蒙内铁路光伏微电网系统的应用

张彦龙

中交隧道工程局有限公司铁路运营分公司，北京 100102

1 工程概况

蒙内铁路电力供电主要依靠肯尼亚电力与照明公司提供，沿线设9座变配电所，其中6座33kV配电所只有单电源供给，内罗毕终点站、赖茨港变配电所由两路电源供给。由于肯尼亚电力匮乏且不稳定，停电频繁，蒙内铁路各站配备了柴油发电机组，作为外电网停电时各站通信信息、信号等重要负荷的备用电源，其余生产、生活及区间GMS-R基站将无法供电。为了彻底解决这一问题，在蒙内铁路沿线建设光柴储微网系统，保证电网停电时微电网系统可持续为所有负荷供电。文章以蒙内铁路蒙巴萨终点站为例对建设微电网改善供电问题进行分析。

肯尼亚位于热带季风区，蒙内铁路所在区域属热带草原气候，蒙巴萨终点站地处于沿海湿热地区。通常，肯尼亚每年3—6月为大雨季、10—12月为小雨季，其余时间段为旱季。蒙巴萨终点站地理位置为南纬4°2′、东经39°40′，通过查阅相关气象资料可知，所在地年均总辐照量为1994.1kW·h/m2（水平面年均峰值日照时数为1994.1h），日均峰值日照时数为5.46h。从气象资料上可见，蒙内铁路乃至东非规划的铁路网所在区域太阳能资源都非常丰富，非常适合推广和利用太阳能资源。

2 方案设计

2.1 微电网概述

微电网由风能、光能等能量形成电源，通过转换、储能装置，配置监控及保护装置后，将电源分配到各用电负荷点，从而形成一个发电、配电系统。它能够实现控制、保护和管理的自治系统，可为外电电网内的用电负荷调配，相互备用，既可以独立运行，也可以并网运行。微电网系统构成示意图如图1所示。微电网按照运行模式可分为并网型和独立型，并网微电网支持并网运行与独立运行两种运行模式。在并网运行模式下，一般与高低压配电网并网运行，互为补充，实现电能交换，当外电网停电时，它可以转为独立运行模式，继续为微电网内用电负荷供电，这样可以提高重要负荷的供电可靠性，通过能量管理系统和智能化控制系统保证微电网供电的质量。

图1 微电网系统构成示意图

2.2 微电网总体方案

案例微网由光伏、柴油发电机、储能装置等组成，光伏装机容量为450kWp，储能容量为515kW×0.5h，既有的柴油发电机组容量保持不变，系统采用先进的能量管理系统、智能化控制等手段，使其具备离网运行模式，继而实现光储发电与柴油机发电之间多种运行模式的智能切换，大幅提高了光伏电站的电能质量和稳定性。微电网系统配置容量如表1所示。

表1 微电网系统配置容量表

3 具体方案实施

该微网系统主要由光伏发电组件、储能蓄电池组、柴油发电机组、蓄电池管理系统（BMS）、能量管理系统（MGC）和监控系统等组成。当并网运行时，光伏系统所发电量全部被负荷消耗，蓄电池组处于备用状态，当外电网停电时，蓄电池储能系统将提供本站及GMS-R基站负荷的用电。

3.1 光伏发电系统设计

该光伏发电系统的装机容量配置为450kWp，其中光伏组件选用275kWp多晶硅太阳能电池组件，经计算需1637块，选用9台50kWp组串式逆变器、2台交流汇流箱，光伏阵列所发直流电经逆变器转变成交流电后，经过汇流箱汇流升压接至415V母线侧。该项目太阳电池组件采用固定式支架，根据蒙巴萨终点站所在地理位置，综合地面承载力、风载及安装成本等综合计算，该项目光伏组件设计采用安装倾角5°、方位角180°（正北），总安装容量为450kWp，可建于车站周围空旷地面上。

3.2 储能系统

（1）储能系统组成。储能系统选用磷酸铁锂电池、PCS和BMS安装在一个标准（2991mm×2438mm×2591mm）集装箱内，集装箱进行防水、防火、防紫外线及防腐处理，保证满足使用需求，此集装箱占地面积大约为20m2。（2）储能系统配置。储能系统配置储能变流器总容量为660kVA，磷酸铁锂蓄电池阵列容量为325.6kW·h，配备一套蓄电池管理系统（BM）。

3.3 能量管理系统

能量管理系统是微网运行的控制核心，主要负责完成快速采集处理光伏系统、储能系统等通信信息的获取，以及对分布式电源、储能、负荷的实时管理，完成系统策略功能，并构建了系统安全稳定运行防线[1]。

4 主设备配置

4.1 光伏组件

该项目可选用275W的多晶硅光伏组件，选用国内定型的成熟产品，发电效率高，符合相关规范要求，产品性能稳定可靠，符合系统寿命周期使用要求，光伏组件产品特性如下。（1）4主栅光伏电池片：兼顾考虑光伏发电单元的结构形式、工程造价，以及电池片工作电压和直流输入电压、温度系数等因素，合理确定最佳方式。（2）高效：通过工艺高水平测试，组件转换效率较高。（3）弱光性能：通过使用出色的玻璃及电池片的表面制绒技术，以在弱光环境下获得优异的性能。（4）荷载能力：整体组件通过2400Pa的风荷载及5400Pa的雪荷载认证。（5）环境的适应性：符合该地区气候特征，通过高盐雾和高氨腐蚀性测试。

4.2 逆变器

对于光伏电站系统，逆变器的选择至关重要，它对于提高系统的发电效率转换、减少运行中电能损耗、降低运营成本及投资成本回收期有着重要的意义。逆变器的作用就是把来自太阳能电池方阵的直流电转换成交流电，并把电力输送给与交流系统连接的负载设备，同时把剩余的电力储存在蓄电池储能系统中。同时，它还能及时发现电池组件运行中的异常和故障情况，起到保护电网安全的作用。该项目可选用的逆变器为50kW串式逆变器。

4.3 储能系统

（1）储能变流器（pcs）。储能装置是整个光伏系统中的重要组成部分，它是整个光伏系统供电调节装置，控制储能蓄电池充放电过程，保护蓄电池过充、过放和过流，延长电池使用寿命，并在日照不足时或夜间为用电负载供电，同时具备完善的保护功能，如孤岛保护、直流过压保护和低电压穿越等，满足并网或离网运行的要求[2]。

（2）蓄电池。储能电池选用LFP磷酸铁锂电池，该系列电池具有超长的循环寿命和很高的运行可靠性，适用于偏远、无电地区微电网环境。蓄电池管理系统（BMS）主要由储能蓄电池的监测、控制和管理等模块组成，其功能是采集蓄电池组运行信息、充放电管理、故障诊断，采集整组电池的总电压和电流，是集对电池组出现的异常进行监测、报警和保护于一体的管理系统。其设计原则为集装箱机房内需配置火灾报警、温度、水浸、湿度传感系统，隔热、阻燃、应急照明及消防等自动控制和安全保障系统，达到实时监控运行环境安全的目的。防误报功能，一旦发生烟雾、高温（45℃）、水浸等故障，机房会通过声光报警和远程通信的方式通知值班人员，同时切除正在运行的蓄电池设备[3]。

5 伏电站应用经济性分析

（1）光伏系统发电量估算。根据测算，该微电网25年总电量约为1654万kW·h。（2）主要设备投资概算。该微网项目的初投资总额约为391万元，包含光伏系统、储能系统、微网能量控制系统、监控系统、消防及技术服务。（3）收益分析。按肯尼亚当地一般生产电价按20左右肯先令/（kW·h）考虑，再争取肯尼亚国家政府支持，项目前期每年可节约电费1464万肯先令，25年总计可节约电费3.3亿肯先令，约合2200万元人民币。（4）其他收益分析。蒙内铁路随着货运量的不断增加，电力的需求也不断加大，该项目实施后，可有效避免肯尼亚外电停电对货运装卸的影响。

6 结束语

综上所述，蒙内铁路新建光伏微电网应用是可行、有利的，必要性充分，可为践行中国“一带一路”提供有力的支持。发展蒙内铁路物流，降低物流成本，是更好地发挥蒙内铁路在肯尼亚综合交通运输体系中骨干作用的客观要求，是实现蒙内铁路运维项目打造中国铁路海外新模式、树立铁路运营国际化品牌、实现可持续发展的重要保障。