高鐵站房“光儲(chǔ)直柔”近零碳配電系統(tǒng)研究

張 強(qiáng)

（中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司）

0 引言

在全球能源安全壓力逐漸增大、氣候變化問題日益突出的形勢(shì)下，國(guó)家提出二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和的戰(zhàn)略。發(fā)展低碳能源技術(shù)，建立低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式和低碳社會(huì)消費(fèi)模式，是協(xié)調(diào)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與保護(hù)環(huán)境之間關(guān)系的基本途徑。

截至2021年國(guó)內(nèi)高鐵運(yùn)營(yíng)里程已達(dá)到4萬公里，國(guó)內(nèi)高鐵站房數(shù)量逐年增多，能耗問題日益突出，如何利用新的節(jié)能配電技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)車站的能源消耗優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)近零碳排放目標(biāo)具有重要研究意義。近年來，光伏發(fā)電技術(shù)不斷發(fā)展，發(fā)電裝置產(chǎn)品化和市場(chǎng)化速度加快，數(shù)字能源管理技術(shù)的不斷成熟，使得建筑物實(shí)現(xiàn)“光伏發(fā)電、儲(chǔ)能蓄電、直流供電、柔性用電”成為可能。高鐵站房因其本身的建筑布局和結(jié)構(gòu)特性，具備大面積鋪設(shè)光伏發(fā)電板的優(yōu)勢(shì)，便利的土地開發(fā)條件可以發(fā)展儲(chǔ)能業(yè)務(wù)，同時(shí)車站內(nèi)大量的照明設(shè)施和UPS設(shè)備能夠采用直流配電形式。本文通過對(duì)車站設(shè)置“光儲(chǔ)直柔”配電系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析研究，探索實(shí)現(xiàn)高鐵車站近零碳排放的技術(shù)路徑。

1 高鐵車站發(fā)電場(chǎng)所分布及用電負(fù)荷分析

1.1 高鐵車站發(fā)電場(chǎng)所分布

光伏發(fā)電組件通常設(shè)置在建筑物屋頂?shù)让娣e廣闊、光照充足的位置，在一座高鐵車站內(nèi)，車站屋頂、站臺(tái)雨棚和停車場(chǎng)等位置均是設(shè)置光伏發(fā)電板的優(yōu)選位置。鑒于鐵路運(yùn)行安全的需要，火車站周邊的各類建筑一般距離鐵路線路較遠(yuǎn)，同時(shí)在站房?jī)蓚?cè)往往設(shè)置市政廣場(chǎng)，這就使得站房建筑基本不會(huì)被周邊的高層建筑遮擋，站臺(tái)上的雨棚和停車場(chǎng)的上方也具備良好的日照條件，可安裝光伏發(fā)電板，能夠產(chǎn)生良好的發(fā)電效益。此外，站房的立面也可以根據(jù)車站裝修風(fēng)格在光照充足的位置裝設(shè)一定數(shù)量的光伏電板。距離車站較近的線路地段，也可以在鐵路路基邊坡或者防護(hù)柵欄上布置光伏電板。

當(dāng)在站房屋頂和雨棚頂部安裝光伏發(fā)電板時(shí)，應(yīng)結(jié)合建筑本身的特性、裝修效果和地理?xiàng)l件等因素選擇適當(dāng)?shù)陌惭b形式，常見的安裝形式是以建筑物為載體，建筑結(jié)構(gòu)充分考慮光伏組件的結(jié)構(gòu)荷載，另外一種形式是在建筑物屋頂集成光伏組件。在雨棚的頂部可以采用光伏板集成的形式，在炎熱天氣時(shí)段吸收太陽(yáng)能發(fā)電的同時(shí)，起到隔熱的作用。

1.2 高鐵車站用電負(fù)荷分析

高鐵車站內(nèi)的用電負(fù)荷主要分為設(shè)備動(dòng)力負(fù)荷和照明負(fù)荷兩大類，按照用電負(fù)荷的重要性又分為一級(jí)負(fù)荷、二級(jí)負(fù)荷和三級(jí)負(fù)荷，下表以某車站用電負(fù)荷表進(jìn)行歸類分析，研究車站內(nèi)各類用電設(shè)備的供電形式。

表 某車站用電負(fù)荷

（續(xù)）

由上表可以看出，高鐵站房?jī)?nèi)的大部分設(shè)備，如LED燈具、通信信息設(shè)備、空調(diào)均可以選用直流供電的模式。

2 車站“光儲(chǔ)直柔”配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

車站“光儲(chǔ)直柔”配電系統(tǒng)主要由電源側(cè)、配電架構(gòu)、用電負(fù)荷和儲(chǔ)能裝置四部分構(gòu)成，為實(shí)現(xiàn)對(duì)分布式能源和傳統(tǒng)市政電源的靈活投切控制，構(gòu)建用電負(fù)荷的柔性調(diào)節(jié)機(jī)制，需設(shè)置能源管理系統(tǒng)完成各環(huán)節(jié)運(yùn)行數(shù)據(jù)采集、站房環(huán)境監(jiān)測(cè)和配電設(shè)備監(jiān)控等功能，提升車站能源利用管控效率，如圖1所示為“光儲(chǔ)直柔”系統(tǒng)示意圖。

圖1 “光儲(chǔ)直柔”系統(tǒng)示意圖

2.1 能源管理系統(tǒng)構(gòu)建

系統(tǒng)綜合考慮可擴(kuò)展的需要，從接入層、采集層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層、展示層5個(gè)層次全面遵循統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系和安全保障體系。第一層是接入層，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享交換的需求；第二層是采集層，為系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析和應(yīng)用功能提供數(shù)據(jù)支撐；第三層是數(shù)據(jù)層，為系統(tǒng)提供存儲(chǔ)力和算力支撐；第四層是應(yīng)用層，對(duì)環(huán)境與能源的數(shù)據(jù)管理、分析，支撐建筑設(shè)備的監(jiān)測(cè)、節(jié)能優(yōu)化和設(shè)備運(yùn)維管理。第五層是展示層，支持工作站展示與移動(dòng)終端多種展示方式，便于工作人員操控使用。

利用能源系統(tǒng)可以有效預(yù)測(cè)在不同的日期光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量，同時(shí)根據(jù)高鐵車站的運(yùn)行數(shù)據(jù)，獲取相應(yīng)的用電負(fù)荷，通過大數(shù)據(jù)計(jì)算分析，提出最優(yōu)的能源控制策略。在光伏發(fā)電充足，用電負(fù)荷較少的情況下，可通過能源管理系統(tǒng)啟用儲(chǔ)能設(shè)備，最大程度利用分布式電能。

2.2 光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在站房頂和雨棚頂分別設(shè)置光伏發(fā)電板，某高鐵站房建筑面積為10000m2，屋頂面積為5600m2，雨棚面積為7200m2，估算裝機(jī)容量約為1000kW。車站內(nèi)光伏發(fā)電板需要結(jié)合站房和雨棚整體裝修風(fēng)格布置，同時(shí)為保證電站的持續(xù)收益，光伏組件選擇半片技術(shù)。半片技術(shù)是典型的按比例提升功率的技術(shù)，它疊加在效率越高的電池片上帶來的提升越大。半片技術(shù)通過降低組件中串聯(lián)電阻，降低內(nèi)部功率損失，提高轉(zhuǎn)換效率，且半片技術(shù)工藝成熟，優(yōu)良率有保證。車站光伏發(fā)電系統(tǒng)可選用具有運(yùn)行靈活、操作方便、免維護(hù)、價(jià)格性能比較優(yōu)越等優(yōu)點(diǎn)的組串式逆變器。站房屋頂和雨棚頂位置較高，平單軸支架對(duì)發(fā)電量提升有限，宜選用技術(shù)成熟、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)豐富和可靠性高的固定式支架。

光伏發(fā)電系統(tǒng)配置一套環(huán)境監(jiān)測(cè)儀，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)日照強(qiáng)度、風(fēng)速、風(fēng)向、溫度等氣象參數(shù)，統(tǒng)一納入車站能源管理系統(tǒng)。該裝置由風(fēng)速傳感器、風(fēng)向傳感器、日照輻射表、測(cè)溫探頭、控制盒及支架組成，可測(cè)量環(huán)境溫度、風(fēng)速、風(fēng)向和輻射強(qiáng)度等參量，根據(jù)采集的數(shù)據(jù)和車站負(fù)荷進(jìn)行大數(shù)據(jù)計(jì)算，充分利用能源管理系統(tǒng)提升可再生能源的利用率。

2.3 儲(chǔ)能裝置設(shè)計(jì)

在高鐵站附近可在鐵路高架橋下、路基邊和線路夾角地等區(qū)域設(shè)置模塊化集裝箱式集成儲(chǔ)能系統(tǒng)，根據(jù)車站規(guī)模、年發(fā)電量和車站負(fù)荷情況設(shè)計(jì)合理容量的儲(chǔ)能裝置。在車站“光儲(chǔ)直柔”配電系統(tǒng)中，儲(chǔ)能系統(tǒng)是不可或缺的重要組成部分。車站儲(chǔ)能系統(tǒng)可通過設(shè)置雙向可控的儲(chǔ)能DC／DC變化器接入配電系統(tǒng)直流主母線，儲(chǔ)能系統(tǒng)不僅參與車站全部用電負(fù)荷的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)削峰填谷等能源優(yōu)化利用措施，還能維持整個(gè)配電系統(tǒng)母線電源的穩(wěn)定，提高車站配電系統(tǒng)的可靠性。

2.4 直流配電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

車站配電網(wǎng)主要采用直流配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)，預(yù)留交流負(fù)荷接引條件。配電網(wǎng)絡(luò)中設(shè)置電力電子變換裝置，以滿足不同用電設(shè)備對(duì)不同電壓等級(jí)和不同電流性質(zhì)的需求，同時(shí)實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)和儲(chǔ)能系統(tǒng)的投切靈活控制。綜合考慮供電距離、配電的經(jīng)濟(jì)性和可靠性等因素，主母線采用375V電壓；房屋照明部分插座采用48V電壓；公共區(qū)照明因供電距離比較遠(yuǎn)采用375V；空調(diào)、充電樁等大功率設(shè)備跨接在主母線上可取得750V的電壓；車站內(nèi)的光伏系統(tǒng)和儲(chǔ)能系統(tǒng)直接接入主母線，如圖2所示為高鐵站房配電系統(tǒng)源儲(chǔ)荷關(guān)系圖。

圖2 高鐵站房配電系統(tǒng)源儲(chǔ)荷關(guān)系圖

3 “光儲(chǔ)直柔”配電系統(tǒng)應(yīng)用展望

3.1 車站應(yīng)用“光儲(chǔ)直柔”配電系統(tǒng)的潛力

高鐵車站內(nèi)站房屋頂、雨棚和停車場(chǎng)等場(chǎng)所適合布置光伏發(fā)電板，甚至可以在車站周邊的路基邊坡或者鐵路柵欄安裝發(fā)電板。車站可以靈活設(shè)置儲(chǔ)能裝置，車站負(fù)荷中大量設(shè)備可采用直流供電的形式，例如通信設(shè)備、信息設(shè)備、LED照明燈具、汽車充電樁、LED大屏、計(jì)算機(jī)等設(shè)備，其他用能較大的暖通負(fù)荷（水泵、空調(diào)、制冷等）也大都采用變頻技術(shù)，可選用直流電機(jī)，匹配直流供電形式。在車站設(shè)置能源管理系統(tǒng)，充分利用大數(shù)據(jù)計(jì)算優(yōu)勢(shì)和現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備供電的柔性控制和負(fù)荷與能源的耦合調(diào)控，構(gòu)建車站用電側(cè)和能源側(cè)的動(dòng)態(tài)平衡，最大化實(shí)現(xiàn)零碳排放。

3.2 “光儲(chǔ)直柔”配電系統(tǒng)應(yīng)用展望

高鐵車站內(nèi)站房屋頂、碳中和目標(biāo)推動(dòng)整個(gè)能源系統(tǒng)的低碳發(fā)展，在未來低碳能源系統(tǒng)發(fā)展要求下，高鐵站房配電系統(tǒng)將不再僅是傳統(tǒng)意義上的用電負(fù)載，而是集齊傳統(tǒng)意義上的電源、儲(chǔ)能、調(diào)節(jié)、負(fù)荷等功能?！肮鈨?chǔ)直柔”建筑是推動(dòng)建筑承擔(dān)起上述綜合功能的重要技術(shù)路徑，不僅實(shí)現(xiàn)電能的自產(chǎn)自銷，同時(shí)在碳中和層面具有重大意義，目前對(duì)于高鐵站房配電系統(tǒng)“光儲(chǔ)直柔”依然是處于探索和研究階段，面向系統(tǒng)設(shè)計(jì)、面向未來運(yùn)行，“光儲(chǔ)直柔”建筑仍需在多方面開展持續(xù)深入研究，如圖3所示為“光儲(chǔ)直柔”系統(tǒng)研究展望。

圖3 “光儲(chǔ)直柔”建筑構(gòu)建原則與研究展望

4 結(jié)束語

在建筑配電系統(tǒng)中采用“光儲(chǔ)直柔”技術(shù)已創(chuàng)建多個(gè)示范工程，但尚未在高鐵車站建設(shè)中構(gòu)建“光儲(chǔ)直柔”配電系統(tǒng)。隨著光伏發(fā)電技術(shù)的發(fā)展及儲(chǔ)能技術(shù)市場(chǎng)化推進(jìn)，以及直流配電關(guān)鍵技術(shù)的突破，越來越多的建筑會(huì)選用“光儲(chǔ)直柔”配電系統(tǒng)。高鐵車站因其特殊的場(chǎng)地布局、建筑結(jié)構(gòu)和用電負(fù)荷等特點(diǎn)，更適合構(gòu)建“光儲(chǔ)直柔”配電系統(tǒng)，但目前該技術(shù)仍有好多局限，如直流供電故障監(jiān)測(cè)、關(guān)鍵設(shè)備研制和標(biāo)準(zhǔn)不完善等問題，距離大范圍推廣工程實(shí)踐應(yīng)用還需要積累更多的建設(shè)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。