高速公路光伏发电与智能分配系统设计

0引言

目前,我国高速公路总里程居世界第一,高速公路除部分隧道之外,大部分路面暴露在阳光下,光照充足,适合建设光伏发电系统^[1]。高速公路的机电系统是以电能为能源基础运行的,而电能主要从供电主网获取。目前主网的电能来源以火力发电为主,火力发电对环境具有较大污染,所以从环保角度出发,使用主网电能会加剧环境污染。 现阶段,国家积极推行碳中和政策,鼓励建设以清洁能源进行发电的分布式微电网,其中以分布式光伏发电最受推崇。目前,分布式光伏发电系统的运行模式是发电机组直接接入负荷和主网,光伏发电系统所发电能在供负荷使用之后,剩余电能就近售卖给当地电网^[2]。但光伏发电的发电功率具有较大波动,在光伏发电的输出功率较低时,并不能满足负荷的使用条件,所发电能只能售卖给电网,而负荷的电能只能由主网进行供应^[3]。 目前售电单价低于购电单价,若高速公路采用这种光伏运行模式建设光伏发电系统,一方面实际经济性较差,无法很好地降低机电系统的用电成本,另一方面减少环境污染的效果也不明显^[4—5]。

为响应碳中和政策,并提高光伏发电系统的经济效益、降低环境污染程度,在此提出一种高速公路光伏发电与智能分配系统。 该系统利用光能进行发电,并建立三级负荷供电模式,使得光伏发电所发电能尽可能供应给高速公路的机电负荷,电能余量再售卖给当地电网,尽可能减少对主网电能的使用,在降低高速公路机电系统用电成本的同时减少环境污染。

1 高速公路光伏发电与智能分配系统现场布置高速公路光伏发电与智能分配系统现场布置图如图1所示。

图1中,1是光伏发电机组,由20块光伏板横向串接组成,单块光伏板的材质为单晶硅,尺寸为2.38 m×1.13 m,发电额定功率为560 W。 2是逆变器,主要作用是将光伏发电机组所发直流电能转化成220 V的交流电,便于后续将电能供给负荷以及售卖给主网。3是电量检测型分接开关,用于检测蓄电池组的电量情况,当蓄电池组充电达100%时,电量检测型分接开关的档位接在主网方向,断开与蓄电池组的连接,使余量电能输送到主网,当蓄电池组电量剩余30%时,电量检测型分接开关的档位接在蓄电池组方向,断开与主网的连接,使光伏所发电能给蓄电池组充电。4是蓄电池组,由20个3.2 V/250 Ah的蓄电池组成,每10个蓄电池构成一个独立体,即蓄电池组由独立体A和独立体B两个独立体组成,这种组装方式便于蓄电池组同时进行充电和放电。5是反向电量检测型分接开关,当蓄电池组电量超过30%时,反向电量检测型分接开关的档位接在蓄电池组方向,断开与主网的连接,优先利用蓄电池组对负荷进行供电,当蓄电池组电量剩余30%时,反向电量检测型分接开关的档位接在主网方向,断开与蓄电池组的连接,利用主网对负荷进行供电。6是电压检测型开关,当相电压的电压值达不到220 V时,电压检测型开关处于分闸状态,当相电压的电压值达到220 V,电压检测型开关处于合闸状态。7是用电负荷,特指分布在光伏发电机组同一侧且在光伏板串接范围内的负荷。8是配电箱,是电力设备的容纳空间,主要负责连接光伏发电机组、主网和负荷。

光伏发电机组及其所连接的配电箱以及与该光伏发电机组布置在同一侧的负荷组成一个分布式发电整体。在本辖区内,共设置80个分布式发电整体并沿高速公路两侧对称分布。每一个配电箱内的电量检测型分接开关与反向电量检测型分接开关均与变压器低压出线相连接,并通过变压器与10 kV主网进行连接,从而实现光伏发电系统与主网之间的能量交换。

2高速公路光伏发电与智能分配系统工作模式分析

高速公路光伏发电与智能分配系统工作模式流程图如图2所示。

光伏发电机组在发电之后,通过逆变器将所发电能转换成交流电,电压检测型开关检测转换后的交流电电压是否达到220V,若交流电电压达到220V,则此时光伏发电机组的出力充足,电压检测型开关合闸,并闭锁反向电量检测型分接开关,该光伏发电机组覆盖范围内的负荷由光伏发电进行直接供电。

这是第一级供电方式,具有最高的优先供电权;若交流电电压达不到220 V,则电压检测型开关断开,同时检测反向电量检测型分接开关是否闭锁,如果反向电量检测型分接开关处于闭锁状态,则需对其进行解锁,以便后续启动二级或三级供电模式。

电量检测型分接开关在检测到蓄电池组中未供电独立体的储存电量不超过30%时,电量检测型分接开关接在蓄电池方向为蓄电池充电。蓄电池组的两个未供电独立体处于独立运行状态,并且每个独立体只能进行充电或者放电的单一操作,不可同时进行充电和放电操作。当独立体A充满电时,必须检测独立体B是否处于放电状态,若处于放电状态则停止对蓄电池充电,若不处于放电状态则对独立体B进行充电。独立体之间的放电关联跟充电关联同理。当蓄电池组不再进行充电时,电量检测型分接开关接在主网方向,将光伏发电的剩余电量售卖给主网。

检测反向电量检测型分接开关是否闭锁,若闭锁则证明负荷由光伏发电进行供电,若不闭锁则需采用二级或三级供电模式。该系统的第二级供电模式是利用蓄电池组对负荷进行供电。反向电量检测型分接开关检测未供电且不在充电状态的独立体的储存电量是否超过30%,若超过30%则反向电量检测型分接开关接在蓄电池组方向,利用蓄电池组对负荷进行供电。若独立体的电量均不超过30%,则反向电量检测型分接开关接在主网方向,利用主网对负荷进行供电,这种供电模式为第三级供电模式。

3高速公路光伏发电与智能分配系统环保与 经济效益分析

在该高速公路光伏发电与智能分配系统中,机电设备的总容量为300 kw,光伏发电机组的总装机容量为2195.2 kw,蓄电池的总容量为400000Ah。排除阴雨天气等特殊天气的影响,在光照充足的情况下,正常光伏发电的能源转换效率为80%,光伏发电机组日均照射10h,一日之内可发电量17561.6kw.h。且光伏发电不会产生污染气体,而消耗主网电能则势必产生相应的污染气体。主网电能消耗对应污染气体排放表如表1所示。

由于蓄电池容量充足,可在夜间光伏发电机组出力为零的情况下,利用第二级供电模式对负荷进行供电以满足高速公路的机电负荷需求,从而摆脱对主网电能的依赖,实现环保减排的目的。只有在阴雨天气下光伏发电出力几乎为零,此时只能调动第三级供电模式,即利用主网电能满足高速公路的负荷需求。目前光伏发电的售电电价为0.45元/(kw·h),而高速公路的用电类别属于非工业类别,其购电电价为0.70元/(kw·h)。在此以高速公路日均负荷为算例,并将蓄电池组建设成本按其使用寿命年限平均分摊到日均成本上,对比在纯主网供电、光伏发电负荷用电后余量上网以及建设高速公路光伏发电与智能分配系统的情况下,高速公路机电负荷的用电成本和环境污染程度,具体如表2所示,其中机电负荷用电成本为正值代表机电负荷用电的所需费用,机电负荷用电成本为负值代表高速公路光伏发电与智能分配系统一日之内的净利润收益。

由表2可见,建设高速公路光伏发电与智能分配系统,相比纯主网供电的情况,经济利益可提高266%, 日均污染气体排放量减少734.4 kg;而相比于光伏发电负荷用电后余量上网的情况,经济利益提高70.36%,日均污染气体排放量减少428.4 kg。

4结束语

高速公路光伏发电与智能分配系统利用光能进行发电,并建立三级负荷供电模式,使得光伏发电所发电能尽可能地供应给高速公路的机电负荷,电能余量再售卖给当地电网,从而尽可能摆脱对主网的依赖。建设高速公路光伏发电与智能分配系统相比纯主网供电的情况,经济效益提高266%, 日均污染气体排放量减少734.4 kg;相比于光伏发电负荷用电后余量上网的情况,经济效益提高70.36%,日均污染气体排放量减少428.4 kg,可见运用该系统能更好地提高高速公路机电负荷运行的经济效益,并大幅减少环境污染。随着储能技术的发展,该系统在今后的应用中还能为途经的新能源汽车进行充电,得到的收益将进一步降低投建该系统的成本,提高高速公路的经济收益。

[参考文献]

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2024年第14期第15篇