浅谈分布式光伏发电在高速公路服务区的研究与应用

安科瑞武陈燕

摘要：针对目前高速公路服务区用电负荷越来越大，本文设计了分布式光伏发电系统。通过对分布式光伏项目装机容量、发电量、收益、总投资等方面分析可知，高速公路服务区分布式光伏发电项目收益高，经济效益好，可进一步在高速公路推广。

关键词：高速公路；分布式光伏；发电量

0引言

随着经济的快速发展，能源的消耗越来越大。目前，化石能源仍然作为我们主要的能源资源，满足人民的需求，满足经济发展。化石能源作为不*再*资源，储量相对有限，据科学家研究，现有化石能源将在数十年内耗尽，并且化石能源的开采和使用对环境造成了严重的影响，燃烧化石能源会产生大量的二氧化碳等温室气体，导致全球变暖和气候变化。因此人类急需续租替代能源以满足未来能源的需要。

太阳能作为一种可再生能源，被认为是石油的良好替代能源之一。太阳能可以通过太阳能电池板将太阳辐射转化为电能。太阳能具有广泛分布、**不断的特点，并且不会产生碳排放。此外，随着技术的进步，太阳能电池板的效能不断提高，使得太阳能成为一个越来越有吸引力的替代能源选择。

高速公路作为我国目前主要运输方式之一。截至2022年底，我国高速公路通车总里程17.7万公里，位居全球*一，并且还在高速增长中。我国高速公路有7000多个服务区，高速公路服务区是驾驶员和乘客休息，车辆加油充电的重要场所，在日常保障高速公路运营起着十分重要的作用。“高速公路+光伏”在高速公路有广泛的应用前景。

本文以天津某高速公路服务区分布式光伏方案为研究对象，分析分布式光伏在高速公路服务区应用优势，测算投资收益情况，展望“高速公路+光伏”未来发展方向。

1太阳能光伏发电系统简介

太阳能发电系统是利用光伏组件将太阳能转化成电能的发电系统。太阳能光伏发电系统主要包括光伏组件方阵、并网逆变器、接入系统等。

光伏组件方阵利用太阳能转化成电能(直流),由并网逆变器将直流电转换为交流电，通过接入系统并网。

2“高速公路+光伏”优势分析

(1)原则上不再新增建设用地。高速公路建设时，征地面积一般较大，光伏组件基本都布设在高速公路用地范围内，充分的利用土地资源。

(2)施工便捷，项目施工所用的设备沿公路沿线布设，也可设置在服务区，材料运输、建设施工均能有效保障，无需新建施工便道、场地平整等，可以很好地保障光伏项目的施工进度。

(3)管理成本相对较低，一般光伏项目需要专业的维护团队维护，高速公路光伏发电站运维管理可与高速公路日常养护一并统筹，仅需增加少量的光伏运维的专业技术人员。

(4)就地消纳比例高，高速公路光伏电站其所发电能供高速公路日常运营所需，就地消纳情况良好，比如服务区办公用电、厂区照明、充电桩等多种设备用电。

3投资收益测算分析

3.1项目概况

本项目位于津蓟高速，津蓟高速主线采用四车道高速公路标准，设计速度分别为100千米/小时，其中蓟州区服务区占地面积约11万m²,建有服务用房约4000m²,两座加油站，车场等设施。为尽可能大面积铺上光伏组件，考虑在服务区空地、停车场、建筑屋顶等地方敷设，经分析统计，上下行两个方向服务区内可用作光伏发电区域面积约8000m²。

3.2项目开发模式

对于现状的高速公路项目，目前常见的模式为高速公路的运营主体自行投资、建设、运维光伏项目，或者高速公路的运营主体提供路网闲置资源作为光伏项目建设场所，通过对外招商，

与*三方签订合同能源管理协议，由*三方负责设计、投资、建设、运维。本项目高速公路公司作为投资主体，负责项目投资本项目，故项目收益全部为高速公路公司所得。天津市目前一般工商业采用峰平谷电价，经现场调研，蓟州区服务区白天综合电价约0.8元/kWh。

3.3项目投资分析

通过对已建项目调研分析并向设备厂商询价，分析得出服务区光伏发电项目建设成本单价以及项目运维期费用如表1所示：

表1项目基础信息表

本项目按照容量812kWp,按照比较好的倾角、0°方位角布置光伏组件。考虑光伏组件衰减、温度修正系数、表面污染及遮挡修正系数、适配系数、逆变器平均效率、集电线路损耗系数等因素，本工程综合修正系数K=0.85。建设成本单价组成如表2所示：

表2建设成本单价组成

本项目每瓦投资4.0元，总容量为812KWp,总投资为324.8万元。

3.4项目发电分析

根据初步估算，本工程35°倾角，安装容量为812kWp。单个组件容量580Wp,发电量根据下式计算。

Ep=HA×PAZ/ES×K (1)

式中：HA为倾斜面太阳能总辐射量(含背板增益)(KW·h/m²,峰值小时数)对于本工程，35°倾角取值1702KW·h/m²;Ep为上网发电量(KW·h);ES为标准条件下的辐照度(常数=1kWh/m²);PAZ为组件安装容量(kWp);K为综合效率系数，取0.85。

目前，市场上的光伏电池使用寿命一般为25年，根据太阳电池厂家提供的组件衰减参数，N型单晶硅双面双玻太阳电池组件首年衰减比例1%,逐年功率衰减0.4%,中间区间采用线性插值，如表3所示。

根据表3,光伏组件正面25年平均发电量110.88万KW·h,

总发电量2772.06万KW·h,全年平均有效小时数为1365.55h。根据产品规格书中可查得双玻组件的背面系数为0.7,则：

表3光伏组件25年正面发电量表

背板辐射量=入射采光面的辐射量×背板辐照率=1702KW·h/m²×8.45%=143.82KW·h/m²,如表4所示。

表4光伏组件25年背面发电董表

根据表4,光伏组件背面25年平均发电量9.37万KW·h,总发电量234.24万KW·h,全年平均有效小时数为115.39h。

25年平均发电量=正面平均年发电量+背面平均年发电量=110.88万KW·h+9.37万KW·h=120.259.37万KW·h,该系统平均有效小时数为1365.55h+115.39h=1480.94h。

3.5项目投资分析

综合分析服务区全年每月白天耗电量，消纳比例高达约85%,15%电量用于上网，如表5所示。

表5用电消纳与上网配置

表6项目投资收益表

项目考虑全部采用自有资金，后期维护成本按照0.4元/W计。

项目总投资324.8万元。由表6分析可知，本项目*5年收益297.30万元，*6年收益355.67万元。本项目在*5年半左右收益超过总投资324.8万元。故项目静态投资回收期在5~6年之间，25年总收益1397.11万元，投资成本324.8万元，净利润1072.31万元，项目收益良好，投*回*丰厚。

4Acrel-2000MG充电站微电网能量管理系统

4.1平台概述

Acrel-2000MG微电网能量管理系统，是我司根据新型电力系统下微电网监控系统与微电网能量管理系统的要求，总结国内外的研究和生产的*进经验，专门研制出的企业微电网能量管理系统。本系统满足光伏系统、风力发电、储能系统以及充电站的接入，*进行数据采集分析，直接监视光伏、风能、储能系统、充电站运行状态及健康状况，是一个集监控系统、能量管理为一体的管理系统。该系统在安全稳定的基础上以经济优化运行为目标，促进可再生能源应用，提高电网运行稳定性、补偿负荷波动；有效实现用户侧的需求管理、消除昼夜峰谷差、平滑负荷，提高电力设备运行效率、降低供电成本。为企业微电网能量管理提供安全、可靠、经济运行提供了全新的解决方案。

微电网能量管理系统应采用分层分布式结构，整个能量管理系统在物理上分为三个层：设备层、网络通信层和站控层。站级通信网络采用标准以太网及TCP/IP通信协议，物理媒介可以为光纤、网线、屏蔽双绞线等。系统支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信规约。

4.2平台适用场合

系统可应用于城市、高速公路、工业园区、工商业区、居民区、智能建筑、海岛、无电地区可再生能源系统监控和能量管理需求。

4.3系统架构

本平台采用分层分布式结构进行设计，即站控层、网络层和设备层，详细拓扑结构如下：

图1典型微电网能量管理系统组网方式

5充电站微电网能量管理系统解决方案

5.1实时监测

微电网能量管理系统人机界面友好，应能够以系统一次电气图的形式直观显示各电气回路的运行状态，实时监测光伏、风电、储能、充电站等各回路电压、电流、功率、功率因数等电参数信息，动态监视各回路断路器、隔离开关等合、分闸状态及有关故障、告警等信号。其中，各子系统回路电参量主要有：相电压、线电压、三相电流、有功/无功功率、视在功率、功率因数、频率、有功/无功电度、频率和正向有功电能累计值；状态参数主要有：开关状态、断路器故障脱扣告警等。

系统应可以对分布式电源、储能系统进行发电管理，使管理人员实时掌握发电单元的出力信息、收益信息、储能荷电状态及发电单元与储能单元运行功率设置等。

系统应可以对储能系统进行状态管理，能够根据储能系统的荷电状态进行及时告警，并支持定期的电池维护。

微电网能量管理系统的监控系统界面包括系统主界面，包含微电网光伏、风电、储能、充电站及总体负荷组成情况，包括收益信息、天气信息、节能减排信息、功率信息、电量信息、电压电流情况等。根据不同的需求，也可将充电，储能及光伏系统信息进行显示。

图1系统主界面

子界面主要包括系统主接线图、光伏信息、风电信息、储能信息、充电站信息、通讯状况及一些统计列表等。

5.1.1光伏界面

图2光伏系统界面

本界面用来展示对光伏系统信息，主要包括逆变器直流侧、交流侧运行状态监测及报警、逆变器及电站发电量统计及分析、并网柜电力监测及发电量统计、电站发电量年有效利用小时数统计、发电收益统计、碳减排统计、辐照度/风力/环境温湿度监测、发电功率模拟及效率分析；同时对系统的总功率、电压电流及各个逆变器的运行数据进行展示。

5.1.2储能界面

图3储能系统界面

本界面主要用来展示本系统的储能装机容量、储能当前充放电量、收益、SOC变化曲线以及电量变化曲线。

图4储能系统PCS参数设置界面

本界面主要用来展示对PCS的参数进行设置，包括开关机、运行模式、功率设定以及电压、电流的限值。

图5储能系统BMS参数设置界面

本界面用来展示对BMS的参数进行设置，主要包括电芯电压、温度保护限值、电池组电压、电流、温度限值等。

图6储能系统PCS电网侧数据界面

本界面用来展示对PCS电网侧数据，主要包括相电压、电流、功率、频率、功率因数等。

图7储能系统PCS交流侧数据界面

本界面用来展示对PCS交流侧数据，主要包括相电压、电流、功率、频率、功率因数、温度值等。同时针对交流侧的异常信息进行告警。

图8储能系统PCS直流侧数据界面

本界面用来展示对PCS直流侧数据，主要包括电压、电流、功率、电量等。同时针对直流侧的异常信息进行告警。

图9储能系统PCS状态界面

本界面用来展示对PCS状态信息，主要包括通讯状态、运行状态、STS运行状态及STS故障告警等。

图10储能电池状态界面

本界面用来展示对BMS状态信息，主要包括储能电池的运行状态、系统信息、数据信息以及告警信息等，同时展示当前储能电池的SOC信息。

图11储能电池簇运行数据界面

本界面用来展示对电池簇信息，主要包括储能各模组的电芯电压与温度，并展示当前电芯的电压、温度值及所对应的位置。

5.1.3风电界面

图12风电系统界面

本界面用来展示对风电系统信息，主要包括逆变控制一体机直流侧、交流侧运行状态监测及报警、逆变器及电站发电量统计及分析、电站发电量年有效利用小时数统计、发电收益统计、碳减排统计、风速/风力/环境温湿度监测、发电功率模拟及效率分析；同时对系统的总功率、电压电流及各个逆变器的运行数据进行展示。

5.1.4充电站界面

图13充电站界面

本界面用来展示对充电站系统信息，主要包括充电站用电总功率、交直流充电站的功率、电量、电量费用，变化曲线、各个充电站的运行数据等。

5.1.5视频监控界面

图14微电网视频监控界面

本界面主要展示系统所接入的视频画面，且通过不同的配置，实现预览、回放、管理与控制等。

5.1.6发电预测

系统应可以通过历史发电数据、实测数据、未来天气预测数据，对分布式发电进行短期、超短期发电功率预测，并展示合格率及误差分析。根据功率预测可进行人工输入或者自动生成发电计划，便于用户对该系统新能源发电的集中管控。

图15光伏预测界面

5.1.7策略配置

系统应可以根据发电数据、储能系统容量、负荷需求及分时电价信息，进行系统运行模式的设置及不同控制策略配置。如削峰填谷、周期计划、需量控制、防逆流、有序充电、动态扩容等。

具体策略根据项目实际情况（如储能柜数量、负载功率、光伏系统能力等）进行接口适配和策略调整，同时支持定制化需求。

图16策略配置界面

5.1.8运行报表

应能查询各子系统、回路或设备*时间的运行参数，报表中显示电参量信息应包括：各相电流、三相电压、总功率因数、总有功功率、总无功功率、正向有功电能、尖峰平谷时段电量等。

图17运行报表

5.1.9实时报警

应具有实时报警功能，系统能够对各子系统中的逆变器、双向变流器的启动和关闭等遥信变位，及设备内部的保护动作或事故跳闸时应能发出告警，应能实时显示告警事件或跳闸事件，包括保护事件名称、保护动作时刻；并应能以弹窗、声音、短信和电话等形式通知相关人员。

图18实时告警

5.1.10历史事件查询

应能够对遥信变位，保护动作、事故跳闸，以及电压、电流、功率、功率因数、电芯温度（锂离子电池）、压力（液流电池）、光照、风速、气压越限等事件记录进行存储和管理，方便用户对系统事件和报警进行历史追溯，查询统计、事故分析。

图19历史事件查询

5.1.11电能质量监测

应可以对整个微电网系统的电能质量包括稳态状态和暂态状态进行持续监测，使管理人员实时掌握供电系统电能质量情况，以便及时发现和消除供电不稳定因素。

1）在供电系统主界面上应能实时显示各电能质量监测点的监测装置通信状态、各监测点的A/B/C相电压总畸变率、三相电压不平衡度*和正序/负序/零序电压值、三相电流不平衡度*和正序/负序/零序电流值；

2）谐波分析功能：系统应能实时显示A/B/C三相电压总谐波畸变率、A/B/C三相电流总谐波畸变率、奇次谐波电压总畸变率、奇次谐波电流总畸变率、偶次谐波电压总畸变率、偶次谐波电流总畸变率；应能以柱状图展示2-63次谐波电压含有率、2-63次谐波电压含有率、0.5～63.5次间谐波电压含有率、0.5～63.5次间谐波电流含有率；

3）电压波动与闪变：系统应能显示A/B/C三相电压波动值、A/B/C三相电压短闪变值、A/B/C三相电压长闪变值；应能提供A/B/C三相电压波动曲线、短闪变曲线和长闪变曲线；应能显示电压偏差与频率偏差；

4）功率与电能计量：系统应能显示A/B/C三相有功功率、无功功率和视在功率；应能显示三相总有功功率、总无功功率、总视在功率和总功率因素；应能提供有功负荷曲线，包括日有功负荷曲线（折线型）和年有功负荷曲线（折线型）；

5）电压暂态监测：在电能质量暂态事件如电压暂升、电压暂降、短时中断发生时，系统应能产生告警，事件能以弹窗、闪烁、声音、短信、电话等形式通知相关人员；系统应能查看相应暂态事件发生前后的波形。

6）电能质量数据统计：系统应能显示1min统计整2h存储的统计数据，包括均值、*值、*值、95%概率值、方均根值。

7）事件记录查看功能：事件记录应包含事件名称、状态（动作或返回）、波形号、越限值、故障持续时间、事件发生的时间。

图20微电网系统电能质量界面

5.1.12遥控功能

应可以对整个微电网系统范围内的设备进行远程遥控操作。系统维护人员可以通过管理系统的主界面完成遥控操作，并遵循遥控预置、遥控返校、遥控执行的操作顺序，可以及时执行调度系统或站内相应的操作命令。

图21遥控功能

5.1.13曲线查询

应可在曲线查询界面，可以直接查看各电参量曲线，包括三相电流、三相电压、有功功率、无功功率、功率因数、SOC、SOH、充放电量变化等曲线。

图22曲线查询

5.1.14统计报表

具备定时抄表汇总统计功能，用户可以自由查询自系统正常运行以来任意时间段内各配电节点的发电、用电、充放电情况，即该节点进线用电量与各分支回路消耗电量的统计分析报表。对微电网与外部系统间电能量交换进行统计分析；对系统运行的节能、收益等分析；具备对微电网供电可靠性分析，包括年停电时间、年停电次数等分析；具备对并网型微电网的并网点进行电能质量分析。

图23统计报表

5.1.15网络拓扑图

系统支持实时监视接入系统的各设备的通信状态，能够完整的显示整个系统网络结构；可在线诊断设备通信状态，发生网络异常时能自动在界面上显示故障设备或元件及其故障部位。

图24微电网系统拓扑界面

本界面主要展示微电网系统拓扑，包括系统的组成内容、电网连接方式、断路器、表计等信息。

5.1.16通信管理

可以对整个微电网系统范围内的设备通信情况进行管理、控制、数据的实时监测。系统维护人员可以通过管理系统的主程序右键打开通信管理程序，然后选择通信控制启动所有端口或某个端口，快速查看某设备的通信和数据情况。通信应支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信规约。

图25通信管理

5.1.17用户权限管理

应具备设置用户权限管理功能。通过用户权限管理能够防止未经授权的操作（如遥控操作，运行参数修改等）。可以定义不同级别用户的登录名、密码及操作权限，为系统运行、维护、管理提供可靠的安全保障。

图26用户权限

5.1.18故障录波

应可以在系统发生故障时，自动准确地记录故障前、后过程的各相关电气量的变化情况，通过对这些电气量的分析、比较，对分析处理事故、判断保护是否正确动作、提高电力系统安全运行水平有着重要作用。其中故障录波共可记录16条，每条录波可触发6段录波，每次录波可记录故障前8个周波、故障后4个周波波形，总录波时间共计46s。每个采样点录波至少包含12个模拟量、10个开关量波形。

图27故障录波

5.1.19事故追忆

可以自动记录事故时刻前后一段时间的所有实时扫描数据，包括开关位置、保护动作状态、遥测量等，形成事故分析的数据基础。

用户可自定义事故追忆的启动事件，当每个事件发生时，存储事故前10个扫描周期及事故后10个扫描周期的有关点数据。启动事件和监视的数据点可由用户随意修改。

5.2硬件及其配套产品

6结束语

我国高速公路通车总里程全球*一，有大量的服务区，另外近年来服务区大量安装充电桩，服务区用电量越来越大。本文以天津某高速公路服务区分布式光伏为例，从项目的经济收益角度分析了项目投资，发电量，收益等方面，分布式光伏发电项目在高速公路服务区中应用是可行的，而且随着光伏组件，逆变器等设备价格的不断下降，高速公路光伏项目收益越来越好。