光伏发电技术在轨道交通客车中的应用

侯 霄 卢衍伟 朱丽媛 张明顺

(中车四方车辆有限公司,266111,青岛∥第一作者,高级工程师)



光伏发电技术在轨道交通客车中的应用

侯 霄 卢衍伟 朱丽媛 张明顺

(中车四方车辆有限公司,266111,青岛∥第一作者,高级工程师)

轨道交通客车在载客运行的过程中消耗大量的电能。采用光伏发电技术后,蓄电池组将太阳能电池发出的电能存储,并随时与客车充电机进行电耦合,共同为客车供电。客车光伏电系统主要由光伏发电系统充电机、升降压斩波器、直流负载及供电控制系统组成。其中,光伏发电系统主要由光伏电池组件、发电控制器、蓄电池组及升降压斩波器组成。详细介绍了客车光伏供电系统的工作原理。

节能技术; 牵引供电系统; 光伏发电; 升降压斩波器; 充电机

Author′s address CRRC SIFANG Co.,Ltd., 266111,Qingdao,China

轨道交通客车供电可采取单独供电、集中式供电及混合供电等方式。无论哪种供电方式都需依靠牵引变电所或柴油发电机组供能,或消耗列车自身机械能转变为电能的能量。本文以由电力机车主变压器提供集中供电的普通客车及动车组客车为对象,探讨光伏发电技术能否减少地面牵引变电所的容量和电力供应,并讨论了减少轴驱发电机供电的普通22型、23型等客车,小型柴油发电机组供电的RW22、YW22等客车,以及发电车柴油发电机组集中供电的轨道交通客车的能源消耗[1]。

光伏产业是世界发展速度最快的行业之一。为实现能源和环境的可持续发展,世界各国均将太阳能光伏发电作为新能源与可再生能源发展的重点。随着高铁“走出去”战略的实施,在我国轨道交通中发展太阳能光伏发电技术是有必要的。我国太阳能资源丰富,理论储量达每年17 000亿t标准煤,有巨大的开发潜力。光伏组件生产逐年增加,成本不断降低,市场不断扩大。在太阳能电池技术研究开发方面,开展了单晶硅、多晶硅电池研究,以及非晶硅、锑化镉、硒铜等薄膜电池研究,同时还开展了浇铸多晶硅、银/铝浆、EVA (乙烯-醋酸乙烯酯共聚物)等材料研究,并取得了可喜成果[2]。

根据文献[3]可知,我国的西藏、青海、新疆、内蒙古南部、山西、陕西北部、河北、山东、辽宁、吉林西部、云南中部和西南部、广东东南部、福建东南部、海南岛东部和西部以及台湾省的西南部等广大地区的太阳辐射量很大;四川、重庆和贵州等省市因雾多,阴雨天多,太阳年辐射总量虽较小,但仍有一定的利用价值。

目前,铁路客车存在较多的类型,如22型、25G、25K、国产25T、BSP客车等; 动车组客车有CRH1、CRH2、CRH3、CRH5及CRH380系列等。这些客车的电源类型有所不同。本文探讨的光伏发电技术主要针对采用DC 110 V、DC 48 V、DC 24 V,以及充电机、蓄电池组等直流电源的客车。

1 光伏发电系统组成

光伏发电系统主要由光伏电池组件、发电控制器、蓄电池组、保护二极管等组成(见图1)。在客车车顶布置的光伏电池方阵,可在控制器的控制下将光生电能存储到蓄电池组中。

图1 光伏发电直流供电系统框图

1.1 光伏电池组件

光伏电池单体是光电转换的最小单元,其尺寸一般从2 cm×2 cm到16 cm×16 cm不等。光伏电池单体寿命为20～30 a,满足客车整车设计寿命要求。光伏电池单体的工作电压为0.45～0.50 V,工作电流为20～25 mA/cm2,需串并联封装成光伏电池组件对负载进行供电。光伏发电系统选择峰值电压为27 V的光伏电池组件,光伏电池单体按6个×9个布置。通过将不同数量的电池组件串并联后构成光伏电池方阵就可产生负载所需的工作电压或蓄电池组充电电压。光伏电池具有一定的防腐、防风、防雹、防雨等能力,能适应不同的工作环境。

单节铁路客车标准长度是25 m左右,除去车体两端布置的空调和水箱等设备,车体的有效长度为19 m。光伏电池单体选择无锡尚德太阳能电力有限公司生产的多晶硅电池单体,其尺寸为156 mm×156 mm。单片电池单体电压为0.5 V,功率为4.4 W。

客车车身每侧可纵向并排串联布置的光伏电池组件数=车体长度/光伏电池组件宽度(含安装)≈20个光伏发电系统发电电压最终选择DC 110 V,电压范围为100～135 V。客车车顶光伏发电功率理论值为4 752 W,两侧光伏电池方阵并联供电。考虑太阳光入射角度的不同,总的发电功率具体数值需以试验确定,现暂按6 000 W计算。

1.2 保护二极管

当阴雨天、夜晚以及光伏发电系统不工作时或出现短路故障时,保护二极管可使蓄电池组通过太阳能电池放电。保护二极管串联在光伏电池输出端的升降压斩波器与蓄电池组之间,其正向压降小,并能承受足够大的电流;其反向压降大,饱和电流小。

1.3 铁路客车蓄电池组

光伏发电系统发出的电能不仅通过蓄电池组储能,还可随时向直流负载供电。这样可节省光伏发电系统的蓄电池组成本。光伏发电系统通过升降压斩波器可与不同的客车类型的直流负载进行匹配。

客车蓄电池的功能是:

(1) 在系统发生故障的情况下(缺少接触网电压、牵引变压器或变流器发生故障、蓄电池充电机发生故障等),可确保向重要负载供电。

(2) 在正常情况下,是门系统、照明、接触器和继电器等的主要动力源,通过电池母线(或由电池充电器)给直流负载供电,以保证系统供电的可靠性。

以CRH2型动车组列车蓄电池组及负载为例,光伏发电系统在列车故障模式下的作用见表1[5]。

表1 CRH2型动车组列车光伏发电系统在列车故障模式下的作用

在列车正常载客运行过程中,光伏发电系统是一直工作的。以普通列车连挂15辆客车且晴天运行7 h计,则每列列车每天节省的电能为630 kWh。

正常情况下,蓄电池组充满时,光伏发电系统与列车充电机通过控制器协同为直流负载供电。控制系统优先使用光伏发电系统电能,其次使用列车充电机电能,最后使用蓄电池组电能。光伏发电系统、蓄电池组与列车充电机通过控制器的控制实现了电耦合。

1.4 光伏发电控制器

光伏发电控制器是光伏发电系统的核心部件,是实现电耦合的关键,其主要功能是实现电池的充电和保护。光伏发电控制器控制框图如图2所示。防反充二极管只有当太阳能电池方阵输出电压大于蓄电池电压时才能导通,反之则截止。这样即可保证夜晚或阴雨天天气时不会出现太阳能电池方阵反向放电,起到防反向充电保护作用。

开关器件T1并联在光伏电池方阵的输出端。

图2 发电控制器控制原理框图

当列车停车或直流负载用电较少,并且蓄电池组不允许充电时,开关器件T1导通,太阳能方阵的输出电能直接通过T1泄放。T1起到了蓄电池组过充电保护的作用。只有当蓄电池组充电或列车停止运行时T2才会截止。

根据文献[4],采用脉宽调制(PWM)三阶段充电方式的控制器,比简单地充满-断开控制器的充电效率要高出30%。PWM三阶段充电法可最大限度地利用光伏电池,大大提高充电效率,还能保证蓄电池始终处于良好的工作状态。PWM三阶段充电控制器主电路的开关器件选用功率场效应晶体管(MOSFET)。脉宽调制控制器原理如图3所示。

图3 PWM控制原理

2 客车光伏供电系统工作原理

客车光伏供电系统主要由光伏发电系统、充电机、升降压斩波器、直流负载及供电控制系统构成。充电机按客车车型标配。供电控制系统根据不同的电压等级与蓄电池组和充电机进行匹配电耦合。

轨道交通客车直流配电多将DC 110 V、DC 48 V、DC 24 V电压直流负载与充电机、蓄电池并联为负载供电。光伏发电系统的电压波动范围为DC 100～135 V,需要通过升降压斩波器来适应不同类型客车的直流负载。直流负载不同时,供电控制系统的结构不需改变。客车光伏供电系统原理如图4所示。设电路中电感L的电感值很大,电容C的电容值也很大,使电感电流iL和电容电压(即负载电压)Uo基本为恒值。D3为蓄电池组防反接二极管。当蓄电池极性接反时D3导通,使蓄电池通过D3短路放电将熔断器FU熔断。该电路的基本工作原理是:当可控开关T2处于通态时,电源经T2向电感L供电使其储存能量。此时电流为电源电流I1。同时,电容C维持输出电压基本恒定并向负载蓄电池组及客车直流负载供电。此后关断T2,电感L中储存的能量向负载释放,电流为负载电流I2,电感L中电流通过二极管D1续流。可见,负载电压极性为上负下正,与电源极性相反[6]。

稳态时,1个周期T内L两端电压UL对时间的积分为零,即

当T2处于通态时,光伏电池方阵电压为UE,则UL=UE;当T2处于断态时,UL=-Uo。于是

UEton=Uotoff

式中:

ton——1个周期T内的通态时长;

toff——1个周期T内的断态时长。

输出电压为

式中:

α——导通比,α=ton/T。

若改变α,则Uo既可以比电源电压高,也可以比电源电压低。当0<α<1/2时为降压,当1/2<α<1时为升压; 该部分电路实现了光伏发电系统与不同直流负载的匹配,并且具备了抗发电系统电压波动的能力。

图4 客车光伏发电供电系统

图5～图6为电源电流I1和负载电流I2的波形。当电流脉动足够小时,有

可得:

如果T2、D1为没有损耗的理想开关时,则

UEI1=UoI2

图5 电源电流波形图

图6 负载电流波形图

3 结语

我国的轨道交通正在高速发展,其能源消耗量也在迅速增加。将节能技术引入客车制造和轨道交通运营是具有积极意义的举措。多晶硅光伏电池价格约为5元/W,则1辆客车光伏电池的成本投入为47 520元; 按每年有效晴天数为250 d计算,则1辆客车每年节约电能10 500 kWh; 光伏电池寿命为25～30年,则每辆客车在30年的设计周期内可节约用电315 000 kWh。光伏电池寿命终结时还可再回收利用。由此可算出,每辆客车因增设光伏发电系统而增加的成本约为8万元,而其使用期可节省的电费却将近20万元。

[1] 杨志强.客车电气装置[M].北京:中国铁道出版社,2014:1-2.

[2] 何道清,何涛,丁宏林.太阳能光伏发电系统原理与应用技术[M].北京:化学工业出版社,2012:11-12.

[3] 中国数字科技馆.太阳能资源分布[EB/OL](2013-11-20)[2015-09-09].http:∥amuseum.cdstm.cn/AMuseum/diqiuziyuan/er2_2_1.html.

[4] 王长贵,王斯成.太阳能光伏发电实用技术[M].2版.北京:化学工业出版社,2009:13-16.

[5] 刘志明,王星明.动车组设备[M].北京:中国铁道出版社,2014:78-82.

[6] 王兆安,黄俊.电力电子技术[M].4版.北京:机械工业出版社,2008:100-111.

Application of Photovoltaic Power Generation in Rail Transit Vehicle

HOU Xiao, LU Yanwei, ZHU Liyuan, ZHANG Mingshun

Rail transit vehicle consumes a great deal of electric energy in operation.When photovoltaic power technology is adopted,the storage battery will absorbe the energy genenrated by solar battery and provide power for the train by coupling with the vehicle charger.The photovoltaic power generation system consists of power generation system charger,buck chopper,DC load and control system.Among which, the solar cell array,controller,storage battery,buck chopper and so on are main components,the working principle of the photovoltaic power generation system are introduced in detail.

power-saving technology; traction power supply system; photovoltaic power generation; boost buck chopper; charger

U270.38+1；TM919

10.16037/j.1007-869x.2017.06.030

2015-11-20)