淺談分布式光伏發電在高速公路服務區的研究與應用

hth下载地址 陳聰

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係統。通過對分布式光伏項目裝機容量、發電量、收益、總投資等方麵分析可知，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(guan) 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(wei) 我們(men) 主要的能源資源，滿足人民的需求，滿足經濟發展。化石能源作為(wei) 不*再*資源，儲(chu) 量相對有限，據科學家研究，現有化石能源將在數十年內(nei) 耗盡，並且化石能源的開采和使用對環境造成了嚴(yan) 重的影響，燃燒化石能源會(hui) 產(chan) 生大量的二氧化碳等溫室氣體(ti) ，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(wei) 一種可再生能源，被認為(wei) 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(wei) 電能。太陽能具有廣泛分布、**不斷的特點，並且不會(hui) 產(chan) 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(wei) 一個(ge) 越來越有吸引力的替代能源選擇。

高速公路作為(wei) 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裏程17.7萬(wan) 公裏，位居全球*一，並且還在高速增長中。我國高速公路有7000多個(ge) 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。“高速公路+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(wei) 研究對象，分析分布式光伏在高速公路服務區應用優(you) 勢，測算投資收益情況，展望“高速公路+光伏”未來發展方向。

1太陽能光伏發電係統簡介

太陽能發電係統是利用光伏組件將太陽能轉化成電能的發電係統。太陽能光伏發電係統主要包括光伏組件方陣、並網逆變器、接入係統等。

光伏組件方陣利用太陽能轉化成電能(直流),由並網逆變器將直流電轉換為(wei) 交流電，通過接入係統並網。

2“高速公路+光伏”優(you) 勢分析

(1)原則上不再新增建設用地。高速公路建設時，征地麵積一般較大，光伏組件基本都布設在高速公路用地範圍內(nei) ，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(zhuan) 業(ye) 的維護團隊維護，高速公路光伏發電站運維管理可與(yu) 高速公路日常養(yang) 護一並統籌，僅(jin) 需增加少量的光伏運維的專(zhuan) 業(ye) 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

本項目位於(yu) 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(wei) 100千米/小時，其中薊州區服務區占地麵積約11萬(wan) m²,建有服務用房約4000m²,兩(liang) 座加油站，車場等設施。為(wei) 盡可能大麵積鋪上光伏組件，考慮在服務區空地、停車場、建築屋頂等地方敷設，經分析統計，上下行兩(liang) 個(ge) 方向服務區內(nei) 可用作光伏發電區域麵積約8000m²。

3.2項目開發模式

對於(yu) 現狀的高速公路項目，目前常見的模式為(wei) 高速公路的運營主體(ti) 自行投資、建設、運維光伏項目，或者高速公路的運營主體(ti) 提供路網閑置資源作為(wei) 光伏項目建設場所，通過對外招商，

與(yu) *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(wei) 投資主體(ti) ，負責項目投資本項目，故項目收益全部為(wei) 高速公路公司所得。天津市目前一般工商業(ye) 采用峰平穀電價(jia) ，經現場調研，薊州區服務區白天綜合電價(jia) 約0.8元/kWh。

3.3項目投資分析

通過對已建項目調研分析並向設備廠商詢價(jia) ，分析得出服務區光伏發電項目建設成本單價(jia) 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(qing) 角、0°方位角布置光伏組件。考慮光伏組件衰減、溫度修正係數、表麵汙染及遮擋修正係數、適配係數、逆變器平均效率、集電線路損耗係數等因素，本工程綜合修正係數K=0.85。建設成本單價(jia) 組成如表2所示：

表2建設成本單價(jia) 組成

本項目每瓦投資4.0元，總容量為(wei) 812KWp,總投資為(wei) 324.8萬(wan) 元。

3.4項目發電分析

根據初步估算，本工程35°傾(qing) 角，安裝容量為(wei) 812kWp。單個(ge) 組件容量580Wp,發電量根據下式計算。

Ep=HA×PAZ/ES×K (1)

式中：HA為(wei) 傾(qing) 斜麵太陽能總輻射量(含背板增益)(KW·h/m²,峰值小時數)對於(yu) 本工程，35°傾(qing) 角取值1702KW·h/m²;Ep為(wei) 上網發電量(KW·h);ES為(wei) 標準條件下的輻照度(常數=1kWh/m²);PAZ為(wei) 組件安裝容量(kWp);K為(wei) 綜合效率係數，取0.85。

目前，市場上的光伏電池使用壽命一般為(wei) 25年，根據太陽電池廠家提供的組件衰減參數，N型單晶矽雙麵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,光伏組件正麵25年平均發電量110.88萬(wan) KW·h,

總發電量2772.06萬(wan) KW·h,全年平均有效小時數為(wei) 1365.55h。根據產(chan) 品規格書(shu) 中可查得雙玻組件的背麵係數為(wei) 0.7,則：

表3光伏組件25年正麵發電量表

背板輻射量=入射采光麵的輻射量×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年背麵發電董表

根據表4,光伏組件背麵25年平均發電量9.37萬(wan) KW·h,總發電量234.24萬(wan) KW·h,全年平均有效小時數為(wei) 115.39h。

25年平均發電量=正麵平均年發電量+背麵平均年發電量=110.88萬(wan) KW·h+9.37萬(wan) KW·h=120.259.37萬(wan) KW·h,該係統平均有效小時數為(wei) 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%電量用於(yu) 上網，如表5所示。

表5用電消納與(yu) 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，後期維護成本按照0.4元/W計。

項目總投資324.8萬(wan) 元。由表6分析可知，本項目*5年收益297.30萬(wan) 元，*6年收益355.67萬(wan) 元。本項目在*5年半左右收益超過總投資324.8萬(wan) 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(wan) 元，投資成本324.8萬(wan) 元，淨利潤1072.31萬(wan) 元，項目收益良好，投*回*豐(feng) 厚。

4Acrel-2000MG充電站微電網能量管理係統

4.1平台概述

Acrel-2000MG微電網能量管理係統，是我司根據新型電力係統下微電網監控係統與(yu) 微電網能量管理係統的要求，總結國內(nei) 外的研究和生產(chan) 的*進經驗，專(zhuan) 門研製出的企業(ye) 微電網能量管理係統。本係統滿足光伏係統、風力發電、儲(chu) 能係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(chu) 能係統、充電站運行狀態及健康狀況，是一個(ge) 集監控係統、能量管理為(wei) 一體(ti) 的管理係統。該係統在安全穩定的基礎上以經濟優(you) 化運行為(wei) 目標，促進可再生能源應用，提高電網運行穩定性、補償(chang) 負荷波動；有效實現用戶側(ce) 的需求管理、消除晝夜峰穀差、平滑負荷，提高電力設備運行效率、降低供電成本。為(wei) 企業(ye) 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(jue) 方案。

微電網能量管理係統應采用分層分布式結構，整個(ge) 能量管理係統在物理上分為(wei) 三個(ge) 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(wei) 光纖、網線、屏蔽雙絞線等。係統支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信規約。

4.2平台適用場合

係統可應用於(yu) 城市、高速公路、工業(ye) 園區、工商業(ye) 區、居民區、智能建築、海島、無電地區可再生能源係統監控和能量管理需求。

4.3係統架構

本平台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係統組網方式

5充電站微電網能量管理係統解決方案

5.1實時監測

微電網能量管理係統人機界麵友好，應能夠以係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(chu) 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(guan) 等合、分閘狀態及有關(guan) 故障、告警等信號。其中，各子係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(guan) 狀態、斷路器故障脫扣告警等。

係統應可以對分布式電源、儲(chu) 能係統進行發電管理，使管理人員實時掌握發電單元的出力信息、收益信息、儲(chu) 能荷電狀態及發電單元與(yu) 儲(chu) 能單元運行功率設置等。

係統應可以對儲(chu) 能係統進行狀態管理，能夠根據儲(chu) 能係統的荷電狀態進行及時告警，並支持定期的電池維護。

微電網能量管理係統的監控係統界麵包括係統主界麵，包含微電網光伏、風電、儲(chu) 能、充電站及總體(ti) 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(chu) 能及光伏係統信息進行顯示。

圖1係統主界麵

子界麵主要包括係統主接線圖、光伏信息、風電信息、儲(chu) 能信息、充電站信息、通訊狀況及一些統計列表等。

5.1.1光伏界麵

圖2光伏係統界麵

本界麵用來展示對光伏係統信息，主要包括逆變器直流側(ce) 、交流側(ce) 運行狀態監測及報警、逆變器及電站發電量統計及分析、並網櫃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；同時對係統的總功率、電壓電流及各個(ge) 逆變器的運行數據進行展示。

5.1.2儲(chu) 能界麵

圖3儲(chu) 能係統界麵

本界麵主要用來展示本係統的儲(chu) 能裝機容量、儲(chu) 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(chu) 能係統PCS參數設置界麵

本界麵主要用來展示對PCS的參數進行設置，包括開關(guan) 機、運行模式、功率設定以及電壓、電流的限值。

圖5儲(chu) 能係統BMS參數設置界麵

本界麵用來展示對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(chu) 能係統PCS電網側(ce) 數據界麵

本界麵用來展示對PCS電網側(ce) 數據，主要包括相電壓、電流、功率、頻率、功率因數等。

圖7儲(chu) 能係統PCS交流側(ce) 數據界麵

本界麵用來展示對PCS交流側(ce) 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(ce) 的異常信息進行告警。

圖8儲(chu) 能係統PCS直流側(ce) 數據界麵

本界麵用來展示對PCS直流側(ce) 數據，主要包括電壓、電流、功率、電量等。同時針對直流側(ce) 的異常信息進行告警。

圖9儲(chu) 能係統PCS狀態界麵

本界麵用來展示對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(chu) 能電池狀態界麵

本界麵用來展示對BMS狀態信息，主要包括儲(chu) 能電池的運行狀態、係統信息、數據信息以及告警信息等，同時展示當前儲(chu) 能電池的SOC信息。

圖11儲(chu) 能電池簇運行數據界麵

本界麵用來展示對電池簇信息，主要包括儲(chu) 能各模組的電芯電壓與(yu) 溫度，並展示當前電芯的電壓、溫度值及所對應的位置。

5.1.3風電界麵

圖12風電係統界麵

本界麵用來展示對風電係統信息，主要包括逆變控製一體(ti) 機直流側(ce) 、交流側(ce) 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；同時對係統的總功率、電壓電流及各個(ge) 逆變器的運行數據進行展示。

5.1.4充電站界麵

圖13充電站界麵

本界麵用來展示對充電站係統信息，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(ge) 充電站的運行數據等。

5.1.5視頻監控界麵

圖14微電網視頻監控界麵

本界麵主要展示係統所接入的視頻畫麵，且通過不同的配置，實現預覽、回放、管理與(yu) 控製等。

5.1.6發電預測

係統應可以通過曆史發電數據、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，並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，便於(yu) 用戶對該係統新能源發電的集中管控。

圖15光伏預測界麵

5.1.7策略配置

係統應可以根據發電數據、儲(chu) 能係統容量、負荷需求及分時電價(jia) 信息，進行係統運行模式的設置及不同控製策略配置。如削峰填穀、周期計劃、需量控製、防逆流、有序充電、動態擴容等。

具體(ti) 策略根據項目實際情況（如儲(chu) 能櫃數量、負載功率、光伏係統能力等）進行接口適配和策略調整，同時支持定製化需求。

圖16策略配置界麵

5.1.8運行報表

應能查詢各子係統、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、尖峰平穀時段電量等。

圖17運行報表

5.1.9實時報警

應具有實時報警功能，係統能夠對各子係統中的逆變器、雙向變流器的啟動和關(guan) 閉等遙信變位，及設備內(nei) 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；並應能以彈窗、聲音、短信和電話等形式通知相關(guan) 人員。

圖18實時告警

5.1.10曆史事件查詢

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(chu) 和管理，方便用戶對係統事件和報警進行曆史追溯，查詢統計、事故分析。

圖19曆史事件查詢

5.1.11電能質量監測

應可以對整個(ge) 微電網係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係統電能質量情況，以便及時發現和消除供電不穩定因素。

1）在供電係統主界麵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：係統應能實時顯示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(yu) 閃變：係統應能顯示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(yu) 頻率偏差；

4）功率與(yu) 電能計量：係統應能顯示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，係統應能產(chan) 生告警，事件能以彈窗、閃爍、聲音、短信、電話等形式通知相關(guan) 人員；係統應能查看相應暫態事件發生前後的波形。

6）電能質量數據統計：係統應能顯示1min統計整2h存儲(chu) 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微電網係統電能質量界麵

5.1.12遙控功能

應可以對整個(ge) 微電網係統範圍內(nei) 的設備進行遠程遙控操作。係統維護人員可以通過管理係統的主界麵完成遙控操作，並遵循遙控預置、遙控返校、遙控執行的操作順序，可以及時執行調度係統或站內(nei) 相應的操作命令。

圖21遙控功能

5.1.13曲線查詢

應可在曲線查詢界麵，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

5.1.14統計報表

具備定時抄表匯總統計功能，用戶可以自由查詢自係統正常運行以來任意時間段內(nei) 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(yu) 各分支回路消耗電量的統計分析報表。對微電網與(yu) 外部係統間電能量交換進行統計分析；對係統運行的節能、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；具備對並網型微電網的並網點進行電能質量分析。

圖23統計報表

5.1.15網絡拓撲圖

係統支持實時監視接入係統的各設備的通信狀態，能夠完整的顯示整個(ge) 係統網絡結構；可在線診斷設備通信狀態，發生網絡異常時能自動在界麵上顯示故障設備或元件及其故障部位。

圖24微電網係統拓撲界麵

本界麵主要展示微電網係統拓撲，包括係統的組成內(nei) 容、電網連接方式、斷路器、表計等信息。

5.1.16通信管理

可以對整個(ge) 微電網係統範圍內(nei) 的設備通信情況進行管理、控製、數據的實時監測。係統維護人員可以通過管理係統的主程序右鍵打開通信管理程序，然後選擇通信控製啟動所有端口或某個(ge) 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

5.1.17用戶權限管理

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(yi) 不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限，為(wei) 係統運行、維護、管理提供可靠的安全保障。

圖26用戶權限

5.1.18故障錄波

應可以在係統發生故障時，自動準確地記錄故障前、後過程的各相關(guan) 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、提高電力係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(ge) 周波、故障後4個(ge) 周波波形，總錄波時間共計46s。每個(ge) 采樣點錄波至少包含12個(ge) 模擬量、10個(ge) 開關(guan) 量波形。

圖27故障錄波

5.1.19事故追憶

可以自動記錄事故時刻前後一段時間的所有實時掃描數據，包括開關(guan) 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(yi) 事故追憶的啟動事件，當每個(ge) 事件發生時，存儲(chu) 事故*10個(ge) 掃描周期及事故後10個(ge) 掃描周期的有關(guan) 點數據。啟動事件和監視的數據點可由用戶隨意修改。

5.2硬件及其配套產(chan) 品

6結束語

我國高速公路通車總裏程全球*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(wei) 例，從(cong) 項目的經濟收益角度分析了項目投資，發電量，收益等方麵，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(jia) 格的不斷下降，高速公路光伏項目收益越來越好。

參考文獻

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