天鋼聯合特鋼光伏發電站的建設

竇 偉

（天津鋼鐵集團有限公司資源再利用分公司，天津300301）

0 引言

天鋼聯合特鋼位于天津市寧河經濟開發區，分布式光伏發電項目位于特鋼廠區院內。該地區為大陸性季風氣候，全年平均風速為3~3.5 m/s，多年平均太陽輻射量為4 824 MJ/m2，日照時間較長，具有良好的太陽能利用條件，因此聯合特鋼廠區內非常適合建設大型并網光伏電站。

1 項目規模及目標

光伏發電的建設規模和任務主要受安裝地區的日照資源、電力系統容量、平衡、安裝現場環境建設等因素影響。聯合特鋼18.06 MWp屋頂分布式光伏發電項目廠區太陽能資源豐富，廠區生產、生活電量需求大，能消納大部分光伏所發的電能，剩余的電能采用高壓（部分低壓）并網，且廠區并網條件好，對外交通便利。

本工程任務以發電為主，規劃安裝總容量為18.06 MWp，擬安裝69 498塊標準功率為260 Wp的多晶硅光伏組件，實際安裝容量為18.06 MWp。

因項目主要建設在已有建筑物上，建筑物在設計建造時，已充分考慮了地質結構問題，能夠滿足安裝技術和規模要求。

2 光伏發電系統方案及上網電量

2.1 光伏發電系統的模式

分布式光伏并網發電系統可分為自發自用余電上網模式和全額上網模式。本工程所建設的光伏發電系統采用自發自用余電上網模式。光伏并網發電原理圖示意如圖1所示。

圖1 光伏并網發電原理示意圖

2.2 光伏發電組件的選擇

光伏組件是通過將大量的相同性能和規格的光伏元件，由一定數量的電池組串聯成電池板后滿足逆變器可承受最大電壓，再將這些電池板并聯達到設計功率，最后把電池板按標準的間距進行排列布局，形成光伏組件矩陣，將這些矩陣通過現有的供電網絡連接起來，形成光伏電站。綜上所述，組件是光伏發電的系統核心，其各個性能參數的高低直接影響整個系統的并網可靠性和發電量。目前，多晶硅的應用已經十分成熟可靠，且可選擇的容量較多，應用最為廣泛。由于本發電工程預計系統容量為18.06 MWp，所以優先采用260 Wp/15.7%的高效大功率多晶硅，以降低組件使用量，能充分利用場地面積，并且系統接觸電阻較小，故障率低，連接電纜使用少，使系統效率更加優化。

2.3 光伏發電電氣及接入系統設計

2.3.1 電氣一次系統分析與配置

本項目采用分布式發電、就地并網的原則，依據并網點系統容量以及場地分布，將光伏發電系統分為 9個發電單元，容量依次為 0.057、0.085、0.469、0.48、0.5，0.549、0.732、0.846、14.34 MWp，擬分別采用459臺33~50 kW組串式逆變器，113臺匯流箱，14臺變壓器，4臺集裝箱式開關站。

根據現組裝機容量，25年年均發電量為1753萬kW·h，因特鋼年耗電量遠超本光伏項目年發電量，光伏系統所發電力總體可在廠區內10 kV母線上完全消納。綜合廠區的現有配電設備情況以及并網點的接入要求，并網分布式光伏電站由10 kV或400 V接入。低壓就近并網的子系統與升壓并網的子系統均采用組串式逆變器。

光伏配電室采用箱式集成安裝形式，設備箱體規格為 6 058 mm×2 591 mm×2 438 mm（共 6個）,光伏配電設備組串光伏逆變器、交直流柜（選配）、中壓變壓器、環網柜、系統監控、火災報警、環境監測（選配）等功能模塊。

2.3.2 電氣二次系統功能與配置

本光伏發電系統按無人值班、遠程HMI監控及兩遙電站設計，運行人員定期巡視運行方式。綜保系統采用分層分布式系統：即下層為間隔層，上層為站控層。全站采用集測量、控制操作、繼電保護、信號、遠動功能的綜合自動化系統，站內實現遙信、遙測及遙視功能，每個光伏矩陣的運行數據和工作狀態，通過通訊口連接到主監控室進行實時監控。

建設獨立控制室位于發電項目附近，完成電站相關運行信息的采集及上報功能。上報調度通道利用現有并網點已具備通道。

控制室內設1面監控主機屏，1面公用屏。其中監控主機安裝于監控主機屏中，通訊接口轉換單元及通訊管理機置于公用測控屏中。

本站保護、控制采用DC220V供電方式。直流電源采自就地高壓配電室直流屏，用于站內直流負荷供電。

2.3.3 通信系統與計量系統現狀與配置

為滿足生產調度需要，光伏發電站站內通信應包括生產管理通信和生產調度通信，并設置生產用程控調度交換機，供生產調度通信和生產管理通信使用。電站的遠動信息向天寧河地調傳送。廠區目前10 kV電源側關口計量點不變，有關考核表及計量表不必更換，外部考核用計量點，配置0.2 s級多功能電度表，安裝于電度表屏，布置于控制室內。各專業通道要求：

（1）調度信息：電站至寧河地調具備主備用調度專線通道。

（2）遠動通道：電站至寧河地調的數據通道采用主副通道方式，其中副通道采用撥號專用通道，主通道采用電力數據調度網通道。

（3）電量遠傳：電站至電力公司電能量計量主管部門采用主副方式通道，其中副通道采用撥號專用通道，主通道采用電力數據調度網通道。

2.3.4 并網逆變器選用

本工程逆變器采用國內知名品牌，本項目擬采用33～50 kW組串式逆變器，安裝形式根據工程情況采用室外集裝箱式布置方式，主要參數見表1。

表1 33～50 kW組串式逆變器主要參數

2.4 光伏方陣設計

2.4.1 光伏組件的排布

本項目中的車間屋頂和空地全部采用69498塊多晶硅光伏組件平鋪安裝方式，每單元功率為260 Wp。本光伏電站總裝機容量為18.06 MWp，預估電站25年有效運營期內年平均并網電量為1 753萬kW·h，年均等效滿負荷利用小時數1 126 h。因各屋面存在傾角及方位角，發電量計算采用容量×日照小時數×損耗得出。本工程各建筑屋頂及光伏走廊光伏組件安裝數量及容量見表2。

2.4.2 光伏方陣的串聯設計

本工程選用的并網輸出逆變器最大矩陣的最高允許電壓范圍為0.2～0.95 kV，開路電壓為1kV。假定每一個光伏方陣的最少串聯數為Smin，最大串聯數為Smax，串聯組件數為S。

開路電壓為38.1 V，工作電壓為31.1 V，開路電壓溫度系數-0.31%/℃，工作電壓電壓溫度系數-0.41%/℃，環境溫度范圍為-20～85℃，則：

表2 各建筑屋頂組件安裝容量統計表

多晶硅組件的串聯數S需滿足9≤S≤24組的要求，才能滿足并網逆變器最大允許電壓范圍。

綜合考慮方陣布置合理性，本項目光伏組件選用22塊光伏組件串聯。每臺逆變器選用22塊260W晶體硅光伏組件串聯。2.4.3 光伏方陣的并聯設計

假設并網組串式逆變器直流輸入功率為20kW，晶體硅組件峰值功率為260 W。假定可以并聯的支路數為N，則22塊260 W晶體硅組件串聯功率為260 W×22＝5.72 kW，并聯支路數N=33kW/5.72 kW=5.8≈6。

2.5 系統效率及發電量估算

2.5.1 系統效率

系統的綜合效率約為76%。其中，灰塵遮擋損失4%，變壓器效率98%，逆變器效率98%，輸電損失共4%，組件組合損失2%，溫度引起的效率損失2%，弱光損失2%，屋面傾角、方位角損失6%。

2.5.2 發電量估算

理論發電量：光伏數量為69 498塊，單位功率為260 Wp，合計容量為18 069 kWp，按可利用小時數來計算：

25年年平均發電量約等于：1753萬kW·h。

首年理論上網電量約等于：1 914.9萬kW·h。

年均等效滿負荷利用小時數：1 126 h。

25年內總發電利用小時數：28 150 h，總發電量：43 826萬kW·h。

多晶硅衰減按照首年衰減率不高于2.5%，以后逐年0.7%，整個光伏發電系統25年壽命期內所采用的光伏組件10年內年衰減不超過10%，20年內衰減不超過20%。

2.6 短路計算

特鋼110 kV專用變電站110 kV開關設備額定短路開斷電流為31.5 kA，滿足要求；10 kV開關設備額定短路開斷電流因建設時間不同，分為25 kA、31.5 kA和40 kA 3類（其中運行的主要是31.5 kA設備），能夠滿足要求。

3 節能降耗效果及經濟效益

特鋼光伏發電項目建成投產后，將是一項很好的節能措施項目，相對于年供電量達到0.27億kW·h的燃煤電廠，年節約標煤量約7 166.59 t。在其最經濟的25年有效使用期內，預計總共節約標煤17.916萬t以上。本項目據估算潛在的節能減排效果見表3。

4 結論

表3 節能減排效果估算表

開展資源綜合利用、節能減排是我國重大的經濟技術政策，也是社會和國民經濟發展中一項長遠的戰略方針。鋼鐵生產過程中規模大、能耗多，設備裝機容量及每年耗電量相當巨大，生產所需電力主要依靠地區電網系統供電，用電供需矛盾十分突出。本項目建成后可作為鋼廠的一個新的供電點，不僅能夠補充電力，節約購電費用，降低企業成本，同時還提高了生產用電的安全可靠性。綜上所述，本項目具有明顯的社會效益和環保效益，并對全國鋼鐵企業發展新型清潔能源有著十分深遠的意義。