轨道交通光储直柔技术应用及展望

吴宗臻，王小锁，张凌云，吉祥雨

（中国铁道科学研究院集团有限公司城市轨道交通中心，北京 100081）

1 引言

2020年9 月，我国提出2030年“碳达峰”与2060年“碳中和”的战略目标。为努力实现这一目标，各行业都必须加快能源转型，从以化石能源为基础的碳基能源系统向以可再生能源为基础的零碳能源系统转变。目前可供开发的绿色替代能源主要包括水能、风能、太阳能、生物能、地热能、海洋能、氢能等，其中，太阳能逐渐成为当前可开发利用的重点替代能源之一。光伏发电具有无污染、可再生、安装地点机动灵活、可存储等诸多优点，其中分布式光伏发电发展迅猛。2021年，我国新增光伏发电装机容量达到54.88 GW，同比上升13.9%。累计光伏发电并网装机容量达到308 GW，新增和累计装机规模均居世界首位。

轨道交通是重要的能源需求用户，各类站房屋顶和轨道交通沿线也具有安装分布式光伏发电设备所需的面积资源，因此，应充分发挥轨道交通光伏发电在未来能源系统中的重要作用，构建基于光储直柔技术的轨道交通新型能源体系。针对不同的轨道交通类型，需要探索如何构建相应的光储直柔技术解决方案。

基于上述现状，本文对光储直柔技术进行梳理，介绍光伏发电、储能技术、直流配电、柔性用电4项技术的最新进展情况，同时盘点各项技术在轨道交通领域的应用现状，并对光储直柔技术应用于轨道交通的发展趋势进行展望。

2 光储直柔技术及发展

光储直柔技术指集光伏发电、储能技术、直流配电、柔性用电于一体的新型系统性能源技术。

2.1 光伏发电技术

光伏发电技术是利用半导体材料的光伏效应将太阳能直接转化为电能的固态发电技术，是太阳能利用的重要形式。作为可再生能源的一个重要发展方向，光伏发电技术近年来取得了持续快速发展。太阳能电池组件是光伏发电系统中的核心部分，不同的电池材料特性如表 1所示。

表1 太阳能电池材料特性表

光伏发电技术在通信、建筑、交通、电信等诸多行业中得到广泛应用。光伏发电可分为以下3种类型。

（1）离网型光伏发电。其产生的电能仅供给本地负载，包括交流负载和直流负载，不与公共电网连接。配有蓄电池等储电装置，在无光照时，由蓄电池通过逆变器给负载供电，实现重复循环充放电。

（2）并网型光伏发电。分为带蓄电池和不带蓄电池，其产生的电能通过并网逆变器转换成交流电后直接接入公共电网。

（3）分布式光伏发电。在用户场地附近建设，倡导就近发电、就近并网、就近转换、就近使用的原则。目前应用最为广泛的是建在城市建筑物屋顶的光伏发电项目。

光伏发电技术不断发展和成熟，其能量转化效率日益提高，建设成本日益下降，在不久的将来有望解决能源紧缺的问题，甚至可以取代化石燃料，在环境保护与节能减排中起到积极作用。

2.2 储能技术

储能技术可有效降低新能源发电的不稳定性，缓解电力系统供需矛盾，确保智能高效电网安全可靠运行。储能技术种类繁多，根据不同能量形式及技术原理，主要分为机械储能、电化学储能和电磁储能三大类，其技术特性如表2所示。总体上，机械储能较易于大规模推广，但效率较低；电化学储能效率较高，但大规模应用仍需解决其使用寿命短等问题；电磁储能效率高，但成本较高，目前占比较低。

表2 储能技术类型特性比较

据统计，2021年我国已投运的储能项目累计装机容量为45.75 GW，同比增长29%。新增投运容量为10.14 GW，其中，抽水储能规模最大，达到8.05 GW；锂离子电池储能排名第二，投运规模达到1.84 GW；压缩空气储能新增投运规模大幅提升，达到170 MW，是其2020年底前累计规模的15倍；液流电池装机容量新增23 MW 。

不同类型的储能技术原理不同，不同应用场景对储能技术的需求各异。超级电容器储能适合于需要提供短时较大脉冲功率的场合，而抽水储能、压缩空气储能和电化学储能适合于系统调峰、大型应急电源、可再生能源并入等大规模、大容量的应用场合。此外，不同应用场景应根据其具体指标要求、储能特性和应用目的来进行储能容量的配置。

2.3 直流配电技术

直流系统由于其形式简单、易于控制、传输效率高等特点，在航空、通信、船舶等领域广泛应用。但过去技术上的限制，使得直流变压困难、传输距离有限，所以目前低压配电系统多采用交流形式。随着直流技术、直流断路器、电力电气器件的不断改进和完善，直流系统得到进一步发展，不仅克服了以往不足，而且还能很好地解决某些交流系统中存在的问题。在当前发电端和用电端悄然变化的背景下，交流系统与直流系统的应用特点如图1所示。

图1 交流系统与直流系统应用特点

（1）发电端。太阳能等新型分布式直流电需要经过交流电网逆变才能并网，而风电和水力发电等交流电由于功率与电网不匹配，需要先进行整流、逆变后并网。大量的逆变环节会增加电力系统的建设费用，并降低电力系统的转化效率。

（2）用电端。由于电力电子技术的迅速发展，使得配电系统中出现大量的直流负荷，例如手机充电器、微波炉、变频空调、电脑、浴霸等，在交流配电系统中，这些直流负荷需要通过逆变器转换为直流电才能正常连接工作。逆变器的高频率切换易使交流电网产生大量谐波，导致电能质量下降，从而对电网的运行稳定性产生不利影响。

综上，相较于交流系统，直流系统具有如下优点：①线路损耗低，传输效率高，节省线路走廊；②更易实现系统扩容和故障隔离；③易于实现系统功率分配；④ 有助于可再生能源和储能设备灵活、方便地接入；⑤ 与储能技术相结合可改善供电可靠性和电能质量。

2.4 柔性用电技术

柔性用电技术是指能够主动改变从市政电网取电功率的能力，使用电端由刚性负载转变为柔性负载。一方面，电器设备根据直流母线电压的波动动态调整输出功率，即在电器设备感知到外界电力供应处于峰值时，在满足舒适条件的前提下，设备自动降低功率运行；另一方面，通过光伏、储能、负荷的动态匹配，实现与电网的友好“说话”。发展柔性用电技术对解决当下电力负荷峰值突出以及未来与高比例可再生能源发电形态相匹配等问题具有重要意义。

柔性用电技术是光储直柔技术的最终目的，使用电需求由刚性负荷向柔性负荷过渡，而光伏发电技术、储能技术、直流配电技术是实现柔性用电技术的必要条件。目前，光储直柔技术主要应用于建筑领域，在建筑屋顶、外墙发展分布式能源和储能系统。《国务院关于印发2030年前碳达峰行动方案的通知》明确指出，提高建筑终端电气化水平，建设集光伏发电、储能、直流配电、柔性用电为一体的光储直柔建筑。将光储直柔技术引入建筑，不仅可以提高建筑自身节能水平、改善建筑用电体验，而且对于缓解城市电网增容压力、提高供电可靠性具有重要意义。国内已开展的光储直柔示范建筑包括深圳建科院未来大厦R3模块、青岛奥帆中心、清华大学建筑节能楼等。

3 轨道交通光储直柔技术应用

在能源结构转型的大背景下，建立以新能源为主体的新型电力体系对经济社会的发展具有重要意义。轨道交通是我国用电大户之一，大多数电能被用于轨道交通车辆牵引供电。为实现双碳目标，轨道交通行业节能减排势在必行。轨道交通建设与光储直柔技术的有机结合，既符合国家节能降耗政策，达到节能减排效果，也满足降低运营成本的需求。目前光储直柔技术在轨道交通的应用如下。

（1）在轨道交通车辆段、车站、轨道沿线等空闲地段建设分布式太阳能光伏发电系统。随着光伏建筑一体化系统（BIPV）的发展，越来越多的轨道交通车站开始铺设大规模光伏发电设施。用电范围从最开始的照明等生活用电逐渐转向铁路沿线通信信号设备供电。

（2）在供电系统中配置储能装置，储存剩余的光伏能量或在光伏发电不足时补给，一定程度上起到削峰填谷的作用，并能对牵引系统再生制动能量进行回收利用。根据储能介质和电能释放方式的不同，储能装置分为飞轮储能、电化学储能、超导储能和超级电容储能等。其中，电化学储能中的锂电池能量密度高，近年来发展迅速，在轨道交通系统中既可回收再生制动能量、稳定电压，同时锂电池充放电效率、工作温度及循环寿命等性能均能满足接入轨道交通直流供电系统的需求。

（3）将光伏发电的直流电供给轨道交通供电系统，列车通过受流器与接触网直接接触获得电能。光伏发电系统接入轨道交通供电系统具有交流并网和直流并网2 种方式，其中交流并网方式控制策略简单而成熟，直流并网方式采用控制策略来补偿牵引网电压，减少接触网损耗，从而达到改善轨道交通牵引供电质量和节能的目的。

（4）运用柔性用电管理系统实现轨道交通用电的自我调节和自主优化，为缓解电力供需矛盾提供有效解决途径。随着电力电子变流技术的发展和轨道交通牵引供电系统潮流控制要求的不断提高，直流牵引供电系统的潮流控制能力及系统供电安全得到有效提升。光伏发电通过牵引供电系统转换升压后可直接接入直流牵引电源接触网，消除了无功、负序等电能质量问题，提高了电能质量。当线路上列车需要牵引功率时，优先利用光伏发电并入功率，以降低双向变流机组从交流电网吸收的功率；如光伏发电功率无法充分使用，则可将多余的功率回馈给交流侧。

4 结语及展望

碳中和的目的是促进整个能源结构的低碳化，在未来的发展趋势下，轨道交通将不再是单纯的用电负荷，而是具有发电、储能、调节、用电等多种功能。光储直柔技术是推进轨道交通实现上述各项功能的一条重要技术路径，但目前我国在轨道交通领域应用光储直柔技术尚处于起步阶段，在基础性研究、技术研究、标准化体系建设和实际工程示范应用中还有许多问题需要解决。

（1）在基础性研究上，需要对轨道交通能源特性与光伏发电、储能和外部电网供电的关系进行深入分析，并对其柔性特性进行定量描述。

（2）在技术研究上，随着人工智能、机器学习等技术的迅速发展，发电端、用电端的负荷预测技术也得到迅速发展，为准确的电力系统负荷预测技术的发展奠定了基础，有助于提高电力用户对能源的灵活利用和对系统的响应。

（3）在标准体系上，光储直柔概念从无到有、再到进一步发展和普及，都离不开标准的支持。当前只有建筑领域的有关标准，对轨道交通领域光储直柔技术标准的需求还有待进一步梳理，形成一套覆盖关键技术的完整标准体系，为相关项目的规划、设计、建设、运行、评估提供有利支撑。

（4）在实际工程和应用上，现有的实际应用案例大多是单一功能或单个场景，因此，在轨道交通系统中如何合理地构建光储直柔系统、建立合理的方案，还有待于进一步的研究。