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近年來，國家提出了可再生能源的發(fā)展戰(zhàn)略，而光伏發(fā)電技術(shù)具有前所未有的良好應(yīng)用前景[1]，其廣泛的應(yīng)用大大支撐了國家能源產(chǎn)業(yè)政策發(fā)展方向。此外，太陽能光伏發(fā)電具有不受地域限制、不產(chǎn)生環(huán)境污染、發(fā)電容量可任意組合、能流密度低等特點，適合分散使用。當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)是利用建筑物屋頂?shù)墓夥l(fā)電系統(tǒng)。鋼鐵企業(yè)廠內(nèi)具有大面積的廠房和辦公建筑，而且布置分散[1]，同時，鋼鐵企業(yè)用電負(fù)荷大，分布廣，因此非常適用于分布式太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的建設(shè)。目前，在華東地區(qū)的寶鋼股份、梅山鋼鐵、寧波鋼鐵等企業(yè)均已成功實施了廠房屋頂?shù)姆植际焦夥l(fā)電項目，其應(yīng)用不僅能夠帶來較好的經(jīng)濟(jì)、社會和環(huán)境效益，而且節(jié)能減排效果更為顯著。

1分布式太陽能光伏發(fā)電原理及系統(tǒng)組成

太陽能光伏發(fā)電其基本工作原理[2～3]如圖1所示，當(dāng)太陽光照射到半導(dǎo)體材料組成的PN結(jié)時，一部分被反射，其余部分被PN結(jié)吸收，被吸收的輻射能有一部分變成熱，另一部分以光子的形式與組成PN結(jié)的原子價電子碰撞，產(chǎn)生電子空穴對，在PN結(jié)勢壘區(qū)內(nèi)建電場Ei的作用下，將電子驅(qū)向N區(qū)，空穴驅(qū)向P區(qū)，使N區(qū)有過剩電子，P區(qū)有過剩空穴。在PN結(jié)附近形成與內(nèi)建電場方向相反的光生電場Eph。光生電場除一部分抵消內(nèi)建電場外，還使P層帶正電，N層帶負(fù)電，在N區(qū)和P區(qū)間的薄層產(chǎn)生光生電動勢，即“光生伏打效應(yīng)”。若分別在P型層和N型層焊上金屬引線，接通負(fù)荷，在持續(xù)光照下，外電路就有電流通過，形成一個小的太陽能光伏電池單元，經(jīng)過串并聯(lián)組合構(gòu)成光伏陣列，就會在太陽能作用下輸出足夠大的電能。本文所述分布式太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)是將分散在鋼鐵企業(yè)現(xiàn)有廠房屋頂，利用光電轉(zhuǎn)換原理和相應(yīng)的光電轉(zhuǎn)換器進(jìn)行發(fā)電，其輸出為直流，通過控制逆變器變換成交流，并經(jīng)過相位整合后采用低壓并網(wǎng)方式并入交流電網(wǎng)，其組成如圖2所示。梅鋼光伏發(fā)電系統(tǒng)由光伏（太陽能電池）組件、智能型匯流箱、直流柜、并網(wǎng)逆變器、隔離變壓器（升壓變壓器）、配電網(wǎng)絡(luò)以及調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)組成。在具體構(gòu)成中，分布式光伏電源通過400V交流母線匯流后再經(jīng)過0.4/10kV專用升壓變接入該企業(yè)10kV的配電系統(tǒng)，梅鋼分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)成如圖3所示。

2鋼鐵企業(yè)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)

鋼鐵企業(yè)分布式發(fā)電系統(tǒng)是基于鋼鐵企業(yè)的現(xiàn)有地理環(huán)境、供配電系統(tǒng)、能源管理系統(tǒng)及通信網(wǎng)絡(luò)等，因此鋼鐵企業(yè)光伏發(fā)電系統(tǒng)在決策階段和方案制定階段必須綜合考慮鋼鐵企業(yè)周邊供電網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀及發(fā)展，兼顧節(jié)約資源、工程可行性以及電網(wǎng)安全方面要求，同時考慮到光伏系統(tǒng)發(fā)電規(guī)模及運行管理等因素。

2.1光伏發(fā)電系統(tǒng)概況梅鋼分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)總建設(shè)功率為20MWp，使用標(biāo)準(zhǔn)功率為245Wp的多晶硅組件81664塊，實際安裝功率為20007.68kW。系統(tǒng)多晶硅光伏組件分別鋪設(shè)在屋頂坡度為三度的鍍鋅主廠房、酸軋主廠房、連退鍍錫主廠房、熱連軋車間等12個廠房屋頂上。按照廠區(qū)車間分布情況，設(shè)立7個接入點，分別接入10kV配電室母線，梅鋼光伏發(fā)電系統(tǒng)電氣一次接入如圖4所示。

2.2系統(tǒng)保護(hù)配置2.2.110kV線路保護(hù)10kV線路在用戶10kV側(cè)配置1套線路方向過流保護(hù)器，光伏系統(tǒng)側(cè)不配置，依靠用戶側(cè)線路保護(hù)切除線路故障。光伏系統(tǒng)線路發(fā)生短路故障時，線路保護(hù)器快速動作，瞬時跳開相應(yīng)斷路器，從而滿足全線故障時快速切除故障要求。

2.2.2母線保護(hù)光伏系統(tǒng)側(cè)為線變組接線，經(jīng)升壓變后直接輸出，因此不配置母線保護(hù)。

2.2.3安全自動裝置在光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)線側(cè)裝設(shè)一套具備失壓跳閘功能及檢有壓（同期）合閘功能的自動裝置，實現(xiàn)頻率電壓異常緊急控制功能，跳開進(jìn)線側(cè)斷路器。

2.2.4防孤島保護(hù)電網(wǎng)失壓時，光伏發(fā)電系統(tǒng)仍保持對失壓電網(wǎng)中的某一部分線路繼續(xù)供電的狀態(tài)稱為孤島現(xiàn)象。非計劃性孤島效應(yīng)的發(fā)生，可能危及線路維護(hù)人員和用戶的生命安全，干擾電網(wǎng)的正常合閘，造成孤島中的頻率和電壓失去控制。根據(jù)《分布式光伏發(fā)電接入配電網(wǎng)相關(guān)技術(shù)規(guī)定》要求，分布式光伏應(yīng)具備防孤島保護(hù)功能。光伏發(fā)電系統(tǒng)側(cè)設(shè)防孤島保護(hù)，采用具備防孤島能力的逆變器。當(dāng)電網(wǎng)斷電時，逆變器迅速監(jiān)測孤島現(xiàn)象，關(guān)斷逆變器，立即斷開與電網(wǎng)連接，使光伏發(fā)電系統(tǒng)處于停止發(fā)電的狀態(tài)。梅鋼采用三相集中型逆變器，具備低電壓閉鎖及檢有壓自動并網(wǎng)功能。

2.2.5其他光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變器還具備裝置異常時能自動脫離系統(tǒng)的功能，能同時具備耐受電壓異常及耐受系統(tǒng)頻率異常的能力，能滿足《國家電網(wǎng)公司光伏電站接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》中在電網(wǎng)電壓或頻率異常時的運行時間要求。

2.3電能質(zhì)量分析本文從諧波、電壓波動、電壓不平衡度及直流分量等方面分析光伏電站對電網(wǎng)系統(tǒng)的影響。

2.3.1諧波太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)通過光伏組件將太陽能轉(zhuǎn)化為直流電能，再通過并網(wǎng)型逆變器將直流電能轉(zhuǎn)化為與電網(wǎng)同頻率、同相位的正弦波電流，并入電網(wǎng)，在將直流電能經(jīng)逆變轉(zhuǎn)化為交流電能的過程中會產(chǎn)生諧波。梅鋼的光伏發(fā)電系統(tǒng)各并網(wǎng)點接入的10kV母線相應(yīng)的公共連接點為220kV變電站，距實際接入點較遠(yuǎn)，光伏發(fā)電系統(tǒng)與公用電網(wǎng)之間有2～4級變壓器隔離，如圖3所示，因此對公用電網(wǎng)的影響很小。梅鋼的光伏發(fā)電系統(tǒng)與電力用戶在同一場所，分7個接入點接入用戶內(nèi)部的10kV配電室，7個并網(wǎng)點的接入功率最小為1.309MW，最大為5.049MW，屬于分布式光伏發(fā)電，所發(fā)電量由用戶“自發(fā)自用，余電上網(wǎng)”。由于采用的逆變器各項指標(biāo)合格，而光伏發(fā)電系統(tǒng)電能質(zhì)量問題主要由光伏逆變器設(shè)備引起，因此該分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的電壓偏差、諧波、閃變及電壓波動、三相不平衡等電能質(zhì)量指標(biāo)均能滿足GB/T12325、GB/T14549、GB/T12326、GB/T15543等電能質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

2.3.2電壓波動及偏差太陽能光伏發(fā)電裝置的實際輸出功率隨光照強度的變化而變化，白天光照強度最強時，發(fā)電裝置輸出功率最大，夜間無光照，輸出功率基本為零。由于光伏發(fā)電系統(tǒng)僅影響接入點所在的用戶變電站白天電壓水平，一般不會惡化接入點的最大電壓偏差，同時，光伏電站配置的逆變器具備無功功率調(diào)節(jié)及電壓控制能力。因此，該鋼鐵企業(yè)光伏發(fā)電系統(tǒng)引起的電壓偏差在標(biāo)準(zhǔn)允許范圍內(nèi)。

2.3.3電壓不平衡度及直流分量經(jīng)論證三相光伏逆變器交流輸出電壓存在不平衡，其負(fù)序電壓不平衡度為0.1%，但仍然能夠滿足《電能質(zhì)量三相電壓不平衡度》規(guī)定的“接于公共連接點的每個用戶引起該點負(fù)序電壓不平衡允許值一般為1.3%，短時不超過2.6%”的要求。由于該鋼鐵企業(yè)光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變器輸出升壓后接入電網(wǎng)，通過升壓變壓器低壓側(cè)三角形繞組將直流分量隔離（如圖4所示），故直流分量不會被送到電網(wǎng)，因此，也能夠滿足《國家電網(wǎng)公司光伏電站接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》中關(guān)于直流分量的相關(guān)要求。

2.4調(diào)度自動化根據(jù)《地區(qū)電網(wǎng)調(diào)度自動化設(shè)計技術(shù)規(guī)程》、《國家電網(wǎng)公司光伏電站接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》以及《江蘇光伏電站接入系統(tǒng)導(dǎo)則（2010年版）》等有關(guān)文件，該鋼鐵企業(yè)在調(diào)度系統(tǒng)接口、光伏電站遠(yuǎn)動設(shè)備、通道要求及附屬設(shè)備選擇等方面對調(diào)度自動化進(jìn)行設(shè)計。

2.4.1調(diào)度關(guān)系及調(diào)度管理該鋼鐵企業(yè)光伏發(fā)電系統(tǒng)以7回10kV線路接入用戶變10kV配電室高壓間隔，并納入本市供電公司調(diào)度控制中心調(diào)度運行管理，上傳信息主要包括并網(wǎng)設(shè)備狀態(tài)、并網(wǎng)點電壓、電流、有功功率、無功功率和發(fā)電量，調(diào)度控制中心實時監(jiān)視光伏發(fā)電系統(tǒng)運行狀況。光伏發(fā)電關(guān)口計量點設(shè)置在光伏電站為10kV的出線側(cè)。

2.4.2遠(yuǎn)動系統(tǒng)本市供電公司調(diào)度系統(tǒng)連接企業(yè)光伏發(fā)電監(jiān)測系統(tǒng)的遠(yuǎn)動信息。企業(yè)光伏發(fā)電控制中心采用GPRS數(shù)傳終端，通過RS232連接遠(yuǎn)動服務(wù)器的數(shù)據(jù)上傳端口，為電廠與調(diào)度之間提供一個無線數(shù)據(jù)傳輸通道，該通訊規(guī)約采用IEC60870-5-101。省電力公司通過移動APN專網(wǎng)接收光伏站實時信息，并將數(shù)據(jù)通過邏輯強隔離裝置發(fā)送至省公司信息內(nèi)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫，F(xiàn)TP服務(wù)器定時生成數(shù)據(jù)接口E文件，南京地調(diào)EMS系統(tǒng)從省公司信息內(nèi)網(wǎng)FTP機上獲取光伏站端實時數(shù)據(jù)，并通過電力反向安全隔離裝置發(fā)送到一區(qū)EMS系統(tǒng)。梅鋼光伏發(fā)電調(diào)度自動化系統(tǒng)配置如圖5所示。

2.5光伏年發(fā)電計算

2.5.1發(fā)電轉(zhuǎn)換效率分析并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的能量損失主要有光伏陣列能量損失、逆變器能量損失、交流并網(wǎng)能量損失等三部分。該鋼鐵企業(yè)光伏發(fā)電系統(tǒng)由于場地地形復(fù)雜，直流電纜損耗大，取85%計算；依據(jù)逆變器參數(shù)，考慮光伏發(fā)電大部分時間非滿載運行，取95%計算；由于逆變器與升壓變布置在一起，并網(wǎng)能量損耗較小，取97%計算。

2.5.2發(fā)電量計算根據(jù)太陽輻射能量、光伏系統(tǒng)組件總功率和總效率等數(shù)據(jù)，考慮不同電池組件效率隨著時間存在衰減的實際狀況，該鋼鐵企業(yè)20MWp并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)25年發(fā)電期間的每年發(fā)電量計算為：（1）25年總發(fā)電利用小時數(shù)為23021h，總發(fā)電量約為46042萬kW•h；（2）25年年平均利用小時數(shù)為920.85h，年均發(fā)電量為1841.69萬kW•h。

3經(jīng)濟(jì)效益分析

太陽能的廣泛利用可以減少一次能源（如煤、石油、天然氣）的利用，在全球環(huán)境污染問題越來越嚴(yán)重的情況下，充分利用可再生資源發(fā)電，可以在提供電源的同時，不產(chǎn)生煙塵、SO2、溫室氣體、廢水等污染物，不會因項目開發(fā)造成自然界不可恢復(fù)的破壞，有利于環(huán)境的保護(hù)，是一種綠色可再生的清潔能源。光伏發(fā)電系統(tǒng)建設(shè)符合國家可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃，有利于社會發(fā)展，能帶來良好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。以梅鋼分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)為例，光伏發(fā)電系統(tǒng)的投入運行后每年可為電網(wǎng)提供約1841.69萬kW•h電量，與相同發(fā)電量的火電廠相比，相當(dāng)于每年可節(jié)約標(biāo)煤0.636萬（t以平均發(fā)電標(biāo)煤煤耗為346g/kW•h計），每年可以減少二氧化硫排放量約54t，二氧化碳約16663.3t，氮氧化物47.06t，同時還可節(jié)約大量水資源。因此，大力開發(fā)太陽能資源，發(fā)展鋼鐵企業(yè)分布式光伏發(fā)電，不但可節(jié)約寶貴的一次能源，還可以避免由于火力發(fā)電廠建設(shè)造成的環(huán)境污染。隨著國家能源戰(zhàn)略的實施，發(fā)展光伏發(fā)電將成為實現(xiàn)能源、經(jīng)濟(jì)、社會可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。

4結(jié)語

太陽能是清潔的可再生能源，不產(chǎn)生污染。光伏電站運行時主要能源消耗為集電線路、電氣設(shè)備的損耗和生產(chǎn)、生活用電的消耗。鋼鐵企業(yè)通過采用先進(jìn)的節(jié)電、節(jié)水及節(jié)約原材料的措施，合理利用能源和資源先進(jìn)的理念，為光伏電站長期經(jīng)濟(jì)高效運行奠定了基礎(chǔ)，符合國家的產(chǎn)業(yè)政策，符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。

作者：劉廣莉 孫朝慶 杭啟舟 鮑志勤 倪俊 單位：南京市節(jié)能技術(shù)服務(wù)中心 上海梅山鋼鐵股份有限公司 上海寶鋼節(jié)能環(huán)保技術(shù)有限公司 江蘇省節(jié)能技術(shù)服務(wù)中心