光伏發電接入鐵路供電系統研究

康德建

（國能新朔鐵路有限責任公司，內蒙古 鄂爾多斯 010399）

0 引言

鐵路是國民主要的出行方式和貨物運輸方式，隨著國家經濟和社會的發展，鐵路的建設規模不斷擴大。根據國家鐵路局2020 年度報告[1]，截至2020 年底，全國鐵路運營總里程達到14.63 萬km，復線率已達59.5%，電化率已達72.8%，高速鐵路運營里程達到3.8km，全國鐵路路網密度達152.3km/萬km2；在鐵路能源消耗方面，因新型冠狀病毒肺炎疫情，全國鐵路客運量相比2019 年有所下降，能源消耗相比2019年下降5.3%。2020 年國家鐵路能源消耗換算成電能，約消耗464.649 億kWh。

隨著未來鐵路電氣化率的不斷提高和高速重載鐵路的不斷建設發展，鐵路的能源消耗量將進一步增加。隨著能源問題和環境問題的不斷加劇，使用清潔能源降低碳排放成為國家重要的目標。2020 年，習近平總書記宣布了“碳達峰”和“碳中和”的“雙碳”目標愿景。中共中央、國務院印發《交通強國建設綱要》[2]指出，要強化節能減排和污染防治，優化交通能源結構，加大推進新能源、清潔能源的應用，同時要求推進交通裝備技術升級，加速清潔能源、智能化、數字化、輕量化、環保型交通裝備及成套技術裝備的迭代升級。鐵路系統是我國能耗大戶，實現節能減排、綠色運營，降低碳排放量，必須通過轉變能源結構，加大可再生能源的接入應用。

隨著光伏發電和電力電子技術的成熟，國內外鐵路牽引供電系統及鐵路相關基礎設施系統已逐步開始應用光伏發電系統進行電能供應，達到節能減排和優化能源結構的目的。光伏發電發出的電能經變換器變換成單相交流電后可接入鐵路27.5kV 牽引供電系統或10kV 基礎設備供電系統，供列車、線路信號系統和車站基礎設備用電。德國鐵路在鐵路牽引供電系統的可再生能源應用上已經開展了很多案例，有10%以上的電能來自水電、風電和光伏發電等可再生能源，并在2020 年前將可再生能源占比提高到35%左右，同時在2050 年實現鐵路系統的零碳排放目標[3]。在我國，鐵路電氣化率的提高為可再生能源應用于鐵路牽引供電系統提供了必要的條件。同時，為了加大鐵路系統的可再生能源的利用率，我國鐵路部門先后制定了多項有針對性的政策措施，促進鐵路系統對可再生能源的利用消納。

接下來將分別對我國鐵路領域光伏自然資源的可利用前景、光伏發電在鐵路系統的應用研究現狀、光伏發電應用于鐵路系統產生的社會效益進行分析介紹，并對光伏發電在未來鐵路領域的研究應用前景進行分析。

1 全國及鐵路系統光伏自然資源情況

我國地域面積廣闊，自然資源相對豐富，同時鐵路路網規模大，線路多建設在周邊可利用自然資源相對豐富的地域，沿線具有豐富的光伏自然資源，可建設大規模的光伏發電站。據2014 年國家能源局公布數據顯示，我國的光伏自然資源豐富，可利用率高，其具體分布見表1。從光伏自然資源的分布位置看，總體呈“高原大于平原、西部干燥區大于東部濕潤區”的分布特點，青藏高原地區因海拔較高，光伏自然資源為全國最豐富地區，年總輻射量超過1800kWh/m2，部分地區超過2000kWh/m2。根據國家能源局公布數據統計，截至2016 年底，8 個西部省份(內蒙古、云南、西藏、陜西、甘肅、青海、寧夏、新疆)的光伏累計安裝量占全國總安裝量40%。在鐵路系統的光伏自然資源情況分析上，賈利民[4]等人對我國部分鐵路系統的光伏自然資源進行了調研，表2 為其中京滬高鐵部分站點的光伏資源情況。

表1 全國光伏輻射總量等級表

表2 京滬高鐵沿途部分高鐵站可利用光伏自然資源信息表

2 光伏在鐵路領域的應用現狀

在電力系統領域，國內外已經有大量的研究人員對光伏發電接入電力系統進行研究。在鐵路領域，國內外研究人員對鐵路領域的光伏發電接入研究相對較少[5-7]。目前，研究人員主要通過變換器將光伏發電產生的直流電壓變換成單相交流電壓接入牽引供電系統，對相關負載進行供電。例如，東日本鐵路公司在2012 年于平泉站建設了首個太陽能發電零排放站試驗站，在天氣情況良好、日照時間充足的情況下，站內的電力供應都由光伏發電提供，多余的電量儲存到240kWh 的鋰離子電池中，于夜間使用。據東日本鐵路 公 司 統 計，2012 年6 月28 日—2013 年3 月31 日，在277 天中實現了128 天零排放，預計全年將實現170 左右的零排放。德國鐵路系統將MW 級光伏發電接入電氣化鐵路。據德國相關部門的統計結果顯示，德國鐵路約10%以上電能來自新能源發電系統，遠高于全國電力系統新能源接入率6.25%。在非洲肯尼亞，中交鐵道設計研究總院有限公司在建設鐵路供電系統時，為了解決肯尼亞米軌鐵路沿線電力資源匱乏，無法為負荷提供穩定可靠的電力供應問題時，提出采用一種離網型風光互補供電裝置，可以為鐵路車站負荷提供電力供應[8]。

在我國，光伏發電已經在很多場合進行了研究應用，其中著名的是張北風光儲示范工程的建設使用。張北風光儲示范工程是目前世界上規模最大的集風/光/儲于一體的智能新能源示范電站，運用世界首創的風/光/儲聯合發電模式，采用目前新能源發電領域最新的技術、產品和裝備，研究探索大規模新能源發電并網的世界前沿技術，為中國未來能源結構轉型提供大量的研究資料。光伏發電在鐵路領域應用上也有很多典型的研究應用案例。其中，上海虹橋車站太陽能電站裝機容量6688kW，是世界上最大的“建筑光伏一體化”項目，其年均發電可達630 萬kWh，相當于2254t 的標準煤的發電量，每年發電量可供12000 戶居民使用一年，二氧化碳減排量達6600 多t，產生了巨大的經濟效益和環境效益。此外，雄安車站安裝了4.2 萬m2光伏發電板，預計年均發電達580 萬kWh，是我國目前最大的鐵路車站光伏發電系統。

光伏發電在鐵路領域的場景主要有：第一，接入鐵路牽引供電系統為列車負載進行供電；第二，接入10kV 供電系統為車站內及沿途基礎設備供電。圖1是光伏發電接入牽引供電系統的電路拓撲，光伏發電系統通過電力電子變換器將產生的直流電能進行變換后通過升壓變壓器接入27.5kV 牽引供電系統。通過電力電子變換器可以實現能量的雙向流動控制，回收利用列車產生的再生制動能量，提高系統能量利用率。

圖1 光伏發電接入鐵路牽引供電系統拓撲圖

光伏接入的牽引供電系統中光伏發電與牽引負荷的時空特性差異較大，導致系統供需關系難以平衡。為此，需要考慮負荷特性與光伏出力特性，從多角度探究二者協同運行機制。圖2 給出了光伏接入電氣化鐵路的能量流動協同運行機制[9-10]。

圖2 光伏接入電氣化鐵路的能量流動協同運行機制

3 光伏發電的社會效益

隨著我國經濟的快速發展與全球能源危機，可再生能源大規模替代傳統石油化石能源已經是不可逆轉的現象。可再生能源接入鐵路系統是未來鐵路供電發展的方向。通過優化鐵路系統能源結構，合理規劃可再生能源在鐵路系統的應用方案，可以產生良好的經濟效益、改善社會環境。

光伏發電本身固有的優點：第一，自然界的光伏資源取之不盡、用之不竭。目前，照射到地球上的太陽能比人類消耗的能量大6000 倍，同時太陽能在地球上分布廣泛，不受地域、海拔等因素的限制。第二，光伏發電的能量轉換過程相對簡單，沒有其他能量的大量損耗，如熱能轉換為機械能、機械能轉換為電磁能等和機械運動產熱等，基本不存在機械磨損，具有很高的理論發電效率，可達80%以上，技術開發潛力巨大。而傳統的火力發電能量轉化效率很低，大量能量以光、熱的形式消耗。第三，光伏發電不使用煤炭等化石燃料，不會遭受全球能源或燃料市場不穩定而造成的沖擊，不產生溫室氣體和其他有害的廢氣，不需要大量的水給系統降溫，或者產生水蒸氣推動渦輪機發電，對周圍環境友好，能夠構建清潔友好能量供給系統。光伏發電的建設還可以改善環境，在當地的荒漠、戈壁安裝上光伏電站之后，由于光伏組件的遮擋，減少了地表的蒸發量，改善了當地的沙漠化情況。

鐵路系統能量消耗巨大，將光伏發電引入鐵路系統可以有效減少其從電網獲取的能量，從而大幅度減少電費支出，降低運營成本。例如，雄安站和上海虹橋站建設的光伏發電站，年均發電量為百萬千瓦時，能夠為車站基礎設備和列車負載供給大量能量，減少從電網獲取的電量，能夠降低碳排放量，同時產生巨大的經濟效益。列車負載在制動時會產生大量的再生制動能量，光伏發電可以結合儲能系統，利用儲能系統回收利用列車再生自動能量，消納光伏發出的多余電能，進一步提高鐵路系統的能量利用率，同時儲能系統可以平復光伏發電自身的波動性，改善引入光伏發電帶來的電能質量問題。

4 光伏發電在鐵路系統的應用展望

目前，從現有工業技術和光伏發電技術分析可知，大規模光伏接入鐵路系統具有可行性，但是由于光伏發電技術接入鐵路牽引系統發展還處于起步階段，各種技術研究還不成熟，現有的技術還不能完全兼顧安全性、高功率比、高電能質量等多方面的要求，因此光伏發電接入牽引供電系統還有很大的研究前景和發展空間。下面就光伏發電技術的相關優缺點進行介紹。

第一，產能優勢：從光伏產業的生產發展來看，截至2021 年，全世界約有136 個國家和地區在大力發展太陽能發電技術，其中約70%的國家在大規模進行太陽能發電技術和太陽能電池板的研發研究，同時生產各種相關的節能新產品。目前，全球市場有近4600 家企業向能源市場提供光伏電池和以光伏電池為電源的相關產品。全球太陽能電池產量每年增長近40%，生產規模較之前擴大了5 倍。

第二，政策支持：我國在“十四五”規劃期間明確提出要“促進能源結構轉型”“推進能源革命”“構建生態文明體系，促進經濟社會發展全面綠色轉型”和“全面提高資源利用效率”等要求。我國將持續完善風電和太陽能發電發展布局，在持續推進集中式基地建設的同時，全力支持分布式風電、光伏發展。這對光伏發電在鐵路系統的廣泛應用具有大力的推動作用。

第三，技術現狀：首先，當前我國光伏產業發展勢頭迅猛，但是不少企業依然存在成本高、收入少的財務問題[11]，現階段總體成本過高和低轉換效率是光伏接入技術大規模推廣應用的最大瓶頸，研發快速高效低成本的光伏電池板，提高轉換效率和降低總體成本是光伏發電技術研發的一個重要方向。其次，光伏發電等可再生能源發電受到天氣環境因素的影響，具有隨機波動性，需要儲能系統進行補償，儲能技術在提高光伏發電穩定性和電能質量的過程中是關鍵。但是，目前儲能方法均存在著一定的局限性，由于儲能材料本身的固有特性，如電化學電池儲能密度較小、超級電容儲能成本過高、飛輪儲能和抽水儲能占地面積過大，因此對各種儲能技術的有機結合、揚長避短，最大限度地優化儲能系統的配置方案是研究重點。尤其對于鐵路負載，電能的存儲和釋放速度是關鍵。充分發揮各種儲能方法的優點，實現能量、功率和電能質量等方面的多重要求，這也成為光伏接入鐵路系統研究的一個新熱點。

5 結語

本文介紹了我國鐵路系統的發展情況和國內外光伏發電在鐵路系統的應用現狀。我國鐵路系統規模逐漸增大，同時鐵路能耗隨之增大。可再生能源接入鐵路系統是解決鐵路能耗，降低碳排放的關鍵方法，鐵路系統充分合理利用光伏自然資源是未來研究的重點。本文同時對光伏發電應用于鐵路領域帶來的社會效益進行了分析，并對未來光伏發電的應用進行了展望。