高速公路光伏發(fā)電與智能分配系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：高速公路的機(jī)電系統(tǒng)在使用主網(wǎng)電能時(shí)會(huì)造成用電成本過高以及污染氣體排放問題。為響應(yīng)國家的碳中和政策，并提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益，降低環(huán)境污染程度，提出一種高速公路光伏發(fā)電與智能分配系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用光能進(jìn)行發(fā)電，并建立三級(jí)負(fù)荷供電模式，使得光伏發(fā)電所發(fā)電能盡可能供應(yīng)給高速公路的機(jī)電負(fù)荷，電能余量再售賣給當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)，從而盡可能擺脫對(duì)主網(wǎng)的依賴，提高高速公路機(jī)電負(fù)荷運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益，大幅降低環(huán)境污染程度。

關(guān)鍵詞：高速公路；光伏發(fā)電；智能分配

中圖分類號(hào)：TK514" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：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(shè)光伏發(fā)電系統(tǒng)[1]。高速公路的機(jī)電系統(tǒng)是以電能為能源基礎(chǔ)運(yùn)行的，而電能主要從供電主網(wǎng)獲取。目前主網(wǎng)的電能來源以火力發(fā)電為主，火力發(fā)電對(duì)環(huán)境具有較大污染，所以從環(huán)保角度出發(fā)，使用主網(wǎng)電能會(huì)加劇環(huán)境污染?，F(xiàn)階段，國家積極推行碳中和政策，鼓勵(lì)建設(shè)以清潔能源進(jìn)行發(fā)電的分布式微電網(wǎng)，其中以分布式光伏發(fā)電最受推崇。目前，分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行模式是發(fā)電機(jī)組直接接入負(fù)荷和主網(wǎng)，光伏發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)電能在供負(fù)荷使用之后，剩余電能就近售賣給當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)[2]。但光伏發(fā)電的發(fā)電功率具有較大波動(dòng)，在光伏發(fā)電的輸出功率較低時(shí)，并不能滿足負(fù)荷的使用條件，所發(fā)電能只能售賣給電網(wǎng)，而負(fù)荷的電能只能由主網(wǎng)進(jìn)行供應(yīng)[3]。目前售電單價(jià)低于購電單價(jià)，若高速公路采用這種光伏運(yùn)行模式建設(shè)光伏發(fā)電系統(tǒng)，一方面實(shí)際經(jīng)濟(jì)性較差，無法很好地降低機(jī)電系統(tǒng)的用電成本，另一方面減少環(huán)境污染的效果也不明顯[4-5]。

為響應(yīng)碳中和政策，并提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益、降低環(huán)境污染程度，在此提出一種高速公路光伏發(fā)電與智能分配系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用光能進(jìn)行發(fā)電，并建立三級(jí)負(fù)荷供電模式，使得光伏發(fā)電所發(fā)電能盡可能供應(yīng)給高速公路的機(jī)電負(fù)荷，電能余量再售賣給當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)，盡可能減少對(duì)主網(wǎng)電能的使用，在降低高速公路機(jī)電系統(tǒng)用電成本的同時(shí)減少環(huán)境污染。

1" " 高速公路光伏發(fā)電與智能分配系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)布置

高速公路光伏發(fā)電與智能分配系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)布置圖如圖1所示。

圖1中，1是光伏發(fā)電機(jī)組，由20塊光伏板橫向串接組成，單塊光伏板的材質(zhì)為單晶硅，尺寸為2.38 m×1.13 m，發(fā)電額定功率為560 W。2是逆變器，主要作用是將光伏發(fā)電機(jī)組所發(fā)直流電能轉(zhuǎn)化成220 V的交流電，便于后續(xù)將電能供給負(fù)荷以及售賣給主網(wǎng)。3是電量檢測(cè)型分接開關(guān)，用于檢測(cè)蓄電池組的電量情況，當(dāng)蓄電池組充電達(dá)100%時(shí)，電量檢測(cè)型分接開關(guān)的檔位接在主網(wǎng)方向，斷開與蓄電池組的連接，使余量電能輸送到主網(wǎng)，當(dāng)蓄電池組電量剩余30%時(shí)，電量檢測(cè)型分接開關(guān)的檔位接在蓄電池組方向，斷開與主網(wǎng)的連接，使光伏所發(fā)電能給蓄電池組充電。4是蓄電池組，由20個(gè)3.2 V/250 Ah的蓄電池組成，每10個(gè)蓄電池構(gòu)成一個(gè)獨(dú)立體，即蓄電池組由獨(dú)立體A和獨(dú)立體B兩個(gè)獨(dú)立體組成，這種組裝方式便于蓄電池組同時(shí)進(jìn)行充電和放電。5是反向電量檢測(cè)型分接開關(guān)，當(dāng)蓄電池組電量超過30%時(shí)，反向電量檢測(cè)型分接開關(guān)的檔位接在蓄電池組方向，斷開與主網(wǎng)的連接，優(yōu)先利用蓄電池組對(duì)負(fù)荷進(jìn)行供電，當(dāng)蓄電池組電量剩余30%時(shí)，反向電量檢測(cè)型分接開關(guān)的檔位接在主網(wǎng)方向，斷開與蓄電池組的連接，利用主網(wǎng)對(duì)負(fù)荷進(jìn)行供電。6是電壓檢測(cè)型開關(guān)，當(dāng)相電壓的電壓值達(dá)不到220 V時(shí)，電壓檢測(cè)型開關(guān)處于分閘狀態(tài)，當(dāng)相電壓的電壓值達(dá)到220 V，電壓檢測(cè)型開關(guān)處于合閘狀態(tài)。7是用電負(fù)荷，特指分布在光伏發(fā)電機(jī)組同一側(cè)且在光伏板串接范圍內(nèi)的負(fù)荷。8是配電箱，是電力設(shè)備的容納空間，主要負(fù)責(zé)連接光伏發(fā)電機(jī)組、主網(wǎng)和負(fù)荷。

光伏發(fā)電機(jī)組及其所連接的配電箱以及與該光伏發(fā)電機(jī)組布置在同一側(cè)的負(fù)荷組成一個(gè)分布式發(fā)電整體。在本轄區(qū)內(nèi)，共設(shè)置80個(gè)分布式發(fā)電整體并沿高速公路兩側(cè)對(duì)稱分布。每一個(gè)配電箱內(nèi)的電量檢測(cè)型分接開關(guān)與反向電量檢測(cè)型分接開關(guān)均與變壓器低壓出線相連接，并通過變壓器與10 kV主網(wǎng)進(jìn)行連接，從而實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)與主網(wǎng)之間的能量交換。

2" " 高速公路光伏發(fā)電與智能分配系統(tǒng)工作模式分析

高速公路光伏發(fā)電與智能分配系統(tǒng)工作模式流程圖如圖2所示。

光伏發(fā)電機(jī)組在發(fā)電之后，通過逆變器將所發(fā)電能轉(zhuǎn)換成交流電，電壓檢測(cè)型開關(guān)檢測(cè)轉(zhuǎn)換后的交流電電壓是否達(dá)到220 V，若交流電電壓達(dá)到220 V，則此時(shí)光伏發(fā)電機(jī)組的出力充足，電壓檢測(cè)型開關(guān)合閘，并閉鎖反向電量檢測(cè)型分接開關(guān)，該光伏發(fā)電機(jī)組覆蓋范圍內(nèi)的負(fù)荷由光伏發(fā)電進(jìn)行直接供電。這是第一級(jí)供電方式，具有最高的優(yōu)先供電權(quán)；若交流電電壓達(dá)不到220 V，則電壓檢測(cè)型開關(guān)斷開，同時(shí)檢測(cè)反向電量檢測(cè)型分接開關(guān)是否閉鎖，如果反向電量檢測(cè)型分接開關(guān)處于閉鎖狀態(tài)，則需對(duì)其進(jìn)行解鎖，以便后續(xù)啟動(dòng)二級(jí)或三級(jí)供電模式。

電量檢測(cè)型分接開關(guān)在檢測(cè)到蓄電池組中未供電獨(dú)立體的儲(chǔ)存電量不超過30%時(shí)，電量檢測(cè)型分接開關(guān)接在蓄電池方向?yàn)樾铍姵爻潆?。蓄電池組的兩個(gè)未供電獨(dú)立體處于獨(dú)立運(yùn)行狀態(tài)，并且每個(gè)獨(dú)立體只能進(jìn)行充電或者放電的單一操作，不可同時(shí)進(jìn)行充電和放電操作。當(dāng)獨(dú)立體A充滿電時(shí)，必須檢測(cè)獨(dú)立體B是否處于放電狀態(tài)，若處于放電狀態(tài)則停止對(duì)蓄電池充電，若不處于放電狀態(tài)則對(duì)獨(dú)立體B進(jìn)行充電。獨(dú)立體之間的放電關(guān)聯(lián)跟充電關(guān)聯(lián)同理。當(dāng)蓄電池組不再進(jìn)行充電時(shí)，電量檢測(cè)型分接開關(guān)接在主網(wǎng)方向，將光伏發(fā)電的剩余電量售賣給主網(wǎng)。

檢測(cè)反向電量檢測(cè)型分接開關(guān)是否閉鎖，若閉鎖則證明負(fù)荷由光伏發(fā)電進(jìn)行供電，若不閉鎖則需采用二級(jí)或三級(jí)供電模式。該系統(tǒng)的第二級(jí)供電模式是利用蓄電池組對(duì)負(fù)荷進(jìn)行供電。反向電量檢測(cè)型分接開關(guān)檢測(cè)未供電且不在充電狀態(tài)的獨(dú)立體的儲(chǔ)存電量是否超過30%，若超過30%則反向電量檢測(cè)型分接開關(guān)接在蓄電池組方向，利用蓄電池組對(duì)負(fù)荷進(jìn)行供電。若獨(dú)立體的電量均不超過30%，則反向電量檢測(cè)型分接開關(guān)接在主網(wǎng)方向，利用主網(wǎng)對(duì)負(fù)荷進(jìn)行供電，這種供電模式為第三級(jí)供電模式。

3" " 高速公路光伏發(fā)電與智能分配系統(tǒng)環(huán)保與經(jīng)濟(jì)效益分析

在該高速公路光伏發(fā)電與智能分配系統(tǒng)中，機(jī)電設(shè)備的總?cè)萘繛?00 kW，光伏發(fā)電機(jī)組的總裝機(jī)容量為2 195.2 kW，蓄電池的總?cè)萘繛?00 000 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(fā)電的能源轉(zhuǎn)換效率為80%，光伏發(fā)電機(jī)組日均照射10 h，一日之內(nèi)可發(fā)電量17 561.6 kW·h。且光伏發(fā)電不會(huì)產(chǎn)生污染氣體，而消耗主網(wǎng)電能則勢(shì)必產(chǎn)生相應(yīng)的污染氣體。主網(wǎng)電能消耗對(duì)應(yīng)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(fā)電機(jī)組出力為零的情況下，利用第二級(jí)供電模式對(duì)負(fù)荷進(jìn)行供電以滿足高速公路的機(jī)電負(fù)荷需求，從而擺脫對(duì)主網(wǎng)電能的依賴，實(shí)現(xiàn)環(huán)保減排的目的。只有在陰雨天氣下光伏發(fā)電出力幾乎為零，此時(shí)只能調(diào)動(dòng)第三級(jí)供電模式，即利用主網(wǎng)電能滿足高速公路的負(fù)荷需求。目前光伏發(fā)電的售電電價(jià)為0.45元/（kW·h），而高速公路的用電類別屬于非工業(yè)類別，其購電電價(jià)為0.70元/（kW·h）。在此以高速公路日均負(fù)荷為算例，并將蓄電池組建設(shè)成本按其使用壽命年限平均分?jǐn)偟饺站杀旧?，?duì)比在純主網(wǎng)供電、光伏發(fā)電負(fù)荷用電后余量上網(wǎng)以及建設(shè)高速公路光伏發(fā)電與智能分配系統(tǒng)的情況下，高速公路機(jī)電負(fù)荷的用電成本和環(huán)境污染程度，具體如表2所示，其中機(jī)電負(fù)荷用電成本為正值代表機(jī)電負(fù)荷用電的所需費(fèi)用，機(jī)電負(fù)荷用電成本為負(fù)值代表高速公路光伏發(fā)電與智能分配系統(tǒng)一日之內(nèi)的凈利潤收益。

由表2可見，建設(shè)高速公路光伏發(fā)電與智能分配系統(tǒng)，相比純主網(wǎng)供電的情況，經(jīng)濟(jì)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(fā)電負(fù)荷用電后余量上網(wǎng)的情況，經(jīng)濟(jì)利益提高70.36%，日均污染氣體排放量減少428.4 kg。

4" " 結(jié)束語

高速公路光伏發(fā)電與智能分配系統(tǒng)利用光能進(jìn)行發(fā)電，并建立三級(jí)負(fù)荷供電模式，使得光伏發(fā)電所發(fā)電能盡可能地供應(yīng)給高速公路的機(jī)電負(fù)荷，電能余量再售賣給當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)，從而盡可能擺脫對(duì)主網(wǎng)的依賴。建設(shè)高速公路光伏發(fā)電與智能分配系統(tǒng)相比純主網(wǎng)供電的情況，經(jīng)濟(jì)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(fā)電負(fù)荷用電后余量上網(wǎng)的情況，經(jīng)濟(jì)效益提高70.36%，日均污染氣體排放量減少428.4 kg，可見運(yùn)用該系統(tǒng)能更好地提高高速公路機(jī)電負(fù)荷運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益，并大幅減少環(huán)境污染。隨著儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展，該系統(tǒng)在今后的應(yīng)用中還能為途經(jīng)的新能源汽車進(jìn)行充電，得到的收益將進(jìn)一步降低投建該系統(tǒng)的成本，提高高速公路的經(jīng)濟(jì)收益。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 陳艷波，劉志慧，吳適存，等.高速公路綠色能源系統(tǒng)體系架構(gòu)初探[J].新型電力系統(tǒng)，2024，2（1）：94-114.

[2] 賈旭波，賈雪松.分布式光伏接入對(duì)地區(qū)電網(wǎng)規(guī)劃的影響[J].低碳世界，2023，13（12）：139-141.

[3] 張曉瑛.風(fēng)力和光伏發(fā)電技術(shù)接入電網(wǎng)的電壓控制方法探析[J].光源與照明，2023（12）：80-82.

[4] 付豪，崔培強(qiáng)，梁葉云.高速公路微電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)效益測(cè)算研究[J].交通節(jié)能與環(huán)保，2024，20（1）：1-5.

[5] 李源淵，高碩晗，盧春穎，等.推進(jìn)公路與光伏深度融合發(fā)展的對(duì)策建議[J].交通節(jié)能與環(huán)保，2024，20（1）：22-25.

收稿日期：2024-03-28

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