陳國杰

(大慶油田信息技術公司,黑龍江 大慶 163000)

2019年,中國石油、天然氣消費所排放的CO2分別達到15.2億噸和5.9億噸,占全國總排放量的21%。在2020年12月,習主席提出到2030年,全國風電、太陽能發(fā)電總裝機容量將達到1.2×106MW以上,非化石能源占一次能源消費比重將達到25%左右。因此,中國石油天然氣集團有限公司在“碳中和”目標下面臨巨大挑戰(zhàn),在“雙碳”目標和“能耗雙控”政策下,油田作為典型的高耗能行業(yè)一直在積極探索更加節(jié)能低碳的綠色發(fā)展之路。大慶油田電網(wǎng)是全國最大的企業(yè)電網(wǎng)之一,電力供應需求量大,且主要負責油田生產(chǎn)用電,大慶油田每年消耗電能1.50×1010kW·h。

大慶油田既是產(chǎn)能大戶同時也是用能大戶,按集團公司“油、氣、熱、電、氫”綜合性能源公司轉型總體要求,以資源為前提,以電網(wǎng)為依托,以負荷用電為基礎,以“源、網(wǎng)、荷、儲”為主要技術路線,規(guī)?；ㄔO風力發(fā)電、光伏發(fā)電以替代國網(wǎng)電能,實現(xiàn)油田電能的清潔替代。從光伏組件選型、場區(qū)布置、電氣接線、組件支架等方案的設計及對項目的經(jīng)濟效益進行分析,研究結果表明： 大慶地區(qū)利用太陽能資源發(fā)電,具有較好的開發(fā)前景;站場區(qū)域內屋頂構造穩(wěn)定,不需土地征用;新建光伏電站均可就近接入電網(wǎng)系統(tǒng);施工建設條件及交通運輸條件齊全、便利;經(jīng)過項目投資概算和財務分析,屋頂光伏項目可以取得更好的經(jīng)濟效益。

1 屋頂光伏發(fā)電在計量間上的應用分析

1.1 建設原則

根據(jù)油田新能源發(fā)電項目的發(fā)展規(guī)劃,依托大慶油田配電網(wǎng),形成“源、網(wǎng)、荷、儲”一體化模式。充分利用已建的生產(chǎn)設施,降低建設投資,提高節(jié)能工程項目建設的整體經(jīng)濟效益。結合油田的中長期規(guī)劃,優(yōu)化光伏發(fā)電規(guī)模,確定合理的容配比,保證發(fā)電安全可靠。

1.2 光資源分析

大慶市年峰值日照時長可以達到1.4×103h以上,年日照時長在2.6×103～2.8×103h,年太陽能輻射量超過4.8×103～5.0×103MJ/m2,屬于太陽能資源非常豐富的地區(qū)。大慶市年平均溫度較低,有利于提高光伏組件的轉換效率。

根據(jù)大慶市安達氣象站提供的1987—2016年日照時數(shù),繪制出該地區(qū)近30 a日照時間年際變化如圖1所示。

圖1 安達氣象站日照時間年際變化曲線

從圖1可看出,1987—2016年間安達氣象站日照百分率分布年際變化與日照時間變化趨勢基本一致,該氣象站日照百分率分布年際變化數(shù)值為51.9%～65.8%,油田場址日照時間變化趨勢平穩(wěn),適合建設光伏電站。

距離該項目光伏電站場址最近的氣象站為安達氣象站,該氣象站屬于一般氣象站,暫無太陽能輻射數(shù)據(jù)。因此,該項目采用氣象軟件和光伏軟件相結合分析場址太陽能數(shù)據(jù),分別采集了NASA衛(wèi)星數(shù)據(jù)、Meteonorm8.0氣象數(shù)據(jù)以及SolarGIS太陽能輻射數(shù)據(jù)。

1.2.1 NASA太陽能輻射數(shù)據(jù)

本次采集1983—2005年的NASA衛(wèi)星數(shù)據(jù),太陽輻射數(shù)據(jù)是NASA通過太空衛(wèi)星觀測后再反演至地面數(shù)據(jù)得到。結合建設地點位置,NASA模擬太陽能輻射月際變化見表1所列。

表1 NASA模擬太陽能輻射月際變化 MJ/m2

1.2.2 Meteonorm8.0太陽能輻射數(shù)據(jù)

通過建設地點的經(jīng)緯度坐標搜索可以得到該地區(qū)2008—2018年的平均輻射量,Meteonorm8.0平均輻射數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 Meteonorm8.0太陽能平均輻射量示意

1.2.3 SolarGIS太陽能輻射數(shù)據(jù)

SolarGIS主要的數(shù)據(jù)要素包括太陽輻射,氣溫、海拔高度、水平面及傾角等,使用SolarGIS太陽能資源評估工具對場址區(qū)域太陽能資源進行模擬,結果見表2所列。

表2 SolarGIS模擬太陽能輻射月際變化 MJ/m2

1.2.4 輻射量衛(wèi)星數(shù)據(jù)分析

綜上可知,Meteonorm、NASA和SolarGIS以及氣象站提供的輻射數(shù)據(jù)月際變化趨勢基本上是一致的。由于NASA近年沒有更新數(shù)據(jù),SolarGIS使用輻射數(shù)據(jù)的是年平均值計算,為了獲取當前建設地址的相對準確數(shù)據(jù),該項目采用Meteonorm中的太陽輻射數(shù)據(jù)作為建設場址太陽能資源評估數(shù)據(jù)。

2 光伏發(fā)電系統(tǒng)設計

該項目建設區(qū)域位于大慶油田開發(fā)有限責任公司,利用作業(yè)區(qū)計量間建筑屋頂開發(fā)建設分布式光伏發(fā)電項目。

2.1 太陽能光伏組件

對于組件選擇最重要指標是光電轉換效率,在設備選型時優(yōu)先選擇光電轉換效率高的組件,其次考慮光伏組件的耐久性和可靠性,光伏組件長期在戶外運行,其耐久性和可靠性直接影響光伏發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和壽命。組件應具備良好的抗風壓、抗沖擊、抗腐蝕性能,確保組件能在惡劣環(huán)境中安全運行。

太陽能光伏組件包括單晶硅、多晶硅和非晶電池組件。采用單晶硅光電轉換效率高、衰耗小、技術成熟、穩(wěn)定性好,廣泛應用于光伏市場。電池片采用P-N結構,鋼化玻璃用于支撐光伏組件結構,具有透光、減少反射光、阻絕空氣和水的作用,EVA是一種熱熔膠粘劑,將電池片、鋼化玻璃、背板粘接在一起,組件背板具有保護作用增加了組件的耐老化、耐腐蝕性,延長組件的使用壽命。

在選擇電池組件時主要關注5個參數(shù)特征： 峰值功率、開路電壓、短路電流、工作電壓、工作電流。

考慮到彩鋼板屋面受力及傳力構件的彩鋼板檁條承載力和光伏組件材料性能對比,該項目采用單晶硅電池片。

2.2 逆變器選擇

在光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中,逆變控制部分應用包括： DC/AC轉換,控制轉換電壓、頻率、相位、諧波等重要數(shù)據(jù)指標,逆變器具有跟蹤功能,交流過壓、欠壓保護,超頻、欠頻保護、短路保護,交流及直流的過流保護,過載保護,反極性保護,高溫保護,防孤島保護等保護功能。

電弧故障中斷裝置(AFCI)通過判斷電流波形成能夠及時檢測和中斷電弧故障,具有關斷更快的功能。智能組串分段(SSLD)具有直流側故障快速分段功能,能夠提升電站主動安全能力。

2.3 光伏陣列設計及布置方案

2.3.1 光伏支架傾角

光伏陣列的安裝傾角對光伏發(fā)電系統(tǒng)的效率影響較大,對于固定式光伏陣列最佳傾角即光伏發(fā)電系統(tǒng)全年發(fā)電量最大時的傾角,在不考慮遮擋及不可利用輻射等因素的前提下,通過NASA太陽能輻射數(shù)據(jù)以及PVsyst軟件計算傾斜面上各月日平均太陽輻射量,生成傾斜面太陽輻射變化曲線以及最佳傾角,組件采用固定方式安裝。

利用PVsyst軟件選取38°～45°不同的傾角進行模擬,得出年輻射量見表3所列。

表3 PVsyst軟件模擬年輻射量

通過以上分析可知,根據(jù)傾斜面上太陽輻射變化趨勢,當光伏組件方位角為0(正南),傾角為42°時,全年平均太陽總輻射量最大,彩鋼板屋頂光伏為減少荷載及風阻因素采取與屋頂斜度相同的固定安裝方式,傾角為38°。

2.3.2 光伏陣列組串設計

光伏組件串聯(lián)數(shù)量計算,利用GB 50797—2012《光伏發(fā)電站設計規(guī)范》中組串計算公式,如式(1)所示：

(1)

式中：N——光伏組件串聯(lián)數(shù),N取整;Udcmax——逆變器允許最大直流輸入電壓,V;Uoc——光伏組件開路電壓,V;Kv——光伏組件開路電壓溫度系數(shù);t——光伏組件工作條件下的極限最低溫度,℃。

為達到技術和經(jīng)濟最優(yōu)化,地面光伏電站一般采用最大組件串聯(lián)設計。式(1)中,Udcmax=1 080 V,Uoc=49.50 V,t=-36.2 ℃。經(jīng)計算,N≤19,結合逆變器最佳輸入電壓和光伏組件工作環(huán)境等因素綜合分析,最終確定該工程選用光伏組件串聯(lián)數(shù)為16個。

3 光伏管理系統(tǒng)

該系統(tǒng)利用數(shù)據(jù)集成和共享技術,將業(yè)務數(shù)據(jù)形象化、直觀化、具體化,實時反映運行狀態(tài),有機整合各系統(tǒng)功能,形成智能發(fā)電中心、智能設備管理中心、報警中心、智能巡檢中心。

子站數(shù)據(jù)通過縱向加密裝置與電力調度中心進行數(shù)據(jù)的交互,實現(xiàn)數(shù)據(jù)及資源的交互共享;通過正反向隔離裝置與橫向隔離裝置對數(shù)據(jù)訪問和控制;通過防火墻實現(xiàn)與調度中心內部的數(shù)據(jù)庫、組態(tài)系統(tǒng)等進行數(shù)據(jù)對接,保證電網(wǎng)的安全性。

光伏管理系統(tǒng)功能如下：

1)實時監(jiān)控功能。實現(xiàn)對光伏、儲能等重要供能設備,以及變電站主要配能設施的監(jiān)視,并能以圖形曲線的形式展示數(shù)據(jù)。供能設備運行監(jiān)控展示內容包括： 設備的運行參數(shù),如交/直流電壓、電流、功率,電網(wǎng)頻率,當日發(fā)電量、累計發(fā)電量,逆變器的輸出功率、功率因數(shù)、額定功率,組串詳情,儲能單元的容量、溫度、交換功率等實時信息。

2)故障診斷功能。通過數(shù)據(jù)分析和模型診斷分析技術,對光伏電站通常出現(xiàn)的故障問題進行提前預警。

3)數(shù)據(jù)采集及處理功能。實現(xiàn)實時/歷史數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理及分析功能,具備斷點續(xù)傳,標準電力接口協(xié)議,支持第三方自定義開發(fā)與集成。

4)功率預測。有功功率、無功電壓自動控制系統(tǒng)(ACG/AVC),對相應電站進行調節(jié),保證電網(wǎng)穩(wěn)定、高效、安全地運行。

5)辦公自動化系統(tǒng)。實現(xiàn)辦公網(wǎng)與企業(yè)網(wǎng)系統(tǒng)自動化,優(yōu)化組織結構,提高運行效率。

6)運維平臺功能。對已接入電站進行運維管理,及時解決現(xiàn)場難題。

4 發(fā)電量計算

4.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)效率

光伏發(fā)電系統(tǒng)的能量轉換主要包括： 能量來源環(huán)節(jié)、能量轉化環(huán)節(jié)、能量輸出環(huán)節(jié)等,上述各環(huán)節(jié)中均存在不同的能量損失。能量來源環(huán)節(jié)的主要損失為不可利用的太陽輻射損失,包括早晚陰影遮擋引起的損失及光線通過玻璃的反射、折射損失,灰塵積雪遮擋損失等;能量轉化環(huán)節(jié)的主要損失為由于電池組件質量缺陷或者不匹配造成的損失,溫度影響損失等;能量輸出環(huán)節(jié)的主要損失為歐姆損失(直流、交流線路,保護二極管,線纜接頭等)、逆變器效率損失、變壓器效率損失以及系統(tǒng)故障及維護損耗等。

綜合以上多種影響因素,光伏陣列的能量損失為η1=88.15%,逆變器能量損失為η2=98.3%,交流并網(wǎng)能量損失為η3=94.75%,總能量損失η=η1×η2×η3=82%。

4.2 發(fā)電量測算

結合逐年發(fā)電量與峰值利用時長進行財務經(jīng)濟評價分析,屋頂光伏裝機容量為17.28 kWp。結合該工程系統(tǒng)效率85.6%,計算出運行期逐年發(fā)電量和年峰值利用時長。運行期逐年發(fā)電量和年峰值利用情況見表4所列。

表4 運行期逐年發(fā)電量和年峰值

5 結束語

通過開展新能源業(yè)務,不僅實現(xiàn)了中石油定制的“十四五”新能源規(guī)劃,而且為該公司提高了經(jīng)濟效益。發(fā)展新能源業(yè)務,是大慶油田“當好標桿旗幟、建設百年油田”的外在要求,也是推進轉型升級、持續(xù)發(fā)展的內在需求。圍繞油田綠色、低碳轉型發(fā)展目標,該公司全面推進新能源應用步伐,本著“先節(jié)能瘦身,再清潔替代”的原則,通過開展優(yōu)化、簡化、節(jié)能等一系列措施,打造清潔能源替代示范工程,實現(xiàn)油氣生產(chǎn)用能最大限度的清潔替代。