談城市軌道交通光伏發(fā)電系統(tǒng)研發(fā)
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摘要：濟(jì)南地鐵建設(shè)與光伏發(fā)電相結(jié)合，不僅起到節(jié)能降耗作用，也極大降低運(yùn)營(yíng)成本，凸顯“綠色交通”的理念。文章通過(guò)分析、比較兩種光伏并網(wǎng)方式的特點(diǎn)，結(jié)合濟(jì)南地鐵實(shí)際建設(shè)情況，在正線(xiàn)及車(chē)輛段設(shè)計(jì)光伏發(fā)電系統(tǒng)。將光伏發(fā)電與0．4kV低壓系統(tǒng)結(jié)合，為低壓系統(tǒng)提供能源。新型光伏發(fā)電系統(tǒng)研發(fā)經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及評(píng)估，最終達(dá)到節(jié)能降耗作用，為后續(xù)地鐵建設(shè)及光伏發(fā)電應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。
關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電；綠色交通；0．4kV低壓系統(tǒng)
引言
目前，軌道交通耗電量大、污染環(huán)境等問(wèn)題已引起軌道交通行業(yè)關(guān)注。隨著光伏發(fā)電技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用，發(fā)電及節(jié)能效果突出，軌道交通行業(yè)也逐步開(kāi)始探索、利用光伏發(fā)電技術(shù)。在地鐵車(chē)輛段、停車(chē)場(chǎng)的屋頂及高架車(chē)站的頂部裝設(shè)光伏板來(lái)發(fā)電，已成為軌道交通節(jié)能降耗邁向“綠色交通”的一種新常態(tài)。濟(jì)南地鐵建設(shè)與光伏發(fā)電相結(jié)合，不僅起到節(jié)能降耗作用，也極大降低運(yùn)營(yíng)成本，凸顯“綠色交通”的理念。光伏發(fā)電的原理是將半導(dǎo)體電子器件（太陽(yáng)能電池）吸收的太陽(yáng)光，通過(guò)特殊逆變器轉(zhuǎn)變成電能，這也是目前太陽(yáng)能發(fā)電的主要形式。其具有節(jié)約能源、減少環(huán)境污染、可持續(xù)發(fā)電等優(yōu)勢(shì)。屋面單晶硅太陽(yáng)能光伏組件將太陽(yáng)光輻射能源轉(zhuǎn)換為電能，經(jīng)直流電纜將電能饋至站臺(tái)層光伏設(shè)備室的光伏逆變器，再通過(guò)逆變器的交直流轉(zhuǎn)換，逆變?yōu)?80V交流電，最終通過(guò)交流并網(wǎng)柜并入變電所0．4kV低壓系統(tǒng)中。光伏發(fā)電系統(tǒng)電能可供給消防設(shè)備、動(dòng)力照明設(shè)備、門(mén)梯設(shè)備等。車(chē)站所有低壓用電負(fù)荷，當(dāng)光伏發(fā)電量不夠或不能發(fā)電時(shí)由0．4kV供電系統(tǒng)補(bǔ)充。
1并網(wǎng)方式比較
光伏并網(wǎng)方式有兩種，一種是離網(wǎng)式發(fā)電，另一種是并網(wǎng)式發(fā)電。離網(wǎng)式發(fā)電系統(tǒng)包含蓄電池組和特殊逆變器等設(shè)備。在光照充足的晴天，光伏發(fā)電發(fā)出的能源供負(fù)載使用。同時(shí)，剩余的能量存儲(chǔ)在蓄電池組中；陰雨天或夜間，蓄電池組將電能通過(guò)特殊逆變器逆變?yōu)榻涣麟?，為?fù)載使用。當(dāng)蓄電池組內(nèi)的容量到達(dá)設(shè)定的下限值時(shí)，負(fù)載將通過(guò)轉(zhuǎn)化裝置自動(dòng)且無(wú)擾動(dòng)地投切到0．4kV低壓系統(tǒng)中。離網(wǎng)發(fā)電常常用于遙測(cè)、監(jiān)測(cè)、通信設(shè)備等系統(tǒng)，不發(fā)達(dá)地區(qū)的路燈和集中供電系統(tǒng)也常常使用離網(wǎng)發(fā)電方式。并網(wǎng)發(fā)電將直流電通過(guò)特殊逆變器轉(zhuǎn)化為符合電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的交流電，之后直接接入市電網(wǎng)絡(luò)。在夜間或光照不足的陰天，光伏發(fā)電系統(tǒng)不產(chǎn)生電能或產(chǎn)生的電能與負(fù)載的需求相差甚遠(yuǎn)，因此負(fù)載由0．4kV低壓供電系統(tǒng)供電。并網(wǎng)發(fā)電將電能直接輸送至低壓供電系統(tǒng)，省去蓄電池組儲(chǔ)能、釋放的中間環(huán)節(jié)。并網(wǎng)發(fā)電可以將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換電能的利用率大大提高，減少中間環(huán)節(jié)能量的損耗，且極大地減少設(shè)備運(yùn)維成本。并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)利用專(zhuān)用的特殊逆變器，保證輸出電能的各項(xiàng)指標(biāo)滿(mǎn)足市電對(duì)電能、電壓、電流等重要指標(biāo)需求。由于特殊逆變器也會(huì)存在效率問(wèn)題，并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中仍然會(huì)有能量消耗。在并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，負(fù)載的電源為0．4kV供電系統(tǒng)和太陽(yáng)能光伏組件陣列，這種電源系統(tǒng)極大降低負(fù)載系統(tǒng)的缺電率，且公用電網(wǎng)的“峰平谷”也可實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。但是并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)也是分散式發(fā)電系統(tǒng)中的一種，會(huì)影響集中供電電網(wǎng)電能質(zhì)量（包含孤島效應(yīng)、諧波污染等），需要供電系統(tǒng)有處理諧波設(shè)備、技術(shù)。濟(jì)南地鐵太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)在控制中心、高架區(qū)間、車(chē)輛段等地段采用并網(wǎng)發(fā)電方式。
2設(shè)計(jì)方案
本次濟(jì)南軌道交通光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)8座，其中7座在高架站上，1座在車(chē)輛段綜合樓上。光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)為8個(gè)分布式子系統(tǒng)，采用模塊化設(shè)計(jì)、各站點(diǎn)集中并網(wǎng)方案。接入子系統(tǒng)按照“就地平衡消納”的原則設(shè)計(jì)，采用自發(fā)自用方式并網(wǎng)。通過(guò)前期調(diào)研、容量計(jì)算，光伏發(fā)電系統(tǒng)裝機(jī)容量設(shè)計(jì)為940．5kWp。8個(gè)分布式子系統(tǒng)裝機(jī)容量分別設(shè)計(jì)為：池東站裝機(jī)容量63．6kWp，前大彥站裝機(jī)容量129．6kWp，車(chē)輛段站裝機(jī)容量111．3kWp，園博園站、大學(xué)城站、趙營(yíng)站、玉符河站、紫薇路站裝機(jī)容量都為127．2kWp。濟(jì)南軌道光伏電站設(shè)計(jì)8個(gè)子系統(tǒng)，設(shè)計(jì)原理如圖1所示。各站分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)每個(gè)發(fā)電單元的組件都采用串并聯(lián)的方式組成多個(gè)太陽(yáng)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(xué)城站、紫薇路站、趙營(yíng)站、玉符河站、車(chē)輛段各安裝265Wp多晶硅組件480塊。太陽(yáng)能電池陣列輸入光伏組串式并網(wǎng)逆變器（光伏發(fā)電室內(nèi)），通過(guò)一路交流電纜連接逆變器柜和0．4kV并網(wǎng)計(jì)量柜（0．4kV配電室內(nèi)）。池東站有2臺(tái)36kW逆變器，其它子系統(tǒng)各有4臺(tái)逆變器。光伏發(fā)電通信傳輸方式為冗余通信設(shè)計(jì)，即通過(guò)本地綜合監(jiān)控系統(tǒng)，光伏系統(tǒng)各類(lèi)信號(hào)上傳至地鐵主干光纖環(huán)網(wǎng)（冗余環(huán)網(wǎng)），從而傳入OCC（地鐵控制大廳）后臺(tái)，為電力調(diào)度提供光伏發(fā)電數(shù)據(jù)。具體實(shí)現(xiàn)方式如下：逆變器組、電能采集表、環(huán)境檢測(cè)儀及交流匯流柜的各類(lèi)遙信、遙測(cè)、遙控信號(hào)通過(guò)RS－485串口，上傳至牽引降壓混合變電所綜控屏柜內(nèi)數(shù)據(jù)采集器，采集器與主干環(huán)網(wǎng)交換機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)與PSCADA（電力監(jiān)控系統(tǒng)）通信，最終光伏系統(tǒng)信號(hào)傳入地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)。光伏系統(tǒng)的電量顯示設(shè)計(jì)為“三地顯示”，具體為：在光伏室內(nèi)，電度表實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)在工控機(jī)采集頁(yè)面實(shí)時(shí)顯示（頁(yè)面包含歷史數(shù)據(jù)曲線(xiàn)、月度分析數(shù)據(jù)及環(huán)境監(jiān)測(cè)信息等），且室內(nèi)液晶屏同步顯示各類(lèi)信息；光伏發(fā)電系統(tǒng)通過(guò)RS－485通信與地鐵系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)相連，最終實(shí)現(xiàn)各站臺(tái)顯示屏實(shí)時(shí)顯示光伏發(fā)電量，為行車(chē)值班人員提供發(fā)電數(shù)據(jù)；由于光伏系統(tǒng)信號(hào)通過(guò)采集器、交換機(jī)等設(shè)備傳入主干光纖環(huán)網(wǎng)，電力調(diào)度及運(yùn)營(yíng)管理人員即可在遠(yuǎn)方調(diào)度室，通過(guò)調(diào)度室大屏觀察到光伏發(fā)電量、環(huán)境監(jiān)測(cè)信息等，方便運(yùn)行管理人員統(tǒng)計(jì)、分析光伏發(fā)電數(shù)據(jù)，為運(yùn)營(yíng)決策者提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
3總結(jié)及后續(xù)設(shè)計(jì)
濟(jì)南軌道交通集團(tuán)光伏發(fā)電項(xiàng)目現(xiàn)在正處于初期探索階段，由于1號(hào)線(xiàn)太陽(yáng)能發(fā)電效果良好，且效益凸顯，今后會(huì)繼續(xù)調(diào)研，確定濟(jì)南軌道交通其它線(xiàn)路是否可以布置光伏發(fā)電系統(tǒng)。后續(xù)光伏設(shè)計(jì)項(xiàng)目將從以下部分考慮。（1）濟(jì)南東車(chē)輛段、停車(chē)場(chǎng)、檢修庫(kù)及相關(guān)辦公樓頂部裝設(shè)光伏板。標(biāo)準(zhǔn)檢修庫(kù)面積為19000～34000mm2，依照現(xiàn)有技術(shù)水平，太陽(yáng)能光伏組件陣列安裝容量為98W／mm2，車(chē)輛段、停車(chē)場(chǎng)、檢修庫(kù)及相關(guān)辦公樓頂部都可以裝設(shè)光伏發(fā)電系統(tǒng)，房屋利用率如果依照49％計(jì)算，標(biāo)準(zhǔn)檢修庫(kù)的裝機(jī)容量為0．9～2MW。（2）濟(jì)南軌道交通集團(tuán)控制中心應(yīng)用方案，控制中心位于濟(jì)南市高新區(qū)奧體西路繁華地段，建筑高度約50m，地理位置、周邊環(huán)境有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。太陽(yáng)能光伏幕墻在控制中心四周都可以應(yīng)用。幕墻可設(shè)置LED廣告牌。在白天，太陽(yáng)能幕墻可以吸收太陽(yáng)能，能源將通過(guò)特殊逆變器逆變后將電能存儲(chǔ)于蓄電池組中（控制中心可設(shè)計(jì)為離網(wǎng)發(fā)電方式）；到了傍晚，蓄電池組輸出電能，使LED發(fā)亮，為地鐵集團(tuán)提供額外廣告收益。
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作者：丁鑫 單位：濟(jì)南軌道交通集團(tuán)有限公司運(yùn)營(yíng)分公司
