光儲一體化的屋頂分布式光伏電站的設(shè)計與建設(shè)

史玉立

(常州劉國鈞高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，常州 213000)

0 引言

在全球化石能源形勢日益緊張的今天，化石能源短缺將導(dǎo)致電力供應(yīng)緊張，世界各國都在尋求新的能源替代戰(zhàn)略；同時，在環(huán)保要求下，傳統(tǒng)的燃煤火力發(fā)電還會引起溫室氣體排放增加、經(jīng)濟效益下降等問題。在“雙碳”目標(biāo)下，積極增加清潔能源和可再生能源在電力系統(tǒng)中的份額刻不容緩。光伏發(fā)電是目前碳排放量最少的一種發(fā)電技術(shù)，具有清潔、安全等顯著優(yōu)勢，是具有潛力的可再生能源發(fā)電技術(shù)[1-2]。而隨著可利用的土地資源日益減少，利用廠房、倉庫屋頂建設(shè)分布式光伏電站，可有效節(jié)省土地資源，是當(dāng)前光伏電站建設(shè)的一大發(fā)展方向[3-4]。屋頂分布式光伏電站能充分利用閑置的屋頂資源，其生產(chǎn)電能過程清潔高效，且可以為用戶節(jié)約大量電費[5-6]。但由于光伏發(fā)電為間隙性電源，不能隨時、全天候滿足負荷需求，因此，在建設(shè)光伏電站時配套建設(shè)儲能系統(tǒng)[7]，不僅能緩解負荷大的狀況，而且還對電力系統(tǒng)的能量管理、安全穩(wěn)定運行、電能質(zhì)量控制等均具有重要意義?；诖?，本文以某工廠的光儲一體化的屋頂分布式光伏電站的設(shè)計和建設(shè)為例，分析了此類光伏電站的設(shè)計、接入電網(wǎng)方式及運行效果，以期為該類光伏電站的建設(shè)提供參考。

1 光儲一體化的屋頂分布式光伏電站的設(shè)計

1.1 僅屋頂分布式光伏電站的設(shè)計

1.1.1 光伏組件

首先僅對某工廠屋頂建設(shè)的分布式光伏電站進行分析。該工廠的屋頂共有2個區(qū)域可進行建設(shè)，分別為區(qū)域1 和區(qū)域2，其中，區(qū)域1 為車間1～車間3 的屋頂，區(qū)域2 為車間4 的屋頂。該光伏電站的總建設(shè)面積約為5.93 萬m2，總裝機容量為5999.36 kWp，采用545 Wp的單面單晶硅光伏組件，標(biāo)準(zhǔn)測試條件(STC)下該類光伏組件的參數(shù)如表1所示。

表1 STC 下單面單晶硅光伏組件的參數(shù)Table 1 Parameters of single-sided mono-Si PV module under STC

單面單晶硅光伏組件串聯(lián)后構(gòu)成光伏組串，然后接入逆變器，因此，1 串光伏組串中光伏組件的最大串聯(lián)數(shù)Sn要小于等于整串光伏組串接入逆變器時逆變器所能承受的最大系統(tǒng)電壓Vs與光伏組件開路電壓Voc的比值，即Sn≤Vs/Voc。根據(jù)該光伏電站的設(shè)計情況，最大系統(tǒng)電壓小于逆變器的最大輸入電壓(1500 V)，光伏組件開路電壓為49.65 V，計算得到1 串光伏組串中光伏組件最大串聯(lián)數(shù)的理論值約為30 塊。為保障光伏發(fā)電系統(tǒng)有一定的安全余量，并考慮屋頂分布式光伏電站中光伏組件的實際布置情況，最后通過實踐選用27 塊光伏組件串聯(lián)成1 串光伏組串；根據(jù)逆變器容量情況，由每16 串光伏組串并聯(lián)接入1 臺逆變器。

1.1.2 逆變器

該光伏電站采用型號為SUN2000-196KTL-H3的智能型光伏逆變器，該逆變器的相關(guān)參數(shù)如表2所示。

表2 逆變器的參數(shù)Table 2 Parameters for inverter

1.1.3 屋頂分布式光伏電站的接線方式

通過分析該光伏電站所在地的光照條件，發(fā)現(xiàn)該光伏電站中光伏組件的實際最大輸出功率約為理論最大輸出功率的85%，直流端的系統(tǒng)效率損失約10%，綜合計算得到該光伏電站的系統(tǒng)效率在80%左右。按此推算，該光伏電站采用的光伏組件和逆變器的配置情況如表3所示。

表3 本光伏電站中光伏組件和光伏逆變器的配置情況Table 3 Configuration of PV modules and PV inverters in the PV power station in this paper

綜合考慮到本光伏電站所在地周邊的供電網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀及后續(xù)發(fā)展，并兼顧節(jié)約資源、工程可行性、電網(wǎng)安全、業(yè)主要求及工程進展等方面的要求，該光伏電站通過1個并網(wǎng)點接入廠區(qū)的10 kV 配電網(wǎng)。該光伏電站采用10 kV 并網(wǎng)，共使用26 臺逆變器，該逆變器可將直流電逆變?yōu)?00 V 的三相交流電。車間1 和車間3 屋頂?shù)墓夥疥嚲捎? 臺196 kW 的逆變器完成直交轉(zhuǎn)換，并均通過7 回低壓電纜連接至升壓變低壓側(cè)，然后分別經(jīng)過1 臺1600 kVA 升壓變(編號分別為1#和3#)升壓至10 kV。車間2 和車間4屋頂?shù)墓夥疥嚲捎? 臺196 kW 的光伏逆變器完成直交轉(zhuǎn)換，并均通過6 回低壓電纜連接至升壓變低壓側(cè)，然后分別經(jīng)過1 臺1250 kVA 升壓變(編號分別為2#和4#)升壓至10 kV。1#和2#升壓變組成一組，3#和4#升壓變組成一組，通過2 回10 kV 電纜接入光伏匯集站10 kV 母線，最后接入10 kV 配電網(wǎng)。屋頂分布式光伏電站的接線方式示意圖如圖1所示。

圖1 屋頂分布式光伏電站的接線方式示意圖Fig.1 Schematic diagram of wiring mode of rooftop distributed PV power station

1.2 儲能系統(tǒng)的設(shè)計

1.2.1 儲能系統(tǒng)的接線方式

為了最大化利用本屋頂分布式光伏電站所發(fā)電量，考慮為其配備1 套儲能系統(tǒng)。峰時將該光伏電站所發(fā)電量并入電網(wǎng)，而平時、谷時將該光伏電站所發(fā)電量充入儲能系統(tǒng)，再利用峰谷電價進行放電，可以在減輕電網(wǎng)用電負荷的同時減少用戶的電費支出。

該儲能系統(tǒng)的儲能電池采用磷酸鐵鋰電池。儲能系統(tǒng)規(guī)模為2.5MW/11.3MWh，共包括20個儲能單元，每個儲能單元的容量為564.5 kWh；包括2 套1250 kVA 變流功率艙，每個變流功率倉設(shè)置2 臺630 kW 儲能變流器(PCS)；2 臺容量均為1600 kVA 的升壓變；并網(wǎng)端的電壓等級為10.0/0.4 kV。

根據(jù)GB/T 36547—2018《電化學(xué)儲能系統(tǒng)接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》，本儲能系統(tǒng)通過1個儲能開關(guān)站接入10 kV 母線。儲能系統(tǒng)并網(wǎng)后所有的放電電量全部通過主變10 kV 母線消納，為自發(fā)自用性質(zhì)。本儲能系統(tǒng)的接線方式示意圖如圖2所示。

圖2 儲能系統(tǒng)的接線方式示意圖Fig.2 Schematic diagram of wiring mode of energy storage system

1.2.2 儲能系統(tǒng)的充放電策略

本儲能系統(tǒng)采用“兩充兩放”的策略，即：充電時，通過雙向逆變器將三相交流電轉(zhuǎn)換為直流電，通過磷酸鐵鋰電池儲能單元儲能；放電時，通過PCS 輸出低壓三相交流電，儲能系統(tǒng)通過2 臺1600 kVA 的升壓變升壓至10 kV。具體的充放電策略如表4所示。

表4 儲能系統(tǒng)的充放電策略Table 4 Charge and discharge strategy of energy storage system

根據(jù)儲能系統(tǒng)的充放電策略，1 天中，儲能系統(tǒng)的充放電順序及時長為谷時充電4 h、峰時放電4 h、平時充電4 h、峰時放電3.5 h。由于充放電次數(shù)和時長會影響儲能系統(tǒng)內(nèi)儲能單元的壽命，因此將儲能單元每天的充放電次數(shù)和時長折合成設(shè)備損耗。由于該儲能系統(tǒng)在谷時(00:00～08:00)充電、峰時(08:00～12:00)放電各1 次均用時4 h，因此可折合為設(shè)備損耗1次，而平時(12:00～17:00)充電、峰時(17:00～21:00)放電1 次均用時約3.5 h，可折合成損耗次數(shù)約0.86 次，則設(shè)備每日的損耗為1.86 次。根據(jù)該光伏電站所在地的光照情況和所處工廠的工作情況，該儲能系統(tǒng)每年運行約330 天。

根據(jù)該儲能系統(tǒng)運行時儲能電池的放電深度(DOD)約為90%、PCS 交流側(cè)的綜合充放電效率為84.5%，以及儲能系統(tǒng)的15年使用壽命內(nèi)逐年衰減系數(shù)，得到該儲能系統(tǒng)首年充電量為7.1739 GWh，首年放電量為5.1224 GWh；15年總充、放電量分別為93.1136 GWh 和66.4854 GWh；15年年均充、放電量分別為6.2076 GWh和4.4324 GWh。綜合峰谷電價差價、工廠用電情況及建設(shè)成本，該儲能系統(tǒng)降低了工廠的用電成本，緩解了電網(wǎng)峰值用電壓力，且收益大于成本，滿足了設(shè)計要求。

2 光儲一體化的屋頂分布式光伏電站的運行效果

屋頂分布式光伏電站的總裝機容量為5999.36 kWp，按系統(tǒng)效率80%計算，其輸出功率約為4799.924 kW；儲能系統(tǒng)的充放電功率按2.5 MW計算，則光儲一體化屋頂分布式光伏電站運行后主變負荷變化情況如表5所示。

通過表5可知：該光儲一體化的屋頂分布式光伏電站投運后，綜合日常屋頂分布式光伏電站發(fā)電時刻及儲能系統(tǒng)的峰谷充放電情況，所有光伏方陣所發(fā)電量及儲能系統(tǒng)所儲電量均可以被負荷全部消納。同時，根據(jù)電力實際使用情況可以發(fā)現(xiàn)，該光儲一體化屋頂分布式光伏電站投運后，整個廠區(qū)的電力負荷在峰、谷、平各時段都較為平穩(wěn)，無劇烈波動，說明該電站的削峰效果明顯，為工廠節(jié)約了大量電費。

表5 光儲一體化屋頂分布式光伏電站運行后主變負荷變化Table 5 Load change of main transformer after operation of PV-energy storage integrated roof distributed PV power station

3 結(jié)論

本文針對在某工廠屋頂建設(shè)的光儲一體化的屋頂分布式光伏電站的設(shè)計及運行后的效果進行了分析，根據(jù)實際使用情況可以看出，整個廠區(qū)的電力負荷在峰、谷、平各時段都較為平穩(wěn)，無劇烈波動，該電站投運后，削峰效果明顯，為工廠節(jié)約了大量電費。建設(shè)屋頂分布式光伏電站，充分利用了工廠閑置的屋頂資源，生產(chǎn)電能過程清潔高效；而在建設(shè)屋頂分布式光伏電站的同時配套建設(shè)儲能系統(tǒng)，為工廠節(jié)約了大量電費，還利用了峰谷電價政策有效節(jié)約用電成本，穩(wěn)定電能質(zhì)量，是未來發(fā)展光伏電站的有效方式之一，具有實際應(yīng)用價值。