光伏發電系統在軌道交通車輛基地的應用研究

阮慶軍

光伏發電系統在軌道交通車輛基地的應用研究

阮慶軍

分析了光伏發電在城市軌道交通車輛基地的應用價值，介紹了光伏發電系統在城市軌道交通車輛基地中的應用方案，為軌道交通車輛基地屋頂光伏發電的大面積推廣和發展做了經驗積累，提供了借鑒和參考。

軌道交通；車輛基地；光伏發電系統

0 引言

近年，城市軌道交通在我國大中城市得到了快速發展，城市軌道交通已成為主要耗能大戶，如何對系統進行節能降耗已成為各方關注的焦點。太陽能光伏發電作為一種綠色、環保、可再生能源，隨著科學技術的不斷發展，其應用領域越來越廣泛。

城市軌道交通車輛基地，其車庫屋頂面積很大，為光伏發電系統在城市軌道交通的應用提供了廣闊的空間和前景。因此，有必要開展太陽能光伏發電系統在城市軌道交通車輛基地的應用研究，既能實現軌道交通的節能減排，同時為后續工程建設提供參考方案。

1 光伏發電在車輛基地的應用價值分析

借鑒屋頂光伏電站的特點，采用光伏和建筑屋頂相結合的方式，充分利用了建筑物空間，節約了土地資源，體現了環保與城市建設的統一性。

光伏發電不會產生污染廢氣物排放和安全問題，是一種環境友好型的發電技術。

光伏發電量可直接并網用于城市軌道交通牽引動力照明負荷用電，能夠有效地減少外電源提供的電能消耗，實現節能減排。

另外，在供電系統、升壓變電、并網、數據采集發送、電量監控等方面可為后續工程提供參考和借鑒。

2 光伏發電系統方案總述

城市軌道交通供電系統中壓網絡電壓等級采用AC 35 kV，牽引供電系統采用DC 1 500 V，低壓動力照明系統采用AC 400 V/230 V。

太陽能光伏組件通過匯流、逆變后輸出AC 400 V交流電。光伏發電系統可根據發電容量選擇接入城市軌道交通供電系統的方式，具體有2種：（1）光伏發電輸出的交流電直接接入到低壓動力照明系統，采用400 V側并網方式，即在接入到軌道交通降壓變電所內的低壓400 V開關柜上；（2）光伏發電輸出的交流電通過升壓變壓器（AC 0.4 kV/35 kV），采用在35 kV側并網發電，即在變電所35 kV母線上增加兩面40.5 kV開關柜，供光伏系統接入。2種方案系統構成如圖1、圖2所示。

400 V側并網光伏發電系統主要由低壓逆變系統構成，35 kV側并網光伏發電系統由低壓逆變系統+升壓系統構成。

圖1 400 V側并網光伏發電系統構成示意圖

圖2 35 kV側并網光伏發電系統構成示意圖

3 低壓逆變系統設計

低壓逆變系統由光伏組串、直流配電裝置、交流配電裝置、并網逆變裝置等組成。太陽能通過光伏組串轉化為直流電，然后通過匯流、逆變轉化為與電網同步的正弦交流電接入電網。

3.1 光伏陣列設計

（1）光伏組件選擇。選用單個組件功率235 Wp的多晶硅組件。

（2）光伏陣列角選擇。根據所在地區太陽輻射情況數據，確定光伏系統輸出全年最大的光伏陣列傾角，同時需要考慮光伏系統與建筑結合的景觀效果，選擇光伏陣列的最佳安裝角度。

（3）光伏組件的安裝。光伏組件板一般選擇安裝在鋼架上，鋼架可靠地固定在車庫屋頂上預制的混凝土基礎上，光伏組件板成排成列布置。

3.2 直流配電系統設計

為了將直流配電系統有序地接入逆變裝置，有效降低接線故障點，將車庫屋頂上的光伏組件分區域進行并聯匯流接入到防雷匯流箱裝置上，然后將不同的匯流輸出接入到變電所房間中的直流配電柜裝置后再接入到逆變器裝置，這樣既便于維護，又能夠提高系統可靠性。

其中，直流配電裝置包括車庫屋頂上的防雷匯流箱和變電所設備房間內的直流配電柜。防雷匯流箱的防護等級為IP65，適于室外長期運行，具有防水密封功能，由熔絲、二極管、斷路器、避雷器組成；直流配電柜由斷路器、避雷器、測量儀表組成。

3.3 監控系統設計

為每個光伏發電子系統均配置相應的監控裝置，并在變電所控制室或控制中心內設置監控系統（包括工控機及軟件、復示系統），以便于對光伏發電系統工作狀態進行實時監控。

3.4 保護方案

在光伏發電過程中，并網逆變器實時采集網側電壓信號，通過閉環控制，使并網逆變器輸出的交流電流與網側電壓之間同相位，確保功率因數控制在1.0附近。

（1）孤島保護。并網逆變器設置有效的孤島保護，當并網逆變器檢測到網側失壓后，會自動退出系統；當重新檢測到網側電壓時，并網逆變器持續檢測電網信號在一段時間內完全正常后才投入并網運行。

（2）電氣隔離設置。并網逆變器裝置自身配備隔離變壓器，確保逆變器的直流輸入和交流輸出電氣隔離。

（3）逆變器直流側接地保護。直流側的光伏元件為“懸浮地”，正負極與地之間隔離，且逆變器在運行過程中，采用絕緣阻抗實時檢測直流側正負極的對地阻抗，當故障發生后，可通過檢測負極對地的漏電流以及此時的母線電壓計算出對應的負極對地絕緣阻抗，通過比較器與設置的閥值相比較作為及時可靠觸發保護動作的判據。

（4）防雷接地保護。根據光伏組件方陣的高度和占地面積，直擊雷的防護采用與建筑已有的防雷接地網連接。

在光伏組件支路匯流接入并網逆變器前，設置兩級避雷防護，即在屋頂的防雷匯流裝置、室內的直流配電裝置的正負極上分別安裝避雷器，避雷器的接地端接至接地網上。

在并網逆變器交流輸出側，低壓交流配電柜輸出端裝設避雷器作為防雷設施。

光伏發電系統的安裝支架、設備基礎、設備外殼等通過接地扁鋼或接地電纜接至建筑專業預留的接地點，接地電阻不大于1 Ω。

3.5 系統運行方式

（1）白天：光伏元件將太陽能轉換為直流電，再由逆變器逆變為400 V交流電。

（2）夜晚：夜間光伏發電系統處于待機運行狀態，交流電網側向光伏發電系統充電。

4 升壓系統設計

4.1 升壓系統接線方案

低壓逆變系統輸出400 V交流電，通過AC0.4 kV/35 kV升壓變壓器升壓后，引入到軌道交通變電所35 kV母線上，通過中壓環網為整條軌道交通線路的牽引和動力照明負荷供電。

4.2 防逆流控制系統

為確保光伏發電系統所發出的電能直接就近被軌道交通負荷消耗掉，而不向上送至市電電網，需設置防逆流控制器。防逆流控制器實時監測市電接入點的電壓與電流，若發現向市電電網上送電能，或出現通訊故障、其他系統故障時，防逆流控制器會控制逆變器退出運行，從而實現向市電電網上送電能。

4.3 電力監控系統設計

光伏發電量由通過升壓系統接入到軌道交通供電系統內，軌道交通控制中心負責對光伏并網系統相關設備進行監控。

4.4 保護與計量

（1）保護配置。

升壓變壓器：變壓器本體保護；

接入的35 kV開關柜：過電流保護、零序保護。

（2）計量。在接入的35 kV開關柜內設置相關表計，測量并網點的電壓、電流、有功功率、功率因數、有功電度，并通過電力監控系統上送到軌道交通控制中心。

4.5 系統運行方式

（1）正常運行方式。

白天：低壓逆變系統接入到軌道交通變電所35 kV母線上，與配電變壓器（或整流變壓器）并列運行，潮流方向為由光伏發電系統向軌道交通供電系統流動。

夜晚：升壓系統轉換為降壓系統，軌道交通供電系統對光伏發電系統進行充電，光伏發電系統處于待機運行狀態。

（2）故障運行方式。當一臺升壓變壓器或對應回路電纜發生故障時，應迅速切除相應回路的斷路器，其他回路保持運行狀態不變。

當軌道交通變電所母線或相應的至變電所電纜故障時，應立即切除接入35 kV母線的斷路器開關，切除光伏發電系統，保證不影響軌道交通變電所的正常供電。

5 結語

光伏發電系統在軌道交通車輛基地的應用方案已經在上海市軌道交通車輛基地中進行了示范應用，并取得了良好的節能效果。尤其是光伏發電系統采用35 kV側并網接入軌道交通供電系統，為軌道交通車輛基地屋頂光伏發電的大面積推廣和發展做了經驗積累，提供了借鑒和參考。

The paper analyzes the values for application of photovoltaic generation system in rolling stock base of urban rail transit, introduces the scheme for application of photovoltaic generation system in rolling stock base of urban rail transit, from which the experiences are accumulated for providing references for promotion and development in large scale of the roof mounted photovoltaic generation system in rolling stock base of urban rail transit.

Urban rail transit; rolling stock base; photovoltaic generation system

U231.8

：B

：1007-936X(2016)01-0042-03

2015-08-27

阮慶軍.中鐵電氣化勘測設計研究院有限公司，工程師，電話：13752554252。