天钢联合特钢光伏发电站的建设

窦 伟

（天津钢铁集团有限公司资源再利用分公司，天津300301）

0 引言

天钢联合特钢位于天津市宁河经济开发区，分布式光伏发电项目位于特钢厂区院内。该地区为大陆性季风气候，全年平均风速为3~3.5 m/s，多年平均太阳辐射量为4 824 MJ/m2，日照时间较长，具有良好的太阳能利用条件，因此联合特钢厂区内非常适合建设大型并网光伏电站。

1 项目规模及目标

光伏发电的建设规模和任务主要受安装地区的日照资源、电力系统容量、平衡、安装现场环境建设等因素影响。联合特钢18.06 MWp屋顶分布式光伏发电项目厂区太阳能资源丰富，厂区生产、生活电量需求大，能消纳大部分光伏所发的电能，剩余的电能采用高压（部分低压）并网，且厂区并网条件好，对外交通便利。

本工程任务以发电为主，规划安装总容量为18.06 MWp，拟安装69 498块标准功率为260 Wp的多晶硅光伏组件，实际安装容量为18.06 MWp。

因项目主要建设在已有建筑物上，建筑物在设计建造时，已充分考虑了地质结构问题，能够满足安装技术和规模要求。

2 光伏发电系统方案及上网电量

2.1 光伏发电系统的模式

分布式光伏并网发电系统可分为自发自用余电上网模式和全额上网模式。本工程所建设的光伏发电系统采用自发自用余电上网模式。光伏并网发电原理图示意如图1所示。

图1 光伏并网发电原理示意图

2.2 光伏发电组件的选择

光伏组件是通过将大量的相同性能和规格的光伏元件，由一定数量的电池组串联成电池板后满足逆变器可承受最大电压，再将这些电池板并联达到设计功率，最后把电池板按标准的间距进行排列布局，形成光伏组件矩阵，将这些矩阵通过现有的供电网络连接起来，形成光伏电站。综上所述，组件是光伏发电的系统核心，其各个性能参数的高低直接影响整个系统的并网可靠性和发电量。目前，多晶硅的应用已经十分成熟可靠，且可选择的容量较多，应用最为广泛。由于本发电工程预计系统容量为18.06 MWp，所以优先采用260 Wp/15.7%的高效大功率多晶硅，以降低组件使用量，能充分利用场地面积，并且系统接触电阻较小，故障率低，连接电缆使用少，使系统效率更加优化。

2.3 光伏发电电气及接入系统设计

2.3.1 电气一次系统分析与配置

本项目采用分布式发电、就地并网的原则，依据并网点系统容量以及场地分布，将光伏发电系统分为 9个发电单元，容量依次为 0.057、0.085、0.469、0.48、0.5，0.549、0.732、0.846、14.34 MWp，拟分别采用459台33~50 kW组串式逆变器，113台汇流箱，14台变压器，4台集装箱式开关站。

根据现组装机容量，25年年均发电量为1753万kW·h，因特钢年耗电量远超本光伏项目年发电量，光伏系统所发电力总体可在厂区内10 kV母线上完全消纳。综合厂区的现有配电设备情况以及并网点的接入要求，并网分布式光伏电站由10 kV或400 V接入。低压就近并网的子系统与升压并网的子系统均采用组串式逆变器。

光伏配电室采用箱式集成安装形式，设备箱体规格为 6 058 mm×2 591 mm×2 438 mm（共 6个）,光伏配电设备组串光伏逆变器、交直流柜（选配）、中压变压器、环网柜、系统监控、火灾报警、环境监测（选配）等功能模块。

2.3.2 电气二次系统功能与配置

本光伏发电系统按无人值班、远程HMI监控及两遥电站设计，运行人员定期巡视运行方式。综保系统采用分层分布式系统：即下层为间隔层，上层为站控层。全站采用集测量、控制操作、继电保护、信号、远动功能的综合自动化系统，站内实现遥信、遥测及遥视功能，每个光伏矩阵的运行数据和工作状态，通过通讯口连接到主监控室进行实时监控。

建设独立控制室位于发电项目附近，完成电站相关运行信息的采集及上报功能。上报调度通道利用现有并网点已具备通道。

控制室内设1面监控主机屏，1面公用屏。其中监控主机安装于监控主机屏中，通讯接口转换单元及通讯管理机置于公用测控屏中。

本站保护、控制采用DC220V供电方式。直流电源采自就地高压配电室直流屏，用于站内直流负荷供电。

2.3.3 通信系统与计量系统现状与配置

为满足生产调度需要，光伏发电站站内通信应包括生产管理通信和生产调度通信，并设置生产用程控调度交换机，供生产调度通信和生产管理通信使用。电站的远动信息向天宁河地调传送。厂区目前10 kV电源侧关口计量点不变，有关考核表及计量表不必更换，外部考核用计量点，配置0.2 s级多功能电度表，安装于电度表屏，布置于控制室内。各专业通道要求：

（1）调度信息：电站至宁河地调具备主备用调度专线通道。

（2）远动通道：电站至宁河地调的数据通道采用主副通道方式，其中副通道采用拨号专用通道，主通道采用电力数据调度网通道。

（3）电量远传：电站至电力公司电能量计量主管部门采用主副方式通道，其中副通道采用拨号专用通道，主通道采用电力数据调度网通道。

2.3.4 并网逆变器选用

本工程逆变器采用国内知名品牌，本项目拟采用33～50 kW组串式逆变器，安装形式根据工程情况采用室外集装箱式布置方式，主要参数见表1。

表1 33～50 kW组串式逆变器主要参数

2.4 光伏方阵设计

2.4.1 光伏组件的排布

本项目中的车间屋顶和空地全部采用69498块多晶硅光伏组件平铺安装方式，每单元功率为260 Wp。本光伏电站总装机容量为18.06 MWp，预估电站25年有效运营期内年平均并网电量为1 753万kW·h，年均等效满负荷利用小时数1 126 h。因各屋面存在倾角及方位角，发电量计算采用容量×日照小时数×损耗得出。本工程各建筑屋顶及光伏走廊光伏组件安装数量及容量见表2。

2.4.2 光伏方阵的串联设计

本工程选用的并网输出逆变器最大矩阵的最高允许电压范围为0.2～0.95 kV，开路电压为1kV。假定每一个光伏方阵的最少串联数为Smin，最大串联数为Smax，串联组件数为S。

开路电压为38.1 V，工作电压为31.1 V，开路电压温度系数-0.31%/℃，工作电压电压温度系数-0.41%/℃，环境温度范围为-20～85℃，则：

表2 各建筑屋顶组件安装容量统计表

多晶硅组件的串联数S需满足9≤S≤24组的要求，才能满足并网逆变器最大允许电压范围。

综合考虑方阵布置合理性，本项目光伏组件选用22块光伏组件串联。每台逆变器选用22块260W晶体硅光伏组件串联。2.4.3 光伏方阵的并联设计

假设并网组串式逆变器直流输入功率为20kW，晶体硅组件峰值功率为260 W。假定可以并联的支路数为N，则22块260 W晶体硅组件串联功率为260 W×22＝5.72 kW，并联支路数N=33kW/5.72 kW=5.8≈6。

2.5 系统效率及发电量估算

2.5.1 系统效率

系统的综合效率约为76%。其中，灰尘遮挡损失4%，变压器效率98%，逆变器效率98%，输电损失共4%，组件组合损失2%，温度引起的效率损失2%，弱光损失2%，屋面倾角、方位角损失6%。

2.5.2 发电量估算

理论发电量：光伏数量为69 498块，单位功率为260 Wp，合计容量为18 069 kWp，按可利用小时数来计算：

25年年平均发电量约等于：1753万kW·h。

首年理论上网电量约等于：1 914.9万kW·h。

年均等效满负荷利用小时数：1 126 h。

25年内总发电利用小时数：28 150 h，总发电量：43 826万kW·h。

多晶硅衰减按照首年衰减率不高于2.5%，以后逐年0.7%，整个光伏发电系统25年寿命期内所采用的光伏组件10年内年衰减不超过10%，20年内衰减不超过20%。

2.6 短路计算

特钢110 kV专用变电站110 kV开关设备额定短路开断电流为31.5 kA，满足要求；10 kV开关设备额定短路开断电流因建设时间不同，分为25 kA、31.5 kA和40 kA 3类（其中运行的主要是31.5 kA设备），能够满足要求。

3 节能降耗效果及经济效益

特钢光伏发电项目建成投产后，将是一项很好的节能措施项目，相对于年供电量达到0.27亿kW·h的燃煤电厂，年节约标煤量约7 166.59 t。在其最经济的25年有效使用期内，预计总共节约标煤17.916万t以上。本项目据估算潜在的节能减排效果见表3。

4 结论

表3 节能减排效果估算表

开展资源综合利用、节能减排是我国重大的经济技术政策，也是社会和国民经济发展中一项长远的战略方针。钢铁生产过程中规模大、能耗多，设备装机容量及每年耗电量相当巨大，生产所需电力主要依靠地区电网系统供电，用电供需矛盾十分突出。本项目建成后可作为钢厂的一个新的供电点，不仅能够补充电力，节约购电费用，降低企业成本，同时还提高了生产用电的安全可靠性。综上所述，本项目具有明显的社会效益和环保效益，并对全国钢铁企业发展新型清洁能源有着十分深远的意义。