淺析并網或光伏發電技術在地下污水廠的應用

任運業

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201800

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

關鍵詞：并網光伏發電系統；地下污水處理廠；效益分析

引言

污水處理作為能耗型行業，電能消耗是主要的能源消耗，其成本占其總成本的40％以上。據相關數據統計，我國城鎮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，同時規劃等部門對污水處理廠工程節約土地資源提出了更高的要求。在“生態治污"理念的指導下，在土地資源相對緊缺的城鎮地區發展地下污水處理廠，成為城鎮新建污水處理設施發展的目標。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遠高于常規污水處理廠。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，經過多方案對比(光伏發電、光導照明等)，在本項目中，擬結合地上建(構)筑物及景觀設計，設置光伏方陣，建設光伏系統，實現光伏系統與污水廠地上建(構)筑物及景觀的有機結合，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、并網光伏發電系統設計

1工程概況

本工程根據規劃批復采用地下式污水處理廠建設方案，近期規模7．5萬m3／d，遠期規模15萬m3／d，工程占地約68．8畝。規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電系統綜合設計，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電系統綜合設計，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光伏發電系統設計計算

（1）負荷要求：

經計算，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電系統的負載。

1. 氣象地理數據：

由國家氣象局查找本次項目所在地區的多年氣象數據，如表1所示。

（3）系統設計系數：

根據以上氣象數據并結合現場的其他各種情況，設計的系統參數如下文所示。

①有關光伏電池設計方面的設計系數

1)光伏方陣組合損耗系數

光伏方陣組合損耗系數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)環境系數

工程中并網型發電系統進行優化安裝，使系統的環境適應達到好效果，環境系數取100％。

3)衰減系數

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有關系統運行和安全方面的設計系數

1)系統供電可用率99．99％以上。

2)平均wu故障時間MTBF>100000h。

3)光伏電池支架風力系數30m／s。

4)電壓電流回路安全系數≥1．5。

5)設備容量安全系數低值為120％。

③系統發電量統計

系統發電量統計如表2所示。

3并網系統設計

本工程中，有公共電網的正常情況下，在晴朗的白天由光伏方陣產生電能，然后經過并網發電用功率調節器控制，輸出給光伏能系統與電網并網點的用電負荷——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同時提供，但優先使用光伏電池方陣所產生的電能。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，然后通過電網給電網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的重要負荷已考慮備用電源，因此本工程的太陽能系統一般不會出現“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，電壓或頻率將產生偏移，一旦超出正常范圍，此時可以利用系統軟硬件所規定的電網電壓的過(欠)電壓保護設置點及過(欠)頻率保護設置點來進行檢測，將逆變器并網開關跳閘，逆變器就將停止運行，從而防止孤島的產生。

4計算機數據采集裝置

為直觀地展示光伏發電系統的運行，凸顯清潔能源的有效利用，項目設計了光伏發電系統的計算機數據采集裝置。裝置通過RS485接口連接功率調節器，并將所采集的數據進行相應的處理，形成圖形顯示界面和數據表格形式，并計算統計每天、每月、每年的各種參數數據的分項數據和匯總數據，形成數據曲線圖表的形式進行存儲。

5效益分析

（1）社會效益

本項目并網光伏發電系統每年的發電量約15×10³kW．h，相當于每年可節約標準煤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）經濟效益

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

二、安科瑞分布式光伏監控系統

1概述

AcrelCloud-1200分布式光伏運維云平臺通過監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：站點監測，逆變器監測，發電統計，逆變器一次圖，操作日志，告警信息，環境監測，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，及時掌握光伏發電效率和發電收益。

2應用場所

目前我國的兩種分布式應用場景分別是：廣大農村屋頂的戶用光伏和工商業企業屋頂光伏，這兩類分布式光伏電站今年都發展迅速。

3系統結構

在光伏變電站安裝逆變器、以及多功能電力計量儀表，通過網關將采集的數據上傳至服務器，并將數據進行集中存儲管理。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。平臺整體結構如圖所示。

4系統功能

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

（1）光伏發電綜合看板

●顯示所有光伏電站的數量，裝機容量，實時發電功率。

●累計日、月、年發電量及發電收益。

●累計社會效益。

●柱狀圖展示月發電量

（2）電站狀態

●電站狀態展示當前光伏電站發電功率，補貼電價，峰值功率等基本參數。

●統計當前光伏電站的日、月、年發電量及發電收益。

●攝像頭實時監測現場環境，并且接入輻照度、溫濕度、風速等環境參數。

●顯示當前光伏電站逆變器接入數量及基本參數。

（3）逆變器狀態

●逆變器基本參數顯示。

●日、月、年發電量及發電收益顯示。

●通過曲線圖顯示逆變器功率、環境輻照度曲線。

●直流側電壓電流查詢。

●交流電壓、電流、有功功率、頻率、功率因數查詢。

（4）電站發電統計

●展示所選電站的時、日、月、年發電量統計報表。

（5）逆變器發電統計

●展示所選逆變器的時、日、月、年發電量統計報表

（6）配電圖

●實時展示逆變器交、直流側的數據。

●展示當前逆變器接入組件數量。

●展示當前輻照度、溫濕度、風速等環境參數。

●展示逆變器型號及廠商。

（7）逆變器曲線分析

●展示交、直流側電壓、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、內容、發送結果、回復等。

●平臺運行日志：查看儀表、網關離線狀況。

●報警信息：將報警分進行分級處理，記錄報警內容，發生時間以及確認狀態。

（9）運行環境

●視頻監控：通過安裝在現場的視頻攝像頭，可以實時監視光伏站運行情況。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、結語

地下污水處理廠相對常規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，光伏發電系統產生的電能可以即發即用，無需考慮儲能裝置，簡化了系統配置，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劃、地上建筑、景觀設計等限制，大規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，結合光伏發電系統的容量，合理設計配電及并網系統。如果要在地下污水處理廠實現建筑光伏一體化，要在項目前期報規階段提前介入，結合地上建筑功能及建筑、結構等專業，確定光伏發電系統的參數。

近年來隨著光伏發電技術的成熟、成本的降低，光伏發電系統在污水處理廠中的應用逐漸增加，大規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，較大規模光伏發電系統的案例較少，筆者認為，主要是受地下污水處理廠的規劃、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可再生能源的有效利用，在實現污水處理的同時，有效地降低地下污水處理廠相對常規污水處理廠增加的電能消耗和運營成本，需要行業設計師從多角度去進行研究、分析與設計。本文結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.并網光伏發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．太陽能電源系統在西氣東輸管道工程中的應用[J]．中國建設動態(陽光能源)．2004(2)：34-43．

[4]B／T19939-2005光伏系統并網技術要求[S]．北京：中國質檢出版社，2005．

[5]安科瑞企業微電網設計應用手冊.2020.06版.

作者簡介

任運業，男，現任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要研究智能配電在水利行業的應用。