谈城市轨道交通光伏发电系统研发

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摘要：济南地铁建设与光伏发电相结合，不仅起到节能降耗作用，也极大降低运营成本，凸显“绿色交通”的理念。文章通过分析、比较两种光伏并网方式的特点，结合济南地铁实际建设情况，在正线及车辆段设计光伏发电系统。将光伏发电与0．4kV低压系统结合，为低压系统提供能源。新型光伏发电系统研发经现场应用及评估，最终达到节能降耗作用，为后续地铁建设及光伏发电应用提供科学依据。

关键词：光伏发电；绿色交通；0．4kV低压系统

引言

目前，轨道交通耗电量大、污染环境等问题已引起轨道交通行业关注。随着光伏发电技术在各个领域应用，发电及节能效果突出，轨道交通行业也逐步开始探索、利用光伏发电技术。在地铁车辆段、停车场的屋顶及高架车站的顶部装设光伏板来发电，已成为轨道交通节能降耗迈向“绿色交通”的一种新常态。济南地铁建设与光伏发电相结合，不仅起到节能降耗作用，也极大降低运营成本，凸显“绿色交通”的理念。光伏发电的原理是将半导体电子器件（太阳能电池）吸收的太阳光，通过特殊逆变器转变成电能，这也是目前太阳能发电的主要形式。其具有节约能源、减少环境污染、可持续发电等优势。屋面单晶硅太阳能光伏组件将太阳光辐射能源转换为电能，经直流电缆将电能馈至站台层光伏设备室的光伏逆变器，再通过逆变器的交直流转换，逆变为380V交流电，最终通过交流并网柜并入变电所0．4kV低压系统中。光伏发电系统电能可供给消防设备、动力照明设备、门梯设备等。车站所有低压用电负荷，当光伏发电量不够或不能发电时由0．4kV供电系统补充。

1并网方式比较

光伏并网方式有两种，一种是离网式发电，另一种是并网式发电。离网式发电系统包含蓄电池组和特殊逆变器等设备。在光照充足的晴天，光伏发电发出的能源供负载使用。同时，剩余的能量存储在蓄电池组中；阴雨天或夜间，蓄电池组将电能通过特殊逆变器逆变为交流电，为负载使用。当蓄电池组内的容量到达设定的下限值时，负载将通过转化装置自动且无扰动地投切到0．4kV低压系统中。离网发电常常用于遥测、监测、通信设备等系统，不发达地区的路灯和集中供电系统也常常使用离网发电方式。并网发电将直流电通过特殊逆变器转化为符合电网标准的交流电，之后直接接入市电网络。在夜间或光照不足的阴天，光伏发电系统不产生电能或产生的电能与负载的需求相差甚远，因此负载由0．4kV低压供电系统供电。并网发电将电能直接输送至低压供电系统，省去蓄电池组储能、释放的中间环节。并网发电可以将太阳能转换电能的利用率大大提高，减少中间环节能量的损耗，且极大地减少设备运维成本。并网发电系统利用专用的特殊逆变器，保证输出电能的各项指标满足市电对电能、电压、电流等重要指标需求。由于特殊逆变器也会存在效率问题，并网发电系统中仍然会有能量消耗。在并网发电系统中，负载的电源为0．4kV供电系统和太阳能光伏组件阵列，这种电源系统极大降低负载系统的缺电率，且公用电网的“峰平谷”也可实时、动态调节。但是并网发电系统也是分散式发电系统中的一种，会影响集中供电电网电能质量（包含孤岛效应、谐波污染等），需要供电系统有处理谐波设备、技术。济南地铁太阳能光伏发电系统在控制中心、高架区间、车辆段等地段采用并网发电方式。

2设计方案

本次济南轨道交通光伏发电站设计8座，其中7座在高架站上，1座在车辆段综合楼上。光伏发电系统设计为8个分布式子系统，采用模块化设计、各站点集中并网方案。接入子系统按照“就地平衡消纳”的原则设计，采用自发自用方式并网。通过前期调研、容量计算，光伏发电系统装机容量设计为940．5kWp。8个分布式子系统装机容量分别设计为：池东站装机容量63．6kWp，前大彦站装机容量129．6kWp，车辆段站装机容量111．3kWp，园博园站、大学城站、赵营站、玉符河站、紫薇路站装机容量都为127．2kWp。济南轨道光伏电站设计8个子系统，设计原理如图1所示。各站分布式光伏发电系统每个发电单元的组件都采用串并联的方式组成多个太阳能电池阵列，池东站安装265Wp多晶硅组件240块，前大彦站安装270Wp多晶硅组件480块，大学城站、紫薇路站、赵营站、玉符河站、车辆段各安装265Wp多晶硅组件480块。太阳能电池阵列输入光伏组串式并网逆变器（光伏发电室内），通过一路交流电缆连接逆变器柜和0．4kV并网计量柜（0．4kV配电室内）。池东站有2台36kW逆变器，其它子系统各有4台逆变器。光伏发电通信传输方式为冗余通信设计，即通过本地综合监控系统，光伏系统各类信号上传至地铁主干光纤环网（冗余环网），从而传入OCC（地铁控制大厅）后台，为电力调度提供光伏发电数据。具体实现方式如下：逆变器组、电能采集表、环境检测仪及交流汇流柜的各类遥信、遥测、遥控信号通过RS－485串口，上传至牵引降压混合变电所综控屏柜内数据采集器，采集器与主干环网交换机连接，实现与PSCADA（电力监控系统）通信，最终光伏系统信号传入地铁综合监控系统。光伏系统的电量显示设计为“三地显示”，具体为：在光伏室内，电度表实时采集数据在工控机采集页面实时显示（页面包含历史数据曲线、月度分析数据及环境监测信息等），且室内液晶屏同步显示各类信息；光伏发电系统通过RS－485通信与地铁系统现场总线相连，最终实现各站台显示屏实时显示光伏发电量，为行车值班人员提供发电数据；由于光伏系统信号通过采集器、交换机等设备传入主干光纤环网，电力调度及运营管理人员即可在远方调度室，通过调度室大屏观察到光伏发电量、环境监测信息等，方便运行管理人员统计、分析光伏发电数据，为运营决策者提供基础数据。

3总结及后续设计

济南轨道交通集团光伏发电项目现在正处于初期探索阶段，由于1号线太阳能发电效果良好，且效益凸显，今后会继续调研，确定济南轨道交通其它线路是否可以布置光伏发电系统。后续光伏设计项目将从以下部分考虑。（1）济南东车辆段、停车场、检修库及相关办公楼顶部装设光伏板。标准检修库面积为19000～34000mm2，依照现有技术水平，太阳能光伏组件阵列安装容量为98W／mm2，车辆段、停车场、检修库及相关办公楼顶部都可以装设光伏发电系统，房屋利用率如果依照49％计算，标准检修库的装机容量为0．9～2MW。（2）济南轨道交通集团控制中心应用方案，控制中心位于济南市高新区奥体西路繁华地段，建筑高度约50m，地理位置、周边环境有绝对的优势。太阳能光伏幕墙在控制中心四周都可以应用。幕墙可设置LED广告牌。在白天，太阳能幕墙可以吸收太阳能，能源将通过特殊逆变器逆变后将电能存储于蓄电池组中（控制中心可设计为离网发电方式）；到了傍晚，蓄电池组输出电能，使LED发亮，为地铁集团提供额外广告收益。

参考文献

［1］赵永黎，王永春，于连军．能源数据分析的应用［J］．节能，2013（5）．

［2］巩爱华．基于能源计量信息管理系统的设计分析［J］．中国新技术新产品，2015（12）．

［3］陈杰．能源管理中心的应用［J］．自动化应用，2016（3）．

作者：丁鑫 单位：济南轨道交通集团有限公司运营分公司