孔雷军

(广州市高速公路有限公司，广州 510335)

目前在房建工程中已有大量的建筑物利用外墙设置太阳能电池板，与公共电网联网，为建筑提供供电服务。在高速公路领域，光伏发电技术的应用主要有：

(1)光伏独立发电系统。在用电负荷周边建设微型光伏发电站，该电站完全独立，不与供电电网相联，为公共电网未覆盖、或长距离供电不经济的负荷供电，主要供摄像机、气象站等小负荷设备用电。为满足夜间或阳光不足时负荷用电的需求，该类应用需设置较大的储能设施，通常储能设施的投资远高于光伏发电设施。

(2)补充型光伏发电系统。利用高速公路服务区停车区车棚顶部、收费站大棚顶部等部位设置光伏发电站[1]，通过与公共电网并网的方式，共同供区域内的负荷用电。该类光伏发电不反向送电到公共电网，主要目的是减少公共电网的消耗，降低电费支出。该方式采用交流的方式并入高速公路的低压配电网，已在上海市、甘肃省、山西省等多个省市的高速公路中应用[2]。

(3)全并网光伏发电系统。电网公司利用高速公路的互通、边坡等空闲地块设置光伏发电站，电站所发的电力全部进入公共电网，高速公路方以出租场地或发电分成的方式获取收益。该方式已在江苏省、河北省的高速公路中应用[3]。

本文结合广州新白云国际机场第二高速公路南段工程(本文简称“机场二高南段”)，对光伏发电、直流并网技术在隧道工程的应用进行探讨。

机场二高南段项目是广州城区通往机场的第二条高速通道的组成部分，全长约24km，采用全线照明方案。在近城区广深高速公路北侧的大观路段设置有大观路隧道，为双向6车道下沉式隧道，设计车速80km/h，全长1 520m，其中暗埋段长945m，西洞口敞开段长300m。为减少阳光直射的影响，西洞口设置减光建筑。

大观路隧道为下穿式隧道，西洞口接近正西方向，为减少黄昏时分阳光的影响，洞口设置了遮光棚，长150m、宽30.4m。为了实现减光段亮度的平稳过渡，充分利用减光棚顶部空间，减光棚上设置光伏发电板，在达到减光过渡的同时，兼顾光伏板发电，为隧道照明提供绿色能源，减少碳排放，节省运营电费。

机场二高南段项目在广州主城区内建设，互通立交密集，且设置全线照明。按照传统的高速公路配电方案，需要约2km设置一个10kV供电点，在立交互通区域还需加密设置供电点。而供电部门不能密集地提供电网接入点，一般要求建设单位采用10kV配电开关房接入，在高速公路红线内自行建设10kV配电系统。

由于在高速公路红线范围内自建10kV供电系统的造价达100万元/km，为减少沿线10kV供电点的数量，结合高速公路上的LED灯具、摄像机、情报板等负载均为直流的特性，机场二高南段项目采用在收费站/隧道变电站接入10kV公共电网，使用变压器降低为0.4kV交流电后，通过直流柜转换为750V直流电源，向高速公路沿线设备供电(图1)。LED灯具的电源模块通过直流电压转换，将750V直流电变换为LED照明所需的电压[4]。

图1 供配电方案

光伏发电系统一般由光伏列阵、直流汇流柜、继电保护装置、储能装置以及最大功率点跟踪装置等组成。光伏系统中最基础的环节就是光伏列阵，光伏列阵将太阳能转化为电能，然后再通过电池单体根据电压电流的实际需求，将其串并联安装在支架上。最大功率点跟踪装置能够保证电池列阵时刻保持最大的输出功率。储能装置主要是对光伏系统中的电能进行调节和控制[5]。

大观路隧道照明总负荷为200.88kW，其中西洞口出口加强照明和入口加强照明功率合计为83kW，为了节约建设投资和后期运营维护费用，采用光伏发电“即发即用”的总体方案。结合光伏发电输出、日照强度、加强段照明需求三者的正相关性，选择隧道加强照明消纳光伏发电产生的电能。此外，由于光伏发电功率不大，与运营期间的维护成本相比，安装最大功率点跟踪装置的建设投入及运营维护费用远大于其产生的效益。结合即发即用的总体方案，机场二高南段项目的光伏发电系统无需建设储能装置和最大功率点跟踪装置 。

机场二高南段项目选用370W单晶硅太阳能电池板(约为200Wp/m2)，单块太阳能电池工作输出电压为34V～41V。直流电压转换器的输出电压应与主干配电直流750V相当，因此采用20块电池板串联的方式接入直流汇流柜，单路输出功率为8.4kWp。为满足加强照明负载功率83kW的需求，直流汇流柜汇集12路光伏电池串联电流，并配备必要的防雷设施后，输出到直流变换柜，并入高速公路直流配电网。

光伏发电并网后，应优先于市电向负载供电。对比光伏发电和市电，光伏发电是一种电源，它可以输出电能，而且只能输出电能；
而电网是一种特殊的电源，它既可以向负载提供电能，也可以作为负载接收电能。根据电流都是从电压高处流向电压低处的原理，当光伏发电时，并网设备的电压始终比电网的电压略高一点，因此负载可优先使用光伏发电，只有当光伏的功率小于负载功率后，并网点的电压才会下降，电网才会向负载供电。光伏并网有交流并网和直流并网两种。

从国外的资产评估人才培养模式中我们看出，无论是重视准入考试的美国还是重视高等教育的澳大利亚，其对资产评估人员的后续教育都一丝不苟。对后续教育未能完成的资产评估师的惩罚都十分严厉。我国的后续教育开展时间较短，处罚力度也相对较轻，造成许多资产评估师对后续教育相对敷衍。因此，我国资产评估协会可以成立专门的后续教育培训机构，负责我国资产评估师的后续教育的培训以及监管。除去正常的后续教育，各资产评估机构还应多开展关于资产评估行业的研讨会，和其他资产评估人员互相交流研究心得，互相促进对资产评估行业的理解。

3.1 交流并网

太阳能电池板输出的为直流电，而市电为交流电，因此必须设置逆变器实现直流到交流的转换。在交流并网馈电系统中，交流并网设备必须采集电网的电压/频率/相位，逆变器输出的交流电和市电网相位频率相同，输出电压略高于市网电压，使光伏发电能够优先被使用。

交流并网设备具备交流过压、欠压保护，超频、欠频保护，高温保护，交流及直流的过流保护，直流过压保护，防孤岛保护等功能。在出现异常情况时，应切断交流输出，以避免出现反向送电产生的安全风险。

3.2 直流并网

由于太阳能电池板输出为直流电，相比于交流，直流并网时不必考虑相位、频率一致性等问题。通过DC/DC转换电路，将直流汇流箱输入的直流电直接变换为略高于负载回路的直流电压，通过半导体电路的单向保护功能，即可并入负载回路(图2)。

图2 直流并网

3.3 直流并网的优势

(1)并网易控，电网波动小。直流并网设备中的直流变换柜能够允许较宽的电压输入范围，功率输出易控，可根据太阳能电池板提供的电量，以恒流源的形式灵活地将能量注入负载电路中，便捷地实现输出功率的控制。且光伏发电交流并网故障短路电流暂态过程持续周期长、波动大；
直流并网的系统短路电流仅短时振荡,恢复非常快[6]。

(2)转换设备相对简单可靠。随着国家绿色能源政策的推进，电动车充电桩大规模地安装使用，直流电压转换技术和元件产品的可靠性已经得到验证。相比逆变器的交流转换，实现对市电的频率和相位的跟踪需要大量电容、电感元件，直流电压转换设备的结构更加简单可靠。

(3)与市电电网相对隔离，提高了整个电网的安全性。直流配电系统通过对市电进行整流而形成，直流部分对市电的影响被半导体元件隔离，不会出现对电网的能量反送，全部发电量由自身负载消耗，因此光伏发电系统并入的电能对市电电网的影响极小。而交流并网系统缺乏这种隔离功能，一般认为配电网内光伏发电系统不应主动参与电压调节，但光伏发电作为间歇性电源的接入不但会影响稳态电压分布，还会引起系统电压波动，可能导致系统电压超限，须采取合理的控制和补偿措施[7]。

3.4 光伏发电并网方案

机场二高南段项目在收费站/隧道变电所采用10kV接入供电部门的电网，因此，光伏发电所产生的电能采用10kV回送电网是不可行的。光伏发电与项目的配电并网在负载出线回路侧完成，由直流变换柜负责对供电母线的电压进行监控，并将直流汇流柜输入的电压稳定到略高于供电母线的电压，和直流配电系统的负载回路分别通过IGBT实现并接，实现光伏发电和直流配电系统的并网。在此结构中，IGBT的单向导电特性，实现了两个直流系统的故障隔离。

3.5 光伏发电和隧道照明的协同

机场二高南段项目的隧道监控系统中设置亮度检测仪，可以实时检测洞内外的亮度，并将相关数据发送到照明控制主机。照明控制主机计算得出相应隧道内的照明值，逐步调整加强照明段的发光亮度，使得隧道内的照明亮度与外场亮度相适应。当外场亮度增大时，照明控制主机发出增强加强段照明的信号，加强照明用电量增加；
同时光伏发电系统受太阳光照射产生电能，外场亮度增加时，光伏发电系统的发电量相应增加。光伏发电和隧道加强照明协同一致，可充分利用光伏发电，减少市电电能消耗。

机场二高南段项目增加的光伏发电系统，主要用于加强段的照明，装机容量设定为100kWp，负载消耗约88.32kW。光伏板采用固定倾角安装的方式，按照最佳倾角，本项目光伏发电系统25年的发电量见表1。

表1 机场二高南段项目光伏发电系统25年发电量

按照目前市电接入0.8元/千瓦时计算，平均每年节省电费约6.3万元；
根据施工图预算，88.8kWp的光伏发电系统投入约为50万元，约9年可以收回投资。

按照25年累计发电196.75万千瓦时计算，25年合计可减少标准煤的消耗707.07t，减少CO2排放1 762.26t，减少SO2排放53.03t，减少NOx排放26.51t，减少粉尘排放480.81t，社会效益和生态效益显著。

广州机场二高南段项目采用外场监控和照明系统全直流配电、光伏发电直流并网方案，是对国家《2030年前碳达峰行动方案》中提出的开展光(光伏发电)储(储能)直(直流配电)柔(柔性用电)应用的一个探索，即将进入实施阶段，可为高速公路“直柔”用电提供参考应用。

广州机场二高南段项目充分利用洞口的散碎地块，设置太阳能光伏发电系统，实现“即发即用”，可有效地降低隧道照明电费费用。采用直流配电、直流并网的方式实现微电网间的故障隔离，能够提升供电并网的可靠性，便捷地实现分布式可再生能源的并网，充分利用可再生能源。

直流配电和可再生能源的并网应用尚处于试点阶段。可再生能源及时消纳是方案应用的关键，虽然在建筑行业已有较多应用，但在高速公路应用场景中相关的配套设备还不够丰富，应用经验和技术仍需不断地积累和完善。

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