高铁站房“光储直柔”近零碳配电系统研究
时间：2023-02-08 13:45:07 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
张 强
（中国铁路设计集团有限公司）
在全球能源安全压力逐渐增大、气候变化问题日益突出的形势下，国家提出二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和的战略。发展低碳能源技术，建立低碳经济发展模式和低碳社会消费模式，是协调经济发展与保护环境之间关系的基本途径。
截至2021年国内高铁运营里程已达到4万公里，国内高铁站房数量逐年增多，能耗问题日益突出，如何利用新的节能配电技术实现对车站的能源消耗优化，实现近零碳排放目标具有重要研究意义。近年来，光伏发电技术不断发展，发电装置产品化和市场化速度加快，数字能源管理技术的不断成熟，使得建筑物实现“光伏发电、储能蓄电、直流供电、柔性用电”成为可能。高铁站房因其本身的建筑布局和结构特性，具备大面积铺设光伏发电板的优势，便利的土地开发条件可以发展储能业务，同时车站内大量的照明设施和UPS设备能够采用直流配电形式。本文通过对车站设置“光储直柔”配电系统的关键技术进行分析研究，探索实现高铁车站近零碳排放的技术路径。
1.1 高铁车站发电场所分布
光伏发电组件通常设置在建筑物屋顶等面积广阔、光照充足的位置，在一座高铁车站内，车站屋顶、站台雨棚和停车场等位置均是设置光伏发电板的优选位置。鉴于铁路运行安全的需要，火车站周边的各类建筑一般距离铁路线路较远，同时在站房两侧往往设置市政广场，这就使得站房建筑基本不会被周边的高层建筑遮挡，站台上的雨棚和停车场的上方也具备良好的日照条件，可安装光伏发电板，能够产生良好的发电效益。此外，站房的立面也可以根据车站装修风格在光照充足的位置装设一定数量的光伏电板。距离车站较近的线路地段，也可以在铁路路基边坡或者防护栅栏上布置光伏电板。
当在站房屋顶和雨棚顶部安装光伏发电板时，应结合建筑本身的特性、装修效果和地理条件等因素选择适当的安装形式，常见的安装形式是以建筑物为载体，建筑结构充分考虑光伏组件的结构荷载，另外一种形式是在建筑物屋顶集成光伏组件。在雨棚的顶部可以采用光伏板集成的形式，在炎热天气时段吸收太阳能发电的同时，起到隔热的作用。
1.2 高铁车站用电负荷分析
高铁车站内的用电负荷主要分为设备动力负荷和照明负荷两大类，按照用电负荷的重要性又分为一级负荷、二级负荷和三级负荷，下表以某车站用电负荷表进行归类分析，研究车站内各类用电设备的供电形式。
表 某车站用电负荷
（续）
由上表可以看出，高铁站房内的大部分设备，如LED灯具、通信信息设备、空调均可以选用直流供电的模式。
车站“光储直柔”配电系统主要由电源侧、配电架构、用电负荷和储能装置四部分构成，为实现对分布式能源和传统市政电源的灵活投切控制，构建用电负荷的柔性调节机制，需设置能源管理系统完成各环节运行数据采集、站房环境监测和配电设备监控等功能，提升车站能源利用管控效率，如图1所示为“光储直柔”系统示意图。
图1 “光储直柔”系统示意图
2.1 能源管理系统构建
系统综合考虑可扩展的需要，从接入层、采集层、数据层、应用层、展示层5个层次全面遵循统一标准规范体系和安全保障体系。第一层是接入层，实现系统数据共享交换的需求；
第二层是采集层，为系统数据分析和应用功能提供数据支撑；
第三层是数据层，为系统提供存储力和算力支撑；
第四层是应用层，对环境与能源的数据管理、分析，支撑建筑设备的监测、节能优化和设备运维管理。第五层是展示层，支持工作站展示与移动终端多种展示方式，便于工作人员操控使用。
利用能源系统可以有效预测在不同的日期光伏发电系统的发电量，同时根据高铁车站的运行数据，获取相应的用电负荷，通过大数据计算分析，提出最优的能源控制策略。在光伏发电充足，用电负荷较少的情况下，可通过能源管理系统启用储能设备，最大程度利用分布式电能。
2.2 光伏系统设计
在站房顶和雨棚顶分别设置光伏发电板，某高铁站房建筑面积为10000m2，屋顶面积为5600m2，雨棚面积为7200m2，估算装机容量约为1000kW。车站内光伏发电板需要结合站房和雨棚整体装修风格布置，同时为保证电站的持续收益，光伏组件选择半片技术。半片技术是典型的按比例提升功率的技术，它叠加在效率越高的电池片上带来的提升越大。半片技术通过降低组件中串联电阻，降低内部功率损失，提高转换效率，且半片技术工艺成熟，优良率有保证。车站光伏发电系统可选用具有运行灵活、操作方便、免维护、价格性能比较优越等优点的组串式逆变器。站房屋顶和雨棚顶位置较高，平单轴支架对发电量提升有限，宜选用技术成熟、运行经验丰富和可靠性高的固定式支架。
光伏发电系统配置一套环境监测仪，实时监测日照强度、风速、风向、温度等气象参数，统一纳入车站能源管理系统。该装置由风速传感器、风向传感器、日照辐射表、测温探头、控制盒及支架组成，可测量环境温度、风速、风向和辐射强度等参量，根据采集的数据和车站负荷进行大数据计算，充分利用能源管理系统提升可再生能源的利用率。
2.3 储能装置设计
在高铁站附近可在铁路高架桥下、路基边和线路夹角地等区域设置模块化集装箱式集成储能系统，根据车站规模、年发电量和车站负荷情况设计合理容量的储能装置。在车站“光储直柔”配电系统中，储能系统是不可或缺的重要组成部分。车站储能系统可通过设置双向可控的储能DC／DC变化器接入配电系统直流主母线，储能系统不仅参与车站全部用电负荷的调节，实现削峰填谷等能源优化利用措施，还能维持整个配电系统母线电源的稳定，提高车站配电系统的可靠性。
2.4 直流配电网络设计
车站配电网主要采用直流配电系统设计，预留交流负荷接引条件。配电网络中设置电力电子变换装置，以满足不同用电设备对不同电压等级和不同电流性质的需求，同时实现光伏发电系统和储能系统的投切灵活控制。综合考虑供电距离、配电的经济性和可靠性等因素，主母线采用375V电压；
房屋照明部分插座采用48V电压；
公共区照明因供电距离比较远采用375V；
空调、充电桩等大功率设备跨接在主母线上可取得750V的电压；
车站内的光伏系统和储能系统直接接入主母线，如图2所示为高铁站房配电系统源储荷关系图。
图2 高铁站房配电系统源储荷关系图
3.1 车站应用“光储直柔”配电系统的潜力
高铁车站内站房屋顶、雨棚和停车场等场所适合布置光伏发电板，甚至可以在车站周边的路基边坡或者铁路栅栏安装发电板。车站可以灵活设置储能装置，车站负荷中大量设备可采用直流供电的形式，例如通信设备、信息设备、LED照明灯具、汽车充电桩、LED大屏、计算机等设备，其他用能较大的暖通负荷（水泵、空调、制冷等）也大都采用变频技术，可选用直流电机，匹配直流供电形式。在车站设置能源管理系统，充分利用大数据计算优势和现代物联网技术，实现对设备供电的柔性控制和负荷与能源的耦合调控，构建车站用电侧和能源侧的动态平衡，最大化实现零碳排放。
3.2 “光储直柔”配电系统应用展望
高铁车站内站房屋顶、碳中和目标推动整个能源系统的低碳发展，在未来低碳能源系统发展要求下，高铁站房配电系统将不再仅是传统意义上的用电负载，而是集齐传统意义上的电源、储能、调节、负荷等功能。“光储直柔”建筑是推动建筑承担起上述综合功能的重要技术路径，不仅实现电能的自产自销，同时在碳中和层面具有重大意义，目前对于高铁站房配电系统“光储直柔”依然是处于探索和研究阶段，面向系统设计、面向未来运行，“光储直柔”建筑仍需在多方面开展持续深入研究，如图3所示为“光储直柔”系统研究展望。
图3 “光储直柔”建筑构建原则与研究展望
在建筑配电系统中采用“光储直柔”技术已创建多个示范工程，但尚未在高铁车站建设中构建“光储直柔”配电系统。随着光伏发电技术的发展及储能技术市场化推进，以及直流配电关键技术的突破，越来越多的建筑会选用“光储直柔”配电系统。高铁车站因其特殊的场地布局、建筑结构和用电负荷等特点，更适合构建“光储直柔”配电系统，但目前该技术仍有好多局限，如直流供电故障监测、关键设备研制和标准不完善等问题，距离大范围推广工程实践应用还需要积累更多的建设和运行经验。
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