軌道交通車輛基地交直流混合微電網的應用模式研究*

陳夕洋, 張劉海, 朱國皓, 陳錦清, 季頎淞, 顏 哲, 張永明

(1.上海地鐵維護保障有限公司物資和后勤分公司, 上海 201106;2.上海航天智慧能源技術有限公司, 上海 201114;3.福州職業技術學院, 福建 福州 350108;4.同濟大學, 上海 200092)

0 引 言

近幾年,我國城市軌道交通建設發展迅速,截至2022年底,中國(除港澳臺地區外)共有55個城市開通城市軌道交通運營線路308條,運營線路總長度10 287.45 km[1]。其中,地鐵運營線路8 008.17 kW,占比77.84%;全國城軌交通總電能耗227.92億kW·h,同比增長6.89%。其中,牽引能耗113.15億kW·h,能耗占總電能耗的比為49.65%,其他輔助設施在系統總能耗中占比高達50.35%[1],主要為軌道交通場站等建筑用能,有關軌道交通系統的能耗問題,已經有大量研究聚焦于列車能耗及其節能措施,有關輔助設施能耗研究卻相對較少。除地鐵車站外,車輛基地作為軌道交通地上占地面積最大的組成部分,且能耗往往高于同類建筑平均水平[2]。中國目前已投運車輛基地將近500座[1],針對該類建筑采取節能措施將對降低軌道交通系統能耗產生重大意義。

車輛基地是軌道交通系統的重要組成部分之一,根據其功能特點,城市軌道車輛基地通常有車輛段、停車場、檢修庫、運用庫、牽混所、變壓器室、綜合樓等組成[3],所以能耗問題本質上仍屬于建筑節能的研究范疇。隨著光伏系統與之配套的設備發展,建筑的節能研究從早期基礎動力照明等建筑機電設備的優化,轉移到對光伏系統利用上[4]。由于城市用地緊張,城市軌道基地都設在離市區較遠的郊區,基地周圍高層建筑物較少,因此若在此處建設光伏發電系統,光伏組件不易被遮擋,其發電性能能夠得到保障[5],應用條件極佳[6]。文獻[7]提出了光伏電池系統的多目標混合線性規劃模型,以實現軌道基地建筑的近零碳排放。對軌道交通車輛基地光伏技術的應用現狀與發展潛力進行分析,結果表明在車輛基地推廣建筑光伏系統具備可行性與實際價值[8-9];在工程實踐方面,目前全國已經有大量車輛基地光伏建設成功的案例,通過自發自用、余電上網的光伏發電應用模式,有效降低了軌道交通建筑的總體能耗。

盡管目前基于車輛基地的光伏發電項目建設已較為成熟,然而光伏系統所產生的電力必須經過交直流變換環節才能夠使用,隨著終端用能電氣化水平的不斷提高,繁瑣的交直流變換勢必造成不必要的損耗[10]。本文基于“直流微電網”新型建筑供配電系統的概念,為光伏發電在基地建筑尋求更高效的利用方式,進而推動行業節能減碳進程。

1 軌道車輛基地現狀

1.1 基地概況

城市軌道車輛基地通常由車輛段、停車場、檢修庫、運用庫、牽混所、變壓器室、綜合樓等組成,具有車輛管理、停放、檢修、清洗以及其他輔助功能。本文分析上海市某車輛基地工程實例的“直流微電網”配電系統,體現分布式光伏系統和儲能優化設計的過程及特點,為實際項目的光儲系統設計提供理論和實際依據,從而推動軌道車輛基地系統優化配置。上海某車輛基地平面布置示意圖如圖1所示。該基地位于3號線南端,毗鄰上海南站交通樞紐,承擔3號線部分車輛的停車列檢工作,占地約180畝,基地內設有停車列檢庫、綜合辦公樓、員工宿舍及其他配套設施,多為多層建筑。

圖1 上海某車輛基地平面布置示意圖

1.2 車輛基地建筑負荷特性

目前全國已有許多車輛基地完成了光伏項目建設,2022年8月中國城市軌道交通協會發布了《中國城市軌道交通綠色城軌發展行動方案》。該行動方案用以指導城軌交通行業綠色轉型工作,為“直流微電網”系統應用提供了良好的先決條件。

從用能場景的角度講,在前期節能改造工程中,本次案例基地建筑照明系統已更新為直流LED照明設備,已建有若干個直流充電樁,并且直流充電樁可以作為柔性負荷,該基地內還有洗車間污水處理系統等也可以作為柔性負荷,基于以上條件,討論光伏發電系統并入原有交流系統的方案。

2 軌道車輛基地光伏并網方案

2.1 建筑直流微電網

建筑“直流微電網”系統,是指以光伏發電、儲能調節、直流配電及儲能電網結構配與能源管理系統(EMS)。特色在于,光伏發電直接采用直流供電和用電,基于光伏發電受客觀因素影響較大,在系統中配有柔性調節系統,柔性系統包括儲能蓄電池和柔性負荷,柔性負荷是指從電網的取電量可以根據電網的供需關系在較大范圍內調節,用電設備具備可中斷、可調節的能力,使建筑用電需求從剛性轉變為柔性[11]。增加了EMS能源管控系統,使柔性調節更加智能化,可以根據天氣預報,測算發電量,進而調節軌道交通基地內柔性負荷工作時間,如充電樁、蓄電池、污水池凈化設備等柔性負荷可以在發電量充足時間使用。

直流微電網無須考慮頻率問題,能夠有效隔離交流側擾動和故障,系統運行可控性及可靠性大大提高。此外,直流微電網是能夠減少變流環節和換流器的使用數量,降低功率損耗和成本,提高供電效率的新型建筑零碳電力系統,基于直流配電技術,通過光伏與儲能為建筑提供穩定可靠的電力供應,同時結合柔性負荷調控策略增強建筑用能彈性,進而實現以新能源發電為主體的低碳建筑用能目標。

2.2 現有光伏系統交流并網方案

電力系統一般由電源,用戶以及電力網組成。在光伏軌交基地系統中,電源一般由市政電源、光伏電源和儲能電源組成。用戶端包括照明系統,動力系統,牽引系統等機電設備。軌道交通車輛基地典型供配電結構與光伏交流接入模式如圖2所示。太陽能經光伏組件轉化為直流電能,由組串式逆變器匯集并逆變為交流電,然后由升壓便器進行升壓,經過光伏匯集、逆變整流后并入高壓側(35 kV、10 kV)或低壓側(0.4 kV),光伏交流并網應用較為普遍,范圍廣泛、控制策略相對成熟。

圖2 軌道交通車輛基地典型供配電結構與光伏交流接入模式

2.3 光伏系統直流微電網方案

由于光伏發電為直流電量,在此次設計基地改良系統中存在直流設備(如充電樁、蓄電池、LED燈等),配電網是交流的,電能變化形式為直流-交流-直流,無形中電能在交直流變化過程中造成能量損耗。這時考慮采用直流微電網供電系統,首先用直流無須考慮母線電壓的相位、頻率等問題;其次直流輸電形式傳送電能,無須考慮交流電網中的無功損耗和渦流損耗,使得直流微電網損耗降低;最后直流微網減少交流并網逆變器,有效地減少了變流器的數量和容量,具有較高的效率和較好的經濟性。軌交基地直流微電網光伏接入模式如圖3所示。由圖可見,該系統為交直流混合系統,保留交流供電,增加直流系統;光伏系統通過DC/DC變換器接在375 V直流母線上,直流母線通過AC/DC變換器與降壓變電所0.4 kV母線相連,光伏發電采用非逆流并網模式,從而避免因光伏接入占用變壓器容量的問題。在建筑用能側,大功率直流用電設備(直流電動機)接入375 V直流母線,而小功率直流設備(如敷設范圍比較近照明、電子設備等)則直接接入低壓48 V母線,進一步保證用電安全性,并配備儲能系統以穩定直流母線電壓。

圖3 軌交基地直流微電網光伏接入模式

3 軌道車輛基地交直流混合供電主接線設計

本文以上海某軌交基地直流微電網光伏主接線主線方案設計為例:擬0.4 kV和10 kV并網,自發自用,余量上網。公共連接點、并網點設于配電室10 kV母線(并網方式,并網點、公共連接點、計量表安裝位置以電力部門接入方案為準)。廠區內原配電房高壓室內需增設光伏并網進線柜。

本文接線設計按照直流微電網的拓撲結構(見圖3)設計。主要負荷牽引系統:直流1.5 kV牽引負荷;建筑系統:① 大功率直流負荷:汽車充電樁、現有系統內更新直流電機、儲能系統等;② 直流小功率負荷:LED照明、移動電源、智能化控制系統等直流設備;③ 交流負荷:多聯機空調、水泵、通風、電熱泵、電梯、插座等交流設備。車輛基地直流微電網系統接線圖如圖4所示。車輛基地交直流混合供電主接線圖如圖5所示。光伏發電系統、儲能、辦公干線均采用直流375 V供電電壓,公共照明、應急照明直流設備等辦公用電水平干線等采用直流375 V供電電壓,末端(就近)辦公用房直流負荷采用48 V特低安全電壓供電,對于原有的交流設備按照原設計。

圖4 車輛基地直流微電網系統接線圖

圖5 車輛基地交直流混合供電主接線圖

基地其屋頂可利用總面積約為3.2萬m2,考慮到采光天窗、屋頂排水溝、屋頂設備以及光伏組件布置工藝的要求影響,屋頂面積的可利用系數為0.7,可布置8 671塊單晶硅光伏550 Wp組件,尺寸為2 278 mm×1 134 mm×35 mm(敷設時考慮結構荷載復核),容量約為4.7 MWp。由NASA監測提供的資料顯示,上海市太陽輻射均值為14.52 WJ/m2,年峰值日照小時數為1 179.35 h,疊加組件衰減成本,在光伏組件20年生命周期內,平均年發電量為501.02萬kWh;根據案例提供軌交基地2019—2022年全年用電量分攤表計算出年平均用電量為131.75萬kWh。由于發電量大于系統用電量,光伏余電上網僅作用于軌交系統的輔助建筑設備,對電網的沖擊比較大,牽引系統與軌交系統的時空耦合度比較高,因此增加光伏直流供電牽引系統。

4 軌道車輛基地直流微電網的控制策略

供配電系統平衡根據系統實時電壓U進行調節,電壓處于要求的上限電壓Umax和下限電壓Umin之間,則該系統維持平衡。當某用電設備試圖增大功率,而此時系統汲取的功率P還處于原有狀態,則用電設備電壓下降,由于現有用電系統為并聯系統,此時所有設備的電壓下降即設備功率下降,系統處于動態平衡狀態,當電壓超過Umin下限時,用戶側將從供電側汲取能量,從而升高U,使得U介于Umax和下限電壓Umin之間;反之,如果各用電設備功率下降,從而使總功率低于P,母線電壓升高,各用電設備就會根據電壓的升高自動加大自身的用電功率,這樣,從外網取電的功率就會重新平衡在P值上。

上述直流微電網入網(見圖3)系統架構中,光伏作為主要電力來源,直接作用于系統的直流設備(含直流蓄電池),當系統發電量充足時,需要借助DC/AC逆變器供給系統內交流設備,或者采用高壓上網牽引系統維持用電平衡;當用電系統無法依靠自身調節能力保持平衡時,可以通過向外部電網恢復用能平衡,系統功率平衡表達式為

Pv+P0=Pfa+Pfd+Pd+Pa+Pc

(1)

式中:P0——光伏發電功率;Pv——電網取電功率;Pfa——柔性交流負荷功率;Pfd——柔性直流負荷功率;Pa——基礎交流負荷功率;Pd——基礎直流負荷功率;Pc——直流儲能電池的充放電功率,充電為正,放電為負。

系統控制邏輯的目標為維持上述功率平衡,此外,為了延長電池使用壽命,應限制電池SOC充放電閾值與最大功率,如下式所示:

SOCmin≤SOC(t)≤SOCmax

(2)

|Pc|≤Pc,max

(3)

式中: SOCmin——SOC放電下限與充電上限;SOCmax——SOC放電下限與充電上限;Pc,max——電池充放電最大功率。

智能調控程序針對系統內用電負荷進行柔性調節,從而進一步提高用電彈性,降低儲能電池負擔。當出現用電緊張時根據負荷優先度的大小決定負荷削減順序,由此可以得到系統整體控制邏輯。直流柔性負荷的系統控制邏輯圖如圖6所示。

當光伏系統發電首先作用于系統中直流設備,發電量大于直流用電設備時,如果系統直流柔性負荷是處于工作狀態,且蓄電池狀態為滿情況下,那么光伏發電通過逆變器0.4 kV供給交流設備,邏輯與直流類似;當光伏系統發電量超過系統中交直流所有的設備用電量時,則采取高壓上網10～35 kV牽引系統維持用電平衡;當光伏發電處于少量狀態,通過智能能源管控系統實時監測并預判直流系統發電與用電的差值;當發電功率與直流用電量功率不平衡時,通過比較負荷優先度對負荷依次進行柔性調控,僅憑儲能與柔性負荷調節無法平衡時,若電池SOC有電狀態,則通過儲能電池供電,如果發電量不足且電池已經達到放電下限,則需要借助AC/DC變換器進行外部供電,直至系統功率重新恢復平衡;而當發電量恢復充足時,首先監測是否存在柔性負荷處于削減狀態并優先恢復其功率,當所有負荷重新恢復到正常工作狀態后,若發電量仍有結余,則通過儲能電池消納多余電量;當電池充滿后發電量仍有剩余時,將采取逆變上市政電網措施,交流系統類似。

5 結 語

本文總結了目前有關軌交基地建筑的節能研究現狀,并基于“直流微電網”建筑的概念,討論了不同拓撲結構形式下,從原理到應用簡述了直流微電網在軌交基地中的研究進展,并對基地改網進行設計,為可再生能源發電接入軌道交通建筑研究提供了參考?，F有車輛基地內設備大多為交流設備,本次案例設計所提出的系統架構仍采用交流為主,直流為輔的混合供配電系統,但隨著建筑電氣化率的不斷提高,未來有希望逐步擴大直流用電規模,逐漸形成以直流為主,軌交基地交直流混合供電有望成為未來綠色低碳的供電模式,與現有光伏發電交流接入模式比較,本項目提出的交直流混合供配電系統具有能效高與低碳效益,可為軌道交通綠色低碳發展提供技術支撐。