安科瑞 劉邁

　　摘要：針對目前高速公路服務區(qū)用電負荷越來越大，本文設計了分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)。通過對分布式光伏項目裝機容量、發(fā)電量、收益、總投資等方面分析可知，高速公路服務區(qū)分布式光伏發(fā)電項目收益高，經濟效益好，可進一步在高速公路推廣。

　　關鍵詞：高速公路；分布式光伏；發(fā)電量

　　0引言

　　隨著經濟的快速發(fā)展，能源的消耗越來越大。目前，化石能源仍然作為我們主要的能源資源，滿足人民的需求，滿足經濟發(fā)展?；茉醋鳛椴?再*資源，儲量相對有限，據科學家研究，現有化石能源將在數十年內耗盡，并且化石能源的開采和使用對環(huán)境造成了嚴重的影響，燃燒化石能源會產生大量的二氧化碳等溫室氣體，導致全球變暖和氣候變化。因此人類急需續(xù)租替代能源以滿足未來能源的需要。

　　太陽能作為一種可再生能源，被認為是石油的良好替代能源之一。太陽能可以通過太陽能電池板將太陽輻射轉化為電能。太陽能具有廣泛分布、**不斷的特點，并且不會產生碳排放。此外，隨著技術的進步，太陽能電池板的效能不斷提高，使得太陽能成為一個越來越有吸引力的替代能源選擇。

　　高速公路作為我國目前主要運輸方式之一。截至2022年底，我國高速公路通車總里程17.7萬公里，并且還在高速增長中。我國高速公路有7000多個服務區(qū)，高速公路服務區(qū)是駕駛員和乘客休息，車輛加油充電的重要場所，在日常保障高速公路運營起著十分重要的作用。“高速公路+光伏”在高速公路有廣泛的應用前景。

　　本文以天津某高速公路服務區(qū)分布式光伏方案為研究對象，分析分布式光伏在高速公路服務區(qū)應用優(yōu)勢，測算投資收益情況，展望“高速公路+光伏”未來發(fā)展方向。

　　1太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)簡介

　　太陽能發(fā)電系統(tǒng)是利用光伏組件將太陽能轉化成電能的發(fā)電系統(tǒng)。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)主要包括光伏組件方陣、并網逆變器、接入系統(tǒng)等。

　　光伏組件方陣利用太陽能轉化成電能(直流),由并網逆變器將直流電轉換為交流電，通過接入系統(tǒng)并網。

　　2“高速公路+光伏”優(yōu)勢分析

　　(1)原則上不再新增建設用地。高速公路建設時，征地面積一般較大，光伏組件基本都布設在高速公路用地范圍內，充分的利用土地資源。

　　(2)施工便捷，項目施工所用的設備沿公路沿線布設，也可設置在服務區(qū)，材料運輸、建設施工均能有效保障，無需新建施工便道、場地平整等，可以很好地保障光伏項目的施工進度。

　　(3)管理成本相對較低，一般光伏項目需要專業(yè)的維護團隊維護，高速公路光伏發(fā)電站運維管理可與高速公路日常養(yǎng)護一并統(tǒng)籌，僅需增加少量的光伏運維的專業(yè)技術人員。

　　(4)就地消納比例高，高速公路光伏電站其所發(fā)電能供高速公路日常運營所需，就地消納情況良好，比如服務區(qū)辦公用電、廠區(qū)照明、充電樁等多種設備用電。

　　3投資收益測算分析

　　3.1項目概況

　　本項目位于津薊高速，津薊高速主線采用四車道高速公路標準，設計速度分別為100千米/小時，其中薊州區(qū)服務區(qū)占地面積約11萬m²,建有服務用房約4000m²,兩座加油站，車場等設施。為盡可能大面積鋪上光伏組件，考慮在服務區(qū)空地、停車場、建筑屋頂等地方敷設，經分析統(tǒng)計，上下行兩個方向服務區(qū)內可用作光伏發(fā)電區(qū)域面積約8000m²。

　　3.2項目開發(fā)模式

　　對于現狀的高速公路項目，目前常見的模式為高速公路的運營主體自行投資、建設、運維光伏項目，或者高速公路的運營主體提供路網閑置資源作為光伏項目建設場所，通過對外招商，

　　與*三方簽訂合同能源管理協(xié)議，由*三方負責設計、投資、建設、運維。本項目高速公路公司作為投資主體，負責項目投資本項目，故項目收益全部為高速公路公司所得。天津市目前一般工商業(yè)采用峰平谷電價，經現場調研，薊州區(qū)服務區(qū)白天綜合電價約0.8元/kWh。

　　3.3項目投資分析

　　通過對已建項目調研分析并向設備廠商詢價，分析得出服務區(qū)光伏發(fā)電項目建設成本單價以及項目運維期費用如表1所示：

　　表1項目基礎信息表

　　本項目按照容量812kWp,按照比較好的傾角、0°方位角布置光伏組件?？紤]光伏組件衰減、溫度修正系數、表面污染及遮擋修正系數、適配系數、逆變器平均效率、集電線路損耗系數等因素，本工程綜合修正系數K=0.85。建設成本單價組成如表2所示：

　　表2建設成本單價組成

　　本項目每瓦投資4.0元，總容量為812KWp,總投資為324.8萬元。

　　3.4項目發(fā)電分析

　　根據初步估算，本工程35°傾角，安裝容量為812kWp。單個組件容量580Wp,發(fā)電量根據下式計算。

　　Ep=HA×PAZ/ES×K (1)

　　式中：HA為傾斜面太陽能總輻射量(含背板增益)(KW·h/m²,峰值小時數)對于本工程，35°傾角取值1702KW·h/m²;Ep為上網發(fā)電量(KW·h);ES為標準條件下的輻照度(常數=1kWh/m²);PAZ為組件安裝容量(kWp);K為綜合效率系數，取0.85。

　　目前，市場上的光伏電池使用壽命一般為25年，根據太陽電池廠家提供的組件衰減參數，N型單晶硅雙面雙玻太陽電池組件首年衰減比例1%,逐年功率衰減0.4%,中間區(qū)間采用線性插值，如表3所示。

　　根據表3,光伏組件正面25年平均發(fā)電量110.88萬KW·h,

　　總發(fā)電量2772.06萬KW·h,全年平均有效小時數為1365.55h。根據產品規(guī)格書中可查得雙玻組件的背面系數為0.7,則：

　　表3光伏組件25年正面發(fā)電量表

　　背板輻射量=入射采光面的輻射量×背板輻照率=1702KW·h/m²×8.45%=143.82KW·h/m²,如表4所示。

表4光伏組件25年背面發(fā)電董表

　　根據表4,光伏組件背面25年平均發(fā)電量9.37萬KW·h,總發(fā)電量234.24萬KW·h,全年平均有效小時數為115.39h。

　　25年平均發(fā)電量=正面平均年發(fā)電量+背面平均年發(fā)電量=110.88萬KW·h+9.37萬KW·h=120.259.37萬KW·h,該系統(tǒng)平均有效小時數為1365.55h+115.39h=1480.94h。

　　3.5項目投資分析

　　綜合分析服務區(qū)全年每月白天耗電量，消納比例高達約85%,15%電量用于上網，如表5所示。

　　表5用電消納與上網配置

表6項目投資收益表

　　項目考慮全部采用自有資金，后期維護成本按照0.4元/W計。

　　項目總投資324.8萬元。由表6分析可知，本項目*5年收益297.30萬元，*6年收益355.67萬元。本項目在*5年半左右收益超過總投資324.8萬元。故項目靜態(tài)投資回收期在5~6年之間，25年總收益1397.11萬元，投資成本324.8萬元，凈利潤1072.31萬元，項目收益良好，投*回*豐厚。

　　4Acrel-2000MG充電站微電網能量管理系統(tǒng)

　　4.1平臺概述

　　Acrel-2000MG微電網能量管理系統(tǒng)，是我司根據新型電力系統(tǒng)下微電網監(jiān)控系統(tǒng)與微電網能量管理系統(tǒng)的要求，總結國內外的研究和生產的*進經驗，專門研制出的企業(yè)微電網能量管理系統(tǒng)。本系統(tǒng)滿足光伏系統(tǒng)、風力發(fā)電、儲能系統(tǒng)以及充電站的接入，*進行數據采集分析，直接監(jiān)視光伏、風能、儲能系統(tǒng)、充電站運行狀態(tài)及健康狀況，是一個集監(jiān)控系統(tǒng)、能量管理為一體的管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)在安全穩(wěn)定的基礎上以經濟優(yōu)化運行為目標，促進可再生能源應用，提高電網運行穩(wěn)定性、補償負荷波動；有效實現用戶側的需求管理、消除晝夜峰谷差、平滑負荷，提高電力設備運行效率、降低供電成本。為企業(yè)微電網能量管理提供安全、可靠、經濟運行提供了全新的解決方案。

　　微電網能量管理系統(tǒng)應采用分層分布式結構，整個能量管理系統(tǒng)在物理上分為三個層：設備層、網絡通信層和站控層。站級通信網絡采用標準以太網及TCP/IP通信協(xié)議，物理媒介可以為光纖、網線、屏蔽雙絞線等。系統(tǒng)支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信規(guī)約。

　　4.2平臺適用場合

　　系統(tǒng)可應用于城市、高速公路、工業(yè)園區(qū)、工商業(yè)區(qū)、居民區(qū)、智能建筑、海島、無電地區(qū)可再生能源系統(tǒng)監(jiān)控和能量管理需求。

　　4.3系統(tǒng)架構

　　本平臺采用分層分布式結構進行設計，即站控層、網絡層和設備層，詳細拓撲結構如下：

圖1典型微電網能量管理系統(tǒng)組網方式

　　5充電站微電網能量管理系統(tǒng)解決方案

　　5.1實時監(jiān)測

　　微電網能量管理系統(tǒng)人機界面友好，應能夠以系統(tǒng)一次電氣圖的形式直觀顯示各電氣回路的運行狀態(tài)，實時監(jiān)測光伏、風電、儲能、充電站等各回路電壓、電流、功率、功率因數等電參數信息，動態(tài)監(jiān)視各回路斷路器、隔離開關等合、分閘狀態(tài)及有關故障、告警等信號。其中，各子系統(tǒng)回路電參量主要有：相電壓、線電壓、三相電流、有功/無功功率、視在功率、功率因數、頻率、有功/無功電度、頻率和正向有功電能累計值；狀態(tài)參數主要有：開關狀態(tài)、斷路器故障脫扣告警等。

　　系統(tǒng)應可以對分布式電源、儲能系統(tǒng)進行發(fā)電管理，使管理人員實時掌握發(fā)電單元的出力信息、收益信息、儲能荷電狀態(tài)及發(fā)電單元與儲能單元運行功率設置等。

　　系統(tǒng)應可以對儲能系統(tǒng)進行狀態(tài)管理，能夠根據儲能系統(tǒng)的荷電狀態(tài)進行及時告警，并支持定期的電池維護。

　　微電網能量管理系統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)界面包括系統(tǒng)主界面，包含微電網光伏、風電、儲能、充電站及總體負荷組成情況，包括收益信息、天氣信息、節(jié)能減排信息、功率信息、電量信息、電壓電流情況等。根據不同的需求，也可將充電，儲能及光伏系統(tǒng)信息進行顯示。

圖1系統(tǒng)主界面

　　子界面主要包括系統(tǒng)主接線圖、光伏信息、風電信息、儲能信息、充電站信息、通訊狀況及一些統(tǒng)計列表等。

　　5.1.1光伏界面

圖2光伏系統(tǒng)界面

　　本界面用來展示對光伏系統(tǒng)信息，主要包括逆變器直流側、交流側運行狀態(tài)監(jiān)測及報警、逆變器及電站發(fā)電量統(tǒng)計及分析、并網柜電力監(jiān)測及發(fā)電量統(tǒng)計、電站發(fā)電量年有效利用小時數統(tǒng)計、發(fā)電收益統(tǒng)計、碳減排統(tǒng)計、輻照度/風力/環(huán)境溫濕度監(jiān)測、發(fā)電功率模擬及效率分析；同時對系統(tǒng)的總功率、電壓電流及各個逆變器的運行數據進行展示。

　　5.1.2儲能界面

圖3儲能系統(tǒng)界面

　　本界面主要用來展示本系統(tǒng)的儲能裝機容量、儲能當前充放電量、收益、SOC變化曲線以及電量變化曲線。

圖4儲能系統(tǒng)PCS參數設置界面

　　本界面主要用來展示對PCS的參數進行設置，包括開關機、運行模式、功率設定以及電壓、電流的限值。

圖5儲能系統(tǒng)BMS參數設置界面

　　本界面用來展示對BMS的參數進行設置，主要包括電芯電壓、溫度保護限值、電池組電壓、電流、溫度限值等。

圖6儲能系統(tǒng)PCS電網側數據界面

　　本界面用來展示對PCS電網側數據，主要包括相電壓、電流、功率、頻率、功率因數等。

圖7儲能系統(tǒng)PCS交流側數據界面

　　本界面用來展示對PCS交流側數據，主要包括相電壓、電流、功率、頻率、功率因數、溫度值等。同時針對交流側的異常信息進行告警。

圖8儲能系統(tǒng)PCS直流側數據界面

　　本界面用來展示對PCS直流側數據，主要包括電壓、電流、功率、電量等。同時針對直流側的異常信息進行告警。

圖9儲能系統(tǒng)PCS狀態(tài)界面

　　本界面用來展示對PCS狀態(tài)信息，主要包括通訊狀態(tài)、運行狀態(tài)、STS運行狀態(tài)及STS故障告警等。

圖10儲能電池狀態(tài)界面

　　本界面用來展示對BMS狀態(tài)信息，主要包括儲能電池的運行狀態(tài)、系統(tǒng)信息、數據信息以及告警信息等，同時展示當前儲能電池的SOC信息。

圖11儲能電池簇運行數據界面

　　本界面用來展示對電池簇信息，主要包括儲能各模組的電芯電壓與溫度，并展示當前電芯的電壓、溫度值及所對應的位置。

　　5.1.3風電界面

圖12風電系統(tǒng)界面

　　本界面用來展示對風電系統(tǒng)信息，主要包括逆變控制一體機直流側、交流側運行狀態(tài)監(jiān)測及報警、逆變器及電站發(fā)電量統(tǒng)計及分析、電站發(fā)電量年有效利用小時數統(tǒng)計、發(fā)電收益統(tǒng)計、碳減排統(tǒng)計、風速/風力/環(huán)境溫濕度監(jiān)測、發(fā)電功率模擬及效率分析；同時對系統(tǒng)的總功率、電壓電流及各個逆變器的運行數據進行展示。

　　5.1.4充電站界面

圖13充電站界面

　　本界面用來展示對充電站系統(tǒng)信息，主要包括充電站用電總功率、交直流充電站的功率、電量、電量費用，變化曲線、各個充電站的運行數據等。

　　5.1.5視頻監(jiān)控界面

圖14微電網視頻監(jiān)控界面

　　本界面主要展示系統(tǒng)所接入的視頻畫面，且通過不同的配置，實現預覽、回放、管理與控制等。

　　5.1.6發(fā)電預測

　　系統(tǒng)應可以通過歷史發(fā)電數據、實測數據、未來天氣預測數據，對分布式發(fā)電進行短期、超短期發(fā)電功率預測，并展示合格率及誤差分析。根據功率預測可進行人工輸入或者自動生成發(fā)電計劃，便于用戶對該系統(tǒng)新能源發(fā)電的集中管控。

圖15光伏預測界面

　　5.1.7策略配置

　　系統(tǒng)應可以根據發(fā)電數據、儲能系統(tǒng)容量、負荷需求及分時電價信息，進行系統(tǒng)運行模式的設置及不同控制策略配置。如削峰填谷、周期計劃、需量控制、防逆流、有序充電、動態(tài)擴容等。

　　具體策略根據項目實際情況（如儲能柜數量、負載功率、光伏系統(tǒng)能力等）進行接口適配和策略調整，同時支持定制化需求。

圖16策略配置界面

　　5.1.8運行報表

　　應能查詢各子系統(tǒng)、回路或設備*時間的運行參數，報表中顯示電參量信息應包括：各相電流、三相電壓、總功率因數、總有功功率、總無功功率、正向有功電能、尖峰平谷時段電量等。

圖17運行報表

　　5.1.9實時報警

　　應具有實時報警功能，系統(tǒng)能夠對各子系統(tǒng)中的逆變器、雙向變流器的啟動和關閉等遙信變位，及設備內部的保護動作或事故跳閘時應能發(fā)出告警，應能實時顯示告警事件或跳閘事件，包括保護事件名稱、保護動作時刻；并應能以彈窗、聲音、短信和電話等形式通知相關人員。

圖18實時告警

　　5.1.10歷史事件查詢

　　應能夠對遙信變位，保護動作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數、電芯溫度（鋰離子電池）、壓力（液流電池）、光照、風速、氣壓越限等事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統(tǒng)事件和報警進行歷史追溯，查詢統(tǒng)計、事故分析。

圖19歷史事件查詢

　　5.1.11電能質量監(jiān)測

　　應可以對整個微電網系統(tǒng)的電能質量包括穩(wěn)態(tài)狀態(tài)和暫態(tài)狀態(tài)進行持續(xù)監(jiān)測，使管理人員實時掌握供電系統(tǒng)電能質量情況，以便及時發(fā)現和消除供電不穩(wěn)定因素。

　　1）在供電系統(tǒng)主界面上應能實時顯示各電能質量監(jiān)測點的監(jiān)測裝置通信狀態(tài)、各監(jiān)測點的A/B/C相電壓總畸變率、三相電壓不平衡度*和正序/負序/零序電壓值、三相電流不平衡度*和正序/負序/零序電流值；

　　2）諧波分析功能：系統(tǒng)應能實時顯示A/B/C三相電壓總諧波畸變率、A/B/C三相電流總諧波畸變率、奇次諧波電壓總畸變率、奇次諧波電流總畸變率、偶次諧波電壓總畸變率、偶次諧波電流總畸變率；應能以柱狀圖展示2-63次諧波電壓含有率、2-63次諧波電壓含有率、0.5～63.5次間諧波電壓含有率、0.5～63.5次間諧波電流含有率；

　　3）電壓波動與閃變：系統(tǒng)應能顯示A/B/C三相電壓波動值、A/B/C三相電壓短閃變值、A/B/C三相電壓長閃變值；應能提供A/B/C三相電壓波動曲線、短閃變曲線和長閃變曲線；應能顯示電壓偏差與頻率偏差；

　　4）功率與電能計量：系統(tǒng)應能顯示A/B/C三相有功功率、無功功率和視在功率；應能顯示三相總有功功率、總無功功率、總視在功率和總功率因素；應能提供有功負荷曲線，包括日有功負荷曲線（折線型）和年有功負荷曲線（折線型）；

　　5）電壓暫態(tài)監(jiān)測：在電能質量暫態(tài)事件如電壓暫升、電壓暫降、短時中斷發(fā)生時，系統(tǒng)應能產生告警，事件能以彈窗、閃爍、聲音、短信、電話等形式通知相關人員；系統(tǒng)應能查看相應暫態(tài)事件發(fā)生前后的波形。

　　6）電能質量數據統(tǒng)計：系統(tǒng)應能顯示1min統(tǒng)計整2h存儲的統(tǒng)計數據，包括均值、*值、*值、95%概率值、方均根值。

　　7）事件記錄查看功能：事件記錄應包含事件名稱、狀態(tài)（動作或返回）、波形號、越限值、故障持續(xù)時間、事件發(fā)生的時間。

圖20微電網系統(tǒng)電能質量界面

　　5.1.12遙控功能

　　應可以對整個微電網系統(tǒng)范圍內的設備進行遠程遙控操作。系統(tǒng)維護人員可以通過管理系統(tǒng)的主界面完成遙控操作，并遵循遙控預置、遙控返校、遙控執(zhí)行的操作順序，可以及時執(zhí)行調度系統(tǒng)或站內相應的操作命令。

圖21遙控功能

　　5.1.13曲線查詢

　　應可在曲線查詢界面，可以直接查看各電參量曲線，包括三相電流、三相電壓、有功功率、無功功率、功率因數、SOC、SOH、充放電量變化等曲線。

圖22曲線查詢

　　5.1.14統(tǒng)計報表

　　具備定時抄表匯總統(tǒng)計功能，用戶可以自由查詢自系統(tǒng)正常運行以來任意時間段內各配電節(jié)點的發(fā)電、用電、充放電情況，即該節(jié)點進線用電量與各分支回路消耗電量的統(tǒng)計分析報表。對微電網與外部系統(tǒng)間電能量交換進行統(tǒng)計分析；對系統(tǒng)運行的節(jié)能、收益等分析；具備對微電網供電可靠性分析，包括年停電時間、年停電次數等分析；具備對并網型微電網的并網點進行電能質量分析。

圖23統(tǒng)計報表

　　5.1.15網絡拓撲圖

　　系統(tǒng)支持實時監(jiān)視接入系統(tǒng)的各設備的通信狀態(tài)，能夠完整的顯示整個系統(tǒng)網絡結構；可在線診斷設備通信狀態(tài)，發(fā)生網絡異常時能自動在界面上顯示故障設備或元件及其故障部位。

圖24微電網系統(tǒng)拓撲界面

　　本界面主要展示微電網系統(tǒng)拓撲，包括系統(tǒng)的組成內容、電網連接方式、斷路器、表計等信息。

　　5.1.16通信管理

　　可以對整個微電網系統(tǒng)范圍內的設備通信情況進行管理、控制、數據的實時監(jiān)測。系統(tǒng)維護人員可以通過管理系統(tǒng)的主程序右鍵打開通信管理程序，然后選擇通信控制啟動所有端口或某個端口，快速查看某設備的通信和數據情況。通信應支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信規(guī)約。

圖25通信管理

　　5.1.17用戶權限管理

　　應具備設置用戶權限管理功能。通過用戶權限管理能夠防止未經授權的操作（如遙控操作，運行參數修改等）?？梢远x不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限，為系統(tǒng)運行、維護、管理提供可靠的安全保障。

圖26用戶權限

　　5.1.18故障錄波

　　應可以在系統(tǒng)發(fā)生故障時，自動準確地記錄故障前、后過程的各相關電氣量的變化情況，通過對這些電氣量的分析、比較，對分析處理事故、判斷保護是否正確動作、提高電力系統(tǒng)安全運行水平有著重要作用。其中故障錄波共可記錄16條，每條錄波可觸發(fā)6段錄波，每次錄波可記錄故障前8個周波、故障后4個周波波形，總錄波時間共計46s。每個采樣點錄波至少包含12個模擬量、10個開關量波形。

圖27故障錄波

　　5.1.19事故追憶

　　可以自動記錄事故時刻前后一段時間的所有實時掃描數據，包括開關位置、保護動作狀態(tài)、遙測量等，形成事故分析的數據基礎。

　　用戶可自定義事故追憶的啟動事件，當每個事件發(fā)生時，存儲事故10個掃描周期及事故后10個掃描周期的有關點數據。啟動事件和監(jiān)視的數據點可由用戶隨意修改。

5.2硬件及其配套產品

　　6結束語

　　我國高速公路有大量的服務區(qū)，另外近年來服務區(qū)大量安裝充電樁，服務區(qū)用電量越來越大。本文以天津某高速公路服務區(qū)分布式光伏為例，從項目的經濟收益角度分析了項目投資，發(fā)電量，收益等方面，分布式光伏發(fā)電項目在高速公路服務區(qū)中應用是可行的，而且隨著光伏組件，逆變器等設備價格的不斷下降，高速公路光伏項目收益越來越好。

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