屋頂分布式光伏電站在油田計(jì)量間的應(yīng)用

陳國(guó)杰

(大慶油田信息技術(shù)公司,黑龍江 大慶 163000)

2019年,中國(guó)石油、天然氣消費(fèi)所排放的CO2分別達(dá)到15.2億噸和5.9億噸,占全國(guó)總排放量的21%。在2020年12月,習(xí)主席提出到2030年,全國(guó)風(fēng)電、太陽能發(fā)電總裝機(jī)容量將達(dá)到1.2×106MW以上,非化石能源占一次能源消費(fèi)比重將達(dá)到25%左右。因此,中國(guó)石油天然氣集團(tuán)有限公司在“碳中和”目標(biāo)下面臨巨大挑戰(zhàn),在“雙碳”目標(biāo)和“能耗雙控”政策下,油田作為典型的高耗能行業(yè)一直在積極探索更加節(jié)能低碳的綠色發(fā)展之路。大慶油田電網(wǎng)是全國(guó)最大的企業(yè)電網(wǎng)之一,電力供應(yīng)需求量大,且主要負(fù)責(zé)油田生產(chǎn)用電,大慶油田每年消耗電能1.50×1010kW·h。

大慶油田既是產(chǎn)能大戶同時(shí)也是用能大戶,按集團(tuán)公司“油、氣、熱、電、氫”綜合性能源公司轉(zhuǎn)型總體要求,以資源為前提,以電網(wǎng)為依托,以負(fù)荷用電為基礎(chǔ),以“源、網(wǎng)、荷、儲(chǔ)”為主要技術(shù)路線,規(guī)?；ㄔO(shè)風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電以替代國(guó)網(wǎng)電能,實(shí)現(xiàn)油田電能的清潔替代。從光伏組件選型、場(chǎng)區(qū)布置、電氣接線、組件支架等方案的設(shè)計(jì)及對(duì)項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行分析,研究結(jié)果表明： 大慶地區(qū)利用太陽能資源發(fā)電,具有較好的開發(fā)前景;站場(chǎng)區(qū)域內(nèi)屋頂構(gòu)造穩(wěn)定,不需土地征用;新建光伏電站均可就近接入電網(wǎng)系統(tǒng);施工建設(shè)條件及交通運(yùn)輸條件齊全、便利;經(jīng)過項(xiàng)目投資概算和財(cái)務(wù)分析,屋頂光伏項(xiàng)目可以取得更好的經(jīng)濟(jì)效益。

1 屋頂光伏發(fā)電在計(jì)量間上的應(yīng)用分析

1.1 建設(shè)原則

根據(jù)油田新能源發(fā)電項(xiàng)目的發(fā)展規(guī)劃,依托大慶油田配電網(wǎng),形成“源、網(wǎng)、荷、儲(chǔ)”一體化模式。充分利用已建的生產(chǎn)設(shè)施,降低建設(shè)投資,提高節(jié)能工程項(xiàng)目建設(shè)的整體經(jīng)濟(jì)效益。結(jié)合油田的中長(zhǎng)期規(guī)劃,優(yōu)化光伏發(fā)電規(guī)模,確定合理的容配比,保證發(fā)電安全可靠。

1.2 光資源分析

大慶市年峰值日照時(shí)長(zhǎng)可以達(dá)到1.4×103h以上,年日照時(shí)長(zhǎng)在2.6×103～2.8×103h,年太陽能輻射量超過4.8×103～5.0×103MJ/m2,屬于太陽能資源非常豐富的地區(qū)。大慶市年平均溫度較低,有利于提高光伏組件的轉(zhuǎn)換效率。

根據(jù)大慶市安達(dá)氣象站提供的1987—2016年日照時(shí)數(shù),繪制出該地區(qū)近30 a日照時(shí)間年際變化如圖1所示。

圖1 安達(dá)氣象站日照時(shí)間年際變化曲線

從圖1可看出,1987—2016年間安達(dá)氣象站日照百分率分布年際變化與日照時(shí)間變化趨勢(shì)基本一致,該氣象站日照百分率分布年際變化數(shù)值為51.9%～65.8%,油田場(chǎng)址日照時(shí)間變化趨勢(shì)平穩(wěn),適合建設(shè)光伏電站。

距離該項(xiàng)目光伏電站場(chǎng)址最近的氣象站為安達(dá)氣象站,該氣象站屬于一般氣象站,暫無太陽能輻射數(shù)據(jù)。因此,該項(xiàng)目采用氣象軟件和光伏軟件相結(jié)合分析場(chǎng)址太陽能數(shù)據(jù),分別采集了NASA衛(wèi)星數(shù)據(jù)、Meteonorm8.0氣象數(shù)據(jù)以及SolarGIS太陽能輻射數(shù)據(jù)。

1.2.1 NASA太陽能輻射數(shù)據(jù)

本次采集1983—2005年的NASA衛(wèi)星數(shù)據(jù),太陽輻射數(shù)據(jù)是NASA通過太空衛(wèi)星觀測(cè)后再反演至地面數(shù)據(jù)得到。結(jié)合建設(shè)地點(diǎn)位置,NASA模擬太陽能輻射月際變化見表1所列。

表1 NASA模擬太陽能輻射月際變化 MJ/m2

1.2.2 Meteonorm8.0太陽能輻射數(shù)據(jù)

通過建設(shè)地點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)搜索可以得到該地區(qū)2008—2018年的平均輻射量,Meteonorm8.0平均輻射數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 Meteonorm8.0太陽能平均輻射量示意

1.2.3 SolarGIS太陽能輻射數(shù)據(jù)

SolarGIS主要的數(shù)據(jù)要素包括太陽輻射,氣溫、海拔高度、水平面及傾角等,使用SolarGIS太陽能資源評(píng)估工具對(duì)場(chǎng)址區(qū)域太陽能資源進(jìn)行模擬,結(jié)果見表2所列。

表2 SolarGIS模擬太陽能輻射月際變化 MJ/m2

1.2.4 輻射量衛(wèi)星數(shù)據(jù)分析

綜上可知,Meteonorm、NASA和SolarGIS以及氣象站提供的輻射數(shù)據(jù)月際變化趨勢(shì)基本上是一致的。由于NASA近年沒有更新數(shù)據(jù),SolarGIS使用輻射數(shù)據(jù)的是年平均值計(jì)算,為了獲取當(dāng)前建設(shè)地址的相對(duì)準(zhǔn)確數(shù)據(jù),該項(xiàng)目采用Meteonorm中的太陽輻射數(shù)據(jù)作為建設(shè)場(chǎng)址太陽能資源評(píng)估數(shù)據(jù)。

2 光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該項(xiàng)目建設(shè)區(qū)域位于大慶油田開發(fā)有限責(zé)任公司,利用作業(yè)區(qū)計(jì)量間建筑屋頂開發(fā)建設(shè)分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目。

2.1 太陽能光伏組件

對(duì)于組件選擇最重要指標(biāo)是光電轉(zhuǎn)換效率,在設(shè)備選型時(shí)優(yōu)先選擇光電轉(zhuǎn)換效率高的組件,其次考慮光伏組件的耐久性和可靠性,光伏組件長(zhǎng)期在戶外運(yùn)行,其耐久性和可靠性直接影響光伏發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和壽命。組件應(yīng)具備良好的抗風(fēng)壓、抗沖擊、抗腐蝕性能,確保組件能在惡劣環(huán)境中安全運(yùn)行。

太陽能光伏組件包括單晶硅、多晶硅和非晶電池組件。采用單晶硅光電轉(zhuǎn)換效率高、衰耗小、技術(shù)成熟、穩(wěn)定性好,廣泛應(yīng)用于光伏市場(chǎng)。電池片采用P-N結(jié)構(gòu),鋼化玻璃用于支撐光伏組件結(jié)構(gòu),具有透光、減少反射光、阻絕空氣和水的作用,EVA是一種熱熔膠粘劑,將電池片、鋼化玻璃、背板粘接在一起,組件背板具有保護(hù)作用增加了組件的耐老化、耐腐蝕性,延長(zhǎng)組件的使用壽命。

在選擇電池組件時(shí)主要關(guān)注5個(gè)參數(shù)特征： 峰值功率、開路電壓、短路電流、工作電壓、工作電流。

考慮到彩鋼板屋面受力及傳力構(gòu)件的彩鋼板檁條承載力和光伏組件材料性能對(duì)比,該項(xiàng)目采用單晶硅電池片。

2.2 逆變器選擇

在光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中,逆變控制部分應(yīng)用包括： DC/AC轉(zhuǎn)換,控制轉(zhuǎn)換電壓、頻率、相位、諧波等重要數(shù)據(jù)指標(biāo),逆變器具有跟蹤功能,交流過壓、欠壓保護(hù),超頻、欠頻保護(hù)、短路保護(hù),交流及直流的過流保護(hù),過載保護(hù),反極性保護(hù),高溫保護(hù),防孤島保護(hù)等保護(hù)功能。

電弧故障中斷裝置(AFCI)通過判斷電流波形成能夠及時(shí)檢測(cè)和中斷電弧故障,具有關(guān)斷更快的功能。智能組串分段(SSLD)具有直流側(cè)故障快速分段功能,能夠提升電站主動(dòng)安全能力。

2.3 光伏陣列設(shè)計(jì)及布置方案

2.3.1 光伏支架傾角

光伏陣列的安裝傾角對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的效率影響較大,對(duì)于固定式光伏陣列最佳傾角即光伏發(fā)電系統(tǒng)全年發(fā)電量最大時(shí)的傾角,在不考慮遮擋及不可利用輻射等因素的前提下,通過NASA太陽能輻射數(shù)據(jù)以及PVsyst軟件計(jì)算傾斜面上各月日平均太陽輻射量,生成傾斜面太陽輻射變化曲線以及最佳傾角,組件采用固定方式安裝。

利用PVsyst軟件選取38°～45°不同的傾角進(jìn)行模擬,得出年輻射量見表3所列。

表3 PVsyst軟件模擬年輻射量

通過以上分析可知,根據(jù)傾斜面上太陽輻射變化趨勢(shì),當(dāng)光伏組件方位角為0(正南),傾角為42°時(shí),全年平均太陽總輻射量最大,彩鋼板屋頂光伏為減少荷載及風(fēng)阻因素采取與屋頂斜度相同的固定安裝方式,傾角為38°。

2.3.2 光伏陣列組串設(shè)計(jì)

光伏組件串聯(lián)數(shù)量計(jì)算,利用GB 50797—2012《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》中組串計(jì)算公式,如式(1)所示：

(1)

式中：N——光伏組件串聯(lián)數(shù),N取整;Udcmax——逆變器允許最大直流輸入電壓,V;Uoc——光伏組件開路電壓,V;Kv——光伏組件開路電壓溫度系數(shù);t——光伏組件工作條件下的極限最低溫度,℃。

為達(dá)到技術(shù)和經(jīng)濟(jì)最優(yōu)化,地面光伏電站一般采用最大組件串聯(lián)設(shè)計(jì)。式(1)中,Udcmax=1 080 V,Uoc=49.50 V,t=-36.2 ℃。經(jīng)計(jì)算,N≤19,結(jié)合逆變器最佳輸入電壓和光伏組件工作環(huán)境等因素綜合分析,最終確定該工程選用光伏組件串聯(lián)數(shù)為16個(gè)。

3 光伏管理系統(tǒng)

該系統(tǒng)利用數(shù)據(jù)集成和共享技術(shù),將業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)形象化、直觀化、具體化,實(shí)時(shí)反映運(yùn)行狀態(tài),有機(jī)整合各系統(tǒng)功能,形成智能發(fā)電中心、智能設(shè)備管理中心、報(bào)警中心、智能巡檢中心。

子站數(shù)據(jù)通過縱向加密裝置與電力調(diào)度中心進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)及資源的交互共享;通過正反向隔離裝置與橫向隔離裝置對(duì)數(shù)據(jù)訪問和控制;通過防火墻實(shí)現(xiàn)與調(diào)度中心內(nèi)部的數(shù)據(jù)庫(kù)、組態(tài)系統(tǒng)等進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)接,保證電網(wǎng)的安全性。

光伏管理系統(tǒng)功能如下：

1)實(shí)時(shí)監(jiān)控功能。實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏、儲(chǔ)能等重要供能設(shè)備,以及變電站主要配能設(shè)施的監(jiān)視,并能以圖形曲線的形式展示數(shù)據(jù)。供能設(shè)備運(yùn)行監(jiān)控展示內(nèi)容包括： 設(shè)備的運(yùn)行參數(shù),如交/直流電壓、電流、功率,電網(wǎng)頻率,當(dāng)日發(fā)電量、累計(jì)發(fā)電量,逆變器的輸出功率、功率因數(shù)、額定功率,組串詳情,儲(chǔ)能單元的容量、溫度、交換功率等實(shí)時(shí)信息。

2)故障診斷功能。通過數(shù)據(jù)分析和模型診斷分析技術(shù),對(duì)光伏電站通常出現(xiàn)的故障問題進(jìn)行提前預(yù)警。

3)數(shù)據(jù)采集及處理功能。實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)/歷史數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理及分析功能,具備斷點(diǎn)續(xù)傳,標(biāo)準(zhǔn)電力接口協(xié)議,支持第三方自定義開發(fā)與集成。

4)功率預(yù)測(cè)。有功功率、無功電壓自動(dòng)控制系統(tǒng)(ACG/AVC),對(duì)相應(yīng)電站進(jìn)行調(diào)節(jié),保證電網(wǎng)穩(wěn)定、高效、安全地運(yùn)行。

5)辦公自動(dòng)化系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)辦公網(wǎng)與企業(yè)網(wǎng)系統(tǒng)自動(dòng)化,優(yōu)化組織結(jié)構(gòu),提高運(yùn)行效率。

6)運(yùn)維平臺(tái)功能。對(duì)已接入電站進(jìn)行運(yùn)維管理,及時(shí)解決現(xiàn)場(chǎng)難題。

4 發(fā)電量計(jì)算

4.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)效率

光伏發(fā)電系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換主要包括： 能量來源環(huán)節(jié)、能量轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)、能量輸出環(huán)節(jié)等,上述各環(huán)節(jié)中均存在不同的能量損失。能量來源環(huán)節(jié)的主要損失為不可利用的太陽輻射損失,包括早晚陰影遮擋引起的損失及光線通過玻璃的反射、折射損失,灰塵積雪遮擋損失等;能量轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)的主要損失為由于電池組件質(zhì)量缺陷或者不匹配造成的損失,溫度影響損失等;能量輸出環(huán)節(jié)的主要損失為歐姆損失(直流、交流線路,保護(hù)二極管,線纜接頭等)、逆變器效率損失、變壓器效率損失以及系統(tǒng)故障及維護(hù)損耗等。

綜合以上多種影響因素,光伏陣列的能量損失為η1=88.15%,逆變器能量損失為η2=98.3%,交流并網(wǎng)能量損失為η3=94.75%,總能量損失η=η1×η2×η3=82%。

4.2 發(fā)電量測(cè)算

結(jié)合逐年發(fā)電量與峰值利用時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行財(cái)務(wù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)分析,屋頂光伏裝機(jī)容量為17.28 kWp。結(jié)合該工程系統(tǒng)效率85.6%,計(jì)算出運(yùn)行期逐年發(fā)電量和年峰值利用時(shí)長(zhǎng)。運(yùn)行期逐年發(fā)電量和年峰值利用情況見表4所列。

表4 運(yùn)行期逐年發(fā)電量和年峰值

5 結(jié)束語

通過開展新能源業(yè)務(wù),不僅實(shí)現(xiàn)了中石油定制的“十四五”新能源規(guī)劃,而且為該公司提高了經(jīng)濟(jì)效益。發(fā)展新能源業(yè)務(wù),是大慶油田“當(dāng)好標(biāo)桿旗幟、建設(shè)百年油田”的外在要求,也是推進(jìn)轉(zhuǎn)型升級(jí)、持續(xù)發(fā)展的內(nèi)在需求。圍繞油田綠色、低碳轉(zhuǎn)型發(fā)展目標(biāo),該公司全面推進(jìn)新能源應(yīng)用步伐,本著“先節(jié)能瘦身,再清潔替代”的原則,通過開展優(yōu)化、簡(jiǎn)化、節(jié)能等一系列措施,打造清潔能源替代示范工程,實(shí)現(xiàn)油氣生產(chǎn)用能最大限度的清潔替代。