高速公路光伏项目自消纳情况分析

摘要：为推动高速公路绿色转型发展，优化能源利用结构，有效分析高速公路用能体系新能源消纳比重，本文以长株高速公路分布式光伏项目为研究对象，从交通与能源融合的独特视角，全面剖析其自消纳情况。在了解长株高速公路光伏项目接入点选择和并网方案的基础上，，结合长株高速公路管理中心的用电特性，包括用电量、用电时段分布以及季节性差异等因素，统筹考虑电量结算方式及电价计算，分析长株高速管理中心光伏项目自消纳情况。研究结果表明，夏季光照强度较好，光伏发电量较高，其自消纳系数仅为69.9%。冬季光照强度较弱，光伏发电量较低，用电负荷较高，其自消纳系数可达97.4%。

关键词：高速光伏; 自消纳; 用电量; 发电量

1 引言

在全球能源危机和环境问题日益严峻的背景下，优先发展以光伏风电为代表的绿色能源成为世界各国的共识[1]。交通行业作为能源消耗的重要领域，其绿色转型迫在眉睫。《湖南省“十四五”现代化综合交通运输体系发展规划》明确鼓励公路、铁路等沿线合理布局光伏发电储电设施等要求，提出“光伏+高速公路”模式。长株高速公路分布式光伏项目作为湖南省“交通强省”建设试点工程，不仅是湖南省内首个高速公路光伏发电项目，更是交通与能源融合发展的创新实践。

长株高速公路分布式光伏项目位于长沙市长沙县杭长高速与绕城高速互通匝道及于长株高速公路开发有限责任公司管理中心，利用匝道间空闲土地、办公楼屋顶及车棚等空地建设分布式光伏发电站，采用“自发自用、余电上网”模式，所发电能直接服务于高速公路运营，实现了能源的就地消纳。这一项目的实施，不仅为高速公路提供了清洁、可持续的能源供应，减少了对传统电网的依赖，降低了运营成本，还对湖南省内高速公路光伏发电项目的推广起到了示范引领作用，推动了交通领域的绿色低碳发展。

在高速公路分布式光伏发电领域，江道康[2]从国家政策和经济性两方面分析了新模式推广的可行性，郝瑞[3]通过对光伏发电性能和收益分析表明分布式发电系统在高速公路上将具有很好的应用前景。张蕾等[4]总结了分布式光伏项目3种适用模式，表明“自发自用、余电上网”模式为当前光伏建设推荐首选模式。信明喜和毋军红[5]分析了分布式光伏发电在高速公路中的应用优势，并测算了其应用效益。戚野白等[6]整合高速公路服务区典型可控负荷，采用虚拟电厂与光伏出力相配合，实现最大化消纳绿色能源。

然而，现有研究在交通与能源融合的深度和广度上仍有待加强，特别是在如何充分考虑高速公路的交通运营特点对光伏项目自消纳的影响，以及光伏项目如何更好地服务于交通运营等方面，研究还不够深入。本文旨在了解长株高速公路光伏项目接入点选择和并网方案的基础上，计算可利用场区太阳能资源分析，根据分布式光伏发电的输出功率和区域用电负荷特性分析消纳负荷曲线，并研究出相应的经济效益，为今后普及高速公路光伏项目自消纳提供理论支持和实践指导。

2 长株高速公路管理中心分布式光伏项目接入点选择和并网方案

项目场址位于长株高速公路开发有限责任公司管理中心，场址位置经纬度为113.156898°E，28.186182°N，利用办公楼屋顶及车棚等空地建设分布式光伏发电站，采用“自发自用、余电上网”的模式。

管理中心配电房内有1台800kVA变压器，单母线接线，主要供管理中心的生活办公用电，年用电在120万kWh。本项目接入系统方案采用电力电缆直接接入，低压并网方式。项目装机容量规模为512.82kWp，配置10台40kW组串式逆变器，逆变器安装在光伏支架上。共铺设777块660wp 单晶硅光伏组件，分别每18、20块组件组成一个组串，经多台组串式逆变器输出接入至光伏并网柜低压开关，通过并网柜母排引出T接入至管理中心配电房TM1变压器低压侧母线上，采用1个低压并网点，单并网点装机容量400kW，以0.4kV低压等级接入。

并网柜内设独立计量小室用于安装电能表及电能信息采集终端，放置在长株管理中心配电室内。这种接入点选择和并网方案，充分考虑了管理中心的用电需求和电网结构，确保了光伏发电的高效接入和稳定运行，实现了交通与能源的有机融合。

3 分布式光伏系统出力

3.1 分布式光伏电站场址区域的太阳能资源

长株高速光伏项目场址的太阳能资源丰富，年内变化基本趋势稳定，最佳利用时间集中。太阳辐射年内变化趋势为单峰型，季节变化非常明显，总辐射比较大的月份分布在4～10 月，其中7月最大，总辐射比较小的月份分布在12～2月，其中1月份最小。项目场址月总辐射辐照量最低值为1月的193.3MJ/㎡，最高值为7月的605.2MJ/㎡，两者的比值为0.319。日照时数也是影响地面太阳辐射能量的一个重要因素。一般日照时间越长，地面所获得的太阳总辐射量就越多。长沙市1990—2019 年平均日照时数为1536小时。其中2013年日照小时数最多，达2049.7小时，1994年日照时数最少，为1260.4小时。长株高速所在地代表年日照时数达到1536h，月平均日照时数在128h，日照时间较长。长株高速光伏项目场址太阳能资源丰富，年内变化基本趋势稳定，最佳利用时间集中，具备开发建设太阳能光伏发电项目的资源条件。

3.2 分布式光伏发电输出功率

受气候条件的影响，分布式光伏电源的出力与光照强度关联密切，根据太阳辐射能量、系统组件总功率、系统总效率等数据，按照水平面年总辐射量情况组件计算发电量。图1为高速公路分布式光伏项目发电量与太阳辐射量图。太阳辐射量的不确定性和间歇性直接影响着分布式光伏电源的输出功率，从而表现出随机性和波动性。具体而言，在季节方面，在夏季，阳光更为充足，光照强度高，夏季光伏输出功率较高。而在冬季，由于日照时间较短且光照强度较低，冬季光伏输出功率较低。7月份的发电量最高，达到了83485 kWh，而一月份的发电量最低，仅为26669 kWh，月平均发电量为：50416 kWh。

4 区域用电负荷特性分析

根据长株高速公路管理有限公司近几年用电记录可以了解到，公司管理中心年总用电量为1262270 度电，平均每月用电约为105189.2 度电，其中2月、8月和9月用电量较多，而5月、6月和10月用电量较少（图2）。这种季节性的用电变化可能与公司管理中心的运营模式和需求有关。一般来说，2月、8月和9月是公司运营活动较为密集的时期，需要消耗更多电力来满足办公设备、通讯设备以及空调等的需求。相对地，5月、6月和10月可能是相对较为淡季，公司的运营活动较为缓和，因此用电量也会相应减少。

在高速公路运营中，不同季节的交通流量、服务需求等也会发生变化，这与管理中心的用电情况相互关联。例如，旅游旺季或节假日期间，高速公路服务区的客流量增加，管理中心的用电需求也会相应提高；而在交通淡季，用电需求则会有所下降。因此，在分析光伏项目自消纳情况时，需要充分考虑交通运营的季节性变化对用电负荷的影响。

将长株高速公路管理中心用电量按尖峰平谷四个时段划分，尖峰时段为18：00-22：00（1、7、8、9、12月）；高峰时段11： 00-14： 00，18： 00-23： 00（1、7、8、9、12月为11：00-14： 00，22： 00-23：00）；平时段7：00-11.00，14：00-18：00；低谷时段23： 00-次日7：00。如图3所示，尖峰平谷四个时段用电比例为尖：峰：平：谷=1：6：26：5。长株高速公路管理中心用电高峰位于平段7： 00-11.00和14： 00-18：00，尖段和谷段用电量较少与光伏在夜晚发电能力较低的特点相符合。且用电量高峰期7：00-11.00和14： 00-18：00正好处于光伏出力高峰。

5 长株高速分布式光伏项目电力消纳分析

5.1 发电量与用电量消纳分析

对光伏发电量和管理中心用电量进行分析发现光伏发电量均小于管理中心用电量，但考虑到管理中心每个时段用电不均衡等因素，且光伏出力高峰主要集中在10点-16点，需要进一步分析每个时段的用电量和光伏发电量之间的关系。

考虑到季节性变化和光伏出力特点的影响，一般来说，春季和秋季的光照时间较长，有利于光伏发电系统的发挥；夏季和冬季则相反。同时，光伏出力高峰也会随着季节变化而不同，需要结合实际数据进行分析，因此着重分析典型月份3月、6月、9月和12月的消纳曲线。

，3，9，12月消纳大于发电的亏空补充部分，和6月发电大于消纳的盈余部分，并根据数据分析设置电化学储能的容量，确保自消纳水平达到100%

研究结果表明由于12月份光照强度较弱，光伏发电量较低，管理中心用电负荷较高，其自消纳系数可达97.4%；而6月份光照强度较好，光伏发电量较高，根据历史资料表明管理中心6月份用电负荷较低，其自消纳系数仅为69.9%。该项目电力自消纳比例暂按 85.635%核算，若管理中心短暂停工等极端情况，光伏发电消纳远不及预期时，多余电量将并入国家电网，售卖给电网公司。

5.2 光伏自用电价测算

管理中心电费结算执行“峰平谷”电价，根据管理中心提供的电费清单得出峰时段平均电价为0.7937元/度、平段平均电价为 0.6437元/度，光伏电站发电出力时段主要跟高峰、平段重叠，经测算管理中心光伏发电对应电网综合平均电价为0.7037元/kWh。不计取屋面租金，采用电价优惠方式，自用电价按照7折电价优惠，经综合测算，该项目自用部分销售电价为0.49259元/kWh。光伏发电上网电价按当地燃煤发电基准价执行，湖南燃煤基准价为0.45元/kWh。

项目计算期为26年，其中含建设期4个月，其余为运营期。效益测算依据：发电量收入=上网电量*上网电价+自发自用电量*自发自用电价，长株高速管理中心为自发自用余电上网其比例为 85.625%。自发自用电价折扣为70%，折扣后电价为0.4926元（含税）；上网电价为0.45元（含税）。首年年发电量收入为：（1-85.625%）×605000×0.45+85.625%×605000×0.4629=278932.6031元，25年收入预计为675万。

项目总投资按512.82kWp计算，取3000元/kW，总投资额为154万元，计算投资收益率。

6 结论

长株高速公路分布式光伏发电项目作为交通与能源融合的创新实践，具有显著的社会效益和经济效益，其不仅是该地区能源供应的有效补充，而且作为绿色电能，有利于缓解该地区电力工业的环境保护压力，促进地区经济的持续发展，对于带动地方经济快速发展将起到积极作用，项目社会效益显著。

本文从交通与能源融合的视角，充分考虑了高速公路的交通运营特点对光伏项目自消纳的影响，以及光伏项目如何更好地服务于交通运营。研究结果表明，在用户分布式光伏发电余电量上网的条件下，考虑需求侧用电量及光伏发电量，并考虑季节影响因素，通过对3、6、9、12月电力消纳进行分析，确定长株高速光伏项目电力自消纳比例85.625%，并提出电价计算方式分析高速公路分布式光伏项目效益测算，采用“自发自用、余电上网”模式，年均收入27.8万元，25年收入预计为675万。

参考文献

[1] Pavan Kumar Y V， Bhimasingu R. Renewable Energy Based Microgrid System Sizing and Energy Management for Green Buildings [J]. Journal of Modern Power Systems and Clean Energy， 2015， 3.

[2] 江道康， 杨占刚. 徐官屯服务区光储充电站实践及推广应用前景分析 [J]. 中国能源， 2018， 40（05）： 44-7.

[3] 郝瑞. 高速公路服务区分布式光伏发电应用 [J]. 山西电子技术， 2020， （01）： 22-3.

[4] 张蕾， 邢治河， 魏昭. 加油站光伏发电模式选择与经济性分析 [J]. 油气与新能源， 2021， 33（03）： 97-101.

[5] 分布式光伏发电在广西某新建高速公路服务区中的应用探索 [J]. 西部交通科技， 2022， （07）： 179-81.

[6] 戚野白， 刘开欣， 刘杰， 等. 高速公路服务区光伏与虚拟电厂协同控制策略研究 [J]. 交通节能与环保， 2022， 18（02）： 15-21.