光伏發(fā)電系統(tǒng)在軌道交通車輛基地的應(yīng)用研究

阮慶軍

光伏發(fā)電系統(tǒng)在軌道交通車輛基地的應(yīng)用研究

阮慶軍

分析了光伏發(fā)電在城市軌道交通車輛基地的應(yīng)用價值，介紹了光伏發(fā)電系統(tǒng)在城市軌道交通車輛基地中的應(yīng)用方案，為軌道交通車輛基地屋頂光伏發(fā)電的大面積推廣和發(fā)展做了經(jīng)驗積累，提供了借鑒和參考。

軌道交通；車輛基地；光伏發(fā)電系統(tǒng)

0 引言

近年，城市軌道交通在我國大中城市得到了快速發(fā)展，城市軌道交通已成為主要耗能大戶，如何對系統(tǒng)進行節(jié)能降耗已成為各方關(guān)注的焦點。太陽能光伏發(fā)電作為一種綠色、環(huán)保、可再生能源，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛。

城市軌道交通車輛基地，其車庫屋頂面積很大，為光伏發(fā)電系統(tǒng)在城市軌道交通的應(yīng)用提供了廣闊的空間和前景。因此，有必要開展太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)在城市軌道交通車輛基地的應(yīng)用研究，既能實現(xiàn)軌道交通的節(jié)能減排，同時為后續(xù)工程建設(shè)提供參考方案。

1 光伏發(fā)電在車輛基地的應(yīng)用價值分析

借鑒屋頂光伏電站的特點，采用光伏和建筑屋頂相結(jié)合的方式，充分利用了建筑物空間，節(jié)約了土地資源，體現(xiàn)了環(huán)保與城市建設(shè)的統(tǒng)一性。

光伏發(fā)電不會產(chǎn)生污染廢氣物排放和安全問題，是一種環(huán)境友好型的發(fā)電技術(shù)。

光伏發(fā)電量可直接并網(wǎng)用于城市軌道交通牽引動力照明負(fù)荷用電，能夠有效地減少外電源提供的電能消耗，實現(xiàn)節(jié)能減排。

另外，在供電系統(tǒng)、升壓變電、并網(wǎng)、數(shù)據(jù)采集發(fā)送、電量監(jiān)控等方面可為后續(xù)工程提供參考和借鑒。

2 光伏發(fā)電系統(tǒng)方案總述

城市軌道交通供電系統(tǒng)中壓網(wǎng)絡(luò)電壓等級采用AC 35 kV，牽引供電系統(tǒng)采用DC 1 500 V，低壓動力照明系統(tǒng)采用AC 400 V/230 V。

太陽能光伏組件通過匯流、逆變后輸出AC 400 V交流電。光伏發(fā)電系統(tǒng)可根據(jù)發(fā)電容量選擇接入城市軌道交通供電系統(tǒng)的方式，具體有2種：（1）光伏發(fā)電輸出的交流電直接接入到低壓動力照明系統(tǒng)，采用400 V側(cè)并網(wǎng)方式，即在接入到軌道交通降壓變電所內(nèi)的低壓400 V開關(guān)柜上；（2）光伏發(fā)電輸出的交流電通過升壓變壓器（AC 0.4 kV/35 kV），采用在35 kV側(cè)并網(wǎng)發(fā)電，即在變電所35 kV母線上增加兩面40.5 kV開關(guān)柜，供光伏系統(tǒng)接入。2種方案系統(tǒng)構(gòu)成如圖1、圖2所示。

400 V側(cè)并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由低壓逆變系統(tǒng)構(gòu)成，35 kV側(cè)并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)由低壓逆變系統(tǒng)+升壓系統(tǒng)構(gòu)成。

圖1 400 V側(cè)并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

圖2 35 kV側(cè)并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

3 低壓逆變系統(tǒng)設(shè)計

低壓逆變系統(tǒng)由光伏組串、直流配電裝置、交流配電裝置、并網(wǎng)逆變裝置等組成。太陽能通過光伏組串轉(zhuǎn)化為直流電，然后通過匯流、逆變轉(zhuǎn)化為與電網(wǎng)同步的正弦交流電接入電網(wǎng)。

3.1 光伏陣列設(shè)計

（1）光伏組件選擇。選用單個組件功率235 Wp的多晶硅組件。

（2）光伏陣列角選擇。根據(jù)所在地區(qū)太陽輻射情況數(shù)據(jù)，確定光伏系統(tǒng)輸出全年最大的光伏陣列傾角，同時需要考慮光伏系統(tǒng)與建筑結(jié)合的景觀效果，選擇光伏陣列的最佳安裝角度。

（3）光伏組件的安裝。光伏組件板一般選擇安裝在鋼架上，鋼架可靠地固定在車庫屋頂上預(yù)制的混凝土基礎(chǔ)上，光伏組件板成排成列布置。

3.2 直流配電系統(tǒng)設(shè)計

為了將直流配電系統(tǒng)有序地接入逆變裝置，有效降低接線故障點，將車庫屋頂上的光伏組件分區(qū)域進行并聯(lián)匯流接入到防雷匯流箱裝置上，然后將不同的匯流輸出接入到變電所房間中的直流配電柜裝置后再接入到逆變器裝置，這樣既便于維護，又能夠提高系統(tǒng)可靠性。

其中，直流配電裝置包括車庫屋頂上的防雷匯流箱和變電所設(shè)備房間內(nèi)的直流配電柜。防雷匯流箱的防護等級為IP65，適于室外長期運行，具有防水密封功能，由熔絲、二極管、斷路器、避雷器組成；直流配電柜由斷路器、避雷器、測量儀表組成。

3.3 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

為每個光伏發(fā)電子系統(tǒng)均配置相應(yīng)的監(jiān)控裝置，并在變電所控制室或控制中心內(nèi)設(shè)置監(jiān)控系統(tǒng)（包括工控機及軟件、復(fù)示系統(tǒng)），以便于對光伏發(fā)電系統(tǒng)工作狀態(tài)進行實時監(jiān)控。

3.4 保護方案

在光伏發(fā)電過程中，并網(wǎng)逆變器實時采集網(wǎng)側(cè)電壓信號，通過閉環(huán)控制，使并網(wǎng)逆變器輸出的交流電流與網(wǎng)側(cè)電壓之間同相位，確保功率因數(shù)控制在1.0附近。

（1）孤島保護。并網(wǎng)逆變器設(shè)置有效的孤島保護，當(dāng)并網(wǎng)逆變器檢測到網(wǎng)側(cè)失壓后，會自動退出系統(tǒng)；當(dāng)重新檢測到網(wǎng)側(cè)電壓時，并網(wǎng)逆變器持續(xù)檢測電網(wǎng)信號在一段時間內(nèi)完全正常后才投入并網(wǎng)運行。

（2）電氣隔離設(shè)置。并網(wǎng)逆變器裝置自身配備隔離變壓器，確保逆變器的直流輸入和交流輸出電氣隔離。

（3）逆變器直流側(cè)接地保護。直流側(cè)的光伏元件為“懸浮地”，正負(fù)極與地之間隔離，且逆變器在運行過程中，采用絕緣阻抗實時檢測直流側(cè)正負(fù)極的對地阻抗，當(dāng)故障發(fā)生后，可通過檢測負(fù)極對地的漏電流以及此時的母線電壓計算出對應(yīng)的負(fù)極對地絕緣阻抗，通過比較器與設(shè)置的閥值相比較作為及時可靠觸發(fā)保護動作的判據(jù)。

（4）防雷接地保護。根據(jù)光伏組件方陣的高度和占地面積，直擊雷的防護采用與建筑已有的防雷接地網(wǎng)連接。

在光伏組件支路匯流接入并網(wǎng)逆變器前，設(shè)置兩級避雷防護，即在屋頂?shù)姆览讌R流裝置、室內(nèi)的直流配電裝置的正負(fù)極上分別安裝避雷器，避雷器的接地端接至接地網(wǎng)上。

在并網(wǎng)逆變器交流輸出側(cè)，低壓交流配電柜輸出端裝設(shè)避雷器作為防雷設(shè)施。

光伏發(fā)電系統(tǒng)的安裝支架、設(shè)備基礎(chǔ)、設(shè)備外殼等通過接地扁鋼或接地電纜接至建筑專業(yè)預(yù)留的接地點，接地電阻不大于1 Ω。

3.5 系統(tǒng)運行方式

（1）白天：光伏元件將太陽能轉(zhuǎn)換為直流電，再由逆變器逆變?yōu)?00 V交流電。

（2）夜晚：夜間光伏發(fā)電系統(tǒng)處于待機運行狀態(tài)，交流電網(wǎng)側(cè)向光伏發(fā)電系統(tǒng)充電。

4 升壓系統(tǒng)設(shè)計

4.1 升壓系統(tǒng)接線方案

低壓逆變系統(tǒng)輸出400 V交流電，通過AC0.4 kV/35 kV升壓變壓器升壓后，引入到軌道交通變電所35 kV母線上，通過中壓環(huán)網(wǎng)為整條軌道交通線路的牽引和動力照明負(fù)荷供電。

4.2 防逆流控制系統(tǒng)

為確保光伏發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)出的電能直接就近被軌道交通負(fù)荷消耗掉，而不向上送至市電電網(wǎng)，需設(shè)置防逆流控制器。防逆流控制器實時監(jiān)測市電接入點的電壓與電流，若發(fā)現(xiàn)向市電電網(wǎng)上送電能，或出現(xiàn)通訊故障、其他系統(tǒng)故障時，防逆流控制器會控制逆變器退出運行，從而實現(xiàn)向市電電網(wǎng)上送電能。

4.3 電力監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

光伏發(fā)電量由通過升壓系統(tǒng)接入到軌道交通供電系統(tǒng)內(nèi)，軌道交通控制中心負(fù)責(zé)對光伏并網(wǎng)系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備進行監(jiān)控。

4.4 保護與計量

（1）保護配置。

升壓變壓器：變壓器本體保護；

接入的35 kV開關(guān)柜：過電流保護、零序保護。

（2）計量。在接入的35 kV開關(guān)柜內(nèi)設(shè)置相關(guān)表計，測量并網(wǎng)點的電壓、電流、有功功率、功率因數(shù)、有功電度，并通過電力監(jiān)控系統(tǒng)上送到軌道交通控制中心。

4.5 系統(tǒng)運行方式

（1）正常運行方式。

白天：低壓逆變系統(tǒng)接入到軌道交通變電所35 kV母線上，與配電變壓器（或整流變壓器）并列運行，潮流方向為由光伏發(fā)電系統(tǒng)向軌道交通供電系統(tǒng)流動。

夜晚：升壓系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為降壓系統(tǒng)，軌道交通供電系統(tǒng)對光伏發(fā)電系統(tǒng)進行充電，光伏發(fā)電系統(tǒng)處于待機運行狀態(tài)。

（2）故障運行方式。當(dāng)一臺升壓變壓器或?qū)?yīng)回路電纜發(fā)生故障時，應(yīng)迅速切除相應(yīng)回路的斷路器，其他回路保持運行狀態(tài)不變。

當(dāng)軌道交通變電所母線或相應(yīng)的至變電所電纜故障時，應(yīng)立即切除接入35 kV母線的斷路器開關(guān)，切除光伏發(fā)電系統(tǒng)，保證不影響軌道交通變電所的正常供電。

5 結(jié)語

光伏發(fā)電系統(tǒng)在軌道交通車輛基地的應(yīng)用方案已經(jīng)在上海市軌道交通車輛基地中進行了示范應(yīng)用，并取得了良好的節(jié)能效果。尤其是光伏發(fā)電系統(tǒng)采用35 kV側(cè)并網(wǎng)接入軌道交通供電系統(tǒng)，為軌道交通車輛基地屋頂光伏發(fā)電的大面積推廣和發(fā)展做了經(jīng)驗積累，提供了借鑒和參考。

The paper analyzes the values for application of photovoltaic generation system in rolling stock base of urban rail transit, introduces the scheme for application of photovoltaic generation system in rolling stock base of urban rail transit, from which the experiences are accumulated for providing references for promotion and development in large scale of the roof mounted photovoltaic generation system in rolling stock base of urban rail transit.

Urban rail transit; rolling stock base; photovoltaic generation system

U231.8

：B

：1007-936X(2016)01-0042-03

2015-08-27

阮慶軍.中鐵電氣化勘測設(shè)計研究院有限公司，工程師，電話：13752554252。