運行水平有著重要作用。其中故障錄波共可記錄16條，每條錄波可觸發6段錄波，每次錄波可記錄故障前8個周波、故障后4個周波波形，總錄波時間共計46s。每個采樣點錄波至少包含12個模擬量、10個開關量波形。
圖27故障錄波
可以自動記錄事故時刻前后一段時間的所有實時掃描數據，包括開關位置、保護動作狀態、遙測量等，形成事故分析的數據基礎。
用戶可自定義事故追憶的啟動事件，當每個事件發生時，存儲事故掃描周期及事故后10個掃描周期的有關點數據。啟動事件和監視的數據點可由用戶隨意修改。
6結束語
我國高速公路通車總里程全球*一，有大量的服務區，另外近年來服務區大量安裝充電樁，服務區用電量越來越大。本文以天津某高速公路服務區分布式光伏為例，從項目的經濟收益角度分析了項目投資，發電量，收益等方面，分布式光伏發電項目在高速公路服務區中應用是可行的，而且隨著光伏組件，逆變器等設備價格的不斷下降，高速公路光伏項目收益越來越好。
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