淺析并網(wǎng)和光伏發(fā)電技術在地下污水廠的應用

王蘭

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201800

摘要：結(jié)合工程案例，討論了在地下污水處理廠工程設計中，依據(jù)規(guī)劃，建筑、景觀設計，建設并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，用于地下污水處理廠照明及通風等系統(tǒng)供電的可行性。從系統(tǒng)的設計、計算、成本等方面介紹了并網(wǎng)光伏發(fā)電技術在該項目中的應用，并對系統(tǒng)在類似項目中應用存在的問題進行了分析。

關鍵詞：并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)；地下污水處理廠；效益分析

引言

污水處理作為能耗型行業(yè)，電能消耗是主要的能源消耗，其成本占其總成本的40％以上。據(jù)相關數(shù)據(jù)統(tǒng)計，我國城鎮(zhèn)污水處理年電耗已突破100億kW·h，其能耗量約占到社會總能耗量的2％。隨著城鎮(zhèn)化建設步伐的加快，新增的污水量需要新建或改擴建污水處理廠，同時規(guī)劃等部門對污水處理廠工程節(jié)約土地資源提出了更高的要求。在“生態(tài)治污"理念的指導下，在土地資源相對緊缺的城鎮(zhèn)地區(qū)發(fā)展地下污水處理廠，成為城鎮(zhèn)新建污水處理設施發(fā)展的目標。但是地下污水處理廠對通風、照明等要求較高，照明及通風設備折算到單位處理水量的能耗較高。經(jīng)實際工程測算，此部分能耗約占到地下污水處理廠總電耗的7％一10％，且該部分負荷在地下污水處理廠中需要系數(shù)遠高于常規(guī)污水處理廠。所以在地下污水處理廠的工程設計中，如何降低地下式污水處理廠相對常規(guī)污水處理廠額外增加的運營成本，成為工程設計中一個須考慮的課題。

在方案設計階段，經(jīng)過多方案對比(光伏發(fā)電、光導照明等)，在本項目中，擬結(jié)合地上建(構(gòu))筑物及景觀設計，設置光伏方陣，建設光伏系統(tǒng)，實現(xiàn)光伏系統(tǒng)與污水廠地上建(構(gòu))筑物及景觀的有機結(jié)合，為地下空間照明、通風等設備補充電源，有效利用污水處理廠地上空間，降低本項目的運營成本。

一、并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)設計

1工程概況

本工程根據(jù)規(guī)劃批復采用地下式污水處理廠建設方案，近期規(guī)模7．5萬m3／d，遠期規(guī)模15萬m3／d，工程占地約68．8畝。規(guī)劃對本項目地上景觀的要求較高，但實際可利用的地上空間有限。項目地上景觀效果如圖1所示。

結(jié)合總圖布置及景觀要求，確定利用地上綜合樓屋頂進行光伏發(fā)電系統(tǒng)綜合設計，光伏組件按照20串、4并連接方式進行方陣布局安裝。方陣結(jié)合總圖布置及景觀要求，確定利用地上綜合樓屋頂進行光伏發(fā)電系統(tǒng)綜合設計，光伏組件按照20串、4并連接方式進行方陣布局安裝。方陣由架臺固定安裝后，平鋪固定在南向屋頂上。方陣的方位角為0°(朝向正南)，傾斜角為20°，其東西長度為33．19m，南北寬度為3．76m，總建筑面積約為125㎡。

2光伏發(fā)電系統(tǒng)設計計算

（1）負荷要求：

經(jīng)計算，本工程地下箱體部分照明負荷約48kW，通風負荷約133kW。根據(jù)光伏方陣可實施的面積情況，確定地下箱體照明負荷為光伏發(fā)電系統(tǒng)的負載。

1. 氣象地理數(shù)據(jù)：

由國家氣象局查找本次項目所在地區(qū)的多年氣象數(shù)據(jù)，如表1所示。

（3）系統(tǒng)設計系數(shù)：

根據(jù)以上氣象數(shù)據(jù)并結(jié)合現(xiàn)場的其他各種情況，設計的系統(tǒng)參數(shù)如下文所示。

①有關光伏電池設計方面的設計系數(shù)

1)光伏方陣組合損耗系數(shù)

光伏方陣組合損耗系數(shù)是組件在組合成方陣的過程中由于組件失配而引起的損耗。在進行組件配置時，要求電壓失配控制值為±2％，電流失配控制值為4-1％，功率失配控制值為4-1％。

2)環(huán)境系數(shù)

工程中并網(wǎng)型發(fā)電系統(tǒng)進行優(yōu)化安裝，使系統(tǒng)的環(huán)境適應達到好效果，環(huán)境系數(shù)取100％。

3)衰減系數(shù)

隨著使用時間的推移，光伏電池組件在紫外線照射引起物理反應，發(fā)電量會有所衰減。選用的組件10年實際衰減率≤10％。

②有關系統(tǒng)運行和安全方面的設計系數(shù)

1)系統(tǒng)供電可用率99．99％以上。

2)平均時間MTBF>100000h。

3)光伏電池支架風力系數(shù)30m／s。

4)電壓電流回路安全系數(shù)≥1．5。

5)設備容量安全系數(shù)低值為120％。

③系統(tǒng)發(fā)電量統(tǒng)計

系統(tǒng)發(fā)電量統(tǒng)計如表2所示。

3并網(wǎng)系統(tǒng)設計

本工程中，有公共電網(wǎng)的正常情況下，在晴朗的白天由光伏方陣產(chǎn)生電能，然后經(jīng)過并網(wǎng)發(fā)電用功率調(diào)節(jié)器控制，輸出給光伏能系統(tǒng)與電網(wǎng)并網(wǎng)點的用電負荷——污水廠地下空間照明。本工程中因地下空間照明負荷消耗的功率一般情況下大于電池方陣的發(fā)電功率，所以此時照明設備所消耗的功率雖然由電池方陣和電網(wǎng)同時提供，但優(yōu)先使用光伏電池方陣所產(chǎn)生的電能。在特殊情況下，如污水處理廠地下空間照明采用特殊場景組合方式，在某些特定場景下，光伏電池方陣的發(fā)電功率大于照明設備消耗功率，則將剩余電量上送到公共電網(wǎng)，然后通過電網(wǎng)給電網(wǎng)上的其他用電負荷設備供電。

地下污水處理廠按照二級負荷設計，且對包括地下空間照明負荷在內(nèi)的重要負荷已考慮備用電源，因此本工程的太陽能系統(tǒng)一般不會出現(xiàn)“孤島效應"。但為預防意外，采用過／欠壓、過／欠頻保護方案：如果并網(wǎng)逆變器輸出功率(有功功率、無功功率)與負載需求功率不匹配，電壓或頻率將產(chǎn)生偏移，一旦超出正常范圍，此時可以利用系統(tǒng)軟硬件所規(guī)定的電網(wǎng)電壓的過(欠)電壓保護設置點及過(欠)頻率保護設置點來進行檢測，將逆變器并網(wǎng)開關跳閘，逆變器就將停止運行，從而防止孤島的產(chǎn)生。

4計算機數(shù)據(jù)采集裝置

為直觀地展示光伏發(fā)電系統(tǒng)的運行，凸顯清潔能源的有效利用，項目設計了光伏發(fā)電系統(tǒng)的計算機數(shù)據(jù)采集裝置。裝置通過RS485接口連接功率調(diào)節(jié)器，并將所采集的數(shù)據(jù)進行相應的處理，形成圖形顯示界面和數(shù)據(jù)表格形式，并計算統(tǒng)計每天、每月、每年的各種參數(shù)數(shù)據(jù)的分項數(shù)據(jù)和匯總數(shù)據(jù)，形成數(shù)據(jù)曲線圖表的形式進行存儲。

5效益分析

（1）社會效益

本項目并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)每年的發(fā)電量約15×10³kW．h，相當于每年可節(jié)約標準煤5．4t，減少CO₂的排放量約為12．2t，SO₂的排放量約為0．135t，減少氮氧化物的排放量約為0．066t。

（2）經(jīng)濟效益

本工程光伏發(fā)電系統(tǒng)每日的工作時間在白天高峰時段，按照項目地區(qū)平均電費1．1元／kWh，在不考慮電價上漲、國家及地方補貼的情況下，測算本項目的年節(jié)約電費約16．5萬元，靜態(tài)投資回收期約3年。

二、安科瑞分布式光伏監(jiān)控系統(tǒng)

1概述

AcrelCloud-1200分布式光伏運維云平臺通過監(jiān)測光伏站點的逆變器設備，氣象設備以及攝像頭設備、幫助用戶管理分散在各地的光伏站點。主要功能包括：站點監(jiān)測，逆變器監(jiān)測，發(fā)電統(tǒng)計，逆變器一次圖，操作日志，告警信息，環(huán)境監(jiān)測，設備檔案，運維管理，角色管理。用戶可通過WEB端以及APP端訪問平臺，及時掌握光伏發(fā)電效率和發(fā)電收益。

2應用場所

目前我國的兩種分布式應用場景分別是：廣大農(nóng)村屋頂?shù)膽粲霉夥凸ど虡I(yè)企業(yè)屋頂光伏，這兩類分布式光伏電站今年都發(fā)展迅速。

3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在光伏變電站安裝逆變器、以及多功能電力計量儀表，通過網(wǎng)關將采集的數(shù)據(jù)上傳至服務器，并將數(shù)據(jù)進行集中存儲管理。用戶可以通過PC訪問平臺，及時獲取分布式光伏電站的運行情況以及各逆變器運行狀況。平臺整體結(jié)構(gòu)如圖所示。

4系統(tǒng)功能

AcrelCloud-1200分布式光伏運維云平臺軟件采用B/S架構(gòu)，任何具備權(quán)限的用戶都可以通過WEB瀏覽器根據(jù)權(quán)限范圍監(jiān)視分布在區(qū)域內(nèi)各建筑的光伏電站的運行狀態(tài)（如電站地理分布、電站信息、逆變器狀態(tài)、發(fā)電功率曲線、是否并網(wǎng)、當前發(fā)電量、總發(fā)電量等信息）。

（1）光伏發(fā)電綜合看板

●顯示所有光伏電站的數(shù)量，裝機容量，實時發(fā)電功率。

●累計日、月、年發(fā)電量及發(fā)電收益。

●累計社會效益。

●柱狀圖展示月發(fā)電量

（2）電站狀態(tài)

●電站狀態(tài)展示當前光伏電站發(fā)電功率，補貼電價，峰值功率等基本參數(shù)。

●統(tǒng)計當前光伏電站的日、月、年發(fā)電量及發(fā)電收益。

●攝像頭實時監(jiān)測現(xiàn)場環(huán)境，并且接入輻照度、溫濕度、風速等環(huán)境參數(shù)。

●顯示當前光伏電站逆變器接入數(shù)量及基本參數(shù)。

（3）逆變器狀態(tài)

●逆變器基本參數(shù)顯示。

●日、月、年發(fā)電量及發(fā)電收益顯示。

●通過曲線圖顯示逆變器功率、環(huán)境輻照度曲線。

●直流側(cè)電壓電流查詢。

●交流電壓、電流、有功功率、頻率、功率因數(shù)查詢。

（4）電站發(fā)電統(tǒng)計

●展示所選電站的時、日、月、年發(fā)電量統(tǒng)計報表。

（5）逆變器發(fā)電統(tǒng)計

●展示所選逆變器的時、日、月、年發(fā)電量統(tǒng)計報表

（6）配電圖

●實時展示逆變器交、直流側(cè)的數(shù)據(jù)。

●展示當前逆變器接入組件數(shù)量。

●展示當前輻照度、溫濕度、風速等環(huán)境參數(shù)。

●展示逆變器型號及廠商。

（7）逆變器曲線分析

●展示交、直流側(cè)電壓、功率、輻照度、溫度曲線。

（8）事件記錄

●操作日志：用戶登錄情況查詢。

●短信日志：查詢短信推送時間、內(nèi)容、發(fā)送結(jié)果、回復等。

●平臺運行日志：查看儀表、網(wǎng)關離線狀況。

●報警信息：將報警分進行分級處理，記錄報警內(nèi)容，發(fā)生時間以及確認狀態(tài)。

（9）運行環(huán)境

●視頻監(jiān)控：通過安裝在現(xiàn)場的視頻攝像頭，可以實時監(jiān)視光伏站運行情況。對于有硬件條件的攝像頭，還支持錄像回放以及云臺控制功能。

三、結(jié)語

地下污水處理廠相對常規(guī)污水處理廠雖然增加了地下空間照明及通風負荷，單采用光伏發(fā)電技術作為補充電源是可行的。且因為在地下污水處理廠中這部分負荷是常用負荷，光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的電能可以即發(fā)即用，無需考慮儲能裝置，簡化了系統(tǒng)配置，避免了廢舊蓄電池的回收及污染問題。

地下污水處理廠受項目總體規(guī)劃、地上建筑、景觀設計等限制，大規(guī)模利用地上空間建設光伏方陣較為困難，需在確定負荷需求后，結(jié)合光伏發(fā)電系統(tǒng)的容量，合理設計配電及并網(wǎng)系統(tǒng)。如果要在地下污水處理廠實現(xiàn)建筑光伏一體化，要在項目前期報規(guī)階段提前介入，結(jié)合地上建筑功能及建筑、結(jié)構(gòu)等專業(yè)，確定光伏發(fā)電系統(tǒng)的參數(shù)。

近年來隨著光伏發(fā)電技術的成熟、成本的降低，光伏發(fā)電系統(tǒng)在污水處理廠中的應用逐漸增加，大規(guī)模應用的成功案例也時有報道，但是在地下污水處理廠建設中，較大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)的案例較少，筆者認為，主要是受地下污水處理廠的規(guī)劃、總平、景觀、可有效利用空間等條件限制。要在地下污水處理廠實現(xiàn)可再生能源的有效利用，在實現(xiàn)污水處理的同時，有效地降低地下污水處理廠相對常規(guī)污水處理廠增加的電能消耗和運營成本，需要行業(yè)設計師從多角度去進行研究、分析與設計。本文結(jié)合工程實例進行的分析僅做拋磚引玉，不妥之處還望指正。

參考文獻

[1]張泳.并網(wǎng)光伏發(fā)電技術在地下污水廠的應用.天津市市政工程設計研究總院.天津300392

[2]張泳，季洪瑞．智能控制技術助力污水處理概念廠[J]．自動化博覽．2017(1)：50-52．

[3]棟，張維孝，劉福強等．太陽能電源系統(tǒng)在西氣東輸管道工程中的應用[J]．中國建設動態(tài)(陽光能源)．2004(2)：34-43．

[4]B／T19939-2005光伏系統(tǒng)并網(wǎng)技術要求[S]．北京：中國質(zhì)檢出版社，2005．

[5]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計應用手冊.2020.06版.