淺述光伏發電項目的電量調度

楊洋

（深圳世紀星源股份有限公司，廣東 深圳 518001）

淺述光伏發電項目的電量調度

楊洋

（深圳世紀星源股份有限公司，廣東 深圳 518001）

光伏發電是利用半導體界面的光生伏特效應將光能直接轉變為電能的一種技術。我國的常規能源儲量很有限，并且遠低于世界平均水平，而太陽能作為可再生能源，不僅具有資源的充足性，還有充分的清潔性、絕對的安全性和潛在的經濟性等優點。近年來，我國也成為了全球光伏發電安裝量增長最快的國家。雖然太陽能資源充足，但是，以目前的技術，光伏發電裝置實際的光電轉化率仍不足30%，因此，如何有效利用收集到的電能也是一個很重要的課題。通過分析一個實際參與設計的光伏發電項目，說明在具體項目中根據實地情況和客戶要求進行電量調度分配的一些心得和在此過程中需要注意的問題，以期為日后相關工作的順利進行提供參考。

光伏發電；電量調度；太陽能資源；負載用電量

光伏發電是利用半導體界面的光生伏特效應將光能直接轉變為電能的一種技術。光伏發電裝置主要由太陽電池板（組件）、控制器和逆變器三大部分組成，主要部件由電子元器件構成。太陽能電池經過串聯后進行封裝保護可形成大面積的太陽電池組件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏發電裝置。與常用的火力發電系統相比，光伏發電的優點主要體現為：無枯竭危險，安全、可靠，無噪聲，無污染排放，不受資源分布地域的限制，可利用建筑屋面的優勢，無需消耗燃料和架設輸電線路即可就地發電、供電等。

但是，光伏發電也具有一定的缺點，即照射的能量分布密度小，要占用的面積很大，獲得的能源與四季、晝夜和陰晴等氣象條件有關，光伏板制造過程中不環保等。

本文通過分析一個光伏發電項目的電量調度，放大光伏發電的優點，縮小其缺點，最大限度地利用收集到的能源來滿足客戶的需求。

1 項目介紹

本文所討論的光伏發電項目所在地為湖南長沙，是住宅小區配套的供電系統。項目類型為屋頂離網光伏發電系統，規劃發電總量為288.12 kWp，其中為覆蓋整個小區水系的景觀泵房配備159.18 kWp，樓宇照明系統配備100 kWp，還有另外30 kWp左右配備給其他負載。該系統年均發電量約為2.94×105kW·h。

本文討論的主要問題是如何實現為觀景泵房配備的159.18 kWp電量的最優化調度。調度方案根據客戶實際給出的發電使用原則來設計：自發自用，余量存入蓄電池，以及光伏發電和現場工作的實際情況來控制水泵的運行狀態，在合適的時刻啟動和停止相關負載，以充分利用光伏資源。在設計方案的過程中，要將光伏發電端與觀景泵房負載端高效結合，充分利用系統所發電能控制水泵工作，從而使整個小區的景觀水系有條不紊地循環起來，如圖1所示。

圖1 調度控制方案

2 設計要點分析

要想制訂出最優的調度方案充分利用光伏發電的能源，相關人員就需要了解項目所在地的實地情況，客戶對水泵啟停的控制要求，以及所用設備的運行參數等。下面，筆者將通過5點來說明在設計本光伏發電系統的電量調度方案時重點分析的內容。

2.1 設備啟動順序

本方案主要針對景觀泵房的水泵運行進行控制設計。負載水泵主要有：排水泵4 kW（2臺），提升泵4 kW（2臺），綠化加壓泵11 kW（2臺），循環水泵22 kW（2臺），觀景噴泉泵15 kW（1臺）。提升泵和綠化加壓泵采用一主一備的運行方式，提升泵主要用于提供景觀水的動力，綠化加壓泵主要用于園林植被的灌溉和防旱。通常情況下，二者每天都要工作一定的時間。排水泵的主要用途是排放污水污泥，平時不用每天啟動，需要工作時直接接入市電運行；循環泵與提升泵的作用基本相同，在供電充足的情況下，2臺循環泵同時運行實現景觀水的循環。另外還有一臺觀景噴泉泵15 kW，平常不需啟動，需要時由市電供其運行。綜上所述，通常情況下，設備負載容量為59 kW。由于小功率水泵可以在低能量條件下啟動，所以，啟動優先順序是：提升泵—綠化加壓泵—循環泵1—循環泵2，設備信息如表1所示。

表1 景觀水泵配置

2.2 日照情況

光伏發電系統工作時，對其影響最大的就是日照時間和日照強度，因此，在設計方案時，一定要事先了解項目所在地的日照情況，同一發電指標在不同地區的電量調度方案設計會大不相同，所以，對于同一地區，也要考慮不同季節的電量調度方案。

這個項目所在地湖南長沙的地理位置為：緯度28.23°N，經度113.10°E附近。長沙年平均日照峰值小時統計如表2所示。項目為觀景泵房配備了一套159.18 KWp的太陽能光伏組件，1臺160 kW逆變器，1臺160 kW控制器，1套690 Ah蓄電池。按發電效率80%計算，每個日照峰值小時所發的電量大約為127 kW·h。在理想狀況下，所有負載工作1 h所耗電量為59 kW·h。考慮到啟動電流和實際工作過程中的其他損耗因素，實際所耗電量可能偏大。

根據表2長沙當地年平均日照峰值小時數3.29 h計算，每天通過太陽光伏板所發的實際電量大約為420 kW·h，本方案的目的就是將每天所發的這420 kW·h電量充分、有效地應用到負載和蓄電池上，實現發電與用電的最佳匹配。

表2 長沙年平均日照峰值小時統計

2.3 設備運行時間分配

綠化加壓泵和提升泵采用星三角啟動方式，啟動電流大約為工作電流的2～2.3倍。對于大功率的循環泵，為了避免按照相同方式啟動時產生的啟動電流對整個系統造成沖擊，決定采用變頻啟動的方式，具體數據如表3所示。

表3 負載相關參數

當蓄電池的容量為690Ah時，為了維持蓄電池的性能，在使用時，要預留50%的容量，即實際使用的電量為350Ah左右，換算為200 kW·h左右的能量（功率因數約為0.9）。通常情況下，1 d太陽能光伏發電要為蓄電池充200 kW·h的電量。綜合負載和蓄電池的情況，初步確定1 d內負載和蓄電池用電分配如表4所示。每天420 kW·h的發電量分配到負載和蓄電池各200 kW·h，留20 kW·h左右的富余。

2.4 不同季節單獨考慮

光伏發電系統的發電能力容易受到地理位置的影響，就算同一地理位置的不同季節，發電能力也有可能區別很大。對于本方案的項目地長沙，夏季和冬季的日照情況需要單獨考慮，因此，電量調度方案也要作相應的調整。

表4 負載和蓄電池用電分配

2．4．1 標準方案

圖2 冬季日光伏發電量及負載用電量曲線圖

標準方案發電和用電分配如圖2所示。圖2所示曲線由圖3所示的景觀泵房水泵運行啟動控制流程圖得出。

此方案適用于每年4月份、5月份、9月份，在夏季和冬季會對方案進行相應的調整，具體方案描述如下：

早晨7：00，太陽能光伏組件開始發電。等光伏發電大于12 kW·h時（此時如果停止發電，則蓄電池的電量可供提升泵工作1 h，考慮蓄電池預留容量為50%），大約8：00時可以先啟動提升泵，計劃運行6 h后停泵或根據現場反饋數據判斷是否停泵。9：30左右，當發電量大于45 kW·h時，開啟綠化加壓泵，計劃運行6 h后停泵或根據現場反饋數據判斷是否停泵。9：45左右，當發電量大于67 kW·h時，開啟循環泵1，計劃運行3 h后停泵。10：00左右，當發電量大于89 kW·h時，開啟循環泵2，計劃運行2 h后停泵。

計劃15：00之前所有水泵先后都會停止運行，之后如果還需繼續運行水泵，則可以由蓄電池來提供動力。剩余儲存在蓄電池的200 kW·h能量可以根據實際需要在下午或晚上發電不足時供水泵運行使用。蓄電量分配情況如表5所示。

圖3 景觀泵房水泵啟動控制流程圖

表5 蓄電池供負載運行能量分配表

這個標準方案只是一個運行參考，在實際運行過程中，開啟水泵的流程應根據本方案執行，但是，何時停止水泵可根據現場反饋自動控制或由人工手動停泵。本方案是在無反饋和無手動操作時由已輸入控制參數的配套控制軟件來自動控制的啟停方案。

當水泵運行時，光伏發電多余的電量會儲存到蓄電池中，而在4臺泵同時運行的時間內，也基本是太陽光伏發電實際功率最高（正午）的時候，這時的發電量幾乎全部用于帶動負載工作。另外，白天水泵運行時，光伏即時發電已能滿足負載供電的需求，無需蓄電池輔助供電。正常情況下，可按照標準方案調度。在夏季和冬季，會對方案進行相應的調整。當遇到陰雨天時，系統需要切換為蓄電池供電，以帶動負載。當蓄電池電量不足并且要求負載啟動運行時，接入市電。

2．4．2 夏季（適用于6月、7月、8月）

夏季時，每日的日照峰值小時數可達到4 h以上，因此，實際發電量可達500 kW·h以上，可供負載立即使用的發電量達到300 kW·h以上，因此，負載能量分配需要做相應的調整。水泵運行時間分配變更和能量曲線分別如表6和圖4所示，啟動順序仍然按照標準方案執行。

表6 夏季負載運行時間分配

圖4 夏季日光伏發電量及負載用電量曲線圖

2．4．3 冬季（適用于11月、12月、1月、2月、3月）

在冬季，每日的日照峰值小時會減少到2.2 h左右，因此，實際發電量約為280 kW·h，計劃不將蓄電池蓄滿，讓優先水泵即時運行，蓄電池只充1/2的電量，即100 kW·h。水泵運行時間變更和能量曲線分別如表7和圖5所示。

表7 冬季負載運行時間分配

圖5 冬季日光伏發電量及負載用電量曲線圖

冬季日照強度在正午時有可能達不到供4臺水泵同時運行的條件，因此，一般如果要開啟循環泵2，應加入蓄電池同時供電。

2．4．2 降雨

遇到連續降雨的情況，使用蓄電池儲存的電量來供應負載運行，能量不足時考慮接入市電。這時，啟動優先級順序稍有變化，即綠化加壓泵—提升泵—循環泵1—循環泵2.

2.5 聯系實際情況

2．5．1 蓄電池的保溫工作

蓄電池的工作溫度在20℃以下時，每下降1℃，其容量下降1%.考慮到長沙在冬季時氣溫可低至0～5℃左右，建議給蓄電池配置保溫設施以保持其蓄電能力。

2．5．2 太陽能光伏板的角度選定

太陽能光伏板的朝向對光伏發電的功率影響很大，不同朝向之間的發電功率差別最高可達50%.例如，湖南長沙在夏季時東（或西）的朝向發電功率最大，不同季節、不同朝向都有可能出現最大發電功率，現場工作人員應實地測算確定最佳角度，如果光伏板能隨著最佳朝向旋轉為最佳方案。

3 結束語

本調度方案以理論數據為基礎，結合湖南長沙的實際情況，經計算得出相應結果作為方案的最終數據，基本達到了光伏發電最大化利用的目的。該方案對于一年中的不同季節調整了電量調度方案，但仍然可能與現場實際情況有出入，因此，需要后續有關人員對相關控制參數進行適當的修改，以優化該方案。本文可以為類似的光伏發電項目的電量分配提供一個參考，從日照情況、客戶要求、設備需求和季節區別等重要方面闡述如何最大化利用光伏發電產生的能源，并根據實際情況對具體項目設計方案作出相應的調整。

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［2］張璐，唐巍，叢鵬偉，等.含光伏發電的配電網有功無功資源綜合優化配置［J］.中國電機工程學報，2014（31）：5525-5533.

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〔編輯：白潔〕

TM615+.2

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.13.003

2095-6835（2017）13-0003-04

楊洋（1992—），男，河北深州人，2015年畢業于香港城市大學（碩士），主要研究方向為自動控制。