光伏发电在变电站中应用的经济性分析

光伏发电在变电站中应用的经济性分析

吕伟中袁俊

（甘肃省科学院自然能源研究所甘肃兰州730046）

摘要：在常规变电站中应用光伏发电系统是智能电网中变电站节能改造的一个环节。依据变电站分类的不同，所设计安装的光伏发电系统容量也有不同，这些都决定着光伏电站的经济性能、节能效益以及对变电站站用电的可替代率。通过对全国73个不同地区的通用变电站的研究，我们提出了具有代表性的四种经济性分析结论。

关键词：变电站；光伏发电；经济性

1基本情况说明

与开放式空间（例如荒漠地区）进行光伏电站设计有很大的不同，通用变电站存在以下几个限制性条件：拟装光伏组件的建筑物屋顶面积、形状和方位受限较多；安装光伏组件的高度不宜过高；光伏组件本身的尺寸、容量对电站阵列的串并影响；直流耦合、交流耦合时光伏系统的输出电压设计值【1】。因此，依据国家电网公司给出的变电站通用设计，我们仅针对110KV和330KV变电站中的建筑物屋可装设光伏电池组件的数量进行模拟设计计算。为使结果对全国各地变电站普遍具有参考价值，特选择了分布于全国73个地区的变电站。

1.1涉及的变电站建筑物

可装设太阳能光伏电池组件的建筑物为变电站通用设计图纸中所包含的所有可被利用的建筑物。建筑物为平屋顶，建筑物方位为正南，即γ=0°。

1.2选用的太阳能光伏电池组件

对同一站点的同一建筑物，选用不同类型、尺寸的光伏电池组件，其可安装数量是不相同的。为使计算设计结果具有可比性，计算选用的光伏组件为250WP多晶硅光伏组件，该多晶硅光伏组件的安装尺寸为1638×982×40mm。

1.3采用的太阳辐射计算数据库

为保证资料的可靠性，我们选用郑瑞澄主编《民用建筑太阳能热水系统工程技术手册》附录1中的数据作为太阳辐照量的计算依据，共70个。由于该附录中没有三亚、石家庄、保定的数据，故这三个地区的数据选自上海电力学院编制的太阳辐射计算数据库。这样我们的计算基本上涵盖了全国31个省、区、直辖市的具有一定代表性的地区。

1.4光伏发电输出电压

与直流耦合光伏系统的输出电压设计值（301V）相对应，屋顶光伏组件的安装量≤20只时，将安装数量规整为10的倍数。与交流耦合光伏系统的输出电压设计值（602V）相对应，屋顶光伏组件的安装量≥20只时，将安装数量规整为20的倍数。

1.5其他限定条件

光伏组件阵列的安装净高度≤3.60m；当光伏组件横向安装时，东西方向相互间的安装间隙为13mm，南北方向相互间的安装间隙为18mm；当光伏组件竖向安装时，东西方向相互间的安装间隙为18mm，南北方向相互间的安装间隙为13mm；光伏组件阵列安装时距屋顶东、西、南、北四边沿的距离必须≥500mm。

2光伏组件阵列最佳安装倾角的分析

由于变电站所建光伏电站的一个重要功能是作为站用电安全运行的应急电源，而这一要求在全年的各个时段都是一致的。因此，在光伏系统设计时应确定全年的总发电量输出maxQ（β）（即求最大值）为系统的目标函数；相对应照射在安装光伏组件倾斜面上的年太阳总辐照量应为最大值，此时安装倾斜面所对应的倾角就是所要计算的最佳倾角。最佳安装倾角主要决定于当地的地理纬度，太阳能辐射在全年各月的分布，散射辐射（或直射辐射）在总辐射中的占比，也与建筑物的方位（即光伏组件的安装方位）有一定程度的关系。我们使用已编写的计算程序对上述全国73个地区的变电站安装光伏阵列的最佳倾角进行了计算和筛选，择录出16个具有代表性地点，其计算结果见表1。

从表1可以看到，在光伏阵列最佳安装倾角中，只有拉萨和腾冲两个变电站的光伏阵列最佳倾角略大于当地纬度值，其余各站的安装倾角都小于当地纬度值，这一点在现有光伏电站设计资料中尚未见报道。偏差值较大的几个站点是重庆、成都、贵阳、兰州、乌鲁木齐等变电站。其中重庆、成都、贵阳都处于我国太阳辐射最低的地区，而且散射在总辐射中的占比大，导致最佳倾角较大偏离于当地纬度。兰州、乌鲁木齐都曾是污染严重的城市，使得采暖期的太阳辐射量偏低，导致最佳倾角较大偏离于当地纬度。这些现象表明水汽、雾霾不但对阳光辐射影响大，而且对光伏阵列最佳倾角也有较大影响。

3变电站可装设光伏电站最大装机容量分析

由表1中可知，在我国最南端的三亚地区，最小遮挡距系数λ1为1.2，而在我国最北端的漠河地区最小遮挡距系数λ2为10.4，漠河约是三亚的9倍。由此可见，光伏组件阵列多排安装时，且在相同光伏电站装机容量时，从我国最南端的三亚到最北端的漠河，电站的占地会大幅增加。反过来说，对相同的变电站，由于建筑物屋顶面积相同，可装设光伏电站的装机容量从南到北会大幅减少。例如110KV变电站，重庆地区的光伏电站装机容量就高于三亚；330KV变电站，福州和武汉地区的光伏电站装机容量就高于三亚。可见，实际上变电站可建光伏电站最大装机容量不仅取决于当地太阳辐射及辐射成分（直射和散射）在全年的分布，而且与建筑物屋顶南北长与东西长的比例有很大关系，比较复杂。所以建立一套正确实用的计算方法，才是设计计算工作的可靠保证。

从我们模拟设计的结果看，光伏组件的最大安装量，对110KV变电站，电站最大装机容量值在27.5KWp～60KWp之间；对330KV变电站，电站最大装机容量值在50KWp～100KWp之间。漠河站安装量最小，是漠河站地理纬度高所致，而重庆站安装量较大，是由于“雾都”水汽大，阳光散射占比大所致。

4变电站建光伏发电系统的经济、效益分析

在光伏电站经济性能、节能效益和环境效益分析中，最佳安装倾角倾斜面上太阳辐照量的数据是必不可少的。另外，在全国其它类型的光伏电站设计中，这些数据也具有很好的参考价值。为此，我们利用专门的计算程序，对73个地区变电站在光伏组件最佳安装倾角倾斜面上的太阳辐照量进行了计算，具体计算办法请参照有关专业书籍。

通过光伏发电系统安装地区纬度、最佳安装倾角及其倾斜面上太阳辐照量、最大光伏组件安装容量等数据，可以计算出变电站中应用光伏发电系统的投资、造价、累计发电量、发电价格、投资回报率、环保效益等值，见表2。由于计算工作量很大，我们选择了在全国具有一定代表性的15个典型变电站给出了计算结果。

5结论

由表2数据可知，所选定的15个城市为代表的典型变电站，从经济性可分为四个档次。最宜应用光伏发电系统的变电站，如青藏地区拉萨、格尔木，其光伏组件发电量高，投资回报率在13.52%～15.73%；适宜应用光伏发电系统的变电站，如三亚、石家庄，其光伏组件发电量较高，投资回报率在10.72%～13.09%；不宜应用光伏发电系统的变电站，如川渝黔地区重庆、成都等，光伏组件发电量低，投资回报率在5.04%～5.11%；其他地区的变电站，其光伏组件发电量一般，投资回报率在6.30%～10.30%，视综合情况确定决定是否应用光伏发电系统。

参考文献：

[1]高翔，智能变电站技术[M].北京：中国电力出版社，2013.

[2]周至敏纪爱华，太阳能光伏发电系统设计与应用实例[M].北京：电子工业出版社，2013.

[3]郑瑞澄，民用建筑太阳能热水系统工程技术手册[M]。北京：化学工业出版社，2011.

[4]刘振亚，国家电网公司输变电工程通用设计：110（66）～500kV变电站分册（2011年版）[M].北京：中国电力出版社，2007.