城市軌道交通光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)*

陳 霞 韓春白雪 張 曄 鄧文麗 王 藍(lán) 張 麗 戴朝華

(1. 廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，510010，廣州；2. 西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，610031，成都 ∥ 第一作者，高級(jí)工程師)

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)為“光伏發(fā)電系統(tǒng)”)是利用太陽能電池直接將太陽能轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電系統(tǒng)。將光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的電能供給城市軌道交通車輛及其輔助設(shè)備，不僅能促進(jìn)當(dāng)?shù)乜稍偕茉吹南{，更能緩解城市軌道交通系統(tǒng)的供電壓力，并在降低運(yùn)營(yíng)成本的同時(shí)促進(jìn)“綠色交通”的構(gòu)建，符合建立低碳交通模式的基本國(guó)策[1]。目前，光伏發(fā)電系統(tǒng)在整個(gè)城市軌道交通供電網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用研究相對(duì)較少，因此，有必要對(duì)該系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)，分析將光伏發(fā)電系統(tǒng)接入城市軌道交通供電系統(tǒng)的方案及其技術(shù)問題。

1 城市軌道交通光伏發(fā)電系統(tǒng)的工程應(yīng)用

光伏發(fā)電系統(tǒng)通常以光導(dǎo)照明、車載光伏、光伏電站等形式接入城市軌道交通供電系統(tǒng)。其中，以光伏電站接入城市軌道交通系統(tǒng)為主流，且光伏電站通常以獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)、并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)、獨(dú)立/并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)等3種形式接入城市軌道交通系統(tǒng)。

1.1 各種工程應(yīng)用形式的特點(diǎn)

光導(dǎo)照明是一種無電照明系統(tǒng)，具有節(jié)能安全、采光面積小等特點(diǎn)，但受天氣和位置影響較大，適用于頂層建筑、地鐵上蓋建筑等場(chǎng)所[2]。

車載光伏發(fā)電系統(tǒng)通常是將光伏組件鋪設(shè)于車體上方，其適用于在郊區(qū)地面運(yùn)行的市郊軌道交通。車載光伏發(fā)電系統(tǒng)可供車內(nèi)照明用電或作為輔助系統(tǒng)的電源，但其發(fā)電面積受到車體限制。

光伏電站的3種形式中，獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)電能直接給負(fù)載供電，負(fù)載與供電系統(tǒng)完全斷開，且通常配置儲(chǔ)能。此種形式控制策略簡(jiǎn)單，但供電可靠性較差。獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)適用于負(fù)載容量較低，且供電可靠性要求較低的站內(nèi)三級(jí)負(fù)荷、一般照明負(fù)荷等，其安裝位置可選在城市軌道交通出入口及車輛段外需要照明的路段。

并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)分為無逆流型和逆流型兩種。前者為自發(fā)自用，即只向負(fù)載供電；后者為自發(fā)自用、余電上網(wǎng)，即向負(fù)載供電后剩余電能饋入電網(wǎng)。無逆流并網(wǎng)模式需添加限流器，以限制電流反向流入電網(wǎng)。該模式控制較簡(jiǎn)單，但對(duì)負(fù)荷匹配要求高，一般配置儲(chǔ)能，在光伏發(fā)電容量與負(fù)荷規(guī)模相當(dāng)?shù)膱?chǎng)所使用，如高架車站及部分規(guī)模較大的車輛段。逆流并網(wǎng)模式可實(shí)現(xiàn)富裕電能上網(wǎng)，適用于光伏容量大、剩余電能較多的場(chǎng)所[3]，如大型車輛基地。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)與城市軌道交通供電系統(tǒng)共同為負(fù)載供電，其可靠性校高。

根據(jù)不同工況，獨(dú)立/并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)可運(yùn)行在獨(dú)立和并網(wǎng)兩種模式下。該發(fā)電系統(tǒng)將城市軌道交通供電系統(tǒng)作為光伏電源的備用，在負(fù)載進(jìn)線處設(shè)置電源切換裝置。在保證供電可靠性的前提下，由光伏發(fā)電系統(tǒng)給負(fù)載供電；當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)電能不足時(shí)，即投入使用城市軌道交通供電系統(tǒng)。獨(dú)立/并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)適用于光、儲(chǔ)容量較小和負(fù)荷較低的場(chǎng)所，如高架區(qū)間、高架車站等。

1.2 工程應(yīng)用現(xiàn)狀

光導(dǎo)照明和車載光伏在城市軌道交通中的應(yīng)用相對(duì)較少。廣州地鐵21號(hào)線在水西停車場(chǎng)和運(yùn)營(yíng)指揮中心的地鐵上蓋，安裝了光導(dǎo)照明系統(tǒng)，為運(yùn)用庫、地下室等場(chǎng)所提供照明[4]。中車唐山機(jī)車車輛有限公司正在開發(fā)搭載光伏發(fā)電系統(tǒng)的城市軌道交通新能源車輛[5]，該車輛以光伏發(fā)電系統(tǒng)為主動(dòng)力源為其提供輔助電源。文獻(xiàn)[6]介紹了一種針對(duì)直流電源車輛的光伏發(fā)電系統(tǒng)，采用該光伏發(fā)電系統(tǒng)，每輛客車可在30年內(nèi)節(jié)電31.5萬kWh。

受城市建筑擁擠而空間受限的影響，地鐵工程建設(shè)方通常利用郊外大面積的停車場(chǎng)、車輛段，以及沿線的高架車站等場(chǎng)所鋪設(shè)光伏組件，為不同等級(jí)負(fù)荷供電[7]。根據(jù)安裝位置不同，將光伏電站工程進(jìn)行分類，如表1所示。

表1 光伏電站工程應(yīng)用現(xiàn)狀[10-18]

2 城市軌道交通光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)

城市軌道交通光伏交流并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 城市軌道交通光伏交流并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)示意圖

2.1 光伏交流并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

光伏交流并網(wǎng)發(fā)電方案如圖1中的并網(wǎng)點(diǎn)①、并網(wǎng)點(diǎn)②所示。當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的裝機(jī)容量大于1 MW時(shí)，選擇高壓側(cè)(35 kV)并網(wǎng)；當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的裝機(jī)容量小于1 MW，應(yīng)接入低壓側(cè)(400 V)[8]。兩種方式下的光伏交流并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)[9]，如圖2所示。其中，低壓側(cè)并網(wǎng)系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)單，初始投資低，對(duì)光伏交流發(fā)電系統(tǒng)的容量要求低，但由于電壓等級(jí)低且僅適用于近距離輸電，多見于高架車站和地鐵入口；高壓側(cè)并網(wǎng)電壓等級(jí)較高，能夠降低遠(yuǎn)距離輸電帶來的線路損耗，因此，所需光伏交流發(fā)電系統(tǒng)的容量也較高，適用于大面積車輛基地。

圖2 光伏交流并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

光伏交流并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用普遍，控制策略相對(duì)成熟，并網(wǎng)點(diǎn)處于變電所處，方便光伏發(fā)電系統(tǒng)接入，但運(yùn)行過程中占用牽引變電所容量。在能量管理方面，若采用無逆流并網(wǎng)模式，需加裝儲(chǔ)能裝置以避免大規(guī)模棄光。采用逆流并網(wǎng)模式可省掉儲(chǔ)能裝置，此時(shí)光伏發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)先為負(fù)荷供電，多余電量上網(wǎng)為降壓變電所和臨近牽引變電所負(fù)荷供電。在電能質(zhì)量方面，文獻(xiàn)[10]對(duì)1 MW光伏接入AC 35 kV進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明，輸出電能諧波含量滿足并網(wǎng)要求。為避免光伏交流并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)接入導(dǎo)致系統(tǒng)功率因數(shù)下降，文獻(xiàn)[11]提出采用一種無功功率輸出的方法以提升電能質(zhì)量。

2.2 光伏直流并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

光伏直流并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)如圖1中的并網(wǎng)點(diǎn)③所示。將光伏發(fā)電系統(tǒng)直接接入城市軌道交通供電直流側(cè)，減少了交流到直流的轉(zhuǎn)換損耗[12]。該模式具有電能質(zhì)量高、諧波污染較小、不占用牽引變電站整流裝置容量等優(yōu)點(diǎn)。東日本鐵路公司對(duì)比分析了將光伏接入AC 6.6 kV與DC 1 500 V的功率損耗，結(jié)果顯示，將光伏發(fā)電系統(tǒng)接入DC 1 500 V效果更好[13]。文獻(xiàn)[14]給出了上海軌道交通兩種并網(wǎng)模式下的供電節(jié)能情況，結(jié)果證實(shí)，光伏直流并網(wǎng)模式下節(jié)能倍率更高。

光伏直流并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)需安裝儲(chǔ)能裝置，對(duì)光伏進(jìn)行削峰填谷，并回收再生制動(dòng)能量。城市軌道交通牽引電機(jī)由于頻繁啟動(dòng)、制動(dòng)，而導(dǎo)致網(wǎng)側(cè)電壓波動(dòng)大[15]，控制策略也相對(duì)復(fù)雜。另外，由于初期需投入儲(chǔ)能裝置，造成投資成本較高。

2.3 技術(shù)難題

光伏交流并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)可參考將光伏發(fā)電系統(tǒng)接入配電網(wǎng)系統(tǒng)及鐵路交流牽引系統(tǒng)的情況。文獻(xiàn)[16]綜述了將光伏并網(wǎng)后對(duì)配電網(wǎng)產(chǎn)生的諸如電能質(zhì)量、孤島效益等的影響。文獻(xiàn)[17]通過理論及仿真分析，說明了將光伏發(fā)電系統(tǒng)接入鐵路AC 27.5 kV變電站后對(duì)電能質(zhì)量的影響。目前，國(guó)內(nèi)各城市已有多條線路投入使用光伏交流并網(wǎng)技術(shù)，但由該技術(shù)帶來的具體電氣問題，以及這些問題是否影響供電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，尚缺乏系統(tǒng)分析。

光伏直流并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)需考慮的問題相對(duì)復(fù)雜。文獻(xiàn)[18]總結(jié)了將光伏電站接入城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)本身存在的諸如諧波、電壓偏差等問題，為光-儲(chǔ)并網(wǎng)帶來了挑戰(zhàn)。此外，車輛頻繁制動(dòng)產(chǎn)生大量再生制動(dòng)能量，若不利用儲(chǔ)能裝置進(jìn)行回收，將使母線電壓抬升甚至保護(hù)失效。

目前，將光伏發(fā)電系統(tǒng)接入城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)后，主要面臨以下2大技術(shù)難題。

2.3.1 電能質(zhì)量

牽引網(wǎng)電壓在車輛頻繁起停下承受著極大沖擊，將光伏發(fā)電系統(tǒng)并入后可能造成電壓、頻率越限；加上光伏發(fā)電系統(tǒng)因不具有調(diào)壓、調(diào)頻能力而引起電壓波動(dòng)，這將加大對(duì)牽引網(wǎng)的控制和調(diào)度的難度。

光伏逆變器本就是一個(gè)諧波源。文獻(xiàn)[19]通過仿真分析說明了小容量光伏發(fā)電系統(tǒng)與交流供電系統(tǒng)間的諧波交互影響很小。但直流供電系統(tǒng)采用24脈波整流機(jī)組，會(huì)產(chǎn)生一系列諧波，其與光伏諧波將引發(fā)交互的問題。

光伏發(fā)電系統(tǒng)僅輸出有功功率，將其接入后無疑會(huì)對(duì)系統(tǒng)功率因數(shù)造成影響[20]。若不對(duì)無功功率進(jìn)行補(bǔ)償，將引起功率因數(shù)下降，從而增加額外的功率因數(shù)調(diào)整電費(fèi)。

2.3.2 可靠性與穩(wěn)定性

光伏發(fā)電系統(tǒng)與城市軌道交通供電負(fù)荷均具有時(shí)變性和非線性[21]。供電系統(tǒng)并網(wǎng)后運(yùn)行在雙重不確定性與雙重非線性狀態(tài)下，加上光伏波動(dòng)對(duì)牽引網(wǎng)暫態(tài)的影響，致使供電系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性面臨巨大挑戰(zhàn)，因此，相關(guān)控制策略和負(fù)荷預(yù)測(cè)研究也更加復(fù)雜。

城市軌道交通負(fù)荷的劇烈波動(dòng)及其引發(fā)的電能質(zhì)量問題，均可能導(dǎo)致光伏發(fā)電系統(tǒng)中相關(guān)設(shè)備不正常運(yùn)行甚至發(fā)生脫網(wǎng)事故，這對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的高低電壓穿越能力、設(shè)備過載能力要求也更加嚴(yán)格。

3 光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

按光伏發(fā)電系統(tǒng)接入的城市軌道交通母線類型，將拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分為交流并網(wǎng)拓?fù)渑c直流并網(wǎng)拓?fù)洹?/p>

3.1 光伏交流并網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖3為光伏發(fā)電系統(tǒng)并入城市軌道交通供電交流側(cè)的典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[24]。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不加儲(chǔ)能裝置，光伏發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)DC/DC、DC/AC接入交流母線，并通過控制器進(jìn)行控制。

圖3 光伏交流并網(wǎng)拓?fù)?/p>

光伏發(fā)電系統(tǒng)除經(jīng)升壓逆變接入交流系統(tǒng)外，還能以直流匯集的方式并入。由于光伏直流并網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的并網(wǎng)電壓與城市軌道交通供電系統(tǒng)相一致，因此，可為光伏發(fā)電系統(tǒng)接入AC 35 kV提供借鑒。與圖3中的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，光伏直流并網(wǎng)拓?fù)渚哂袚p耗小、光伏利用率高的優(yōu)點(diǎn)，典型結(jié)構(gòu)如圖4 a)所示[22]。為實(shí)現(xiàn)模塊間的電壓均衡，文獻(xiàn)[23]采用一種串并聯(lián)結(jié)構(gòu)(見圖4 b))，光伏發(fā)電系統(tǒng)以集中式和集散式2種方式，匯集接入直流電網(wǎng)，再經(jīng)電纜、MMC(模塊化多電平變流器)接入35 kV交流系統(tǒng)。

圖4 光伏直流并網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3.2 直流并網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

文獻(xiàn)[24]設(shè)計(jì)了一種新型列車輔助供電系統(tǒng)——光伏-儲(chǔ)能發(fā)電系統(tǒng)(見圖5)。該系統(tǒng)中接入的電壓等級(jí)為DC 600 V，其與有軌電車供電系統(tǒng)采用的DC 750 V相近，具有參考意義。

圖5 光伏-儲(chǔ)能發(fā)電系統(tǒng)接入DC 600 V的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

光伏-儲(chǔ)能發(fā)電系統(tǒng)接入城市軌道交通直流牽引網(wǎng)[25]的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖6所示。文獻(xiàn)[14]在此拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上，提出基于早晚高峰的能量管理策略。

圖6 光伏-儲(chǔ)能發(fā)電系統(tǒng)接入城市軌道交通直流牽引網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

4 未來構(gòu)想

目前，將光伏發(fā)電系統(tǒng)接入城市軌道交通供電系統(tǒng)的研究多集中在1個(gè)牽引變電所下，對(duì)單個(gè)新能源發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行控制。未來將立足于整條線路的多變電所下，將多個(gè)分布式光伏-儲(chǔ)能接入供電系統(tǒng)，形成多電源環(huán)網(wǎng)供電結(jié)構(gòu)。

城市軌道交通線路兩端通常具有占地面積較大的車輛段或停車場(chǎng)，考慮在此接入光伏發(fā)電系統(tǒng)并配備儲(chǔ)能裝置；其余中間變電站均安裝儲(chǔ)能裝置，用以吸收再生制動(dòng)能量、平抑網(wǎng)壓。其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 光伏-儲(chǔ)能發(fā)電系統(tǒng)接入城市軌道交通供電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

文獻(xiàn)[26]以意大利那不勒斯某條實(shí)際運(yùn)行的有軌電車線路為研究對(duì)象，提出在該線路上安裝若干光伏發(fā)電裝置為有軌電車供電，并于線路末端加裝超級(jí)電容，實(shí)現(xiàn)對(duì)終到站再生制動(dòng)能量的回收。

城市軌道交通車輛和電動(dòng)汽車將成為未來城市電網(wǎng)的重要組成部分，為實(shí)現(xiàn)二者結(jié)合，文獻(xiàn)[27]提出將直流微電網(wǎng)應(yīng)用于城市軌道交通供電系統(tǒng)和電動(dòng)汽車充電站，并引入新能源，以構(gòu)建城市綜合交通供電系統(tǒng)。

在能源互聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展的背景下，文獻(xiàn)[28]闡述了交通能源互聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)，倡導(dǎo)構(gòu)建中壓直流牽引供電系統(tǒng)(見圖8)。采用多級(jí)協(xié)調(diào)式能量管理技術(shù)[29]，通過主網(wǎng)級(jí)、區(qū)域級(jí)和設(shè)備級(jí)3級(jí)能量管理系統(tǒng)協(xié)同配合，完成整個(gè)供電系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)運(yùn)行。

圖8 中壓直流牽引供電系統(tǒng)

從1條城市軌道交通線路分布式光伏-儲(chǔ)能發(fā)電系統(tǒng)到1個(gè)城市的綜合交通供電系統(tǒng)，再到整個(gè)國(guó)家由干線鐵路與城市軌道交通構(gòu)成的交通能源互聯(lián)網(wǎng)，體現(xiàn)了綠色能源與軌道交通結(jié)合發(fā)展的進(jìn)程。

當(dāng)前城市軌道交通供電系統(tǒng)是一個(gè)高度成熟的自動(dòng)化系統(tǒng)，但與多種形式的新能源及其他交通系統(tǒng)相聯(lián)后存在諸多問題，如信息采集的開放性和實(shí)時(shí)性不足[30]、系統(tǒng)間協(xié)同控制問題、多變換器環(huán)流問題等。若能實(shí)現(xiàn)技術(shù)攻關(guān)，將構(gòu)想投入應(yīng)用，對(duì)現(xiàn)有城市軌道交通供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行模式將帶來巨大變革。

5 結(jié)論

1) 光伏交流發(fā)電系統(tǒng)接入城市軌道交通供電系統(tǒng)將帶來一系列電氣問題，亟需分析光伏對(duì)供電系統(tǒng)所造成的影響并研究對(duì)應(yīng)策略，使供電系統(tǒng)能良好適應(yīng)。

2) 對(duì)光伏-儲(chǔ)能發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行合理布局及容量配置。研究在網(wǎng)壓劇烈波動(dòng)工況下，光伏-儲(chǔ)能多級(jí)協(xié)調(diào)控制及能量?jī)?yōu)化管理。

3) 研究極端工況下設(shè)備臨界能力，以及繼電保護(hù)的臨界條件與光伏并網(wǎng)位置、容量的關(guān)系，形成一套供電安全性與可靠性的評(píng)價(jià)體系。

4) 新能源接入后的綜合供電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)包括數(shù)據(jù)挖掘處理技術(shù)、調(diào)度與規(guī)劃技術(shù)、協(xié)同管理及控制技術(shù)、環(huán)流抑制技術(shù)等。