談城市軌道交通光伏發電系統研發

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摘要：濟南地鐵建設與光伏發電相結合，不僅起到節能降耗作用，也極大降低運營成本，凸顯“綠色交通”的理念。文章通過分析、比較兩種光伏并網方式的特點，結合濟南地鐵實際建設情況，在正線及車輛段設計光伏發電系統。將光伏發電與0．4kV低壓系統結合，為低壓系統提供能源。新型光伏發電系統研發經現場應用及評估，最終達到節能降耗作用，為后續地鐵建設及光伏發電應用提供科學依據。

關鍵詞：光伏發電；綠色交通；0．4kV低壓系統

引言

目前，軌道交通耗電量大、污染環境等問題已引起軌道交通行業關注。隨著光伏發電技術在各個領域應用，發電及節能效果突出，軌道交通行業也逐步開始探索、利用光伏發電技術。在地鐵車輛段、停車場的屋頂及高架車站的頂部裝設光伏板來發電，已成為軌道交通節能降耗邁向“綠色交通”的一種新常態。濟南地鐵建設與光伏發電相結合，不僅起到節能降耗作用，也極大降低運營成本，凸顯“綠色交通”的理念。光伏發電的原理是將半導體電子器件（太陽能電池）吸收的太陽光，通過特殊逆變器轉變成電能，這也是目前太陽能發電的主要形式。其具有節約能源、減少環境污染、可持續發電等優勢。屋面單晶硅太陽能光伏組件將太陽光輻射能源轉換為電能，經直流電纜將電能饋至站臺層光伏設備室的光伏逆變器，再通過逆變器的交直流轉換，逆變為380V交流電，最終通過交流并網柜并入變電所0．4kV低壓系統中。光伏發電系統電能可供給消防設備、動力照明設備、門梯設備等。車站所有低壓用電負荷，當光伏發電量不夠或不能發電時由0．4kV供電系統補充。

1并網方式比較

光伏并網方式有兩種，一種是離網式發電，另一種是并網式發電。離網式發電系統包含蓄電池組和特殊逆變器等設備。在光照充足的晴天，光伏發電發出的能源供負載使用。同時，剩余的能量存儲在蓄電池組中；陰雨天或夜間，蓄電池組將電能通過特殊逆變器逆變為交流電，為負載使用。當蓄電池組內的容量到達設定的下限值時，負載將通過轉化裝置自動且無擾動地投切到0．4kV低壓系統中。離網發電常常用于遙測、監測、通信設備等系統，不發達地區的路燈和集中供電系統也常常使用離網發電方式。并網發電將直流電通過特殊逆變器轉化為符合電網標準的交流電，之后直接接入市電網絡。在夜間或光照不足的陰天，光伏發電系統不產生電能或產生的電能與負載的需求相差甚遠，因此負載由0．4kV低壓供電系統供電。并網發電將電能直接輸送至低壓供電系統，省去蓄電池組儲能、釋放的中間環節。并網發電可以將太陽能轉換電能的利用率大大提高，減少中間環節能量的損耗，且極大地減少設備運維成本。并網發電系統利用專用的特殊逆變器，保證輸出電能的各項指標滿足市電對電能、電壓、電流等重要指標需求。由于特殊逆變器也會存在效率問題，并網發電系統中仍然會有能量消耗。在并網發電系統中，負載的電源為0．4kV供電系統和太陽能光伏組件陣列，這種電源系統極大降低負載系統的缺電率，且公用電網的“峰平谷”也可實時、動態調節。但是并網發電系統也是分散式發電系統中的一種，會影響集中供電電網電能質量（包含孤島效應、諧波污染等），需要供電系統有處理諧波設備、技術。濟南地鐵太陽能光伏發電系統在控制中心、高架區間、車輛段等地段采用并網發電方式。

2設計方案

本次濟南軌道交通光伏發電站設計8座，其中7座在高架站上，1座在車輛段綜合樓上。光伏發電系統設計為8個分布式子系統，采用模塊化設計、各站點集中并網方案。接入子系統按照“就地平衡消納”的原則設計，采用自發自用方式并網。通過前期調研、容量計算，光伏發電系統裝機容量設計為940．5kWp。8個分布式子系統裝機容量分別設計為：池東站裝機容量63．6kWp，前大彥站裝機容量129．6kWp，車輛段站裝機容量111．3kWp，園博園站、大學城站、趙營站、玉符河站、紫薇路站裝機容量都為127．2kWp。濟南軌道光伏電站設計8個子系統，設計原理如圖1所示。各站分布式光伏發電系統每個發電單元的組件都采用串并聯的方式組成多個太陽能電池陣列，池東站安裝265Wp多晶硅組件240塊，前大彥站安裝270Wp多晶硅組件480塊，大學城站、紫薇路站、趙營站、玉符河站、車輛段各安裝265Wp多晶硅組件480塊。太陽能電池陣列輸入光伏組串式并網逆變器（光伏發電室內），通過一路交流電纜連接逆變器柜和0．4kV并網計量柜（0．4kV配電室內）。池東站有2臺36kW逆變器，其它子系統各有4臺逆變器。光伏發電通信傳輸方式為冗余通信設計，即通過本地綜合監控系統，光伏系統各類信號上傳至地鐵主干光纖環網（冗余環網），從而傳入OCC（地鐵控制大廳）后臺，為電力調度提供光伏發電數據。具體實現方式如下：逆變器組、電能采集表、環境檢測儀及交流匯流柜的各類遙信、遙測、遙控信號通過RS－485串口，上傳至牽引降壓混合變電所綜控屏柜內數據采集器，采集器與主干環網交換機連接，實現與PSCADA（電力監控系統）通信，最終光伏系統信號傳入地鐵綜合監控系統。光伏系統的電量顯示設計為“三地顯示”，具體為：在光伏室內，電度表實時采集數據在工控機采集頁面實時顯示（頁面包含歷史數據曲線、月度分析數據及環境監測信息等），且室內液晶屏同步顯示各類信息；光伏發電系統通過RS－485通信與地鐵系統現場總線相連，最終實現各站臺顯示屏實時顯示光伏發電量，為行車值班人員提供發電數據；由于光伏系統信號通過采集器、交換機等設備傳入主干光纖環網，電力調度及運營管理人員即可在遠方調度室，通過調度室大屏觀察到光伏發電量、環境監測信息等，方便運行管理人員統計、分析光伏發電數據，為運營決策者提供基礎數據。

3總結及后續設計

濟南軌道交通集團光伏發電項目現在正處于初期探索階段，由于1號線太陽能發電效果良好，且效益凸顯，今后會繼續調研，確定濟南軌道交通其它線路是否可以布置光伏發電系統。后續光伏設計項目將從以下部分考慮。（1）濟南東車輛段、停車場、檢修庫及相關辦公樓頂部裝設光伏板。標準檢修庫面積為19000～34000mm2，依照現有技術水平，太陽能光伏組件陣列安裝容量為98W／mm2，車輛段、停車場、檢修庫及相關辦公樓頂部都可以裝設光伏發電系統，房屋利用率如果依照49％計算，標準檢修庫的裝機容量為0．9～2MW。（2）濟南軌道交通集團控制中心應用方案，控制中心位于濟南市高新區奧體西路繁華地段，建筑高度約50m，地理位置、周邊環境有絕對的優勢。太陽能光伏幕墻在控制中心四周都可以應用。幕墻可設置LED廣告牌。在白天，太陽能幕墻可以吸收太陽能，能源將通過特殊逆變器逆變后將電能存儲于蓄電池組中（控制中心可設計為離網發電方式）；到了傍晚，蓄電池組輸出電能，使LED發亮，為地鐵集團提供額外廣告收益。

參考文獻

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［3］陳杰．能源管理中心的應用［J］．自動化應用，2016（3）．

作者：丁鑫 單位：濟南軌道交通集團有限公司運營分公司