淺述光伏發(fā)電項目的電量調(diào)度

楊洋

（深圳世紀星源股份有限公司，廣東 深圳 518001）

淺述光伏發(fā)電項目的電量調(diào)度

楊洋

（深圳世紀星源股份有限公司，廣東 深圳 518001）

光伏發(fā)電是利用半導體界面的光生伏特效應(yīng)將光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N技術(shù)。我國的常規(guī)能源儲量很有限，并且遠低于世界平均水平，而太陽能作為可再生能源，不僅具有資源的充足性，還有充分的清潔性、絕對的安全性和潛在的經(jīng)濟性等優(yōu)點。近年來，我國也成為了全球光伏發(fā)電安裝量增長最快的國家。雖然太陽能資源充足，但是，以目前的技術(shù)，光伏發(fā)電裝置實際的光電轉(zhuǎn)化率仍不足30%，因此，如何有效利用收集到的電能也是一個很重要的課題。通過分析一個實際參與設(shè)計的光伏發(fā)電項目，說明在具體項目中根據(jù)實地情況和客戶要求進行電量調(diào)度分配的一些心得和在此過程中需要注意的問題，以期為日后相關(guān)工作的順利進行提供參考。

光伏發(fā)電；電量調(diào)度；太陽能資源；負載用電量

光伏發(fā)電是利用半導體界面的光生伏特效應(yīng)將光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N技術(shù)。光伏發(fā)電裝置主要由太陽電池板（組件）、控制器和逆變器三大部分組成，主要部件由電子元器件構(gòu)成。太陽能電池經(jīng)過串聯(lián)后進行封裝保護可形成大面積的太陽電池組件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏發(fā)電裝置。與常用的火力發(fā)電系統(tǒng)相比，光伏發(fā)電的優(yōu)點主要體現(xiàn)為：無枯竭危險，安全、可靠，無噪聲，無污染排放，不受資源分布地域的限制，可利用建筑屋面的優(yōu)勢，無需消耗燃料和架設(shè)輸電線路即可就地發(fā)電、供電等。

但是，光伏發(fā)電也具有一定的缺點，即照射的能量分布密度小，要占用的面積很大，獲得的能源與四季、晝夜和陰晴等氣象條件有關(guān)，光伏板制造過程中不環(huán)保等。

本文通過分析一個光伏發(fā)電項目的電量調(diào)度，放大光伏發(fā)電的優(yōu)點，縮小其缺點，最大限度地利用收集到的能源來滿足客戶的需求。

1 項目介紹

本文所討論的光伏發(fā)電項目所在地為湖南長沙，是住宅小區(qū)配套的供電系統(tǒng)。項目類型為屋頂離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，規(guī)劃發(fā)電總量為288.12 kWp，其中為覆蓋整個小區(qū)水系的景觀泵房配備159.18 kWp，樓宇照明系統(tǒng)配備100 kWp，還有另外30 kWp左右配備給其他負載。該系統(tǒng)年均發(fā)電量約為2.94×105kW·h。

本文討論的主要問題是如何實現(xiàn)為觀景泵房配備的159.18 kWp電量的最優(yōu)化調(diào)度。調(diào)度方案根據(jù)客戶實際給出的發(fā)電使用原則來設(shè)計：自發(fā)自用，余量存入蓄電池，以及光伏發(fā)電和現(xiàn)場工作的實際情況來控制水泵的運行狀態(tài)，在合適的時刻啟動和停止相關(guān)負載，以充分利用光伏資源。在設(shè)計方案的過程中，要將光伏發(fā)電端與觀景泵房負載端高效結(jié)合，充分利用系統(tǒng)所發(fā)電能控制水泵工作，從而使整個小區(qū)的景觀水系有條不紊地循環(huán)起來，如圖1所示。

圖1 調(diào)度控制方案

2 設(shè)計要點分析

要想制訂出最優(yōu)的調(diào)度方案充分利用光伏發(fā)電的能源，相關(guān)人員就需要了解項目所在地的實地情況，客戶對水泵啟停的控制要求，以及所用設(shè)備的運行參數(shù)等。下面，筆者將通過5點來說明在設(shè)計本光伏發(fā)電系統(tǒng)的電量調(diào)度方案時重點分析的內(nèi)容。

2.1 設(shè)備啟動順序

本方案主要針對景觀泵房的水泵運行進行控制設(shè)計。負載水泵主要有：排水泵4 kW（2臺），提升泵4 kW（2臺），綠化加壓泵11 kW（2臺），循環(huán)水泵22 kW（2臺），觀景噴泉泵15 kW（1臺）。提升泵和綠化加壓泵采用一主一備的運行方式，提升泵主要用于提供景觀水的動力，綠化加壓泵主要用于園林植被的灌溉和防旱。通常情況下，二者每天都要工作一定的時間。排水泵的主要用途是排放污水污泥，平時不用每天啟動，需要工作時直接接入市電運行；循環(huán)泵與提升泵的作用基本相同，在供電充足的情況下，2臺循環(huán)泵同時運行實現(xiàn)景觀水的循環(huán)。另外還有一臺觀景噴泉泵15 kW，平常不需啟動，需要時由市電供其運行。綜上所述，通常情況下，設(shè)備負載容量為59 kW。由于小功率水泵可以在低能量條件下啟動，所以，啟動優(yōu)先順序是：提升泵—綠化加壓泵—循環(huán)泵1—循環(huán)泵2，設(shè)備信息如表1所示。

表1 景觀水泵配置

2.2 日照情況

光伏發(fā)電系統(tǒng)工作時，對其影響最大的就是日照時間和日照強度，因此，在設(shè)計方案時，一定要事先了解項目所在地的日照情況，同一發(fā)電指標在不同地區(qū)的電量調(diào)度方案設(shè)計會大不相同，所以，對于同一地區(qū)，也要考慮不同季節(jié)的電量調(diào)度方案。

這個項目所在地湖南長沙的地理位置為：緯度28.23°N，經(jīng)度113.10°E附近。長沙年平均日照峰值小時統(tǒng)計如表2所示。項目為觀景泵房配備了一套159.18 KWp的太陽能光伏組件，1臺160 kW逆變器，1臺160 kW控制器，1套690 Ah蓄電池。按發(fā)電效率80%計算，每個日照峰值小時所發(fā)的電量大約為127 kW·h。在理想狀況下，所有負載工作1 h所耗電量為59 kW·h。考慮到啟動電流和實際工作過程中的其他損耗因素，實際所耗電量可能偏大。

根據(jù)表2長沙當?shù)啬昶骄照辗逯敌r數(shù)3.29 h計算，每天通過太陽光伏板所發(fā)的實際電量大約為420 kW·h，本方案的目的就是將每天所發(fā)的這420 kW·h電量充分、有效地應(yīng)用到負載和蓄電池上，實現(xiàn)發(fā)電與用電的最佳匹配。

表2 長沙年平均日照峰值小時統(tǒng)計

2.3 設(shè)備運行時間分配

綠化加壓泵和提升泵采用星三角啟動方式，啟動電流大約為工作電流的2～2.3倍。對于大功率的循環(huán)泵，為了避免按照相同方式啟動時產(chǎn)生的啟動電流對整個系統(tǒng)造成沖擊，決定采用變頻啟動的方式，具體數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 負載相關(guān)參數(shù)

當蓄電池的容量為690Ah時，為了維持蓄電池的性能，在使用時，要預留50%的容量，即實際使用的電量為350Ah左右，換算為200 kW·h左右的能量（功率因數(shù)約為0.9）。通常情況下，1 d太陽能光伏發(fā)電要為蓄電池充200 kW·h的電量。綜合負載和蓄電池的情況，初步確定1 d內(nèi)負載和蓄電池用電分配如表4所示。每天420 kW·h的發(fā)電量分配到負載和蓄電池各200 kW·h，留20 kW·h左右的富余。

2.4 不同季節(jié)單獨考慮

光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電能力容易受到地理位置的影響，就算同一地理位置的不同季節(jié)，發(fā)電能力也有可能區(qū)別很大。對于本方案的項目地長沙，夏季和冬季的日照情況需要單獨考慮，因此，電量調(diào)度方案也要作相應(yīng)的調(diào)整。

表4 負載和蓄電池用電分配

2．4．1 標準方案

圖2 冬季日光伏發(fā)電量及負載用電量曲線圖

標準方案發(fā)電和用電分配如圖2所示。圖2所示曲線由圖3所示的景觀泵房水泵運行啟動控制流程圖得出。

此方案適用于每年4月份、5月份、9月份，在夏季和冬季會對方案進行相應(yīng)的調(diào)整，具體方案描述如下：

早晨7：00，太陽能光伏組件開始發(fā)電。等光伏發(fā)電大于12 kW·h時（此時如果停止發(fā)電，則蓄電池的電量可供提升泵工作1 h，考慮蓄電池預留容量為50%），大約8：00時可以先啟動提升泵，計劃運行6 h后停泵或根據(jù)現(xiàn)場反饋數(shù)據(jù)判斷是否停泵。9：30左右，當發(fā)電量大于45 kW·h時，開啟綠化加壓泵，計劃運行6 h后停泵或根據(jù)現(xiàn)場反饋數(shù)據(jù)判斷是否停泵。9：45左右，當發(fā)電量大于67 kW·h時，開啟循環(huán)泵1，計劃運行3 h后停泵。10：00左右，當發(fā)電量大于89 kW·h時，開啟循環(huán)泵2，計劃運行2 h后停泵。

計劃15：00之前所有水泵先后都會停止運行，之后如果還需繼續(xù)運行水泵，則可以由蓄電池來提供動力。剩余儲存在蓄電池的200 kW·h能量可以根據(jù)實際需要在下午或晚上發(fā)電不足時供水泵運行使用。蓄電量分配情況如表5所示。

圖3 景觀泵房水泵啟動控制流程圖

表5 蓄電池供負載運行能量分配表

這個標準方案只是一個運行參考，在實際運行過程中，開啟水泵的流程應(yīng)根據(jù)本方案執(zhí)行，但是，何時停止水泵可根據(jù)現(xiàn)場反饋自動控制或由人工手動停泵。本方案是在無反饋和無手動操作時由已輸入控制參數(shù)的配套控制軟件來自動控制的啟停方案。

當水泵運行時，光伏發(fā)電多余的電量會儲存到蓄電池中，而在4臺泵同時運行的時間內(nèi)，也基本是太陽光伏發(fā)電實際功率最高（正午）的時候，這時的發(fā)電量幾乎全部用于帶動負載工作。另外，白天水泵運行時，光伏即時發(fā)電已能滿足負載供電的需求，無需蓄電池輔助供電。正常情況下，可按照標準方案調(diào)度。在夏季和冬季，會對方案進行相應(yīng)的調(diào)整。當遇到陰雨天時，系統(tǒng)需要切換為蓄電池供電，以帶動負載。當蓄電池電量不足并且要求負載啟動運行時，接入市電。

2．4．2 夏季（適用于6月、7月、8月）

夏季時，每日的日照峰值小時數(shù)可達到4 h以上，因此，實際發(fā)電量可達500 kW·h以上，可供負載立即使用的發(fā)電量達到300 kW·h以上，因此，負載能量分配需要做相應(yīng)的調(diào)整。水泵運行時間分配變更和能量曲線分別如表6和圖4所示，啟動順序仍然按照標準方案執(zhí)行。

表6 夏季負載運行時間分配

圖4 夏季日光伏發(fā)電量及負載用電量曲線圖

2．4．3 冬季（適用于11月、12月、1月、2月、3月）

在冬季，每日的日照峰值小時會減少到2.2 h左右，因此，實際發(fā)電量約為280 kW·h，計劃不將蓄電池蓄滿，讓優(yōu)先水泵即時運行，蓄電池只充1/2的電量，即100 kW·h。水泵運行時間變更和能量曲線分別如表7和圖5所示。

表7 冬季負載運行時間分配

圖5 冬季日光伏發(fā)電量及負載用電量曲線圖

冬季日照強度在正午時有可能達不到供4臺水泵同時運行的條件，因此，一般如果要開啟循環(huán)泵2，應(yīng)加入蓄電池同時供電。

2．4．2 降雨

遇到連續(xù)降雨的情況，使用蓄電池儲存的電量來供應(yīng)負載運行，能量不足時考慮接入市電。這時，啟動優(yōu)先級順序稍有變化，即綠化加壓泵—提升泵—循環(huán)泵1—循環(huán)泵2.

2.5 聯(lián)系實際情況

2．5．1 蓄電池的保溫工作

蓄電池的工作溫度在20℃以下時，每下降1℃，其容量下降1%.考慮到長沙在冬季時氣溫可低至0～5℃左右，建議給蓄電池配置保溫設(shè)施以保持其蓄電能力。

2．5．2 太陽能光伏板的角度選定

太陽能光伏板的朝向?qū)夥l(fā)電的功率影響很大，不同朝向之間的發(fā)電功率差別最高可達50%.例如，湖南長沙在夏季時東（或西）的朝向發(fā)電功率最大，不同季節(jié)、不同朝向都有可能出現(xiàn)最大發(fā)電功率，現(xiàn)場工作人員應(yīng)實地測算確定最佳角度，如果光伏板能隨著最佳朝向旋轉(zhuǎn)為最佳方案。

3 結(jié)束語

本調(diào)度方案以理論數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合湖南長沙的實際情況，經(jīng)計算得出相應(yīng)結(jié)果作為方案的最終數(shù)據(jù)，基本達到了光伏發(fā)電最大化利用的目的。該方案對于一年中的不同季節(jié)調(diào)整了電量調(diào)度方案，但仍然可能與現(xiàn)場實際情況有出入，因此，需要后續(xù)有關(guān)人員對相關(guān)控制參數(shù)進行適當?shù)男薷模詢?yōu)化該方案。本文可以為類似的光伏發(fā)電項目的電量分配提供一個參考，從日照情況、客戶要求、設(shè)備需求和季節(jié)區(qū)別等重要方面闡述如何最大化利用光伏發(fā)電產(chǎn)生的能源，并根據(jù)實際情況對具體項目設(shè)計方案作出相應(yīng)的調(diào)整。

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〔編輯：白潔〕

TM615+.2

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.13.003

2095-6835（2017）13-0003-04

楊洋（1992—），男，河北深州人，2015年畢業(yè)于香港城市大學（碩士），主要研究方向為自動控制。