光伏发电系统在轨道交通车辆基地的应用研究

阮庆军

光伏发电系统在轨道交通车辆基地的应用研究

阮庆军

分析了光伏发电在城市轨道交通车辆基地的应用价值，介绍了光伏发电系统在城市轨道交通车辆基地中的应用方案，为轨道交通车辆基地屋顶光伏发电的大面积推广和发展做了经验积累，提供了借鉴和参考。

轨道交通；车辆基地；光伏发电系统

0 引言

近年，城市轨道交通在我国大中城市得到了快速发展，城市轨道交通已成为主要耗能大户，如何对系统进行节能降耗已成为各方关注的焦点。太阳能光伏发电作为一种绿色、环保、可再生能源，随着科学技术的不断发展，其应用领域越来越广泛。

城市轨道交通车辆基地，其车库屋顶面积很大，为光伏发电系统在城市轨道交通的应用提供了广阔的空间和前景。因此，有必要开展太阳能光伏发电系统在城市轨道交通车辆基地的应用研究，既能实现轨道交通的节能减排，同时为后续工程建设提供参考方案。

1 光伏发电在车辆基地的应用价值分析

借鉴屋顶光伏电站的特点，采用光伏和建筑屋顶相结合的方式，充分利用了建筑物空间，节约了土地资源，体现了环保与城市建设的统一性。

光伏发电不会产生污染废气物排放和安全问题，是一种环境友好型的发电技术。

光伏发电量可直接并网用于城市轨道交通牵引动力照明负荷用电，能够有效地减少外电源提供的电能消耗，实现节能减排。

另外，在供电系统、升压变电、并网、数据采集发送、电量监控等方面可为后续工程提供参考和借鉴。

2 光伏发电系统方案总述

城市轨道交通供电系统中压网络电压等级采用AC 35 kV，牵引供电系统采用DC 1 500 V，低压动力照明系统采用AC 400 V/230 V。

太阳能光伏组件通过汇流、逆变后输出AC 400 V交流电。光伏发电系统可根据发电容量选择接入城市轨道交通供电系统的方式，具体有2种：（1）光伏发电输出的交流电直接接入到低压动力照明系统，采用400 V侧并网方式，即在接入到轨道交通降压变电所内的低压400 V开关柜上；（2）光伏发电输出的交流电通过升压变压器（AC 0.4 kV/35 kV），采用在35 kV侧并网发电，即在变电所35 kV母线上增加两面40.5 kV开关柜，供光伏系统接入。2种方案系统构成如图1、图2所示。

400 V侧并网光伏发电系统主要由低压逆变系统构成，35 kV侧并网光伏发电系统由低压逆变系统+升压系统构成。

图1 400 V侧并网光伏发电系统构成示意图

图2 35 kV侧并网光伏发电系统构成示意图

3 低压逆变系统设计

低压逆变系统由光伏组串、直流配电装置、交流配电装置、并网逆变装置等组成。太阳能通过光伏组串转化为直流电，然后通过汇流、逆变转化为与电网同步的正弦交流电接入电网。

3.1 光伏阵列设计

（1）光伏组件选择。选用单个组件功率235 Wp的多晶硅组件。

（2）光伏阵列角选择。根据所在地区太阳辐射情况数据，确定光伏系统输出全年最大的光伏阵列倾角，同时需要考虑光伏系统与建筑结合的景观效果，选择光伏阵列的最佳安装角度。

（3）光伏组件的安装。光伏组件板一般选择安装在钢架上，钢架可靠地固定在车库屋顶上预制的混凝土基础上，光伏组件板成排成列布置。

3.2 直流配电系统设计

为了将直流配电系统有序地接入逆变装置，有效降低接线故障点，将车库屋顶上的光伏组件分区域进行并联汇流接入到防雷汇流箱装置上，然后将不同的汇流输出接入到变电所房间中的直流配电柜装置后再接入到逆变器装置，这样既便于维护，又能够提高系统可靠性。

其中，直流配电装置包括车库屋顶上的防雷汇流箱和变电所设备房间内的直流配电柜。防雷汇流箱的防护等级为IP65，适于室外长期运行，具有防水密封功能，由熔丝、二极管、断路器、避雷器组成；直流配电柜由断路器、避雷器、测量仪表组成。

3.3 监控系统设计

为每个光伏发电子系统均配置相应的监控装置，并在变电所控制室或控制中心内设置监控系统（包括工控机及软件、复示系统），以便于对光伏发电系统工作状态进行实时监控。

3.4 保护方案

在光伏发电过程中，并网逆变器实时采集网侧电压信号，通过闭环控制，使并网逆变器输出的交流电流与网侧电压之间同相位，确保功率因数控制在1.0附近。

（1）孤岛保护。并网逆变器设置有效的孤岛保护，当并网逆变器检测到网侧失压后，会自动退出系统；当重新检测到网侧电压时，并网逆变器持续检测电网信号在一段时间内完全正常后才投入并网运行。

（2）电气隔离设置。并网逆变器装置自身配备隔离变压器，确保逆变器的直流输入和交流输出电气隔离。

（3）逆变器直流侧接地保护。直流侧的光伏元件为“悬浮地”，正负极与地之间隔离，且逆变器在运行过程中，采用绝缘阻抗实时检测直流侧正负极的对地阻抗，当故障发生后，可通过检测负极对地的漏电流以及此时的母线电压计算出对应的负极对地绝缘阻抗，通过比较器与设置的阀值相比较作为及时可靠触发保护动作的判据。

（4）防雷接地保护。根据光伏组件方阵的高度和占地面积，直击雷的防护采用与建筑已有的防雷接地网连接。

在光伏组件支路汇流接入并网逆变器前，设置两级避雷防护，即在屋顶的防雷汇流装置、室内的直流配电装置的正负极上分别安装避雷器，避雷器的接地端接至接地网上。

在并网逆变器交流输出侧，低压交流配电柜输出端装设避雷器作为防雷设施。

光伏发电系统的安装支架、设备基础、设备外壳等通过接地扁钢或接地电缆接至建筑专业预留的接地点，接地电阻不大于1 Ω。

3.5 系统运行方式

（1）白天：光伏元件将太阳能转换为直流电，再由逆变器逆变为400 V交流电。

（2）夜晚：夜间光伏发电系统处于待机运行状态，交流电网侧向光伏发电系统充电。

4 升压系统设计

4.1 升压系统接线方案

低压逆变系统输出400 V交流电，通过AC0.4 kV/35 kV升压变压器升压后，引入到轨道交通变电所35 kV母线上，通过中压环网为整条轨道交通线路的牵引和动力照明负荷供电。

4.2 防逆流控制系统

为确保光伏发电系统所发出的电能直接就近被轨道交通负荷消耗掉，而不向上送至市电电网，需设置防逆流控制器。防逆流控制器实时监测市电接入点的电压与电流，若发现向市电电网上送电能，或出现通讯故障、其他系统故障时，防逆流控制器会控制逆变器退出运行，从而实现向市电电网上送电能。

4.3 电力监控系统设计

光伏发电量由通过升压系统接入到轨道交通供电系统内，轨道交通控制中心负责对光伏并网系统相关设备进行监控。

4.4 保护与计量

（1）保护配置。

升压变压器：变压器本体保护；

接入的35 kV开关柜：过电流保护、零序保护。

（2）计量。在接入的35 kV开关柜内设置相关表计，测量并网点的电压、电流、有功功率、功率因数、有功电度，并通过电力监控系统上送到轨道交通控制中心。

4.5 系统运行方式

（1）正常运行方式。

白天：低压逆变系统接入到轨道交通变电所35 kV母线上，与配电变压器（或整流变压器）并列运行，潮流方向为由光伏发电系统向轨道交通供电系统流动。

夜晚：升压系统转换为降压系统，轨道交通供电系统对光伏发电系统进行充电，光伏发电系统处于待机运行状态。

（2）故障运行方式。当一台升压变压器或对应回路电缆发生故障时，应迅速切除相应回路的断路器，其他回路保持运行状态不变。

当轨道交通变电所母线或相应的至变电所电缆故障时，应立即切除接入35 kV母线的断路器开关，切除光伏发电系统，保证不影响轨道交通变电所的正常供电。

5 结语

光伏发电系统在轨道交通车辆基地的应用方案已经在上海市轨道交通车辆基地中进行了示范应用，并取得了良好的节能效果。尤其是光伏发电系统采用35 kV侧并网接入轨道交通供电系统，为轨道交通车辆基地屋顶光伏发电的大面积推广和发展做了经验积累，提供了借鉴和参考。

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

阮庆军.中铁电气化勘测设计研究院有限公司，工程师，电话：13752554252。