高速公路光伏發(fā)電與智能分配系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0引言

目前,我國(guó)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。 現(xiàn)階段,國(guó)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(gòu)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220V,若交流電電壓達(dá)到220V,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)樾铍姵爻潆姟Ｐ铍姵亟M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2195.2 kw,蓄電池的總?cè)萘繛?00000Ah。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10h,一日之內(nèi)可發(fā)電量17561.6kw.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(gòu)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?對(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(rùn)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。

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2024年第14期第15篇