铁路沿线建设分布式光伏发电系统的可行性研究

鲍英豪

摘 要：碳达峰、碳中和是中国重大战略决策，推进能源革命，加快绿色低碳发展是铁路系统应尽的责任，推动可再生能源在铁路系统的应用，盘活铁路空闲用地资源，对于铁路系统而言具有十分重要的经济效益和社会效益。针对铁路沿线各个区域建设分布式光伏发电系统的可行性进行了分析，研究了铁路沿线分布式光伏发电系统的并网方案，并分析了供电可靠性；最后以山东地区3条铁路沿线建设分布式光伏发电系统为例，对其经济效益和社会效益进行了分析。研究结果表明：1）铁路沿线能够建设分布式光伏发电系统的区域主要包括：站房、站台雨棚、铁路停车场、路基边坡、场坪边坡、铁路桥梁下方、生产生活房屋、料库、车库、其他空闲用地，以及其他空间等区域。2）铁路沿线建设分布式光伏发电系统重点考虑接入铁路电力供电系统和地方电力系统，不推荐接入牵引供电系统。3）经测算，山东地区铁路每百公里可建设的分布式光伏发电系统装机容量约为17.0 MW，对应的百公里年发电量约为1996万kWh，每年每百公里可减少碳排放量1.9万t；按“50%自发自用，50%余电上网”计算，每年每百公里可减少电费支出约1100万元，具有较好的经济效益和社会效益。研究结果可为铁路沿线分布式光伏发电系统的建设提供借鉴。

关键词：分布式光伏发电；铁路沿线；建设区域；可再生能源；电力系统；经济效益；社会效益

中图分类号：TK01+1/TM615 文献标志码：A

0  引言

碳达峰、碳中和是中国重大国策，也是中国今后很长一段时期内的重要任务。加快发展可再生能源，以可再生能源替代化石能源，推进能源革命，构建清洁低碳、安全高效的能源体系，探索可再生能源在各个行业的应用，有助于中国实现“双碳”目标。

GB 55015—2021《建筑节能与可再生能源利用通用规范》指出，应充分利用可再生能源，降低建筑化石能源消耗量。2022年6月，国家发展改革委、国家能源局等9部门联合印发《“十四五”可再生能源发展规划》，鼓励在高速铁路沿线设施推动“光伏+”综合利用，并鼓励利用铁路边坡因地制宜开展光伏廊道示范项目建设；2021年12月9日，国务院印发《“十四五”现代综合交通运输体系发展规划》，鼓励在交通枢纽场站，以及公路、铁路等沿线合理布局光伏发电及储能设施，推动近零碳交通示范区建设。

从政策上看，国家正在逐步引导利用铁路空闲用地资源，推进铁路沿线建设分布式光伏发电系统已成为必然的发展趋势。文献[1-3]对铁路领域建设分布式光伏发电系统进行了一些初步研究，但整体来讲，铁路沿线建设分布式光伏发电系统仍处于起步阶段。

本文针对铁路沿线各个区域建设分布式光伏发电系统的可行性进行分析，对铁路沿线分布式光伏发电系统的并网方案进行研究，并对其供电可靠性进行分析；最后以山东地区3条铁路沿线建设分布式光伏发电系统为例，分析其经济效益和社会效益。

1  分布式光伏发电系统建设区域分析

1.1  铁路沿线适合建设分布式光伏发电系统的区域

铁路沿线适合建设分布式光伏发电系统的区域主要包括站房、站臺雨棚、铁路停车场、路基边坡、场坪边坡、铁路桥梁下方、生产生活房屋、料库、车库、其他空闲用地，以及其他空间等区域。

1.2  各区域的适用性分析

1）站房。站房即车站主建筑，其屋面是目前铁路沿线建设分布式光伏发电系统的常用区域，由于目前站房多采用轻钢结构网架金属屋面，在进行站房设计时应综合考虑增加光伏组件等设备所增加的荷载，同时应考虑安装分布式光伏发电系统后对站房整体视觉效果的影响，可采用光伏建筑一体化（BIPV）形式。

2）站台雨棚。站台雨棚也是目前铁路沿线建设分布式光伏发电系统的常用区域，由于站台雨棚设置在临近线路的位置，因此光伏组件的安装需要考虑风揭风险，其与其他光伏发电设备应采用紧贴站台雨棚屋面固定的安装方式，且应在站台雨棚设计时就做好光伏组件安装所需的支架基础预留工作。

3）铁路停车场。铁路停车场属于铁路自营场所，一般设置于铁路站区地面1层，光伏组件可安装在停车场车棚上，并可考虑与电动汽车充电桩结合，设置直流充电桩。同时，应考虑停车场车棚的建设与站房整体视觉效果的搭配。安装在铁路停车场车棚上的光伏组件可考虑采用双面光伏组件，既可增加分布式光伏发电系统的发电效率，又可提高停车场车棚的使用性和美观度。

4）路基边坡。路基边坡分为正线路基边坡、动走线路基边坡、牵出线路基边坡等。高速铁路正线的列车车速较快，若在正线路基边坡安装光伏组件，需要研究列车高速通过时产生的压力和列车风附加力产生的长期影响，光伏组件与路基边坡的结合方式应避免对路基边坡的稳固性构成影响，因此现阶段不建议在高速铁路的正线路基边坡上铺设光伏组件。而高速铁路动走线、牵出线，以及普速铁路所有线路的列车车速较慢，路基边坡安装光伏组件时需要考虑的影响因素较少，因此比较适合建设分布式光伏发电系统。在路基边坡设计时，可对安装光伏组件所需的基础预留工作与路基边坡的结构设计进行统筹考虑，从而可减少后期安装光伏组件对路基边坡产生的影响。

5）场坪边坡。由于车间、工区、四电工程等的场坪需要考虑排水问题，一般情况下这些区域的地面都比原始地面高，场坪边坡的典型坡度为1.0：1.5，适用于光伏组件的安装。在场坪边坡设计之初，可考虑在其骨架预留光伏组件的安装条件。

6）铁路桥梁下方。一般在角度不大于30°的东西向的铁路桥梁下方，周围无其他遮挡且桥梁高度适合的情况下，可在桥梁下方栅栏内部安装光伏组件。

7）生产生活房屋、料库、车库等建筑。铁路沿线设置有大量生产生活房屋、料库、车库、动车所等建筑，这些建筑屋面在满足荷载的前提下可用于安装光伏组件。在这些建筑设计时，屋面结构应与光伏组件的安装条件进行统筹考虑并做出预留，以减少后期光伏组件安装时的麻烦。

8）其他空闲用地。铁路建设过程中，存在一定量的三角地、夹心地等空闲用地，可对其进行充分利用，在满足行车安全的情况下，规划安装分布式光伏发电系统。

9）其他空间。文献[4]提出在高速铁路上空安装分布式光伏发电系统，为铁路沿线建设分布式光伏发电系统提出了很好的思路，但该方式是否适用尚需进一步分析，主要原因包括：①根据铁路相关规定，接触网支柱上不允许安装除接触网系统外的其他设施。因此，利用接触网支柱作为光伏支架以充分利用高速铁路上方区域，从目前铁路系统的管理体系来看是不允许的。②接触网支柱上有大量导线，电压等级为27.5 kV，根据TB 10009—2016《铁路电力牵引供电设计规范》，铁路带电部分与建（构）筑物边沿之间的最小距离为2400 mm，利用接触网支柱作为光伏支架时应在接触网支柱原设计基础上增加相应的高度，为满足荷载要求，需同步增加接触网支柱截面面积，但如此将大幅增加投资。③接触网支柱立于铁路桥梁预留的基础上，增加接触网支柱荷载，需要同时增加预留基础的尺寸，这就需要修改铁路桥梁的通用图纸。④接触网支柱间隔一般为50 m，间距较大，因此只靠接触网支柱作为光伏支架不能满足分布式光伏发电系统安全性的设计要求。⑤高速铁路线路上方增加光伏支架等设施，需增加螺栓等零部件，这将对铁路安全运营产生影响。综合以上原因，本文认为在高速铁路上空不适合建设分布式光伏发电系统。

2  分布式光伏发电系统并网方案

铁路供电系统包括铁路牵引供电系统和铁路电力供电系统，其中，铁路牵引供电系统为电力机车供电；铁路电力供电系统为铁路的通信设备、信号设备、站房、生产生活设施等供电。下文对分布式光伏发电系统分别接入这两种供电系统的可行性进行分析。

2.1  接入铁路牵引供电系统的可行性

铁路牵引供电系统由牵引变电所、分区所、自耦变压器（AT）所、开闭所、接触网等组成。一般由地方电力系统引入两路独立的110 kV及以上电压等级的电源为牵引变电所供电，高速铁路进线电压等级为220 kV及以上，牵引变电所将三相高压电转化为单相27.5 kV后通过接触网为电力机车供电。

理论上讲，铁路沿线建设的分布式光伏发电系统可就近接入牵引变电所、分区所、AT所、开闭所等所（厅）为电力机车供电，原则上采用“自发自用、余电上网”的模式；为最大化自发自用电量，计量点位于铁路牵引供电系统高压线路进线侧。但分布式光伏发电系统接入铁路牵引供电系统存在以下问题：

1）按照GB/T 33593—2017《分布式电源并网技术要求》，分布式电源一般接入35 kV及以下配电系统，不支持其接入110 kV及以上高压系统。

2）铁路牵引供电系统与国家电网结算均采用反向供电不计的方式，所以分布式光伏发电系统未被利用的余电将不被计量。

3）铁路每个供电臂的长度约为25 km，当高速列车以300 km/h的速度运行时，列车在每个供电臂的运行时间约为5 min，因此当发车间隔不大于5 min时，才能保证每个供电臂上均有列车运行，如此可保证分布式光伏发电系统的使用效率，否则其发出的电能只能返送到电网上。实际运营中，除京沪等繁忙干线铁路外，其他铁路线远达不到5 min间隔的发车密度，因此在不增加储能设施的情况下，光伏发电的自发自用利用率较低。

4）铁路牵引供电系统的电压等级为单相27.5 kV，电压较高，光伏发电系统接入成本相对较高，尤其对于铁路沿线容量较小的分布式光伏发电系统来讲，经济效益很差。

综上所述，由于铁路牵引供电系统计费方式的特殊性，分布式光伏发电系统采用“自发自用、余电上网”的模式不适合接入该供电系统，且在不增加储能设施的情况下光伏发电的自发自用利用率非常低，经济效益很差，所以不建议分布式光伏發电系统接入铁路牵引供电系统。

2.2  接入铁路电力供电系统的可行性

铁路的每个车站基本都建有电力配电所，为铁路站场、工区，以及通信设备、信号设备、生产生活设施供电，其一般由地方电力系统引入1路或两路10 kV电源供电。铁路沿线建设两路电力贯通线，为铁路沿线的牵引变电所、基站、中继站等设施供电，电力贯通线接入电力配电所。

铁路沿线建设分布式光伏发电系统可就近接入电力配电所、牵引变电所、分区所、AT所、基站和中继站等，实现分布式光伏发电系统的“自发自用、余电上网”，计量点可选择在电力配电所进线侧。

根据Q/GDW 1480—2015《分布式电源接入电网技术规定》的要求，并网电压可根据各并网点分布式电源的装机容量进行初步选择。装机容量为8 kW及以下的分布式电源可接入220 V电力系统，装机容量为8～400 kW的分布式电源可接入380 V电力系统；装机容量为400～6000 kW 的分布式电源可接入10 kV电力系统，装机容量为5000～30000 kW的分布式电源可接入35 kV电力系统。

对于铁路站区、工区等区域，其可利用区域较多，安装的分布式光伏发电系统装机容量较大，可接入10 kV中压系统或多点接入380 V低压系统。

对于铁路区间区域，其可利用区域较少，安装的分布式光伏发电系统装机容量不大，因此为节约投资，优先选择接入380 V低压系统，并就近接入电力贯通线。

接入铁路电力供电系统的主接线图可根据并网点的分布式光伏发电系统装机容量，选择由国家电网公司出版的《分布式电源接入系统典型设计（2016版）》中的典型图纸。

3  供电可靠性分析

3.1  通过馈线接入电力配电所和地方电力系统

铁路站区附近分布式光伏发电系统应就近通过站馈线或新增馈线接入10 kV电力配电所，这是分布式光伏发电系统常规的接入方式，只要并网点容量可以满足Q/GDW 1480—2015的要求、供电可靠性可以满足地方电力系统的需要即可，这里不做赘述。

综合考虑铁路沿线可建设分布式光伏发电系统的区域大小、地方电力系统并网点的分布情况、地方电力系统的消纳能力、铁路电力贯通线的消纳能力等因素，分布式光伏发电系统也可就近接入地方电力系统，此种接入方式对铁路供电可靠性不会产生影响，同样不再赘述。

3.2  接入电力贯通线

由于铁路区间建设分布式光伏发电系统的可利用区域比较分散，因此从经济性的角度考虑，优先将分布式光伏发电系统接入铁路的电力贯通线。在其接入电力贯通线后，电力贯通线由单一的辐射式结构变成多电源接入的有源系统；分布式光伏发电系统接入位置、接入容量和运行方式的变化，都会导致电力贯通线的有功潮流、无功潮流、电压分布等发生较大变化，会对电力贯通线的稳态运行造成影响。

分布式光伏发电系统接入电力贯通线后，会改变配电线路的潮流分布，从而引起线路电流的变化。电力配电所母线电压为V0，电力贯通线共有n个负荷点，第k个负荷点的功率为PL，k+jQL，k（k=1， 2， …， p， …， n）（其中，PL，k为第k个负荷点的有功功率；QL，k为第k个负荷点的无功功率）。第k-1个负荷点和第k个负荷点之间的线路Lk的阻抗为Rk+jXk（其中，Rk为第k个负荷点的电阻；Xk为第k个负荷点的阻抗），流经Lk的电流为ik。分布式光伏发电系统在第p个负荷点接入，其输出电流为iPV，输出功率为PPV+jQPV，（其中，PPV为分布式光伏发电系统输出的有功功率；QPV为分布式光伏发电系统输出的无功功率）。单个分布式光伏发电系统接入电力贯通线的简化示意图如图1所示。

根据文献[5]的相关研究结论，当分布式光伏发电系统接入电力贯通线后，应注意以下几点问题：

1）接入后对电力贯通线有功潮流的影响。当无分布式光伏发电系统接入时，线路电流的最大值出现在电力贯通线的首端；当接入的分布式光伏发电系统的装机容量较小时，线路电流的最大值仍出现在电力贯通线首端，且与无分布式光伏发电系统接入时相比有所减小；当接入的分布式光伏发电系统的装机容量较大时，线路电流的最大值可能出现在电力贯通线首端，也可能出现在光伏支路。因此，在无分布式光伏发电系统接入时电力贯通线电流属于安全范围内的基础上，分布式光伏发电系统接入后应关注其对电力贯通线电流的影响，主要关注光伏支路的载流量，确保光伏支路的电流不越限。

2）接入后对电力贯通线无功潮流的影响。分布式光伏发电系统输出的无功功率大小与负荷所需无功功率密切相关，当分布式光伏发电系统输出的无功功率大于负荷所需无功功率时，分布式光伏发电系统将向电力配电所倒送无功功率。

3）接入后对电力贯通线电压分布的影响。分布式光伏发电系统接入电力贯通线后，节点处的电压特性与分布式光伏发电系统的接入位置、接入容量和运行方式相关，但分布式光伏发电系统的接入始终使电力贯通线节点处的电压比无分布式光伏发电系统接入时有所抬升。分布式光伏发电系统的接入位置越靠近电力贯通线的末端，对电力贯通线整体电压的抬升作用越小；分布式光伏發电系统的接入容量越大，接入点电压的抬升幅度越高；输出的容性无功功率越多，接入点电压的抬升越明显。因此，在分布式光伏发电系统接入电力贯通线前，需根据实际情况进行计算，必要时应通过仿真验算等手段得到接入点处电压值，防止接入点电压超限，影响铁路电力系统的安全。

4  发电量分析

铁路沿线分布式光伏发电系统的发电量需要根据不同铁路沿线的具体情况进行具体分析。本文以山东地区的莱荣高速铁路、潍烟高速铁路和郑济高速铁路（山东段）3条铁路沿线正处于建设阶段的分布式光伏发电系统为例，依据分布式光伏发电系统建设前期的可行性研究报告中的数据，对其发电量进行测算。

4.1  分布式光伏发电系统可利用区域的有效面积估算

根据前文铁路沿线适合建设分布式光伏发电系统区域的分析，对这3条铁路沿线建设分布式光伏发电系统的可利用区域的有效面积进行具体分析和估算。

4.1.1  车站

铁路车站建设分布式光伏发电系统的可利用区域主要包括站房、站台雨棚、铁路停车场及其他零星用地。根据这3条铁路的整体设计，对3条铁路站区内建设分布式光伏发电系统的可利用区域面积和有效面积进行估算，具体如表1所示。

4.1.2  区间

铁路区间建设分布式光伏发电系统的可利用区域主要包括铁路桥梁下方、场坪边坡及其他零星用地。其中，铁路桥梁下方是否适合建设分布式光伏发电系统需要对铁路走向、桥梁高度、周围是否有遮挡等因素进行具体分析，一般高铁沿线铁路桥梁下方防护栏内的区域选取高铁线路南侧，且线路东西向的角度不超过30°、桥梁高度大于4 m的区域；场坪护坡包括牵引变电所、分区所、AT所、中继站、基站等四电工程场坪护坡；其他零星用地包括通所道路两侧、闲置的三角地等区域。

对3条铁路区间内建设分布式光伏发电系统的有效面积及单位有效面积（即百公里有效面积）进行估算，具体如表2所示。

结合表1、表2可以看出：受线路走向、桥梁高度、周围光照条件等因素的影响，3条铁路沿线建设分布式光伏发电系统的有效面积差别较大。

4.1.3  整条铁路线

3条铁路线整条线路建设分布式光伏发电系统的有效面积及百公里有效面积统计如表3所示。

4.2  太阳能资源分析

参照文献[6]，山东省年太阳总辐射量在4542.61～5526.32 MJ/m2。其中，成武地区的年太阳总辐射量最少，为4542.61 MJ/m2；蓬莱地区的年太阳总辐射量最高，为5526.32 MJ/m2，属于II类太阳能资源区，为“很丰富”区。

山东省各地的太阳能资源丰富程度与太阳总辐射量的分布特征类似。胶东半岛北部、鲁东南、鲁北区域的年总太阳辐照量可达到1400 kWh/m2，为太阳能资源“很丰富”区；其中，蓬莱地区的年总太阳辐照量最大可达1535.59 kWh/m2。鲁中、鲁西、鲁西南区域的年总太阳辐照量不足1400 kWh/m2，为太阳能资源“丰富”区，其中鲁西南区域的年总太阳辐照量最低；而鲁西南区域中，成武地区的年总太阳辐照量最低，为1262.85 kWh/m2。为简化计算，本文按全年平均水平面总太阳辐照量约为1400 kWh/m2进行测算。

4.3  经济效益和社会效益分析

分布式光伏发电系统发电量与光伏组件装机容量、光伏组件安装倾角等参数直接相关。本算例选择当前主流应用的单晶硅光伏组件进行测算，额定功率为550 W；单块光伏组件尺寸为2256 mm×1133 mm×35 mm，面积约为2.556 m2。

参照文献[7-9]及GB 50797—2012《光伏发电站设计规范》，计算分布式光伏发电系统的上网发电量Ep，其计算式为：

式中：HA为水平面总太阳辐照量，kWh/m2；Es为标准测试条件（STC）下的太阳辐照度，kW/m2，取值为1；PAZ为光伏组件装机容量，kW；K为综合效率系数，取83.87%。

关于光伏组件安装倾角，考虑到铁路沿线光伏组件的安装位置特殊，无法按照最佳安装倾角来安装，因此本算例均按照光伏组件平铺进行测算。

算例中各铁路线的光伏组件总装机容量及单位装机容量（即百公里装机容量）统计如表4所示。

从表4可以看出：每条铁路线的光伏组件装机容量受线路条件、站房规模、铁路停车场规模、场坪高程等因素的影响较大，因此百公里装机容量的差别较大；3条铁路线平均百公里光伏组件装机容量可达到17.0 MW。

通过计算可得，山东地区（以3条铁路线为表征通过计算可得，山东地区（以3条铁路线为表征）铁路每百公里分布式光伏发电系统的年发电量约为1996 万kWh，每年每百公里可减少碳排放量1.9 万t；按“50%自发自用，50%余电上网”计算，每年每百公里可减少电费支出约1100万元。综上所述，铁路沿线建设分布式光伏发电系统具有较好的经济效益和社会效益。

5  结论

有效利用铁路空闲用地资源，在合适区域建设分布式光伏发电系统，有利于盘活铁路沿线土地资源，降低铁路能耗水平，既符合国家政策，也是铁路系统作为大型央企承担社会责任的表现。本文分析了铁路沿线各个区域建设分布式光伏发电系统的可行性；然后研究了铁路沿线分布式光伏发电系统的并网方案，并分析了供电可靠性；最后以山东地区3条铁路沿线正在建设的分布式光伏发电系统为例，对其经济效益和社会效益进行了分析。研究得到以下结论：

1）铁路沿线能够建设分布式光伏发电系统的区域主要包括：站房、站台雨棚、铁路停车场、路基边坡、场坪边坡、桥梁下方、生产生活房屋、料库、车库、其他空闲用地，以及其他空间等区域。

2）铁路沿线建设分布式光伏发电系统重点考虑接入铁路电力供电系统和直接接入地方电力系统，不推荐接入铁路牵引供电系统。

3）以山东地区的莱荣高速铁路、潍烟高速铁路和郑济高速铁路（山东段）3条铁路沿线建设分布式光伏发电系统为例，经过测算，山东地区每百公里铁路可建设的分布式光伏发电系统装机容量约17.0 MW，百公里年发电量约为1996万kWh，每年每百公里可减少碳排放量1.9万t；按“50%自发自用，50%余电上网”计算，每年每百公里可减少电费支出约1100万元，具有较好的经济效益和社会效益。但由于每条铁路线的实际情况不同，因此差别也较大。

目前铁路系统对可再生能源的利用尚无相关铁路规范支持，因此要在铁路系统中推广可再生能源应用，需要铁路管理部门的大力支持，否则很难建设。建议开展试点建设，并在此基础上尽快完善建设、验收、运维等相关标准体系，推动可再生能源在铁路系统中的应用。

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