轨道交通车辆基地交直流混合微电网的应用模式研究*

陈夕洋, 张刘海, 朱国皓, 陈锦清, 季颀淞, 颜 哲, 张永明

(1.上海地铁维护保障有限公司物资和后勤分公司, 上海 201106;2.上海航天智慧能源技术有限公司, 上海 201114;3.福州职业技术学院, 福建 福州 350108;4.同济大学, 上海 200092)

0 引 言

近几年,我国城市轨道交通建设发展迅速,截至2022年底,中国(除港澳台地区外)共有55个城市开通城市轨道交通运营线路308条,运营线路总长度10 287.45 km[1]。其中,地铁运营线路8 008.17 kW,占比77.84%;全国城轨交通总电能耗227.92亿kW·h,同比增长6.89%。其中,牵引能耗113.15亿kW·h,能耗占总电能耗的比为49.65%,其他辅助设施在系统总能耗中占比高达50.35%[1],主要为轨道交通场站等建筑用能,有关轨道交通系统的能耗问题,已经有大量研究聚焦于列车能耗及其节能措施,有关辅助设施能耗研究却相对较少。除地铁车站外,车辆基地作为轨道交通地上占地面积最大的组成部分,且能耗往往高于同类建筑平均水平[2]。中国目前已投运车辆基地将近500座[1],针对该类建筑采取节能措施将对降低轨道交通系统能耗产生重大意义。

车辆基地是轨道交通系统的重要组成部分之一,根据其功能特点,城市轨道车辆基地通常有车辆段、停车场、检修库、运用库、牵混所、变压器室、综合楼等组成[3],所以能耗问题本质上仍属于建筑节能的研究范畴。随着光伏系统与之配套的设备发展,建筑的节能研究从早期基础动力照明等建筑机电设备的优化,转移到对光伏系统利用上[4]。由于城市用地紧张,城市轨道基地都设在离市区较远的郊区,基地周围高层建筑物较少,因此若在此处建设光伏发电系统,光伏组件不易被遮挡,其发电性能能够得到保障[5],应用条件极佳[6]。文献[7]提出了光伏电池系统的多目标混合线性规划模型,以实现轨道基地建筑的近零碳排放。对轨道交通车辆基地光伏技术的应用现状与发展潜力进行分析,结果表明在车辆基地推广建筑光伏系统具备可行性与实际价值[8-9];在工程实践方面,目前全国已经有大量车辆基地光伏建设成功的案例,通过自发自用、余电上网的光伏发电应用模式,有效降低了轨道交通建筑的总体能耗。

尽管目前基于车辆基地的光伏发电项目建设已较为成熟,然而光伏系统所产生的电力必须经过交直流变换环节才能够使用,随着终端用能电气化水平的不断提高,繁琐的交直流变换势必造成不必要的损耗[10]。本文基于“直流微电网”新型建筑供配电系统的概念,为光伏发电在基地建筑寻求更高效的利用方式,进而推动行业节能减碳进程。

1 轨道车辆基地现状

1.1 基地概况

城市轨道车辆基地通常由车辆段、停车场、检修库、运用库、牵混所、变压器室、综合楼等组成,具有车辆管理、停放、检修、清洗以及其他辅助功能。本文分析上海市某车辆基地工程实例的“直流微电网”配电系统,体现分布式光伏系统和储能优化设计的过程及特点,为实际项目的光储系统设计提供理论和实际依据,从而推动轨道车辆基地系统优化配置。上海某车辆基地平面布置示意图如图1所示。该基地位于3号线南端,毗邻上海南站交通枢纽,承担3号线部分车辆的停车列检工作,占地约180亩,基地内设有停车列检库、综合办公楼、员工宿舍及其他配套设施,多为多层建筑。

图1 上海某车辆基地平面布置示意图

1.2 车辆基地建筑负荷特性

目前全国已有许多车辆基地完成了光伏项目建设,2022年8月中国城市轨道交通协会发布了《中国城市轨道交通绿色城轨发展行动方案》。该行动方案用以指导城轨交通行业绿色转型工作,为“直流微电网”系统应用提供了良好的先决条件。

从用能场景的角度讲,在前期节能改造工程中,本次案例基地建筑照明系统已更新为直流LED照明设备,已建有若干个直流充电桩,并且直流充电桩可以作为柔性负荷,该基地内还有洗车间污水处理系统等也可以作为柔性负荷,基于以上条件,讨论光伏发电系统并入原有交流系统的方案。

2 轨道车辆基地光伏并网方案

2.1 建筑直流微电网

建筑“直流微电网”系统,是指以光伏发电、储能调节、直流配电及储能电网结构配与能源管理系统(EMS)。特色在于,光伏发电直接采用直流供电和用电,基于光伏发电受客观因素影响较大,在系统中配有柔性调节系统,柔性系统包括储能蓄电池和柔性负荷,柔性负荷是指从电网的取电量可以根据电网的供需关系在较大范围内调节,用电设备具备可中断、可调节的能力,使建筑用电需求从刚性转变为柔性[11]。增加了EMS能源管控系统,使柔性调节更加智能化,可以根据天气预报,测算发电量,进而调节轨道交通基地内柔性负荷工作时间,如充电桩、蓄电池、污水池净化设备等柔性负荷可以在发电量充足时间使用。

直流微电网无须考虑频率问题,能够有效隔离交流侧扰动和故障,系统运行可控性及可靠性大大提高。此外,直流微电网是能够减少变流环节和换流器的使用数量,降低功率损耗和成本,提高供电效率的新型建筑零碳电力系统,基于直流配电技术,通过光伏与储能为建筑提供稳定可靠的电力供应,同时结合柔性负荷调控策略增强建筑用能弹性,进而实现以新能源发电为主体的低碳建筑用能目标。

2.2 现有光伏系统交流并网方案

电力系统一般由电源,用户以及电力网组成。在光伏轨交基地系统中,电源一般由市政电源、光伏电源和储能电源组成。用户端包括照明系统,动力系统,牵引系统等机电设备。轨道交通车辆基地典型供配电结构与光伏交流接入模式如图2所示。太阳能经光伏组件转化为直流电能,由组串式逆变器汇集并逆变为交流电,然后由升压便器进行升压,经过光伏汇集、逆变整流后并入高压侧(35 kV、10 kV)或低压侧(0.4 kV),光伏交流并网应用较为普遍,范围广泛、控制策略相对成熟。

图2 轨道交通车辆基地典型供配电结构与光伏交流接入模式

2.3 光伏系统直流微电网方案

由于光伏发电为直流电量,在此次设计基地改良系统中存在直流设备(如充电桩、蓄电池、LED灯等),配电网是交流的,电能变化形式为直流-交流-直流,无形中电能在交直流变化过程中造成能量损耗。这时考虑采用直流微电网供电系统,首先用直流无须考虑母线电压的相位、频率等问题;其次直流输电形式传送电能,无须考虑交流电网中的无功损耗和涡流损耗,使得直流微电网损耗降低;最后直流微网减少交流并网逆变器,有效地减少了变流器的数量和容量,具有较高的效率和较好的经济性。轨交基地直流微电网光伏接入模式如图3所示。由图可见,该系统为交直流混合系统,保留交流供电,增加直流系统;光伏系统通过DC/DC变换器接在375 V直流母线上,直流母线通过AC/DC变换器与降压变电所0.4 kV母线相连,光伏发电采用非逆流并网模式,从而避免因光伏接入占用变压器容量的问题。在建筑用能侧,大功率直流用电设备(直流电动机)接入375 V直流母线,而小功率直流设备(如敷设范围比较近照明、电子设备等)则直接接入低压48 V母线,进一步保证用电安全性,并配备储能系统以稳定直流母线电压。

图3 轨交基地直流微电网光伏接入模式

3 轨道车辆基地交直流混合供电主接线设计

本文以上海某轨交基地直流微电网光伏主接线主线方案设计为例:拟0.4 kV和10 kV并网,自发自用,余量上网。公共连接点、并网点设于配电室10 kV母线(并网方式,并网点、公共连接点、计量表安装位置以电力部门接入方案为准)。厂区内原配电房高压室内需增设光伏并网进线柜。

本文接线设计按照直流微电网的拓扑结构(见图3)设计。主要负荷牵引系统:直流1.5 kV牵引负荷;建筑系统:① 大功率直流负荷:汽车充电桩、现有系统内更新直流电机、储能系统等;② 直流小功率负荷:LED照明、移动电源、智能化控制系统等直流设备;③ 交流负荷:多联机空调、水泵、通风、电热泵、电梯、插座等交流设备。车辆基地直流微电网系统接线图如图4所示。车辆基地交直流混合供电主接线图如图5所示。光伏发电系统、储能、办公干线均采用直流375 V供电电压,公共照明、应急照明直流设备等办公用电水平干线等采用直流375 V供电电压,末端(就近)办公用房直流负荷采用48 V特低安全电压供电,对于原有的交流设备按照原设计。

图4 车辆基地直流微电网系统接线图

图5 车辆基地交直流混合供电主接线图

基地其屋顶可利用总面积约为3.2万m2,考虑到采光天窗、屋顶排水沟、屋顶设备以及光伏组件布置工艺的要求影响,屋顶面积的可利用系数为0.7,可布置8 671块单晶硅光伏550 Wp组件,尺寸为2 278 mm×1 134 mm×35 mm(敷设时考虑结构荷载复核),容量约为4.7 MWp。由NASA监测提供的资料显示,上海市太阳辐射均值为14.52 WJ/m2,年峰值日照小时数为1 179.35 h,叠加组件衰减成本,在光伏组件20年生命周期内,平均年发电量为501.02万kWh;根据案例提供轨交基地2019—2022年全年用电量分摊表计算出年平均用电量为131.75万kWh。由于发电量大于系统用电量,光伏余电上网仅作用于轨交系统的辅助建筑设备,对电网的冲击比较大,牵引系统与轨交系统的时空耦合度比较高,因此增加光伏直流供电牵引系统。

4 轨道车辆基地直流微电网的控制策略

供配电系统平衡根据系统实时电压U进行调节,电压处于要求的上限电压Umax和下限电压Umin之间,则该系统维持平衡。当某用电设备试图增大功率,而此时系统汲取的功率P还处于原有状态,则用电设备电压下降,由于现有用电系统为并联系统,此时所有设备的电压下降即设备功率下降,系统处于动态平衡状态,当电压超过Umin下限时,用户侧将从供电侧汲取能量,从而升高U,使得U介于Umax和下限电压Umin之间;反之,如果各用电设备功率下降,从而使总功率低于P,母线电压升高,各用电设备就会根据电压的升高自动加大自身的用电功率,这样,从外网取电的功率就会重新平衡在P值上。

上述直流微电网入网(见图3)系统架构中,光伏作为主要电力来源,直接作用于系统的直流设备(含直流蓄电池),当系统发电量充足时,需要借助DC/AC逆变器供给系统内交流设备,或者采用高压上网牵引系统维持用电平衡;当用电系统无法依靠自身调节能力保持平衡时,可以通过向外部电网恢复用能平衡,系统功率平衡表达式为

Pv+P0=Pfa+Pfd+Pd+Pa+Pc

(1)

式中:P0——光伏发电功率;Pv——电网取电功率;Pfa——柔性交流负荷功率;Pfd——柔性直流负荷功率;Pa——基础交流负荷功率;Pd——基础直流负荷功率;Pc——直流储能电池的充放电功率,充电为正,放电为负。

系统控制逻辑的目标为维持上述功率平衡,此外,为了延长电池使用寿命,应限制电池SOC充放电阈值与最大功率,如下式所示:

SOCmin≤SOC(t)≤SOCmax

(2)

|Pc|≤Pc,max

(3)

式中: SOCmin——SOC放电下限与充电上限;SOCmax——SOC放电下限与充电上限;Pc,max——电池充放电最大功率。

智能调控程序针对系统内用电负荷进行柔性调节,从而进一步提高用电弹性,降低储能电池负担。当出现用电紧张时根据负荷优先度的大小决定负荷削减顺序,由此可以得到系统整体控制逻辑。直流柔性负荷的系统控制逻辑图如图6所示。

当光伏系统发电首先作用于系统中直流设备,发电量大于直流用电设备时,如果系统直流柔性负荷是处于工作状态,且蓄电池状态为满情况下,那么光伏发电通过逆变器0.4 kV供给交流设备,逻辑与直流类似;当光伏系统发电量超过系统中交直流所有的设备用电量时,则采取高压上网10～35 kV牵引系统维持用电平衡;当光伏发电处于少量状态,通过智能能源管控系统实时监测并预判直流系统发电与用电的差值;当发电功率与直流用电量功率不平衡时,通过比较负荷优先度对负荷依次进行柔性调控,仅凭储能与柔性负荷调节无法平衡时,若电池SOC有电状态,则通过储能电池供电,如果发电量不足且电池已经达到放电下限,则需要借助AC/DC变换器进行外部供电,直至系统功率重新恢复平衡;而当发电量恢复充足时,首先监测是否存在柔性负荷处于削减状态并优先恢复其功率,当所有负荷重新恢复到正常工作状态后,若发电量仍有结余,则通过储能电池消纳多余电量;当电池充满后发电量仍有剩余时,将采取逆变上市政电网措施,交流系统类似。

5 结 语

本文总结了目前有关轨交基地建筑的节能研究现状,并基于“直流微电网”建筑的概念,讨论了不同拓扑结构形式下,从原理到应用简述了直流微电网在轨交基地中的研究进展,并对基地改网进行设计,为可再生能源发电接入轨道交通建筑研究提供了参考。现有车辆基地内设备大多为交流设备,本次案例设计所提出的系统架构仍采用交流为主,直流为辅的混合供配电系统,但随着建筑电气化率的不断提高,未来有希望逐步扩大直流用电规模,逐渐形成以直流为主,轨交基地交直流混合供电有望成为未来绿色低碳的供电模式,与现有光伏发电交流接入模式比较,本项目提出的交直流混合供配电系统具有能效高与低碳效益,可为轨道交通绿色低碳发展提供技术支撑。