高鐵站房“光儲直柔”近零碳配電系統(tǒng)研究

張 強

（中國鐵路設計集團有限公司）

0 引言

在全球能源安全壓力逐漸增大、氣候變化問題日益突出的形勢下，國家提出二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和的戰(zhàn)略。發(fā)展低碳能源技術，建立低碳經(jīng)濟發(fā)展模式和低碳社會消費模式，是協(xié)調(diào)經(jīng)濟發(fā)展與保護環(huán)境之間關系的基本途徑。

截至2021年國內(nèi)高鐵運營里程已達到4萬公里，國內(nèi)高鐵站房數(shù)量逐年增多，能耗問題日益突出，如何利用新的節(jié)能配電技術實現(xiàn)對車站的能源消耗優(yōu)化，實現(xiàn)近零碳排放目標具有重要研究意義。近年來，光伏發(fā)電技術不斷發(fā)展，發(fā)電裝置產(chǎn)品化和市場化速度加快，數(shù)字能源管理技術的不斷成熟，使得建筑物實現(xiàn)“光伏發(fā)電、儲能蓄電、直流供電、柔性用電”成為可能。高鐵站房因其本身的建筑布局和結(jié)構(gòu)特性，具備大面積鋪設光伏發(fā)電板的優(yōu)勢，便利的土地開發(fā)條件可以發(fā)展儲能業(yè)務，同時車站內(nèi)大量的照明設施和UPS設備能夠采用直流配電形式。本文通過對車站設置“光儲直柔”配電系統(tǒng)的關鍵技術進行分析研究，探索實現(xiàn)高鐵車站近零碳排放的技術路徑。

1 高鐵車站發(fā)電場所分布及用電負荷分析

1.1 高鐵車站發(fā)電場所分布

光伏發(fā)電組件通常設置在建筑物屋頂?shù)让娣e廣闊、光照充足的位置，在一座高鐵車站內(nèi)，車站屋頂、站臺雨棚和停車場等位置均是設置光伏發(fā)電板的優(yōu)選位置。鑒于鐵路運行安全的需要，火車站周邊的各類建筑一般距離鐵路線路較遠，同時在站房兩側(cè)往往設置市政廣場，這就使得站房建筑基本不會被周邊的高層建筑遮擋，站臺上的雨棚和停車場的上方也具備良好的日照條件，可安裝光伏發(fā)電板，能夠產(chǎn)生良好的發(fā)電效益。此外，站房的立面也可以根據(jù)車站裝修風格在光照充足的位置裝設一定數(shù)量的光伏電板。距離車站較近的線路地段，也可以在鐵路路基邊坡或者防護柵欄上布置光伏電板。

當在站房屋頂和雨棚頂部安裝光伏發(fā)電板時，應結(jié)合建筑本身的特性、裝修效果和地理條件等因素選擇適當?shù)陌惭b形式，常見的安裝形式是以建筑物為載體，建筑結(jié)構(gòu)充分考慮光伏組件的結(jié)構(gòu)荷載，另外一種形式是在建筑物屋頂集成光伏組件。在雨棚的頂部可以采用光伏板集成的形式，在炎熱天氣時段吸收太陽能發(fā)電的同時，起到隔熱的作用。

1.2 高鐵車站用電負荷分析

高鐵車站內(nèi)的用電負荷主要分為設備動力負荷和照明負荷兩大類，按照用電負荷的重要性又分為一級負荷、二級負荷和三級負荷，下表以某車站用電負荷表進行歸類分析，研究車站內(nèi)各類用電設備的供電形式。

表 某車站用電負荷

（續(xù)）

由上表可以看出，高鐵站房內(nèi)的大部分設備，如LED燈具、通信信息設備、空調(diào)均可以選用直流供電的模式。

2 車站“光儲直柔”配電系統(tǒng)設計

車站“光儲直柔”配電系統(tǒng)主要由電源側(cè)、配電架構(gòu)、用電負荷和儲能裝置四部分構(gòu)成，為實現(xiàn)對分布式能源和傳統(tǒng)市政電源的靈活投切控制，構(gòu)建用電負荷的柔性調(diào)節(jié)機制，需設置能源管理系統(tǒng)完成各環(huán)節(jié)運行數(shù)據(jù)采集、站房環(huán)境監(jiān)測和配電設備監(jiān)控等功能，提升車站能源利用管控效率，如圖1所示為“光儲直柔”系統(tǒng)示意圖。

圖1 “光儲直柔”系統(tǒng)示意圖

2.1 能源管理系統(tǒng)構(gòu)建

系統(tǒng)綜合考慮可擴展的需要，從接入層、采集層、數(shù)據(jù)層、應用層、展示層5個層次全面遵循統(tǒng)一標準規(guī)范體系和安全保障體系。第一層是接入層，實現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享交換的需求；第二層是采集層，為系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析和應用功能提供數(shù)據(jù)支撐；第三層是數(shù)據(jù)層，為系統(tǒng)提供存儲力和算力支撐；第四層是應用層，對環(huán)境與能源的數(shù)據(jù)管理、分析，支撐建筑設備的監(jiān)測、節(jié)能優(yōu)化和設備運維管理。第五層是展示層，支持工作站展示與移動終端多種展示方式，便于工作人員操控使用。

利用能源系統(tǒng)可以有效預測在不同的日期光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量，同時根據(jù)高鐵車站的運行數(shù)據(jù)，獲取相應的用電負荷，通過大數(shù)據(jù)計算分析，提出最優(yōu)的能源控制策略。在光伏發(fā)電充足，用電負荷較少的情況下，可通過能源管理系統(tǒng)啟用儲能設備，最大程度利用分布式電能。

2.2 光伏系統(tǒng)設計

在站房頂和雨棚頂分別設置光伏發(fā)電板，某高鐵站房建筑面積為10000m2，屋頂面積為5600m2，雨棚面積為7200m2，估算裝機容量約為1000kW。車站內(nèi)光伏發(fā)電板需要結(jié)合站房和雨棚整體裝修風格布置，同時為保證電站的持續(xù)收益，光伏組件選擇半片技術。半片技術是典型的按比例提升功率的技術，它疊加在效率越高的電池片上帶來的提升越大。半片技術通過降低組件中串聯(lián)電阻，降低內(nèi)部功率損失，提高轉(zhuǎn)換效率，且半片技術工藝成熟，優(yōu)良率有保證。車站光伏發(fā)電系統(tǒng)可選用具有運行靈活、操作方便、免維護、價格性能比較優(yōu)越等優(yōu)點的組串式逆變器。站房屋頂和雨棚頂位置較高，平單軸支架對發(fā)電量提升有限，宜選用技術成熟、運行經(jīng)驗豐富和可靠性高的固定式支架。

光伏發(fā)電系統(tǒng)配置一套環(huán)境監(jiān)測儀，實時監(jiān)測日照強度、風速、風向、溫度等氣象參數(shù)，統(tǒng)一納入車站能源管理系統(tǒng)。該裝置由風速傳感器、風向傳感器、日照輻射表、測溫探頭、控制盒及支架組成，可測量環(huán)境溫度、風速、風向和輻射強度等參量，根據(jù)采集的數(shù)據(jù)和車站負荷進行大數(shù)據(jù)計算，充分利用能源管理系統(tǒng)提升可再生能源的利用率。

2.3 儲能裝置設計

在高鐵站附近可在鐵路高架橋下、路基邊和線路夾角地等區(qū)域設置模塊化集裝箱式集成儲能系統(tǒng)，根據(jù)車站規(guī)模、年發(fā)電量和車站負荷情況設計合理容量的儲能裝置。在車站“光儲直柔”配電系統(tǒng)中，儲能系統(tǒng)是不可或缺的重要組成部分。車站儲能系統(tǒng)可通過設置雙向可控的儲能DC／DC變化器接入配電系統(tǒng)直流主母線，儲能系統(tǒng)不僅參與車站全部用電負荷的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)削峰填谷等能源優(yōu)化利用措施，還能維持整個配電系統(tǒng)母線電源的穩(wěn)定，提高車站配電系統(tǒng)的可靠性。

2.4 直流配電網(wǎng)絡設計

車站配電網(wǎng)主要采用直流配電系統(tǒng)設計，預留交流負荷接引條件。配電網(wǎng)絡中設置電力電子變換裝置，以滿足不同用電設備對不同電壓等級和不同電流性質(zhì)的需求，同時實現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)和儲能系統(tǒng)的投切靈活控制。綜合考慮供電距離、配電的經(jīng)濟性和可靠性等因素，主母線采用375V電壓；房屋照明部分插座采用48V電壓；公共區(qū)照明因供電距離比較遠采用375V；空調(diào)、充電樁等大功率設備跨接在主母線上可取得750V的電壓；車站內(nèi)的光伏系統(tǒng)和儲能系統(tǒng)直接接入主母線，如圖2所示為高鐵站房配電系統(tǒng)源儲荷關系圖。

圖2 高鐵站房配電系統(tǒng)源儲荷關系圖

3 “光儲直柔”配電系統(tǒng)應用展望

3.1 車站應用“光儲直柔”配電系統(tǒng)的潛力

高鐵車站內(nèi)站房屋頂、雨棚和停車場等場所適合布置光伏發(fā)電板，甚至可以在車站周邊的路基邊坡或者鐵路柵欄安裝發(fā)電板。車站可以靈活設置儲能裝置，車站負荷中大量設備可采用直流供電的形式，例如通信設備、信息設備、LED照明燈具、汽車充電樁、LED大屏、計算機等設備，其他用能較大的暖通負荷（水泵、空調(diào)、制冷等）也大都采用變頻技術，可選用直流電機，匹配直流供電形式。在車站設置能源管理系統(tǒng)，充分利用大數(shù)據(jù)計算優(yōu)勢和現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)技術，實現(xiàn)對設備供電的柔性控制和負荷與能源的耦合調(diào)控，構(gòu)建車站用電側(cè)和能源側(cè)的動態(tài)平衡，最大化實現(xiàn)零碳排放。

3.2 “光儲直柔”配電系統(tǒng)應用展望

高鐵車站內(nèi)站房屋頂、碳中和目標推動整個能源系統(tǒng)的低碳發(fā)展，在未來低碳能源系統(tǒng)發(fā)展要求下，高鐵站房配電系統(tǒng)將不再僅是傳統(tǒng)意義上的用電負載，而是集齊傳統(tǒng)意義上的電源、儲能、調(diào)節(jié)、負荷等功能?！肮鈨χ比帷苯ㄖ峭苿咏ㄖ袚鹕鲜鼍C合功能的重要技術路徑，不僅實現(xiàn)電能的自產(chǎn)自銷，同時在碳中和層面具有重大意義，目前對于高鐵站房配電系統(tǒng)“光儲直柔”依然是處于探索和研究階段，面向系統(tǒng)設計、面向未來運行，“光儲直柔”建筑仍需在多方面開展持續(xù)深入研究，如圖3所示為“光儲直柔”系統(tǒng)研究展望。

圖3 “光儲直柔”建筑構(gòu)建原則與研究展望

4 結(jié)束語

在建筑配電系統(tǒng)中采用“光儲直柔”技術已創(chuàng)建多個示范工程，但尚未在高鐵車站建設中構(gòu)建“光儲直柔”配電系統(tǒng)。隨著光伏發(fā)電技術的發(fā)展及儲能技術市場化推進，以及直流配電關鍵技術的突破，越來越多的建筑會選用“光儲直柔”配電系統(tǒng)。高鐵車站因其特殊的場地布局、建筑結(jié)構(gòu)和用電負荷等特點，更適合構(gòu)建“光儲直柔”配電系統(tǒng)，但目前該技術仍有好多局限，如直流供電故障監(jiān)測、關鍵設備研制和標準不完善等問題，距離大范圍推廣工程實踐應用還需要積累更多的建設和運行經(jīng)驗。