天然氣凈化廠分布式光伏發電系統的應用研究

摘 要：以四川省廣元市某天然氣凈化廠為例，對分布式光伏發電系統在此類工廠的應用進行了研究分析。利用PVsyst軟件對倒班公寓樓分布式光伏發電系統進行建模仿真，對其發電效率和發電損耗進行數據分析，并對已建成的天然氣凈化廠整個分布式光伏發電系統進行多方面評估，分析其在提高發電效率、降低溫室氣體排放、改善經濟效益方面的潛力；最后對天然氣凈化廠分布式光伏發電系統在實際應用中面臨的挑戰進行了分析，并提出了解決方案。研究結果表明：該天然氣凈化廠分布式光伏發電系統具有可觀的CO2減排量，對減少溫室氣體排放具有積極意義，可以營造良好的生態運行環境。在實際應用中，應根據實際情況對并網策略、系統布局與維護策略進行優化。本研究對于推動分布式發電在能源領域中的持續應用，改善天然氣凈化廠在經濟性和環保方面的運營效果具有重要實踐意義和產業應用潛力。

關鍵詞：天然氣凈化廠；分布式光伏發電；PVsyst仿真；溫室氣體排放；經濟效益；環境效益

中圖分類號：TM615 文獻標志碼：A

0 "引言

隨著全球能源需求的快速增長及環境問題的不斷加劇，尋找清潔、可再生的能源解決方案變得愈發迫切[1]。在中國一次能源消費結構中，煤炭的消費量占比為70.5%，石油的消費量占比為17.6%，天然氣的消費量占比為4.0%，可再生能源的消費量占比僅為7.9%。隨著化石能源應用對環境污染日益加劇及其日益匱乏，應轉變“高能耗、高環境污染”的生產方式，大力發展可再生能源成為當務之急。

天然氣凈化廠作為能源加工產業鏈的關鍵環節，承擔著提升清潔能源品質與實現工業排放達標處理的雙重使命。但天然氣凈化廠傳統的能源消耗模式導致了大量的碳排放、能源浪費和經濟成本。因此，為應對這一挑戰，將可再生能源發電整合到天然氣凈化廠的操作中變得至關重要。光伏發電技術作為1種頗具潛力的可再生能源解決方案，已經成功應用在許多領域[2]。其中，分布式光伏發電尤為引人關注，這種將光伏組件直接安裝在建（構）筑物或設備上的應用方式，為能源產出和使用提供了更加靈活和高效的途徑[3]。將分布式光伏發電應用到天然氣凈化廠中，有望達到提高能源就地轉化率、減少輸電損失、降低碳排放等多重目的。

針對分布式光伏發電的研究，文獻[4]對大型廠區屋頂分布式光伏發電系統的設計過程進行了介紹，通過對屋頂結構、光照條件的分析，確定光伏組件的朝向和安裝傾角，提升分布式光伏發電系統的發電量。文獻[5]通過PVsyst軟件和Simulink仿真平臺建立了基于擾動觀察法最大功率點跟蹤（MPPT）的建筑主動配電系統光伏發電仿真模型，采用實際案例進行了應用分析，驗證了基于擾動觀察法的MPPT有利于提高光伏發電系統的輸出功率。文獻[6]通過對四川省新能源的發展現狀、資源情況進行詳細梳理，根據分布式光伏電站的運行情況，建立了分布式光伏電站功率預測模型，并對接入10 kV及以上和220/380 V電壓等級的分布式光伏電站進行了功率預測，預測精度較好。

然而，當前尚無足夠的實證研究來深入探究分布式光伏發電在天然氣凈化廠中的應用效果，以及其對能源效率、環境保護和經濟可行性的影響。基于此，本文以四川省廣元市某天然氣凈化廠（下文簡稱為”本天然氣凈化廠）為例，著重探討天然氣凈化廠分布式光伏發電系統（下文簡稱為“本分布式光伏發電系統”）的應用情況，以評估該應用場景的潛在優勢。首先對廣元市的地理位置及太陽能資源情況進行概述，并對分布式光伏發電技術進行介紹；然后利用PVsyst軟件對建設于該天然氣凈化廠中倒班公寓樓樓頂的分布式光伏發電系統進行建模仿真，得到其發電效率和發電損耗，并對已建成的本分布式光伏發電系統進行多方面評估，分析其在發電效率和環保方面的實際應用效果；最后對其實際應用中面臨的挑戰進行分析，并提出解決方案。

1 "廣元市的地理位置及太陽能資源概述

本天然氣凈化廠位于四川省廣元市，廣元市位于四川盆地西北緣，地勢為西北高、東南低，低山地貌特點顯著，平均海拔高度為540 m。

Meteonorm氣象數據庫由瑞士伯爾尼大氣實驗室建立，其收錄了全球7750個氣象站的氣象資料，可根據輸入的經緯度、海拔高度查詢該地區的太陽輻射數據。Meteonorm氣象數據庫中廣元地區的氣象資料如表1所示，數據均從該數據庫直接得到。

從表1可以看出：廣元地區典型年的水平面總太陽輻照量為1087 kWh/m2。

根據QX/T 89—2018《太陽能資源評估方法》[7]的劃分標準，中國地區的太陽能資源等級一般可分為4個，具體如表2所示。

由表2可知：廣元市的太陽能資源等級為Ⅲ級。

本天然氣凈化廠的廠區引入了2回35 kV電力架空專線，35 kV變10 kV配電變壓器的容量為2×2500 kVA，10 kV變400 V配電變壓器的容量為2×2000 kVA，主接線方式為單母線分段接線，主要用電負荷的電壓等級為0.4 kV。目前，主要有該工廠的照明設備、動力系統、空調和自控通信設備等的用電負荷統計結果。2022年本天然氣凈化廠的逐月耗電量情況如圖1所示。

2 "分布式光伏發電技術概述

2.1 "光伏發電的原理和部件

光伏發電技術是利用光生伏特效應將太陽輻射能轉化為電能的技術，當光子與半導體材料相互作用時會產生電子-空穴對，從而形成電流。常見的半導體材料包括單晶硅、多晶硅、非晶硅和薄膜材料。太陽電池是光伏發電技術的主要載體，為了提高整體發電效率，通常將多片太陽電池組裝在一起封裝成光伏組件。

除了光伏組件，分布式光伏發電系統的組成部分還包括控制器、逆變器、光伏支架、接線盒及交流負載等，示意圖如圖2所示。

控制器能管理和優化光伏組件、蓄電池及負載之間的能量流動，確保光伏發電系統穩定運行。逆變器是將光伏組件產生的直流電轉換為交流電的裝置，其能保證光伏組件輸出的電壓、電流與電網的電壓、電流相匹配和同步。光伏支架用于固定光伏組件，當光伏支架傾角為光伏組件最佳安裝傾角時，可使光伏組件最大程度地接收太陽輻射。接線盒用于連接光伏組件和逆變器的電纜，確保電能傳輸的連通性。

2.2 "分布式光伏發電系統的特點和應用優勢

相較于集中式光伏發電系統，分布式光伏發電系統具有以下3個特點：1）分布式光伏發電系統是將光伏陣列分散布局在用戶側附近，使電力生產側與消費側更接近；2）分布式光伏發電系統可以接入低壓配電網，避免了高壓輸電線路的建設和電力損耗問題；3）分布式光伏發電系統可根據實際需求進行裝機規模調整和靈活布局，以適應不同應用場景的電力需求。

分布式光伏發電系統的應用優勢包括：1）減少對傳統能源供應的依賴，提高企業、機構或家庭的能源自主性；2）通過將光伏發電系統分散布局，提供分散的電力供應，從而提高電力供應的可靠性；3）利用太陽能進行發電，不產生溫室氣體和大氣污染物，具有顯著的環境效益；4）可降低能源成本，特別是在長期運營中能夠實現較為顯著的經濟回報。

3 "本分布式光伏發電系統的應用案例研究

3.1 本分布式光伏發電系統的應用

3.1.1 "本分布式光伏發電系統的設計和安裝

本天然氣凈化廠充分利用其廠區和公寓區的樓頂，部署分布式光伏發電系統，實現多能源互補與集成。在綜合考慮光伏組件的光電轉換效率、輸出功率、技術成熟性、市場占有率和平準化度電成本等因素后，選擇了最大輸出功率為550 W的大功率單面單晶硅光伏組件。本分布式光伏發電系統中的光伏組件安裝在廠區和公寓區6個樓的樓頂，共735塊，總占地面積為3125.22 m2，總裝機容量為396.9 kW；組串式逆變器的容量為280 kW。本分布式光伏發電系統于2022年12月28日投入使用，其光伏組件分布示意圖如圖3所示。圖中：紅框為光伏組件布置位置；綠色位置為組串式逆變器。

本分布式光伏發電系統由光伏組件、光伏支架、控制器、組串式逆變器、配電保護系統和系統監控裝置組成。同時，為了保證該分布式光伏發電系統安全可靠地運行，遵循“有人值守”的原則，安裝了金屬旋梯通至樓頂，方便日常巡檢和運維。在施工組織方面，嚴格遵守國內相關政策、電力行業設計規程和設計規定，并充分考慮了施工人員與運維人員的安全，配置了必要的消防安全設備（比如：滅火器箱及滅火器）。

根據本分布式光伏發電系統的配置，對其理想狀態下首年各月發電量和首年月滿發小時數進行估算，結果如表3所示；其理想狀態下首年各月發電量和2022年廠區各月實際耗電量的對比情況如圖4所示。

由圖4可知：本分布式光伏發電系統的月發電量峰值遠小于本天然氣凈化廠的月耗電量谷值，不存在“棄光”現象。因此，該項目遵循“分區發電、集中并入內網”的設計理念，將本分布式光伏發電系統產生的電量全額自發自用。

本天然氣凈化廠的典型日分時用電負荷曲線如圖5所示。從圖5可以看出：本天然氣凈化廠每日最大用電負荷不超過1200 kW，主要有早、中、晚3個時段的用電高峰期。

圖5 "本天然氣凈化廠的典型日分時用電負荷曲線

Fig. 5 "Curve of typical daily hourly power load of

natural gas purification plant

3.1.2 "建模與仿真分析

PVsyst軟件由瑞士日內瓦大學團隊研發，是一款專業的光伏發電系統仿真軟件，主要用于光伏發電系統建模仿真，分析影響其發電量的各種因素[8]。對建設于倒班公寓樓樓頂的分布式光伏發電系統進行建模與仿真分析，參數設置中：光伏組件選擇固定朝向采光面的安裝方式；當光伏組件安裝傾角設置為20°、光伏陣列方位角設置為7°時，得到的“相較最優的損失”為“0”，“轉換系數”為“1.04”，“采光面年總太陽輻照量”為“1095 kWh/m2”。

倒班公寓樓分布式光伏發電系統的裝機容量為50 kW，其采用的是東方日升新能源股份有限公司生產的RSM-144-9-550M型單面單晶硅光伏組件，外型尺寸（長×寬×厚）為2288 mm×1134 mm×35 mm，每塊光伏組件包含144片太陽電池，其性能參數如表4所示。

逆變器選擇錦浪科技股份有限公司生產的G5-GC50K型組串式逆變器，外型尺寸（長×寬×高）為670 mm×560 mm×340 mm，重量為53 kg，具體性能參數如表5所示。

在PVsyst軟件中導入從Meteonorm氣象數據庫中獲取的項目所在地的氣象數據，根據已知設備參數建立倒班公寓樓分布式光伏發電系統仿真模型，模擬得到其首年發電情況，具體如表6所示。

倒班公寓樓分布式光伏發電系統的發電量損失主要來自組串式逆變器和光伏組件，其首年各月的平均每千瓦日發電量的損益情況如圖6所示。該分布式光伏發電系統首年因采光造成的平均每千瓦日發電量的損失為0.42 kWh，因系統裝置造成的平均每千瓦日發電量的損失為0.24 kWh，系統平均每千瓦日有效發電量為2.32 kWh。

系統效率（PR）是衡量光伏發電系統發電效率的關鍵指標，其值為光伏發電系統接入后的實際輸出功率與理論輸出功率的比值，用來表示光伏組件在戶外光照條件下與標準測試條件（STC）下的性能差異，一般來說，太陽輻照量較高時環境溫度也較高，導致光伏組件溫度較高，而PR值會隨著光伏組件溫度的上升而減少。倒班公寓樓分布式光伏發電系統的首年月均PR值如圖7所示。結合圖7可知，該分布式光伏發電系統的首年PR值為0.779，該值與常見的屋頂分布式光伏發電系統相比略低。分析原因在于以下兩點：1）該分布式光伏發電系統所在地的太陽能資源較弱；2）從PVsyst仿真得到該分布式光伏發電系統的超配損失有0.2%，影響了其發電效率。

PVsyst軟件模擬得到的倒班公寓樓分布式光伏發電系統首年的損耗情況如圖8所示。

從圖8可以看出：倒班公寓樓分布式光伏發電系統的損耗主要為逆變器運行損失、系統失效度、污穢損失系數等。該分布式光伏發電系統的年水平面總太陽輻照量為1052 kWh/m2，采光面上年有效太陽輻照量為1025 kWh/m2；STC下光伏組件的光電轉換效率為21.34%，光伏發電系統首年轉換的標稱發電量為63311 kWh，考慮光伏組件損耗后減少至56962 kWh，考慮逆變器損耗后減少至52665 kWh，考慮交流線損和系統失效度后，該分布式光伏發電系統的首年并網電量為50204 kWh。

根據上述仿真模擬結果，對倒班公寓樓分布式光伏發電系統的首年實際月發電量和仿真月發電量進行對比，具體如圖9所示。

從圖9可以看出：倒班公寓樓分布式光伏發電系統首年前7個月的實際月發電量和仿真月發電量之間的差異較大，分析原因在于以下兩點：1）前期調整了設備的運行策略，2月底到6月初公寓區采取了在非太陽輻射峰值期間間隙發電的措施，影響了整體發電量；2）逆變器在運行過程中出現故障未及時修理，從而影響了整體發電量。

3.2 "光伏發電系統對天然氣凈化廠環境的影響

通過建模仿真得到倒班公寓樓分布式光伏發電系統的發電效率和發電損耗后，基于該仿真數據對本分布式光伏發電系統進行多方面的評估。本分布式光伏發電系統在夏季的發電時間一般為06：30～20：00，組串式逆變器的總功率峰值一般在12：30～13：30；春、秋兩季的發電時間一般為07：30～19：40，組串式逆變器的總功率峰值一般在12：50～13：40；冬季的發電時間一般為07：40～18：40，組串式逆變器的總功率峰值一般在13：20～14：50。本分布式光伏發電系統的首年實際發電情況如圖10所示。

從圖10可以看出：本分布式光伏發電系統的實際月發電量在8月達到最大值，為40721 kWh；在2月達到最小值，為7869 kWh。

截至2023年底，本分布式光伏發電系統累計發電量超過300 MWh，折算經濟效益約為17.8萬元。

依據GB/T 2589—2020《綜合能耗計算通則》，1億kWh的電量可折算為3.055萬t的標準煤，1萬t的標準煤可折算為2.6萬t的CO2。經過計算后，本分布式光伏發電系統已發的300 MWh綠電可折算為減排了238.3 t的CO2。這一減排量對于應對氣候變化、改善空氣質量和減少溫室氣體排放具有積極意義。另外，本分布式光伏發電系統在運行期間幾乎無噪音和振動，在保持廠區安靜的同時，也降低了對周圍居民和敏感環境的干擾。

通過轉向可再生能源的使用，能夠減少對傳統發電方式所需化石燃料的使用，從而可顯著降低對大氣的污染。這種轉變對于實現低碳經濟和可持續目標具有重要意義，并可為促進全球環境保護做出貢獻。

4 分布式光伏發電在天然氣凈化廠應用中面臨的挑戰與解決方案

針對分布式光伏發電在本天然氣凈化廠應用中面臨的挑戰，本文提出了優化分布式光伏發電系統并網策略和優化分布式光伏發電系統布局與維護策略的解決方案。

4.1 "優化分布式光伏發電系統并網策略

本天然氣凈化廠公寓區的分布式光伏發電系統的總裝機容量為140 kW，但該區域的實際用電負荷約為30 kW，發電量在公寓區無法完全消納，設計時在公寓區的并網柜內安裝了AM5SE-IS防孤島保護裝置，投入逆功率保護功能，逆功率保護定值為1.5 kW，逆功率保護延時為2 s。當檢測到公寓區箱式變壓器總出線斷路器有逆向電流流過且逆功率超過設定的保護定值時，防孤島保護裝置可設置延時發出逆功率跳閘命令，斷開并網柜內總斷路器，阻斷該區域分布式光伏發電系統送電。

為了解決上述投運后發現的問題，經多方的技術討論，并由分布式光伏發電系統設計單位出具書面說明書，本天然氣凈化廠于2023年6月9日退出公寓區光伏發電系統并網柜的逆功率保護功能，該區域分布式光伏發電系統發出的多余電量通過箱式變壓器反向升壓至10 kV，通過內部10 kV凈水線輸電線路輸送至35 kV變電站，由天然氣凈化廠廠區（用電負荷約為1000 kW）一并消納，從而使該分布式光伏發電系統的發電能力實現最大化。

4.2 "優化分布式光伏發電系統布局與維護策略

1）由于建筑物結構和空間限制，光伏組件的布局和裝機容量受到限制，特別是有些樓頂還安裝了配電箱和通信箱，影響了光伏組件豎向平鋪的排列方式，導致組串式逆變器同1個MPPT輸入端會接入不同串聯數的光伏組串，這樣該MPPT電路就會兼顧串接數量較少、電壓較低的光伏組串，容易導致跟蹤混亂、電壓失配等問題。為了解決這些問題，必須綜合考慮建筑的特點并進行合理規劃，選擇合適的安裝位置，最大程度地利用有限空間來增加光伏組件的數量和發電能力。

2）由于廠區位于山區，大風天氣較多，光伏組件很容易被大風裹挾的泥沙覆蓋，影響分布式光伏發電系統的發電效率。根據運維管理的要求，每半年定期清洗1次光伏組件，但從目前運行情況來看，該清洗頻率較低，應該在大風天多或光照時間長的季節加強光伏組件的清潔維護力度，從而提高光伏發電系統整體的發電效率。

3）組串式逆變器在運行過程中出現了故障且未及時修理，導致2月和5月的實際發電量較低。故障原因是組串式逆變器產品存在質量問題，在運行過程中導致主板短路燒毀；另外，由于施工初期施工人員的操作技術不熟練，導致組串式逆變器外殼接地線和避雷針接地線共用了1個接地體，在雷雨天氣極易出現光伏絕緣故障（即光伏發電系統接地絕緣小于逆變器保護限值）。因此針對分布式光伏發電系統的運維，除了日常巡檢外，還可以加強與專業運維隊伍的技術交流，多渠道提升運維人員的技術水平能力，并提高故障處理的效率和及時性。

5 "結論

本文以四川省廣元市某天然氣凈化廠為例，對建設于該天然氣凈化廠的分布式光伏發電系統的應用進行了研究分析，基于PVsyst軟件對整個分布式光伏發電系統中的倒班公寓樓分布式光伏發電系統進行了建模仿真，對其發電效率和發電損耗進行了數據分析，并對已建成的天然氣凈化廠分布式光伏發電系統展開評估，探索其在提高發電效率、降低溫室氣體排放、改善經濟效益方面的潛力；最后對天然氣凈化廠分布式光伏發電系統實際應用中面臨的挑戰進行了分析，并提出了解決方案。研究結果表明：該天然氣凈化廠分布式光伏發電系統具有可觀的CO2減排量，對減少溫室氣體排放具有積極意義，可以營造良好的生態運行環境。在實際應用中，應根據實際情況對光伏發電系統的并網策略、系統布局與維護策略進行優化。本研究對于推動分布式光伏發電在能源領域的持續應用，改善天然氣凈化廠在經濟性和環保方面的運營效果具有重要實踐意義和產業應用潛力。

[參考文獻]

[1] 安寶晶，張景奇，牛黎明. 分布式光伏項目碳普惠減排量開發分析[J]. 上海節能，2023（10）：1558-1562.

[2] 高志野. 分布式光伏接入對地區電網規劃的影響研究[J]. 電氣技術與經濟，2023（8）：142-144.

[3] 鄭瀟嘯. 分布式光伏參與市場化交易的機制研究[J]. 投資與合作，2023（10）：65-67.

[4] 姜怡，項旭東，顧錦，等. 一種大型廠區屋頂分布式光伏系統設計[J]. 中國科技信息，2023（21）：123-126.

[5] 毛闐，李平. 基于PVsyst和Simulink的建筑主動配電系統光伏仿真設計[J]. 建筑電氣，2023，42（9）：9-15.

[6] 王穹躍. 四川電網省地一體化分布式光伏功率預測研究與應用[D]. 成都：西南交通大學，2020.

[7] 全國氣候與氣候變化標準化技術委員會風能太陽能氣候資源分技術委員會. 太陽能資源評估方法：QX/T 89—2018[S]. [出版地不詳：出版者不詳]，2018.

[8] 崔雅淇，李國洪. 基于PVsyst軟件的屋頂光伏發電系統的設計與評估[J]. 電工技術，2023（14）：81-83，88.

RESEARCH ON APPLICATION OF DISTRIBUTED PV POWER GENERATION SYSTEM IN NATURAL GAS PURIFICATION PLANTS

Zhang Mingyue，Li Tao，Chen Yuanxiang，Zhu Wei，Wang Xiao

（Northwest Sichuan Gasmine of PetroChina Southwest Oil and Gasfield Company，Jiangyou 621700，China）

Abstract：This paper takes a natural gas purification plant in Guangyuan City，Sichuan Province as an example to study and analyze the application of distributed PV power generation systems in such plants. Using PVsyst software to model and simulate the distributed PV power generation system in the shift apartment building，analyze its power generation efficiency and power generation losses，and evaluate the completed distributed PV power generation system in natural gas purification plant from multiple aspects，analyzing its potential in improving power generation efficiency，reducing greenhouse gas emissions，and improving economic benefits. Finally，the challenges faced in the practical application of distributed PV power generation systems in natural gas purification plants are analyzed，and solutions are proposed. The research results show that this distributed PV power generation system in natural gas purification plant has significant CO2 emission reduction，which has a positive significance in reducing greenhouse gas emissions and can create a good ecological operating environment. In practical applications，the grid connection strategy，system layout，and maintenance strategy should be optimized according to the actual situation. This study has important practical significance and industrial application potential for promoting sustainable application of distributed power generation in the energy field and improving the operational efficiency of natural gas purification plants in terms of economic and environmental protection.

Keywords：natural gas purification plants；distributed PV power generation；PVsyst simulation；greenhouse gas emissions；economic benefit；environmental benefit