余電不上網(wǎng)情況下單線鐵路10kV電力系統(tǒng)中 綠電替代方案的研究

張新星

中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司，北京，102611

0 引言

鐵路作為我國的主要交通運輸通道，截至2021年底，中國電氣化鐵路總里程已達(dá)15萬千米，電氣化率為73.3%，電力機車保有量達(dá)1.35萬臺[1]。如果能夠?qū)⒕G色電能應(yīng)用于鐵路的生產(chǎn)生活系統(tǒng)，來替代部分或全部鐵路用電電能，將為推動碳中和目標(biāo)的實現(xiàn)提供很大的助力。目前，綠色電能在鐵路中的應(yīng)用主要集中在“網(wǎng)-源-儲-車”及鐵路貫通線中的技術(shù)研究[2]。對于綠色電能余電不上網(wǎng)情況下的綠色能源的應(yīng)用研究卻少之又少，而我國部分地區(qū)規(guī)定“配套建設(shè)的新能源項目，建成后生產(chǎn)的電量，需由新增用電負(fù)荷全部消納”。基于以上前提，本工程以新疆某電氣化鐵路為例，對鐵路沿線10kV配電所用電需求進行了詳細(xì)分析，提出了多種綠色電能替代方案，并對比了各方案的收益比及可實施性，得出了最佳綠色電能替代方案，可為后期相似工程提供綠電方案思路。

1 新疆地區(qū)綠色能源概述

新疆地區(qū)資源稟賦明顯，風(fēng)能資源總儲量、太陽能年輻射照度總量均居全國前位。近年來，新疆大力發(fā)展綠色能源產(chǎn)業(yè)，先后建成多處新能源發(fā)電基地，截至目前，新疆電網(wǎng)綠色能源裝機容量累計達(dá)到3806.425萬千瓦，占新疆電網(wǎng)裝機總量的34.64%，其中風(fēng)電裝機容量2490.825萬千瓦、光伏裝機容量1315.6萬千瓦[3]。

新疆是我國少數(shù)幾個風(fēng)能資源豐富的省區(qū)，由于“三山夾兩盆”的地形形成了新疆風(fēng)多、風(fēng)大的氣候特點。其風(fēng)能資源技術(shù)可開發(fā)量達(dá)到7.8億千瓦，占全國技術(shù)可開發(fā)量的17%，排全國第二。新疆維吾爾自治區(qū)擁有豐富的太陽能資源，其長時間的日照和高水準(zhǔn)的太陽輻射為光伏應(yīng)用和太陽能資源的開發(fā)提供了有利條件，為新疆和全國的新能源發(fā)展提供了重要的資源基礎(chǔ)[4]。

隨著新疆清潔能源開發(fā)步伐的加快，疆電外送綠色能源占比逐步提高，新建地區(qū)開展電氣化鐵路電力系統(tǒng)綠電研究有先天性優(yōu)勢。

2 鐵路10kV供電系統(tǒng)用電特性分析

鐵路10kV供電系統(tǒng)一般由鐵路10kV配電所、10kV貫通線以及10/0.4kV變配電設(shè)備構(gòu)成，主要為鐵路沿線生產(chǎn)生活設(shè)備提供電能。單線電氣化鐵路每座10kV配電所容量在1500kVA～4000kVA不等。本次基于擬建鐵路老爺廟—三塘湖—淖毛湖—煙墩鐵路開展研究，該鐵路全線電力負(fù)荷年用電量總計為134584MWh，典型配電所年用電量為16823MWh。單座10kV配電所日用電曲線如圖1—圖4所示。

圖1 春季配電所負(fù)荷日用電曲線

圖2 夏季配電所負(fù)荷日用電曲線

圖3 秋季配電所負(fù)荷日用電曲線

圖4 冬季配電所負(fù)荷日用電曲線

從用電特性曲線上看，隨著季節(jié)的變化，配電所的日負(fù)荷量也隨之變化。春夏季用電負(fù)荷較平均，秋冬季用電量較大。配電所整體用電時段全天覆蓋，在早上8點～晚上7點之間，用電量居高不下，在晚間逐漸回落。

3 綠電替代方案

根據(jù)新疆地區(qū)綠色電能政策，配套建設(shè)的新能源項目，建成后生產(chǎn)的電量，需由新增用電負(fù)荷全部消納。故本文僅研究綠電不上網(wǎng)的方案。

3.1 光伏全消納不上網(wǎng)方案

本方案以綠色電能100%消納、余電不上網(wǎng)為前提，測定配電所的安裝容量。經(jīng)仿真測算，擬按每個配電所附近設(shè)置2.7MWp裝機容量，消納率可接近100%。

采用PVsyst軟件進行仿真模擬，全年各月逐時發(fā)電仿真曲線與用電曲線對比如圖5—圖10（上部紫色曲線為用戶用電曲線，下部暗紅色曲線為光伏出力曲線）所示。

圖5 1 月典型日發(fā)電及用電曲線對比圖

圖6 3 月典型日發(fā)電及用電曲線對比圖

圖7 5 月典型日發(fā)電及用電曲線對比圖

圖8 7 月典型日發(fā)電及用電曲線對比圖

圖9 9 月典型日發(fā)電及用電曲線對比圖

圖10 11 月典型日發(fā)電及用電曲線對比圖

利用PVsyst軟件進行消納計算。經(jīng)模擬對比各個月日典型發(fā)電量與用電曲線之間的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，每日光伏所產(chǎn)生所有電量均被用戶全部消納。

10kV配電所供電臂整體區(qū)間光伏裝機容量為2.7MWp時，年均發(fā)電量4995878kWh，其中4967028kWh電量用于自消納，其余棄用，自發(fā)自用率=4967028kWh/4995878kWh=99.4%。經(jīng)測算本方案度電成本為0.2415元/kWh。投資財務(wù)內(nèi)部收益率（所得稅后）為10.43%，資本金財務(wù)內(nèi)部收益率26.28%，方案收益比很高。

另測算3.5MWp自發(fā)自用率為97.7%，4MWp自發(fā)自用率為93.7%，可見2.7MWp光伏裝機容量為最優(yōu)方案。

3.2 風(fēng)光儲協(xié)同最大化替代外部電源方案

太陽能和風(fēng)能在時間和地域上都有很強的互補性，陽光最強時一般風(fēng)很小；而在晚上沒有陽光時，由于溫差比較大，空氣的流動導(dǎo)致風(fēng)的形成。因此，本方案利用風(fēng)光互補特性，配套儲能系統(tǒng)進行研究。

本方案立足于余電不上網(wǎng)前提下，最大程度地解決全線電力負(fù)荷134584MWh年用電量的供給，每個典型區(qū)間為16823MWh用電量。經(jīng)過測算，每個區(qū)間分別配置一組4MW風(fēng)力發(fā)電+4MW光伏發(fā)電+2.4MW/19.2MWh磷酸鐵鋰儲能系統(tǒng)。

根據(jù)10kV配電所供電臂整體用電特性，采用按季節(jié)調(diào)整的每日恒用電模型，進行測算如下。本次選取一個典型配電區(qū)間進行測算，測算模型按4MW風(fēng)力發(fā)電+4MW光伏發(fā)電+2.4MW/19.2MWh磷酸鐵鋰儲能系統(tǒng)配置。經(jīng)過計算，此配置在理論上可極大程度地替代外電源網(wǎng)絡(luò)，風(fēng)光儲三種發(fā)電方式相互補位，最大限度地將綠色能源應(yīng)用于電力供應(yīng)。這可以在一定程度上有效彌補鐵路途經(jīng)弱電源地區(qū)的電力資源不穩(wěn)定問題。但本方案度電成本約為0.4334元/kWh。度電成本較高，經(jīng)濟性差[5]。

3.3 風(fēng)光儲協(xié)同部分替代外部電源方案

本方案在考慮方案一的全消納及方案二的全綠電的基礎(chǔ)上考慮相結(jié)合的方案三。本方案立足于全消納的基礎(chǔ)上，配以適當(dāng)?shù)膬δ茏稣{(diào)節(jié)，盡可能實現(xiàn)較大比例的綠電替代規(guī)模。根據(jù)用電特性分析中的用電量可知，全線在光伏出力時段（7：00-16：00）的用電占比為50%，其余時段用電占比為50%。經(jīng)測算，考慮布置2MWp的光伏裝機容量，另配置2MW的風(fēng)力發(fā)電，在光伏出力時段，風(fēng)光出力1∶1配比，配合儲能系統(tǒng)的作用，提供平滑的供電曲線。在非光伏時段，風(fēng)機及儲能系統(tǒng)協(xié)調(diào)作用，提供夜間電力保障。經(jīng)過測算，每個區(qū)間配置一組2MW風(fēng)力發(fā)電+2MW光伏發(fā)電+2MW/4MWh磷酸鐵鋰儲能系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)電能全部消納，且度電成本小于0.3357元/kWh。

4 結(jié)論

光伏全消納不上網(wǎng)方案在綠色電能全消納、無棄電、無需上網(wǎng)的前提下，經(jīng)濟性最好，但綠色電能替代率較低，僅為30%。風(fēng)光儲協(xié)同最大化替代外部電源方案采用風(fēng)光儲結(jié)合的方式，可100%替代鐵路10kV電能，但因儲能系統(tǒng)規(guī)模較大，經(jīng)濟性差。風(fēng)光儲協(xié)同部分替代外部電源方案：綠電率可達(dá)到43%，且投資回報率較好。綜上分析，在單線鐵路10kV電力系統(tǒng)中余電不上網(wǎng)情況下，綠色電能全部替代公共電網(wǎng)方案可實施性較差，風(fēng)光儲協(xié)同部分替代外部電源方案為優(yōu)選方案。