天鋼聯(lián)合特鋼光伏發(fā)電站的建設(shè)

竇 偉

（天津鋼鐵集團(tuán)有限公司資源再利用分公司，天津300301）

0 引言

天鋼聯(lián)合特鋼位于天津市寧河經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)，分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目位于特鋼廠區(qū)院內(nèi)。該地區(qū)為大陸性季風(fēng)氣候，全年平均風(fēng)速為3~3.5 m/s，多年平均太陽輻射量為4 824 MJ/m2，日照時間較長，具有良好的太陽能利用條件，因此聯(lián)合特鋼廠區(qū)內(nèi)非常適合建設(shè)大型并網(wǎng)光伏電站。

1 項(xiàng)目規(guī)模及目標(biāo)

光伏發(fā)電的建設(shè)規(guī)模和任務(wù)主要受安裝地區(qū)的日照資源、電力系統(tǒng)容量、平衡、安裝現(xiàn)場環(huán)境建設(shè)等因素影響。聯(lián)合特鋼18.06 MWp屋頂分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目廠區(qū)太陽能資源豐富，廠區(qū)生產(chǎn)、生活電量需求大，能消納大部分光伏所發(fā)的電能，剩余的電能采用高壓（部分低壓）并網(wǎng)，且廠區(qū)并網(wǎng)條件好，對外交通便利。

本工程任務(wù)以發(fā)電為主，規(guī)劃安裝總?cè)萘繛?8.06 MWp，擬安裝69 498塊標(biāo)準(zhǔn)功率為260 Wp的多晶硅光伏組件，實(shí)際安裝容量為18.06 MWp。

因項(xiàng)目主要建設(shè)在已有建筑物上，建筑物在設(shè)計(jì)建造時，已充分考慮了地質(zhì)結(jié)構(gòu)問題，能夠滿足安裝技術(shù)和規(guī)模要求。

2 光伏發(fā)電系統(tǒng)方案及上網(wǎng)電量

2.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)的模式

分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)可分為自發(fā)自用余電上網(wǎng)模式和全額上網(wǎng)模式。本工程所建設(shè)的光伏發(fā)電系統(tǒng)采用自發(fā)自用余電上網(wǎng)模式。光伏并網(wǎng)發(fā)電原理圖示意如圖1所示。

圖1 光伏并網(wǎng)發(fā)電原理示意圖

2.2 光伏發(fā)電組件的選擇

光伏組件是通過將大量的相同性能和規(guī)格的光伏元件，由一定數(shù)量的電池組串聯(lián)成電池板后滿足逆變器可承受最大電壓，再將這些電池板并聯(lián)達(dá)到設(shè)計(jì)功率，最后把電池板按標(biāo)準(zhǔn)的間距進(jìn)行排列布局，形成光伏組件矩陣，將這些矩陣通過現(xiàn)有的供電網(wǎng)絡(luò)連接起來，形成光伏電站。綜上所述，組件是光伏發(fā)電的系統(tǒng)核心，其各個性能參數(shù)的高低直接影響整個系統(tǒng)的并網(wǎng)可靠性和發(fā)電量。目前，多晶硅的應(yīng)用已經(jīng)十分成熟可靠，且可選擇的容量較多，應(yīng)用最為廣泛。由于本發(fā)電工程預(yù)計(jì)系統(tǒng)容量為18.06 MWp，所以優(yōu)先采用260 Wp/15.7%的高效大功率多晶硅，以降低組件使用量，能充分利用場地面積，并且系統(tǒng)接觸電阻較小，故障率低，連接電纜使用少，使系統(tǒng)效率更加優(yōu)化。

2.3 光伏發(fā)電電氣及接入系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.3.1 電氣一次系統(tǒng)分析與配置

本項(xiàng)目采用分布式發(fā)電、就地并網(wǎng)的原則，依據(jù)并網(wǎng)點(diǎn)系統(tǒng)容量以及場地分布，將光伏發(fā)電系統(tǒng)分為 9個發(fā)電單元，容量依次為 0.057、0.085、0.469、0.48、0.5，0.549、0.732、0.846、14.34 MWp，擬分別采用459臺33~50 kW組串式逆變器，113臺匯流箱，14臺變壓器，4臺集裝箱式開關(guān)站。

根據(jù)現(xiàn)組裝機(jī)容量，25年年均發(fā)電量為1753萬kW·h，因特鋼年耗電量遠(yuǎn)超本光伏項(xiàng)目年發(fā)電量，光伏系統(tǒng)所發(fā)電力總體可在廠區(qū)內(nèi)10 kV母線上完全消納。綜合廠區(qū)的現(xiàn)有配電設(shè)備情況以及并網(wǎng)點(diǎn)的接入要求，并網(wǎng)分布式光伏電站由10 kV或400 V接入。低壓就近并網(wǎng)的子系統(tǒng)與升壓并網(wǎng)的子系統(tǒng)均采用組串式逆變器。

光伏配電室采用箱式集成安裝形式，設(shè)備箱體規(guī)格為 6 058 mm×2 591 mm×2 438 mm（共 6個）,光伏配電設(shè)備組串光伏逆變器、交直流柜（選配）、中壓變壓器、環(huán)網(wǎng)柜、系統(tǒng)監(jiān)控、火災(zāi)報(bào)警、環(huán)境監(jiān)測（選配）等功能模塊。

2.3.2 電氣二次系統(tǒng)功能與配置

本光伏發(fā)電系統(tǒng)按無人值班、遠(yuǎn)程HMI監(jiān)控及兩遙電站設(shè)計(jì)，運(yùn)行人員定期巡視運(yùn)行方式。綜保系統(tǒng)采用分層分布式系統(tǒng)：即下層為間隔層，上層為站控層。全站采用集測量、控制操作、繼電保護(hù)、信號、遠(yuǎn)動功能的綜合自動化系統(tǒng)，站內(nèi)實(shí)現(xiàn)遙信、遙測及遙視功能，每個光伏矩陣的運(yùn)行數(shù)據(jù)和工作狀態(tài)，通過通訊口連接到主監(jiān)控室進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控。

建設(shè)獨(dú)立控制室位于發(fā)電項(xiàng)目附近，完成電站相關(guān)運(yùn)行信息的采集及上報(bào)功能。上報(bào)調(diào)度通道利用現(xiàn)有并網(wǎng)點(diǎn)已具備通道。

控制室內(nèi)設(shè)1面監(jiān)控主機(jī)屏，1面公用屏。其中監(jiān)控主機(jī)安裝于監(jiān)控主機(jī)屏中，通訊接口轉(zhuǎn)換單元及通訊管理機(jī)置于公用測控屏中。

本站保護(hù)、控制采用DC220V供電方式。直流電源采自就地高壓配電室直流屏，用于站內(nèi)直流負(fù)荷供電。

2.3.3 通信系統(tǒng)與計(jì)量系統(tǒng)現(xiàn)狀與配置

為滿足生產(chǎn)調(diào)度需要，光伏發(fā)電站站內(nèi)通信應(yīng)包括生產(chǎn)管理通信和生產(chǎn)調(diào)度通信，并設(shè)置生產(chǎn)用程控調(diào)度交換機(jī)，供生產(chǎn)調(diào)度通信和生產(chǎn)管理通信使用。電站的遠(yuǎn)動信息向天寧河地調(diào)傳送。廠區(qū)目前10 kV電源側(cè)關(guān)口計(jì)量點(diǎn)不變，有關(guān)考核表及計(jì)量表不必更換，外部考核用計(jì)量點(diǎn)，配置0.2 s級多功能電度表，安裝于電度表屏，布置于控制室內(nèi)。各專業(yè)通道要求：

（1）調(diào)度信息：電站至寧河地調(diào)具備主備用調(diào)度專線通道。

（2）遠(yuǎn)動通道：電站至寧河地調(diào)的數(shù)據(jù)通道采用主副通道方式，其中副通道采用撥號專用通道，主通道采用電力數(shù)據(jù)調(diào)度網(wǎng)通道。

（3）電量遠(yuǎn)傳：電站至電力公司電能量計(jì)量主管部門采用主副方式通道，其中副通道采用撥號專用通道，主通道采用電力數(shù)據(jù)調(diào)度網(wǎng)通道。

2.3.4 并網(wǎng)逆變器選用

本工程逆變器采用國內(nèi)知名品牌，本項(xiàng)目擬采用33～50 kW組串式逆變器，安裝形式根據(jù)工程情況采用室外集裝箱式布置方式，主要參數(shù)見表1。

表1 33～50 kW組串式逆變器主要參數(shù)

2.4 光伏方陣設(shè)計(jì)

2.4.1 光伏組件的排布

本項(xiàng)目中的車間屋頂和空地全部采用69498塊多晶硅光伏組件平鋪安裝方式，每單元功率為260 Wp。本光伏電站總裝機(jī)容量為18.06 MWp，預(yù)估電站25年有效運(yùn)營期內(nèi)年平均并網(wǎng)電量為1 753萬kW·h，年均等效滿負(fù)荷利用小時數(shù)1 126 h。因各屋面存在傾角及方位角，發(fā)電量計(jì)算采用容量×日照小時數(shù)×損耗得出。本工程各建筑屋頂及光伏走廊光伏組件安裝數(shù)量及容量見表2。

2.4.2 光伏方陣的串聯(lián)設(shè)計(jì)

本工程選用的并網(wǎng)輸出逆變器最大矩陣的最高允許電壓范圍為0.2～0.95 kV，開路電壓為1kV。假定每一個光伏方陣的最少串聯(lián)數(shù)為Smin，最大串聯(lián)數(shù)為Smax，串聯(lián)組件數(shù)為S。

開路電壓為38.1 V，工作電壓為31.1 V，開路電壓溫度系數(shù)-0.31%/℃，工作電壓電壓溫度系數(shù)-0.41%/℃，環(huán)境溫度范圍為-20～85℃，則：

表2 各建筑屋頂組件安裝容量統(tǒng)計(jì)表

多晶硅組件的串聯(lián)數(shù)S需滿足9≤S≤24組的要求，才能滿足并網(wǎng)逆變器最大允許電壓范圍。

綜合考慮方陣布置合理性，本項(xiàng)目光伏組件選用22塊光伏組件串聯(lián)。每臺逆變器選用22塊260W晶體硅光伏組件串聯(lián)。2.4.3 光伏方陣的并聯(lián)設(shè)計(jì)

假設(shè)并網(wǎng)組串式逆變器直流輸入功率為20kW，晶體硅組件峰值功率為260 W。假定可以并聯(lián)的支路數(shù)為N，則22塊260 W晶體硅組件串聯(lián)功率為260 W×22＝5.72 kW，并聯(lián)支路數(shù)N=33kW/5.72 kW=5.8≈6。

2.5 系統(tǒng)效率及發(fā)電量估算

2.5.1 系統(tǒng)效率

系統(tǒng)的綜合效率約為76%。其中，灰塵遮擋損失4%，變壓器效率98%，逆變器效率98%，輸電損失共4%，組件組合損失2%，溫度引起的效率損失2%，弱光損失2%，屋面傾角、方位角損失6%。

2.5.2 發(fā)電量估算

理論發(fā)電量：光伏數(shù)量為69 498塊，單位功率為260 Wp，合計(jì)容量為18 069 kWp，按可利用小時數(shù)來計(jì)算：

25年年平均發(fā)電量約等于：1753萬kW·h。

首年理論上網(wǎng)電量約等于：1 914.9萬kW·h。

年均等效滿負(fù)荷利用小時數(shù)：1 126 h。

25年內(nèi)總發(fā)電利用小時數(shù)：28 150 h，總發(fā)電量：43 826萬kW·h。

多晶硅衰減按照首年衰減率不高于2.5%，以后逐年0.7%，整個光伏發(fā)電系統(tǒng)25年壽命期內(nèi)所采用的光伏組件10年內(nèi)年衰減不超過10%，20年內(nèi)衰減不超過20%。

2.6 短路計(jì)算

特鋼110 kV專用變電站110 kV開關(guān)設(shè)備額定短路開斷電流為31.5 kA，滿足要求；10 kV開關(guān)設(shè)備額定短路開斷電流因建設(shè)時間不同，分為25 kA、31.5 kA和40 kA 3類（其中運(yùn)行的主要是31.5 kA設(shè)備），能夠滿足要求。

3 節(jié)能降耗效果及經(jīng)濟(jì)效益

特鋼光伏發(fā)電項(xiàng)目建成投產(chǎn)后，將是一項(xiàng)很好的節(jié)能措施項(xiàng)目，相對于年供電量達(dá)到0.27億kW·h的燃煤電廠，年節(jié)約標(biāo)煤量約7 166.59 t。在其最經(jīng)濟(jì)的25年有效使用期內(nèi)，預(yù)計(jì)總共節(jié)約標(biāo)煤17.916萬t以上。本項(xiàng)目據(jù)估算潛在的節(jié)能減排效果見表3。

4 結(jié)論

表3 節(jié)能減排效果估算表

開展資源綜合利用、節(jié)能減排是我國重大的經(jīng)濟(jì)技術(shù)政策，也是社會和國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中一項(xiàng)長遠(yuǎn)的戰(zhàn)略方針。鋼鐵生產(chǎn)過程中規(guī)模大、能耗多，設(shè)備裝機(jī)容量及每年耗電量相當(dāng)巨大，生產(chǎn)所需電力主要依靠地區(qū)電網(wǎng)系統(tǒng)供電，用電供需矛盾十分突出。本項(xiàng)目建成后可作為鋼廠的一個新的供電點(diǎn)，不僅能夠補(bǔ)充電力，節(jié)約購電費(fèi)用，降低企業(yè)成本，同時還提高了生產(chǎn)用電的安全可靠性。綜上所述，本項(xiàng)目具有明顯的社會效益和環(huán)保效益，并對全國鋼鐵企業(yè)發(fā)展新型清潔能源有著十分深遠(yuǎn)的意義。