基于用電大數(shù)據(jù)的光電建筑最佳光伏裝機(jī)容量的估算研究

戴仁德，桂中心，張威振

(湖南中大設(shè)計(jì)院有限公司，長沙 410075)

0 引言

在人力成本不斷攀升、物價(jià)不斷上漲、市場競爭日益激烈的今天，企業(yè)若不能更好地開源節(jié)流、改革創(chuàng)新，將很難保持原有的競爭力。過去，廠房的租金及管理費(fèi)用一直是生產(chǎn)企業(yè)最大的成本支出，需要投入大量的資金。作為分布式光伏發(fā)電的一種應(yīng)用形式，光電建筑受到了國家的大力支持，作為生產(chǎn)企業(yè)閑散資源的廠房屋頂可得到充分利用。

隨著光伏發(fā)電成本逐年下降，我國光伏市場近年來持續(xù)快速發(fā)展，可將光伏發(fā)電與建筑相結(jié)合的光電建筑具有應(yīng)用場景靈活、開發(fā)周期短等優(yōu)勢，裝機(jī)潛力巨大，發(fā)展前景廣闊[1]。近零能耗、零能耗等更高節(jié)能水平的綠色建筑正逐步應(yīng)用和普及，高效、智能化的光伏發(fā)電系統(tǒng)將成為新時(shí)期重要的建筑能源供應(yīng)形式，有助于推動(dòng)我國建筑從傳統(tǒng)的耗能建筑逐步轉(zhuǎn)向產(chǎn)能的光電建筑。分布式光伏發(fā)電是將電力接入配電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了發(fā)電與用電并存，并解決了遠(yuǎn)距離輸電的問題[2]。今后以光電建筑為主的分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目將會(huì)越來越多，因此，光電建筑中光伏裝機(jī)容量成為需要考慮的問題。基于此，本文以企業(yè)用電大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對光電建筑中光伏電力自用電率最高時(shí)的最佳光伏裝機(jī)容量進(jìn)行估算，以期實(shí)現(xiàn)投資收益最大化。

1 光電建筑的電力消納問題

分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)多建于建筑物的屋頂，與建筑物相結(jié)合。光伏電力的消納方式主要分為全額上網(wǎng)和“自發(fā)自用、余電上網(wǎng)”這2種模式。全額上網(wǎng)模式的電價(jià)采用當(dāng)?shù)孛摿蛎弘妰r(jià)進(jìn)行結(jié)算；而“自發(fā)自用、余電上網(wǎng)”模式中，余電上網(wǎng)部分的電價(jià)采用當(dāng)?shù)孛摿蛎弘妰r(jià)，自發(fā)自用部分的電價(jià)則基本為屋頂企所用電電價(jià)或折扣電價(jià)。折扣電價(jià)為當(dāng)前的主流形式，由專業(yè)的光伏發(fā)電投資企業(yè)(下文簡稱“投資企業(yè)”)租用用電企業(yè)的屋頂，投資企業(yè)對用電企業(yè)所產(chǎn)生的電費(fèi)給予折扣優(yōu)惠或?qū)λ庥玫奈蓓斨Ц蹲饨穑瑥亩鴮?shí)現(xiàn)投資企業(yè)和用電企業(yè)雙贏。從投資企業(yè)投資收益最大化的角度來看，由于“自發(fā)自用、余電上網(wǎng)”模式的整體收益高于全額上網(wǎng)模式，尤其是自用電率較高時(shí)的投資收益更好[3]。因此，其可選擇“自發(fā)自用、余電上網(wǎng)”模式。

在最大程度利用屋頂面積的同時(shí)，投資企業(yè)還需要考慮用電企業(yè)能否全部或大部分消納光伏發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)電量。由于余電上網(wǎng)的電價(jià)通常遠(yuǎn)低于自發(fā)自用的電價(jià)，因此，當(dāng)余電上網(wǎng)電力的占比過高時(shí)，項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性將大打折扣，而且當(dāng)計(jì)算自用電率出現(xiàn)較大偏差時(shí)，將導(dǎo)致投資企業(yè)的投資收益率大幅下降，嚴(yán)重時(shí)甚至低于最低收益率標(biāo)準(zhǔn)值。

由于不同行業(yè)的用電量不同，而且同一行業(yè)采用不同的生產(chǎn)方式時(shí)也可導(dǎo)致用電量不同；且一個(gè)企業(yè)的用電負(fù)荷會(huì)隨著市場需求、季節(jié)等因素呈現(xiàn)階段性變化，也可能由于峰谷電價(jià)時(shí)段、生產(chǎn)需要、排班方式等因素在一天之內(nèi)發(fā)生變化。與此同時(shí)，一天之內(nèi)不同時(shí)刻、不同季節(jié)時(shí)光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率也呈現(xiàn)不同規(guī)律。根據(jù)上述原因，存在企業(yè)全年用電量看似很高但光伏電力不一定能被完全消納，或企業(yè)用電負(fù)荷比光伏裝機(jī)容量小但光伏電力被完全消納的情況。例如，某些鑄造冶煉企業(yè)集中在低谷電價(jià)時(shí)段(00:00～06:00)工作，而在其他時(shí)間的用電量就很少；某些企業(yè)的冬季用電量大、夏季用電量小，而光伏發(fā)電系統(tǒng)是冬季發(fā)電量小、夏季發(fā)電量大，這樣就會(huì)導(dǎo)致余電上網(wǎng)電力的占比較大。

常規(guī)計(jì)算光伏發(fā)電項(xiàng)目中自用電率的方法較為簡單，主要是將企業(yè)的用電負(fù)荷與光伏發(fā)電系統(tǒng)的理論峰值輸出功率進(jìn)行比較，或?qū)⑵髽I(yè)用電量與光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量進(jìn)行比較，從而確定自用電率。2019年某企業(yè)的總用電量與光伏發(fā)電項(xiàng)目預(yù)計(jì)發(fā)電量的對比如表1所示。

表1 2019年某企業(yè)的總用電量與光伏發(fā)電項(xiàng)目預(yù)計(jì)發(fā)電量的對比Table 1 Comparison of total electricity consumption of a company and estimated power generation capacity of PV power generation project in 2019

若采用上述常規(guī)方法計(jì)算光伏發(fā)電項(xiàng)目的自用電率容易存在較大偏差，這是因?yàn)槌Ｒ?guī)方法容易忽略光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率曲線與企業(yè)用電負(fù)荷曲線之間的匹配性。因此可根據(jù)用電企業(yè)的用電大數(shù)據(jù)對該企業(yè)的用電情況進(jìn)行詳細(xì)分析。

2 總體方案

從電網(wǎng)公司的電力用戶用電信息采集系統(tǒng)中導(dǎo)出目標(biāo)企業(yè)(即用電企業(yè))的用電相關(guān)數(shù)據(jù)，如該企業(yè)近5年內(nèi)的日用電量，月用電量峰、平、谷時(shí)段用電量，以及有功功率曲線等；同時(shí)，可獲取目標(biāo)企業(yè)所有電氣設(shè)備的功率負(fù)荷參數(shù)、配電圖、設(shè)備工藝流程圖，并采集企業(yè)內(nèi)電氣設(shè)備的用電數(shù)據(jù)，甚至可以采集目標(biāo)企業(yè)未來規(guī)劃的設(shè)備擴(kuò)充方案；通過查詢NASA、當(dāng)?shù)貧庀缶郑色@得項(xiàng)目所在地近20年的日照數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)。

利用VC++編程軟件開發(fā)出計(jì)算時(shí)所需要的模擬軟件，在軟件界面輸入上述所有參數(shù)數(shù)據(jù)，以特定模型的算法模擬得出單位量下的光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率曲線、每年的光伏發(fā)電量、目標(biāo)企業(yè)的日用電負(fù)荷曲線(尤其是節(jié)假日和設(shè)備檢修日的日用電負(fù)荷功率曲線)，以及該企業(yè)未來的用電量數(shù)據(jù)；然后根據(jù)不同光伏裝機(jī)容量所對應(yīng)的光伏發(fā)電系統(tǒng)日輸出功率曲線，并結(jié)合企業(yè)的日用電負(fù)荷曲線，擬合得出不同光伏裝機(jī)容量所對應(yīng)的自用電率，以及模擬軟件推薦的最佳光伏裝機(jī)容量和對應(yīng)的最佳自用電率。通過挖掘用電大數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)投資企業(yè)對投資風(fēng)險(xiǎn)的把控，提高投資收益。本文以湖南省某工業(yè)園的用電大數(shù)據(jù)為例，對最佳光伏裝機(jī)容量和最佳自用電率進(jìn)行分析。

2.1 太陽能資源情況分析

由于每個(gè)省份的電價(jià)存在差異，因此需查詢項(xiàng)目所在地的峰段、平段、谷段時(shí)的電價(jià)。當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的系統(tǒng)效率取0.82 、項(xiàng)目所在地的太陽輻照量取 1198 kWh/m2時(shí)，根據(jù)《光資源分析報(bào)告》，采用Meteonorm 7.3軟件計(jì)算得到項(xiàng)目所在地的太陽能資源等效利用小時(shí)數(shù)。本項(xiàng)目中光伏發(fā)電系統(tǒng)的首年理論發(fā)電小時(shí)數(shù)為 982.36 h，該發(fā)電小時(shí)數(shù)中不同時(shí)段時(shí)的太陽能資源中尺度評估數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 項(xiàng)目所在地的太陽能資源中尺度評估數(shù)據(jù)Table 2 Mesoscale evaluation data of solar energy resources of project site

2.2 企業(yè)用電特點(diǎn)分析

由于工業(yè)園內(nèi)的企業(yè)每年春節(jié)和國慶節(jié)都會(huì)休息，因此計(jì)算企業(yè)用電量時(shí)需扣除這些休息日。以2019年工業(yè)園內(nèi)企業(yè)的節(jié)假日生產(chǎn)、作息情況為例進(jìn)行分析，該園區(qū)內(nèi)企業(yè)除春節(jié)(2月4—10日)、國慶節(jié)(10月1— 7日)休息外，其他日期均正常工作，則全年工作天數(shù)取 351天；每天主要的工作時(shí)間為07:00～20:00。

2.3 日用電負(fù)荷情況分析

從電網(wǎng)公司的電力用戶用電信息采集系統(tǒng)查詢得到該工業(yè)園區(qū)2019年1～12月各個(gè)時(shí)段的日用電負(fù)荷數(shù)據(jù)；然后隨機(jī)從每個(gè)月內(nèi)取2～3天的日用電負(fù)荷數(shù)據(jù)，共獲得32天的完整日用電負(fù)荷數(shù)據(jù)，其中包括25個(gè)工作日、5個(gè)周日，以及2個(gè)休息日(國慶節(jié)取10月1日、春節(jié)取2月5日)；最后對日用電負(fù)荷數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

1)將1天內(nèi)各個(gè)時(shí)段的電力負(fù)荷數(shù)據(jù)相加，可得到24 h的電力負(fù)荷數(shù)據(jù)之和，同樣方法可得到選取的32天的日用電負(fù)荷數(shù)據(jù)。

2)將32天的日用電負(fù)荷數(shù)據(jù)按月分類，對每個(gè)月的2～3天的數(shù)據(jù)取平均值作為當(dāng)月的典型日用電負(fù)荷數(shù)據(jù)，并以此數(shù)據(jù)作為電力消納分析的計(jì)算參數(shù)。

3)通過分析可知，企業(yè)工作日主要用電時(shí)段中07:00～20:00的平均用電負(fù)荷高位約為800～1230 kW，用電負(fù)荷曲線與光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率曲線相比較為平穩(wěn)。

2.4 電力消納分析

2.4.1計(jì)算參數(shù)說明

1)由于光伏發(fā)電系統(tǒng)的檢修等工作一般會(huì)安排在晚上進(jìn)行，避開了自發(fā)自用部分的限電，且項(xiàng)目所在地的電力消納情況良好，余電上網(wǎng)部分不存在消納壓力。

2)由于利用Meteonorm7.3軟件模擬得到的光伏發(fā)電系統(tǒng)的首年理論發(fā)電小時(shí)數(shù)982.36 h屬于理論值，考慮到光伏組件衰減、光伏發(fā)電量逐年降低等情況，以該數(shù)據(jù)進(jìn)行消納分析會(huì)導(dǎo)致得到的自用電率偏低。

3)計(jì)算自發(fā)自用部分和余電上網(wǎng)部分的綜合電價(jià)時(shí)，保守考慮 1%的非計(jì)劃檢修等因素導(dǎo)致的綜合發(fā)電量損失。

4)根據(jù)工業(yè)園區(qū)的實(shí)際情況，以本文所取的2019 年的電力負(fù)荷數(shù)據(jù)作為計(jì)算參數(shù)(不含招商引資新入駐企業(yè)的新增用電需求)。

2.4.2 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)當(dāng)?shù)靥柲苜Y源和用戶電力負(fù)荷需求，綜合分析光伏電力自用電率后，計(jì)算得到工業(yè)園區(qū)內(nèi)用戶年均日用電負(fù)荷與光伏發(fā)電系統(tǒng)日輸出功率情況、全年不同時(shí)刻的光伏發(fā)電量及自用電率情況，具體如圖1、表3所示。

表3 全年不同時(shí)刻的光伏發(fā)電量及自用電率情況Table 3 PV power generation capacity and self-consumption rate at different times of year

圖1 用戶年均日用電負(fù)荷與光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率對比Fig. 1 Comparison of users’annual average daily electrici load and output power of PV power generation system

將項(xiàng)目所在地的氣象數(shù)據(jù)、光伏發(fā)電自用電率、光伏發(fā)電余電上網(wǎng)率及當(dāng)?shù)氐拿摿蛎弘妰r(jià)等相關(guān)數(shù)據(jù)輸入模擬軟件，得到該項(xiàng)目不同裝機(jī)容量時(shí)的項(xiàng)目收益率，如圖2所示。

圖2 不同光伏裝機(jī)容量時(shí)的項(xiàng)目收益率Fig. 2 Project rate of return for different PV installed capacity

由圖2可知，當(dāng)光伏電力的自用電率為85.11%時(shí)，本項(xiàng)目的最佳光伏裝機(jī)容量為2.27 MW，當(dāng)超過該裝機(jī)容量后，隨著裝機(jī)容量的增大，項(xiàng)目收益率越來越低。

3 結(jié)論

本文利用電網(wǎng)公司電力用戶用電信息采集系統(tǒng)和企業(yè)電氣設(shè)備技術(shù)參數(shù)，通過Meteonorm7.3軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)建模，得到企業(yè)日用電負(fù)荷曲線和光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率曲線，并以此得到項(xiàng)目的最佳光伏裝機(jī)容量及最佳的光伏電力自用電率。利用用電大數(shù)據(jù)和模擬軟件對光伏裝機(jī)容量進(jìn)行模擬具有以下優(yōu)勢：

1)利用軟件和算法自動(dòng)處理用電數(shù)據(jù)，令數(shù)據(jù)使用更加高效。利用處理后的數(shù)據(jù)一方面可為企業(yè)節(jié)能方案提供參考，另一方面可為光伏投資企業(yè)投資提供有力支撐，降低投資風(fēng)險(xiǎn)。

2)助推投資企業(yè)精準(zhǔn)投資。在以往的實(shí)際光伏發(fā)電項(xiàng)目中，往往選擇用電負(fù)荷穩(wěn)定且明顯高于光伏發(fā)電系統(tǒng)理論峰值輸出功率的企業(yè)作為光伏裝機(jī)容量計(jì)算時(shí)的用電方，但優(yōu)質(zhì)的屋頂是分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目的稀缺資源；在優(yōu)質(zhì)屋頂面積足夠大的情況下，對于光伏發(fā)電項(xiàng)目投資者來說，裝機(jī)容量越大，越有利于管理和規(guī)模擴(kuò)張。通過挖掘企業(yè)的用電大數(shù)據(jù)，建立用電負(fù)荷和光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率曲線模型，得出精準(zhǔn)的光伏發(fā)電自用電率和最佳光伏裝機(jī)容量，讓投資企業(yè)有的放矢，精準(zhǔn)投資。

3)優(yōu)化調(diào)整發(fā)展思路，創(chuàng)新客戶服務(wù)新模式。對于企業(yè)的用電大數(shù)據(jù)外部人員很難獲取，而且企業(yè)自身往往也只關(guān)注電費(fèi)。希望通過本文的研究能令用電企業(yè)對其設(shè)備進(jìn)行節(jié)能改造或改變現(xiàn)有運(yùn)行方式，提高節(jié)能效率。如此一來，光伏發(fā)電投資企業(yè)可主動(dòng)精準(zhǔn)地向建筑企業(yè)提供綜合能效服務(wù)，提升目標(biāo)企業(yè)的體驗(yàn)感和獲得感。同時(shí)，這也是電網(wǎng)公司優(yōu)化調(diào)整的發(fā)展思路，即創(chuàng)新客戶服務(wù)新模式，以便大幅促進(jìn)與建筑相結(jié)合的光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用。