光伏并网供电在中小型污水站节能运行中的应用

0引言

近年来,中小型污水站数量显著增长,用电负荷呈现持续上升趋势,传统单一供电结构难以适应多时段不均衡负载运行需求,导致能耗指标长期居高不下。针对分布式污水处理设施运行空间有限、电力调节能力薄弱等现实问题,亟须构建具有负载感知能力与调度响应能力的新能源融合模式,以提升能源利用效率与系统运行弹性[1]。光伏并网系统具备发电侧灵活接入与源荷耦合调控特征,具备与污水站负荷特性协同运行的技术条件[2]。本文基于典型中型污水站项目,提出适配运行负荷与用电时序特征的光伏并网结构,构建集发电预测、储能配置与电价响应于一体的运行体系,为污水处理环节绿色低碳运行提供具备推广价值的技术参考。

1 项目概况

翔安污水处理厂位于厦门东部片区,服务范围覆盖翔安区主要居住组团与部分工业园区,总设计处理能力为9万t/d,现阶段运行控制规模稳定在8万t/d。厂区采用分期扩建模式,四期工程投运后形成以常规活性污泥法为核心的处理链,配套设有粗细格栅、提升泵房、曝气沉砂池、二沉池和紫外消毒等设施模块。处理水量与进水负荷变化直接影响运行时段的电力消耗结构和峰谷波动幅度,是开展光伏并网与节能评估的基础参量。

该厂日均处理水量统计结果如图1所示,数据显示自四期系统高负荷运行阶段结束后,受片区调水分流及周边新厂投运影响,运行负荷自2022年8月起逐步下降,至2023年10月后逐步稳定在7万t/d以下。处理水量呈逐期递减趋势,整体波动区间显著收窄,标志着厂区已进入负载稳定平台期,具备实施光伏系统容量动态匹配、按需布设与分时运行调度的现实基础。处理负荷变化所带来的电力负载特征变化,构成后续光伏系统设计与能源优化逻辑的出发点与边界条件。

2光伏并网供电在中小型污水站节能运行中的应用要点

2.1屋顶空地协同布设

厂区由多个矩形单体建筑与其南侧连续空地区域组成,具备划分屋顶区与空地区实施光伏分区布设的空间条件。屋面部分采用铝合金支架结构,组件排布方式为两列并排布设,支脚下方辅以橡胶垫层以降低震动传导。组件之间设置1.2 m横向通行带,用于运维人员巡视通行,组件边缘距女儿墙控制在0.8 m以内,避免形成阴影遮挡。空地区域设置地桩基础,支架高度设定为1.6 m,组件固定倾角为23°,方向朝南,行间距控制在组件宽度的1.5倍,以保障最大日照角覆盖与最小阴影重叠[3]。图2为屋顶与空地协同布设空间示意图,图中直观展示了屋顶区(10 kwp)与空地区(370 kwp)组件的分布关系与安装角度,明示运维通道与倾斜布设参数。屋面电缆依托桥架明敷至西侧配电箱,空地布设区域电缆则采用穿管埋设路径接入直流柜,形成分区布线差异化设计。系统总装机容量达380 kwp,分区结构有助于匹配处理负荷时序特性。电气接口设置浪涌保护与隔断装置,为后期局部扩容与系统维护提供切换操作节点。逆变器统一配置在南侧配电区,与各布设单元保持50 m以内距离,便于系统功率实时监测与损耗控制。

2.2 负荷波动精准匹配

日负载曲线提取采用以15 min为周期的数据处理方式,依次识别各用电设备运行启动频次、持续时间与瞬时功率变化幅度,构建设备级负荷响应矩阵。光伏输出侧按组串布设分区控制模块,设置组串电流采样与汇流箱功率反馈节点,以形成分区级输出预测曲线。在控制程序中设置光伏功率响应上限,结合负载预测曲线匹配调度阈值,当负载侧负荷高于日内均值25%时自动释放全部出力,低于15%时限流输出[4]。负荷识别模块分别部署于进水泵、风机控制柜与消毒装置电源输入端,采集电流变化并输出瞬时负荷信号至能管平台,由平台计算光伏输出目标值。对于运行频率不固定的设备,系统设定动态容差区,当负载变化速率大于系统响应速率上限时暂时切断光伏接入,避免负载扰动影响功率稳定性。负荷匹配过程采用优先匹配刚性设备逻辑,柔性设备转入储能响应流程,以削弱调度瞬态扰动对系统稳定运行的影响。

2.3储能系统柔性调节

采用模块化电池舱布设方案,每舱内部布设55kw.h锂电单元,集成双向逆变、温控装置与保护继电器,单舱具备独立运行与冗余待机能力。电池采用串并联混合布线方式,配置BMS系统实时监测单体温度、电压与均衡状态,BMS数据同步上传至EMS平台。控制逻辑依据SOC区间设定三级运行模式:高SOC区间以防溢保护为主,中间区间以频率调节与负荷跟随为主,低区间时段以夜间补能为主。系统具备双模式调节能力,工作日与节假日分别设定不同的出力策略,满足非连续负载与错峰运行场景下的电力补偿需求。储能进出功率采用限幅控制策略,快充倍率控制在0.5C以内,放电速率调节范围设置为0.3C~0.7C。系统设置逆变器与储能舱间独立隔离开关,每次充放前自动检测回路阻抗与电压一致性,匹配稳定性控制条件。储能调度策略以光伏剩余出力与负载需求比值为核心变量,在光伏出力低于负荷90%时快速切入,输出补能,负荷低于光伏出力70%时,系统接管冗余发电进行电能吸收[5]。

2.4 分时电价联动优化

调度逻辑引入动态电价识别模块,将调价曲线实时同步至本地服务器,以小时为单位构建收益预估模型。逆变系统设定调度权重,根据单位出力收益排序分配输出路径,当光伏单元预测发电小时收益高于储能存入收益时,直接并网输出;当低于阈值时,系统进入充电模式。储能出力调度不以负荷为基准,而以峰段电价覆盖率为主导变量,调度程序自动寻找谷段储能时间窗口并计算充电成本与放电收益差额,形成日内最优调度路径。所有负载按优先级分类设定运行窗口,其中曝气设备匹配光伏直出通道,非连续运行设备则优先匹配储能放电通道[6]。日内实时电价浮动时段,系统设定5min响应周期,滚动修正发电利用路径。在调度端建立收益调节因子,将每小时单位电能收益作为 目标函数,构建路径选择与输出分配的分段线性模型。逆变系统与储能系统联合构建收益最大化算法,在设备运行模式不变前提下调整放电时间点,优化单位电能成本边界。

3应用效果分析

3.1运行效能分析

自2022年6月至2023年12月,污水站月处理水量从最高约330万t下降至约220万t,总用电量在80万~100万kw.h之间波动(图3)。处理规模与电量消耗走势呈现非同步特征,说明在基载设备运行固定模式下单位负荷能耗阶段性上升。图中可见屋顶与空地区域布设组件容量虽已并入供电系统,但负载侧响应仍滞后于出力变化,储能策略在长周期波动中表现出响应弹性不足。系统有必要强化出力预测模块与负载跟踪机制,优化光伏出力与实时负荷之间的动态匹配关系,以提升单位处理能效表现。

3.2 经济效益分析

表1数据为从2022年6月到2023年12月每隔三个月测得的经济效益指标结果。单位电能成本从0.83元逐季降至0.75元,年底因电价波动回升至0.83元,体现出分时功率调度策略在削峰填谷区间内的能效边界;节支金额由14.36万元增长至18.32万元,反映出负载侧功率曲线重构策略使用电峰值压缩、非高峰段功率释放增强,负载区域整体向下平移;光伏收益从13.29万元提升至17.16万元,与屋顶及空地区域10 kwp及370 kwp布设方案协同发力相关,早晚段由储能补充,正午段组件直接出力,提升了瞬时利用比例与总收益率。虽然图3显示总用电量整体波动下降,但节能收益线性增长的原因在于光伏系统的日内匹配能力增强、峰段功率调度比例上升以及储能放电节奏优化,使得单位电能的边际利用价值提高,体现出以经济调度为导向的收益模型优势。

3.3环境效益分析

表2中,碳减排量由22.26 t增长至31.94 t,对应光伏系统全年出力权重抬升与电网用电替代率增长,体现多源负荷分区调配策略削弱了污染源比重;清洁能源占比从37.49%提升至46.82%,与储能充放周期调度计划相适应,每日运行中可再生功率出力占比提升;噪声干扰减少系数从0.76上升至0.87,反映柔性设备负载重排策略优化了夜间运行结构,系统运行从全天高频切换状态转向低幅度长周期功率输出,避免了突变触发高频扰动。

4 结束语

综上所述,光伏系统分区布设、峰谷功率调控与负荷响应调度构成了完整的能效优化路径,系统运行表现出电价抑制能力增强、电耗结构改善与环境指标稳步优化的趋势,验证了本文所述并网策略在中小型污水站中应用的结构适配性与工程实效性。

[参考文献]

[1]徐璐.小型污水处理站提标改造中自主创新技术的推广与应用[J].数字化用户,2024(20):275—276.

[2]齐庆国.光伏并网系统的稳定性分析与优化控制[J].光源与照明,2025(2):121—123.

[3]李灿.风电光伏并网运行稳定性分析与控制策略研究[J].通信电源技术,2024,41(8):85—88.

[4]宗瑾,邵尹池,许鹏,等.融合频域辨识和扰动观测的光伏并网逆变器无功 电压 自抗扰控制 [J]. 电气 自动化,2024,46(6):86—88.

[5]韩鸿霖,王星璐,林存浩.基于自适应VSG控制策略的光伏混合储能系统研究[J].电机与控制应用,2025,52 (2):159—170.

[6] 吕笑影.基于动态过网费的分布式光伏并网容量协调优化研究[D].北京:华北电力大学,2024.

《机电信息》2025年第19期第3篇