高速公路光伏發電與智能分配系統設計

摘 要：高速公路的機電系統在使用主網電能時會造成用電成本過高以及污染氣體排放問題。為響應國家的碳中和政策，并提高光伏發電系統的經濟效益，降低環境污染程度，提出一種高速公路光伏發電與智能分配系統。該系統利用光能進行發電，并建立三級負荷供電模式，使得光伏發電所發電能盡可能供應給高速公路的機電負荷，電能余量再售賣給當地電網，從而盡可能擺脫對主網的依賴，提高高速公路機電負荷運行的經濟效益，大幅降低環境污染程度。

關鍵詞：高速公路；光伏發電；智能分配

中圖分類號：TK514" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）14-0066-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.14.015

0" " 引言

目前，我國高速公路總里程居世界第一，高速公路除部分隧道之外，大部分路面暴露在陽光下，光照充足，適合建設光伏發電系統[1]。高速公路的機電系統是以電能為能源基礎運行的，而電能主要從供電主網獲取。目前主網的電能來源以火力發電為主，火力發電對環境具有較大污染，所以從環保角度出發，使用主網電能會加劇環境污染?，F階段，國家積極推行碳中和政策，鼓勵建設以清潔能源進行發電的分布式微電網，其中以分布式光伏發電最受推崇。目前，分布式光伏發電系統的運行模式是發電機組直接接入負荷和主網，光伏發電系統所發電能在供負荷使用之后，剩余電能就近售賣給當地電網[2]。但光伏發電的發電功率具有較大波動，在光伏發電的輸出功率較低時，并不能滿足負荷的使用條件，所發電能只能售賣給電網，而負荷的電能只能由主網進行供應[3]。目前售電單價低于購電單價，若高速公路采用這種光伏運行模式建設光伏發電系統，一方面實際經濟性較差，無法很好地降低機電系統的用電成本，另一方面減少環境污染的效果也不明顯[4-5]。

為響應碳中和政策，并提高光伏發電系統的經濟效益、降低環境污染程度，在此提出一種高速公路光伏發電與智能分配系統。該系統利用光能進行發電，并建立三級負荷供電模式，使得光伏發電所發電能盡可能供應給高速公路的機電負荷，電能余量再售賣給當地電網，盡可能減少對主網電能的使用，在降低高速公路機電系統用電成本的同時減少環境污染。

1" " 高速公路光伏發電與智能分配系統現場布置

高速公路光伏發電與智能分配系統現場布置圖如圖1所示。

圖1中，1是光伏發電機組，由20塊光伏板橫向串接組成，單塊光伏板的材質為單晶硅，尺寸為2.38 m×1.13 m，發電額定功率為560 W。2是逆變器，主要作用是將光伏發電機組所發直流電能轉化成220 V的交流電，便于后續將電能供給負荷以及售賣給主網。3是電量檢測型分接開關，用于檢測蓄電池組的電量情況，當蓄電池組充電達100%時，電量檢測型分接開關的檔位接在主網方向，斷開與蓄電池組的連接，使余量電能輸送到主網，當蓄電池組電量剩余30%時，電量檢測型分接開關的檔位接在蓄電池組方向，斷開與主網的連接，使光伏所發電能給蓄電池組充電。4是蓄電池組，由20個3.2 V/250 Ah的蓄電池組成，每10個蓄電池構成一個獨立體，即蓄電池組由獨立體A和獨立體B兩個獨立體組成，這種組裝方式便于蓄電池組同時進行充電和放電。5是反向電量檢測型分接開關，當蓄電池組電量超過30%時，反向電量檢測型分接開關的檔位接在蓄電池組方向，斷開與主網的連接，優先利用蓄電池組對負荷進行供電，當蓄電池組電量剩余30%時，反向電量檢測型分接開關的檔位接在主網方向，斷開與蓄電池組的連接，利用主網對負荷進行供電。6是電壓檢測型開關，當相電壓的電壓值達不到220 V時，電壓檢測型開關處于分閘狀態，當相電壓的電壓值達到220 V，電壓檢測型開關處于合閘狀態。7是用電負荷，特指分布在光伏發電機組同一側且在光伏板串接范圍內的負荷。8是配電箱，是電力設備的容納空間，主要負責連接光伏發電機組、主網和負荷。

光伏發電機組及其所連接的配電箱以及與該光伏發電機組布置在同一側的負荷組成一個分布式發電整體。在本轄區內，共設置80個分布式發電整體并沿高速公路兩側對稱分布。每一個配電箱內的電量檢測型分接開關與反向電量檢測型分接開關均與變壓器低壓出線相連接，并通過變壓器與10 kV主網進行連接，從而實現光伏發電系統與主網之間的能量交換。

2" " 高速公路光伏發電與智能分配系統工作模式分析

高速公路光伏發電與智能分配系統工作模式流程圖如圖2所示。

光伏發電機組在發電之后，通過逆變器將所發電能轉換成交流電，電壓檢測型開關檢測轉換后的交流電電壓是否達到220 V，若交流電電壓達到220 V，則此時光伏發電機組的出力充足，電壓檢測型開關合閘，并閉鎖反向電量檢測型分接開關，該光伏發電機組覆蓋范圍內的負荷由光伏發電進行直接供電。這是第一級供電方式，具有最高的優先供電權；若交流電電壓達不到220 V，則電壓檢測型開關斷開，同時檢測反向電量檢測型分接開關是否閉鎖，如果反向電量檢測型分接開關處于閉鎖狀態，則需對其進行解鎖，以便后續啟動二級或三級供電模式。

電量檢測型分接開關在檢測到蓄電池組中未供電獨立體的儲存電量不超過30%時，電量檢測型分接開關接在蓄電池方向為蓄電池充電。蓄電池組的兩個未供電獨立體處于獨立運行狀態，并且每個獨立體只能進行充電或者放電的單一操作，不可同時進行充電和放電操作。當獨立體A充滿電時，必須檢測獨立體B是否處于放電狀態，若處于放電狀態則停止對蓄電池充電，若不處于放電狀態則對獨立體B進行充電。獨立體之間的放電關聯跟充電關聯同理。當蓄電池組不再進行充電時，電量檢測型分接開關接在主網方向，將光伏發電的剩余電量售賣給主網。

檢測反向電量檢測型分接開關是否閉鎖，若閉鎖則證明負荷由光伏發電進行供電，若不閉鎖則需采用二級或三級供電模式。該系統的第二級供電模式是利用蓄電池組對負荷進行供電。反向電量檢測型分接開關檢測未供電且不在充電狀態的獨立體的儲存電量是否超過30%，若超過30%則反向電量檢測型分接開關接在蓄電池組方向，利用蓄電池組對負荷進行供電。若獨立體的電量均不超過30%，則反向電量檢測型分接開關接在主網方向，利用主網對負荷進行供電，這種供電模式為第三級供電模式。

3" " 高速公路光伏發電與智能分配系統環保與經濟效益分析

在該高速公路光伏發電與智能分配系統中，機電設備的總容量為300 kW，光伏發電機組的總裝機容量為2 195.2 kW，蓄電池的總容量為400 000 Ah。排除陰雨天氣等特殊天氣的影響，在光照充足的情況下，正常光伏發電的能源轉換效率為80%，光伏發電機組日均照射10 h，一日之內可發電量17 561.6 kW·h。且光伏發電不會產生污染氣體，而消耗主網電能則勢必產生相應的污染氣體。主網電能消耗對應污染氣體排放表如表1所示。

由于蓄電池容量充足，可在夜間光伏發電機組出力為零的情況下，利用第二級供電模式對負荷進行供電以滿足高速公路的機電負荷需求，從而擺脫對主網電能的依賴，實現環保減排的目的。只有在陰雨天氣下光伏發電出力幾乎為零，此時只能調動第三級供電模式，即利用主網電能滿足高速公路的負荷需求。目前光伏發電的售電電價為0.45元/（kW·h），而高速公路的用電類別屬于非工業類別，其購電電價為0.70元/（kW·h）。在此以高速公路日均負荷為算例，并將蓄電池組建設成本按其使用壽命年限平均分攤到日均成本上，對比在純主網供電、光伏發電負荷用電后余量上網以及建設高速公路光伏發電與智能分配系統的情況下，高速公路機電負荷的用電成本和環境污染程度，具體如表2所示，其中機電負荷用電成本為正值代表機電負荷用電的所需費用，機電負荷用電成本為負值代表高速公路光伏發電與智能分配系統一日之內的凈利潤收益。

由表2可見，建設高速公路光伏發電與智能分配系統，相比純主網供電的情況，經濟利益可提高266%，日均污染氣體排放量減少734.4 kg；而相比于光伏發電負荷用電后余量上網的情況，經濟利益提高70.36%，日均污染氣體排放量減少428.4 kg。

4" " 結束語

高速公路光伏發電與智能分配系統利用光能進行發電，并建立三級負荷供電模式，使得光伏發電所發電能盡可能地供應給高速公路的機電負荷，電能余量再售賣給當地電網，從而盡可能擺脫對主網的依賴。建設高速公路光伏發電與智能分配系統相比純主網供電的情況，經濟效益提高266%，日均污染氣體排放量減少734.4 kg；相比于光伏發電負荷用電后余量上網的情況，經濟效益提高70.36%，日均污染氣體排放量減少428.4 kg，可見運用該系統能更好地提高高速公路機電負荷運行的經濟效益，并大幅減少環境污染。隨著儲能技術的發展，該系統在今后的應用中還能為途經的新能源汽車進行充電，得到的收益將進一步降低投建該系統的成本，提高高速公路的經濟收益。

[參考文獻]

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收稿日期：2024-03-28

作者簡介：呂帥（1989—），男，湖北鐘祥人，助理工程師，研究方向：高速公路機電管理及維護。