分布式光伏發電在現代水廠的應用分析

盛大春 （合肥供水集團有限公司，安徽 合肥 230011）

1 引言

近年來在各國政府相關政策的支持下，光伏發電產業得到了快速發展。國內光伏發電的開發起步雖然較晚，但發展迅猛，目前我國光伏發電裝機容量穩居全球首位。在雙碳政策的推動下，光伏產業在國內迎來了新一波的建設熱潮。“自發自用、余電上網”的分布式光伏發電系統，由于其裝機規模小、安裝及系統接入方式靈活的特點，多用于低于35 kV 或更低電壓等級的電網。在自來水廠屋頂及周邊空地上安裝光伏組件，既充分利用了有限的空間資源，又能降低水廠的運營成本，具有顯著的經濟效益[4]。

2 工程背景

某水廠項目總規模為80 萬m3/d，分三期進行建設，其中一期建設20 萬m3/d、二期擴建40 萬m3/d、三期再擴建20 萬m3/d。根據前期方案及規劃，在水廠部分建構筑物及部分遠期預留地同步建設分布式光伏發電系統。光伏設計結合水廠一期工程，同步進行設計并同時建成使用。光伏發電系統擬安裝在反沖洗泵房、綜合加藥間、膜池、脫水機房、辦公宿舍樓等屋頂以及部分地面區域。

3 分布式光伏發電優勢

分布式并網光伏系統通常在不同地點接入配電網，以滿足特定用戶的需求，支持現有配電網的經濟運行。分布式并網光伏系統主要基于廠區、公用建筑物表面、戶用屋頂以及其他分散空閑場地。一般有兩種計費計量方式，一種是“全額上網”方式，該方式將光伏系統所發電能全部傳輸到電網中；另一種稱為“自發自用、余電上網”方式，該方式的光伏系統所發電量供用戶負載使用后，多余電量再經戶用雙向智能電表輸送到電網中。分布式并網光伏系統屬于自給自足的發電運行方式，對電網的依賴程度少于其他并網方式，可減少對線路的損害程度，降低損耗。另外安裝在建筑物表面和屋頂等的分布式并網光伏系統，實現了一地兩用，有效地減少了光伏系統的占地面積，是今后大規模光伏發電的重要應用形式。

接入方式原理示意圖如圖1所示。

圖1 光伏發電接入系統圖

4 水廠光伏發電方案設計

光伏發電系統組成光伏發電系統主要由以下幾個部分組成即光伏組件及支架等安裝配件、直流防雷匯流箱、光伏并網逆變器、并網接口設備、系統的防雷及接地裝置、系統的連接電纜及防護材料。

4.1 主要光伏系統設備選型

4.1.1 光伏組件

光伏發電最核心的器件是光伏組件，目前市場上光伏組件的類型有晶硅組件和薄膜組件。

①晶體硅太陽電池

單晶硅電池是最早出現且工藝最為成熟的太陽電池，也是大規模生產的硅基太陽電池中效率最高的，目前光電轉換效率一般19.5%～20.5%；多晶硅電池目前常用的是鑄錠多晶硅技術，材料制造簡便，節約電耗，總的生產成本比單晶硅低其光電轉換效率一般18%～19%。

②非晶硅太陽電池和薄膜太陽電池

非晶硅電池是在不同襯底上附著非晶態硅晶粒制成的，工藝簡單，硅原料消耗少，襯底廉價，并且可以方便的制成薄膜，具有弱光性好、受高溫影響小的特性，其光電轉換效率一般為5%～11%[5]。

單晶硅電池組件是目前市場上技術比較成熟的產品，具有可靠性、普遍性的特點，且效率最高，相應占地面積較小，故障率極低，運行維護最為簡單，適合于屋頂光伏應用。因此本工程全部采用單晶硅電池組件。

4.1.2 光伏并網逆變器

光伏并網逆變器主要有集中式并網逆變器和組串式并網逆變器。集中式并網逆變器效率高、功率大，可以同時接納數百塊光伏電池組件，并且需要通過匯流箱對多個光伏電池組串進行匯流后再接入到逆變器直流輸入端，多用于大型開闊地面或荒漠光伏電站，其光伏逆變器數量小，便于統一監控，但其無冗余能力，系統可靠性低。組串式并網逆變器的額定功率一般較小，其分布式控制的結構，系統配置靈活，便于安裝維護，適用于分散式并網發電系統。各光伏組串間的逆變器是冗余關系，相互之間無影響，可靠性高。兩者的綜合對比見表2。

表2 光伏并網逆變器綜合對比

由于本項目光伏組件均分散建設水廠各建構筑物屋頂及地面，對系統的可維護性、可靠性有較高的要求，因此選用組串式并網型光伏逆變器。

4.2 項目裝機及光伏系統串并聯方案

光伏發電單元系統是指1 臺逆變器與對應的n 組太陽電池組串所構成的最小光伏發電單元，是實現“太陽能-太陽電池-直流電能-逆變器-交流電能-用戶或升壓并網”的最小組成部分。

決定太陽能電池組件串聯的數量主要包括逆變器的最高輸入電壓、最低工作電壓、太陽能電池組件允許的最大系統電壓，而太陽能電池組串的并聯數量由逆變器的額定容量確定。

光伏組件串聯數計算公式如下：

式中：Vdcmax 為逆變器輸入直流側最大電壓；Vdcmax 為逆變器輸入直流側最小電壓；Voc為電池組件開路電壓；Vmp為電池組件最佳工作電壓；N 為光伏組件串聯數。

本項目采用固定支架式光伏組件，通過技術與經濟綜合比較，電池組件選用550 Wp 單晶硅電池組件，太陽能電池組件數量共計約2720 塊，總安裝容量約為1500 kW。其中屋頂式太陽能電池組件數量共計約1600 塊，總安裝容量約為882 kW；地面式太陽能電池組件數量共計約1120 塊，總安裝容量約為618 kW。

為滿足光伏并網逆變器輸入要求，光伏組件采用20塊光伏組件一串、多串并連的方式，光伏組串通過直流防雷匯流箱匯流后，接到20 kW 逆變器直流側。全廠共設5 處光伏發電接入點，其中V 型濾池及輔助泵房接入點光伏發電系統主接線圖見圖2。

圖2 V型濾池及輔助泵房接入點光伏發電系統主接線圖

4.3 光伏陣列的布置

水平面上的太陽能輻射量，需要換算成光伏陣列傾斜面的輻射量才能進行發電量的計算。對于某一傾角固定安裝的光伏陣列，所接受的太陽輻射能與傾角有關，較簡便的輻射量計算經驗公式為：

式中：Rβ為傾斜光伏陣列面上的太陽能總輻射量；S 為水平面上太陽直接輻射量；D 為散射輻射量；α為中午時分的太陽高度角；β為光伏陣列傾角。

為了避免陣列之間遮陰，光伏電池組件陣列間距應不小于一個特定的距離，為防止陰影遮擋及考慮裝機量最大化，綜合考慮節約用地及發電收益，本工程太陽能光伏陣列安裝傾角選用30°。由光伏陣列安裝傾角，可以計算出光伏方陣前后排陣列間距約4 m，光伏陣列布置示意圖如圖3所示。

圖3 光伏方陣布置圖

4.4 系統防雷接地設計

為了保證本工程光伏并網發電系統安全可靠，防止因雷電、工頻過電壓等外在因素導致設備損壞，光伏發電系統應考慮必要的防雷接地措施。

光伏發電系統逆變并網設施設在建筑物內，利用構筑物屋頂接閃帶對直擊雷進行防護，水廠構筑物的自然接地裝置與光伏電場各光伏板之間組成聯合接地網。光伏發電系統保護接地、工作接地共用接地裝置，接地裝置的接地電阻值不大于1 Ω。將光伏電池組件金屬邊框與支撐支架可靠連接，并與接地網連接，形成統一的接地通路。

除做好防雷接地系統的連接之外，為防止雷電波侵入及操作過電壓，在屋內配電裝置進、出線均裝設電涌保護器，各匯流箱和直流柜內均安裝防雷模塊。

4.5 光伏并網接口設計

光伏并網接口設備是光伏逆變器與電網間的樞紐設備，它以三相光伏發電電站為保護監控對象，通過對分布式電源并網點遙信、遙測、遙控數據進行有效監控，實現對分布式電源的綜合監測、保護開斷功能，具有數據采集、抄表計費、各項保護、故障切除、異常信息報警、檢有壓自動并網控制等綜合性功能。

并網接口設備具備如下主要功能。

①并網點開斷功能

具有明顯的開斷指示及開斷故障電流的能力，具備失壓跳閘閉鎖及檢有壓合閘功能。

②計量功能

預留安裝計量表位置，可配置標準計量表，計量發電量。

③交流匯流功能

具備交流匯流功能，滿足組串式逆變器的并網需求，支持多路交流輸入，每路輸入有單獨的開關控制，單路輸入故障可與其它輸入回路隔離，不影響其它回路正常并網發電。

圖4 并網接口設備系統示意圖

表1 各類光伏組件性能比較

④測控功能

遙測——集線路的電壓、電流、電量，通過本地液晶顯示，并可接收電網調度指令上傳遙測信息；

遙信——采用光耦合隔離，采集開關位置信號、開關跳閘信號以及分布式電源逆變器告警信號等；

遙控——根據通訊規約，接受電網調度機構指令，實現分布式電源的投退及并離網控制。

⑤完善的保護功能

具備欠電壓保護、過電壓保護、失壓閉鎖、低頻保護、短路保護等基本保護功能。同時，控制器應在檢測到電源系統斷電時分閘，電源系統恢復時實現自動檢有壓合閘；當檢測到分布式光伏電站孤島運行時，應能斷開并網開關。

5 光伏發電系統運行及經濟效益

5.1 光伏發電系統運行情況

廠光伏電站裝機容量為1500 kW。本電站設計運營壽命為25 年，自發自用多點并網接入水廠供配電系統。預計壽命期內年發電量約150萬kW·h，能有效降低水廠的運行成本。同時，每年節省標煤約513 t(火電煤耗按標煤耗340 g/kW·h計)，減少二氧化碳排放約1566 t、二氧化硫約7.8 t、氮氧化合物1.54 t、煙塵排放量約0.62 t。高峰期間，光伏發電量可滿足水廠一期用電量的40%。

圖5 光伏發電板安裝在廠內空地上

圖6 光伏發電板安裝在清水池上

5.2 經濟效益分析

本工程光伏發電系統造價包括光伏電池組件、電纜、并網逆變器、配套支架等，總投資約700萬元。

光伏組件年輻照量為1238.1 kW·h/（m2·a），組件裝機容量為1500 kWp，光伏發電系統綜合效率約為82.5%，根據《光伏發電站設計規范》（GB 50797-2012）計算，年發電量為153.2 萬kW·h。

電池組件在光照及常規大氣環境中使用會有衰減，單晶硅550 組件按25 年衰減不超過20%計算，首年衰減2.5%，其余每年衰減0.5%。首年光伏發電系統年發電量約149.4萬kW·h[3]。

自發自用的補貼收益=當地上網電價×理論發電量=0.6×149.4=89.6 萬元/年[4]。

以25 年建設運營期，考慮項目的投資回報情況見表3。

由表3可知，在第8年時靜態投資回報由負轉正，因此本分布式光伏發電項目預計8年即可以收回投資并盈利。

6 小結

本文以某現代水廠為例，結合城市水廠屋頂閑置可利用面積較大、生產用電負荷連續不間斷等項目特點，與水廠同步設計并建設了分布式光伏發電系統。一期工程建成后，分布式光伏發電系統峰值功率可達到水廠總用電需求的40%，很好的達到了節能降耗目的，獲得良好的生態和經濟效益，值得推廣應用。