城市軌道交通光伏發(fā)電系統(tǒng)的總體設計方案與并網(wǎng)模式分析

宋 昕，何治新，韓春白雪，郭凱永，戴朝華*

(1. 北方國際合作股份有限公司，北京 100040；2. 廣州地鐵設計研究院股份有限公司，廣州 510010；3. 西南交通大學電氣工程學院，成都 611756)

0 引言

城市大氣污染等環(huán)境問題日益嚴重，各地霧霾現(xiàn)象頻發(fā)，人們的環(huán)保意識也逐漸增強。近年來，我國加大了對可再生能源的開發(fā)和利用，其中太陽能作為最理想和最清潔的可再生能源受到了廣泛關注[1]，光伏發(fā)電技術在電力系統(tǒng)中的應用已成為目前乃至未來的重要發(fā)展趨勢[2]。隨著城市化進程的加快，城市軌道交通已在國內(nèi)大、中型城市有普遍發(fā)展，并將在未來幾年內(nèi)迎來建設高峰。預計到 2020 年，我國將有50 余座城市開通軌道交通運營，運營線路長度超過6000 km[3]。

在此背景下，實現(xiàn)光伏發(fā)電技術與城市軌道交通的結合意義重大，既有利于城市軌道交通系統(tǒng)的節(jié)能減排，滿足公眾對軌道交通綠色環(huán)保的期待，也響應了國家低碳環(huán)保的號召[4]，同時還可促進當?shù)乜稍偕茉吹木徒{。另一方面，城市軌道交通配置有大面積停車場、車輛段、地面車站及高架車站等，具有應用光伏發(fā)電系統(tǒng)的廣闊空間。目前廣州、石家莊等城市的地鐵光伏供電項目均已投入使用且運行狀況良好[5-6]。

本文對光伏發(fā)電系統(tǒng)應用在城市軌道交通中的總體設計方案進行了概述，并對光伏發(fā)電系統(tǒng)的幾種并網(wǎng)模式進行了討論。

1 總體方案概述

1.1 設計思路

光伏發(fā)電系統(tǒng)是指利用太陽電池的光生伏特效應，將太陽輻射能直接轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電系統(tǒng)[7]。應用于城市軌道交通中的光伏發(fā)電系統(tǒng)總體設計方案的思路為：首先，評估當?shù)氐奶柲苜Y源情況，估算光伏發(fā)電系統(tǒng)可設計的最大容量；然后，進行光伏組件、逆變器的選型，以及儲能方式和容量的確定；最后，確定光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)類型和并網(wǎng)點。

1)評估當?shù)氐奶柲苜Y源情況。分析軌道交通所在地的氣象條件和地理條件，判斷是否適合安裝光伏發(fā)電系統(tǒng)。該地區(qū)的自然地理資料包括海拔、經(jīng)緯度、周圍山川河流情況等[8]；該地區(qū)的氣象資料包括年均太陽輻射量、月均太陽輻射量、全年平均溫度、年均降雨量、各月平均溫度、各月相對濕度、各月平均風速等。

2)估算光伏發(fā)電系統(tǒng)可設計的最大容量。首先對具體實施光伏發(fā)電項目的可供安裝光伏組件的建筑物的屋頂面積進行測量，同時對建筑結構和電氣結構進行安全復核，通過場地面積確定可安裝光伏組件的最大數(shù)量；然后根據(jù)建筑環(huán)境確定光伏組件的朝向、安裝傾角，以及陰影遮擋狀況，并確定是否需要采取防雷措施等[9]。綜合考察光伏陣列的安裝面積和安裝方式，對光伏發(fā)電系統(tǒng)最大設計容量和發(fā)電量進行預估。

3)進行光伏組件、逆變器的選型，以及儲能方式和容量的確定。根據(jù)初始投資確定光伏組件的類型(單晶硅、多晶硅或非晶硅等)；然后根據(jù)組件型號、規(guī)格與安裝方式確定光伏發(fā)電系統(tǒng)的標準面積，并計算組串的串聯(lián)、并聯(lián)數(shù)量，根據(jù)裝機容量估算系統(tǒng)發(fā)電量；合理選擇光伏逆變器型號，與光伏組件參數(shù)進行匹配等；根據(jù)光伏發(fā)電上網(wǎng)模式、用電負荷功率與波動特點，以及削峰填谷和節(jié)能目標，綜合考慮系統(tǒng)的技術經(jīng)濟指標，進行經(jīng)濟效益評估，確定儲能設備的類型與容量。

4)確定光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)類型和并網(wǎng)點。收集光伏發(fā)電系統(tǒng)接入點的電氣主接線資料，以及各變電所和用電負荷功率、性質(zhì)、電壓等級、電能質(zhì)量、日常運行的用電時間等資料，進行用電需求分析。同時考慮光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大設計容量，在滿足上網(wǎng)電能質(zhì)量約束的情況下，合理選用光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)模式(獨立型、并網(wǎng)型、獨立/并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng))，從經(jīng)濟效益和技術指標兩方面進行對比選擇，從而確定光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)方案(并網(wǎng)電壓等級和位置)。在設計過程中，需兼顧光伏發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和高效性。

1.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)的設計

城市軌道交通光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由光伏組件、光伏直流防雷匯流箱、直流防雷配電柜、光伏并網(wǎng)逆變器、并網(wǎng)開關柜、數(shù)據(jù)采集器、監(jiān)控系統(tǒng)等部分組成，如圖1 所示。

圖1 城市軌道交通光伏發(fā)電系統(tǒng)的原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of urban rail transit PV power generation system

1.2.1 光伏組件的選擇

光伏組件是光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心構成部分，主要由太陽電池構成。太陽電池主要分為晶體硅太陽電池和薄膜太陽電池；晶體硅太陽電池又分為單晶硅太陽電池、多晶硅太陽電池2 種；薄膜太陽電池主要包括硅基薄膜太陽電池、銅銦鎵硒太陽電池和碲化鎘太陽電池[10]。單晶硅太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率高，但較高的制造成本限制了其發(fā)展；薄膜太陽電池的造價低，但其光電轉(zhuǎn)換效率也較低，且缺乏成熟的研發(fā)技術，市場占有率低。相比之下，多晶硅太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率雖然不是最高，但因其制作成本較低、技術成熟的特點得到了廣泛應用。

表1 太陽電池的性能對比Table 1 Performance comparison of solar cells

1.2.2 逆變器的選擇

逆變器的容量選擇需考慮光伏組件與逆變器在使用過程中的容配比，這是由于光伏組件在使用過程中存在功率衰減，其功率會與安裝前不同，使光伏組件的實際安裝容量與逆變器的容量會存在不一致。因此，應結合具體工程情況進行綜合考慮。逆變器的類型通常根據(jù)光伏電站的規(guī)模、地理位置、光照條件等，選用集中式逆變器或組串式逆變器[11]。

總體來看，集中式逆變器的性價比高，最大功率跟蹤(MPPT)數(shù)量較少，可調(diào)度性好，逆變器容量大但需占用一定空間，常應用于大規(guī)模地面光伏電站；組串式逆變器容量較小，具備良好的防水性能，由于具有較多的MPPT 數(shù)量，易于安放，但同時整體成本較高，常應用于小型分布式光伏電站。集中式逆變器與組串式逆變器的對比如表2 所示。

表2 集中式逆變器與組串式逆變器的對比Table 2 Comparison of centralized inverter and string inverter

并網(wǎng)逆變器通常設置有效的孤島保護，在逆變器檢測到電網(wǎng)側失壓時，會退出光伏發(fā)電系統(tǒng)的接入，停止運行；當電網(wǎng)電壓恢復時，逆變器將在檢測到電網(wǎng)信號一段時間之后，再次投入運行[12]。同時，集中式逆變器需配置隔離變壓器，在并網(wǎng)前進行電氣隔離，從而保證其直流輸入和交流輸出之間沒有電流流過。

1.2.3 輔助系統(tǒng)

光伏發(fā)電系統(tǒng)設備的實時運行信息，可通過數(shù)據(jù)采集器接入車站的車輛數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制(Supervisory Control and Data Acquisition，SCADA)系統(tǒng)，且接受火災報警系統(tǒng)聯(lián)動。該集中式監(jiān)控系統(tǒng)采用開放式分層分布系統(tǒng)結構，由站控層、網(wǎng)絡層和間隔層3 部分組成。

為使光伏組件更好的采光，其多鋪設于露天的戶外場所，因此光伏發(fā)電系統(tǒng)采取適當?shù)姆览状胧┍夭豢缮佟Ｖ睋衾椎姆雷o主要是通過在光伏直流匯流箱、直流配電柜及逆變器輸出端的交流配電柜上裝設避雷針(器)等方式，從而將直擊雷引向避雷針放電，并最終安全泄流入地。感應雷的防護主要是通過安裝電涌保護器，將雷電流引入大地，或?qū)⑦M入電線的雷電瞬時過電壓限制在安全范圍內(nèi)，使設備免受損壞。

除此之外，光伏發(fā)電系統(tǒng)還應配置相應的保護裝置，包括低(零)電壓穿越保護(即當電網(wǎng)發(fā)生暫時性電壓跌落時，逆變器可不脫網(wǎng)連續(xù)運行)、逆變器直流側接地保護、電網(wǎng)過欠壓保護、電網(wǎng)過欠頻保護、直流輸入極性反接保護、直流輸入過壓保護、防浪涌保護，以及過熱保護等。

2 光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)模式

根據(jù)城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)的結構特點，光伏發(fā)電系統(tǒng)接入城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)可能的并網(wǎng)模式有4 種，如圖2 所示。

圖2 光伏發(fā)電系統(tǒng)接入城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)的并網(wǎng)模式Fig.2 Grid-connected modes of PV power generation system to DC traction power supply of urban rail transit

如圖2 所示，4 種可能的并網(wǎng)模式分別為：

1)并網(wǎng)模式①：主變電所35 kV；

2)并網(wǎng)模式②：牽引變電所+降壓變電所35 kV；

3)并網(wǎng)模式③：降壓變電所400 V；

4)并網(wǎng)模式④：牽引變電所牽引側DC1500 V。

并網(wǎng)模式①和并網(wǎng)模式②均是在35 kV 交流高壓側并網(wǎng)，系統(tǒng)由并網(wǎng)逆變器、升壓變壓器、高壓環(huán)網(wǎng)柜及負載側高壓并網(wǎng)開關柜等組成。通過逆變系統(tǒng)將光伏組件輸出的直流電逆變成交流電后，經(jīng)升壓變壓器并入35 kV 母線。相對并網(wǎng)模式②而言，并網(wǎng)模式①要求光伏發(fā)電系統(tǒng)具有更大的容量，以滿足遠距離供電要求，供電范圍大，但輸電距離遠，由此帶來的電壓損耗和功率損耗更大。上海軌道交通川楊河車輛基地(7.6 MWp)和金橋基地(1.9 MWp)光伏發(fā)電項目即采用此種并網(wǎng)模式，目前2 個項目的光伏發(fā)電系統(tǒng)運行良好，經(jīng)濟效益可觀[13]。

并網(wǎng)模式③是將光伏發(fā)電輸出的直流電經(jīng)逆變后直接接入站段的低壓動力照明系統(tǒng)。相較于并網(wǎng)模式①和并網(wǎng)模式②的高壓側并網(wǎng)方式，并網(wǎng)模式③的低壓側并網(wǎng)設備簡單方便，對光伏發(fā)電系統(tǒng)的裝機容量要求較低；不需要二次設備及遠程控制系統(tǒng)，投資更低，也具有更好的經(jīng)濟收益率。目前并網(wǎng)模式③的應用最為廣泛，包括車站屋頂、地鐵入口頂棚的光伏發(fā)電系統(tǒng)及站段的光伏路燈系統(tǒng)。采用該并網(wǎng)模式的工程應用以深圳地鐵6 號線光伏發(fā)電系統(tǒng)最為典型，該項目總裝機容量約2.3 MWp。以其中1 座高架車站光伏發(fā)電系統(tǒng)為例(共12 座車站安裝了光伏發(fā)電系統(tǒng))，其25 年內(nèi)年均發(fā)電量可達23.49 萬kWh，可滿足車站動力照明用電的30%[14]。

并網(wǎng)模式①～③均接入城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)交流側，考慮到光伏發(fā)電系統(tǒng)的波動性和間隙性較大，建議配置一定容量的儲能系統(tǒng)對光伏發(fā)電系統(tǒng)進行“削峰填谷”，有利于能量的合理分配和利用；另一方面，由于儲能系統(tǒng)價格昂貴，在初始成本較低的情況下也可不使用。

并網(wǎng)模式④是直接將光伏發(fā)電系統(tǒng)接入牽引側，直流牽引負荷波動劇烈，必須與儲能結合應用于城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)的牽引網(wǎng)，光伏所發(fā)電能供給牽引負荷，也可通過儲能或交流逆變將剩余光伏電能儲存或返送回電網(wǎng)。并網(wǎng)模式④針對直流牽引供電系統(tǒng)，接入光伏發(fā)電系統(tǒng)后能提升直流牽引供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量，電能損失更小，同時儲能裝置也可吸收再生制動能量，但需結合牽引網(wǎng)電壓波動大且早晚高峰負荷量大的運行特點，控制策略復雜，再加上對儲能的研究也還需深入，因此有待工作進一步的開展。

4 種城軌軌道交通光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)模式的比較如表3 所示。

表3 城市軌道交通光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)模式的比較Table 3 Comparison of grid-connected modes of Urban rail transit PV power generation system

3 應用展望

目前已有光伏發(fā)電系統(tǒng)接入城市軌道交通的相關工程落成，均取得了預期效益，且運行狀況良好。但總體來看，這些項目的光伏裝機規(guī)模不大，同時“5.31”新政實施后，光伏補貼和上網(wǎng)電價均有較大幅度的下調(diào)，使得原本依賴國家補貼的光伏投資企業(yè)面臨新的挑戰(zhàn)[15]。光伏發(fā)電接入直流供電系統(tǒng)具有節(jié)能效益高、損耗小等優(yōu)點，在日本、阿聯(lián)酋等國已經(jīng)開展了相關研究和應用[16-17]；但由于列車啟停頻繁，牽引負荷波動較大[18]，本身存在一系列諧波問題，頻率偏差、電壓偏差[19]等電氣問題亟待解決。另外，儲能應用技術尚不成熟，限制了光伏發(fā)電在牽引供電系統(tǒng)中的應用。目前國內(nèi)還未有光伏發(fā)電直接接入城市軌道交通直流側的相關工程報道。

光伏發(fā)電系統(tǒng)接入城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)后，二者之間如何相互影響尚缺乏深入的探討和研究。未來，光伏發(fā)電系統(tǒng)在城市軌道交通中的應用可在以下方面展開：

1)研究“光伏+儲能”發(fā)電系統(tǒng)接入城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制策略，充分利用城市軌道交通負荷的運行特點，研究不同工況下的能量管理策略；根據(jù)光伏功率與負荷功率的實際差額，以及相關運行策略，研究儲能功率、容量在整體系統(tǒng)中的優(yōu)化配置。

2)研究光伏發(fā)電系統(tǒng)接入后與城市軌道交通系統(tǒng)電能質(zhì)量、穩(wěn)定性及控制保護系統(tǒng)的相互影響；研究光伏發(fā)電系統(tǒng)整體的經(jīng)濟效益和環(huán)保效益，基于光伏發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)濟性與電能質(zhì)量約束進行容量優(yōu)化配置。

3)在能源互聯(lián)網(wǎng)蓬勃發(fā)展及泛在電力物聯(lián)網(wǎng)概念初步提出的背景下，研究城市軌道交通光伏發(fā)電系統(tǒng)與鐵路、電動汽車等其他交通形式互聯(lián)的多源互補關鍵技術[20]，研究基于“泛在數(shù)據(jù)”平臺的全空間、多時間尺度的系統(tǒng)適應性分析、多利益主體經(jīng)濟性分析。

4 結論

本文概述了光伏發(fā)電系統(tǒng)應用在城市軌道交通時的總體設計方案，提出了常見設計思路，并對光伏發(fā)電系統(tǒng)進行簡要介紹；針對城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)的結構特點，歸納整理出4種光伏發(fā)電系統(tǒng)可能的并網(wǎng)模式，并對其展開了討論；根據(jù)國內(nèi)外相關研究應用，對其今后的應用前景及發(fā)展方向進行了分析，并提出進一步有待完善的研究建議，以供該領域相關人員參考。