淺談分布式光伏係統在某鐵路車站的設計與應用

hth下载地址 陳聰

摘要：光伏發電技術也被稱為(wei) 太陽能發電技術，是一種利用太陽輻射轉化為(wei) 電能的技術。隨著人們(men) 對可再生能源需求的增加，光伏發電技術得到了廣泛應用和發展。文章以某鐵路車站分布式光伏係統設計為(wei) 例，依托CandelaRoof仿真軟件，從(cong) 太陽能資源分析、用電負荷預測、自發自用比例等多個(ge) 方麵對設計中的關(guan) 鍵環節進行分析，提出了一種分布式光伏發電係統裝機容量的估算方法，並通過仿真驗證了方法的可行性，為(wei) 工程設計提供參考。

關(guan) 鍵詞：鐵路供電；分布式光伏係統；用電負荷預測

0引言

隨著全球能源緊缺問題的進一步加劇，可再生能源的發展和利用越來越受到關(guan) 注。可再生能源是指不會(hui) 枯竭的能源，包括太陽能、風能、水能、地熱能等。這些能源的利用可以減少對化石燃料的依賴，降低環境汙染，提高能源安全性。因此，研究和開發可再生能源對於(yu) 促進全球可持續發展具有重要意義(yi) [1]。

光伏發電技術基本原理是利用半導體(ti) 材料的光電效應，將太陽光能轉化為(wei) 電能。光伏發電係統由太陽能電池板、蓄電池、控製器和逆變器等組成，其中太陽能電池板是其核心部件。近年來，光伏發電技術在技術研發、市場規模、成本效益等方麵都取得了顯著進展[2]。光伏發電技術的研發不斷推進，太陽能電池板的效率不斷提高。例如，PERC、N-TypeTOPCON、HJT等新型電池技術不斷湧現，使太陽能電池板的轉換效率不斷提高，一些*家和地區成為(wei) 主流的能源供應方式，加之我國提出“碳中和、碳達峰”目標，國內(nei) 各地為(wei) 推廣綠色能源均有不同程度的優(you) 惠政策和補貼，進一步促進了國內(nei) 光伏發電係統的發展。從(cong) 目前的發展趨勢來看，光伏發電仍會(hui) 是未來數十年內(nei) 的熱門話題[3]。

在實際的工程設計中，已建成的鐵路車站有較好的增設光伏係統的條件，相較於(yu) 普通建築，應用於(yu) 鐵路車站的光伏發電係統具有以下特點：

（1）建築麵積充足。車站擁有較多的大麵積建築物，如站房、辦公綜合樓、軌道車庫以及站台雨棚等，屋麵大多較為(wei) 平整，承載力良好，屋麵可利用率高，可有效減少光伏發電係統占用的空間資源。

（2）消納能力高。車站具有平穩運行特性的動力負荷較多，典型負荷有通信、信號、信息設備，機房*用空調等。動力負荷用電量大且運行穩定，使光伏發電係統具有較高的消納能力，為(wei) 工程帶來可觀的經濟效益[4]。

（3）*特的供電係統構架。鐵路供電係統較為(wei) *特，除車站設置配電所為(wei) 本車站的負荷供電外，為(wei) 保障重要負荷的用電可靠性，各相鄰配電所間設置一回或兩(liang) 回高壓電力貫通線，可為(wei) 區間負荷供電，還可實現電源故障時的越區供電[5]。鐵路沿線區間用電負荷較多，主要有通信基站、信號中繼站、電氣化所、公安警務區及崗亭等。以通信基站為(wei) 例，每3km有一處。由於(yu) 區間負荷由相鄰車站配電所之間連通的10kV電力貫通線供電，當車站設置的光伏發電係統有多餘(yu) 電量時，可通過10kV電力貫通線為(wei) 區間負荷供電，這種*特的供電係統構架進一步提升了光伏係統的消納能力。

文章以陝西省境內(nei) 某鐵路車站分布式光伏發電係統設計為(wei) 例，針對以上設計中的關(guan) 鍵問題進行分析，首先根據車站所在地的經緯度確定了係統的日照資源；然後結合車站用電情況提出了光伏陣列裝機容量的估算算法並通過CandelaRoof仿真軟件對光伏發電係統進行建模仿真；*後通過軟件測算係統的自發自用比例驗證了係統裝機容量估算的準確性，以此說明文章提出的估算算法在項目前期設計階段中的指導意義(yi) 。

1太陽能資源分析

Meteonorm是由瑞士MeteotestAG公司開發的太陽能評估和規劃交互式工具，根據該工具提供的氣象數據，車站所在地平均年水平麵總輻射量值為(wei) 1241.7kW·h/m2，其中水平散射輻射量值為(wei) 780.5kW·h/m2，月平均總輻射日輻照量*低值與(yu) *高值的比值為(wei) 0.38，年水平麵散射輻照量與(yu) 水平麵直接輻照量比值（即直射比DHRR）為(wei) 0.37[6]。根據《太陽能資源等級總輻射》（GB/T31155—2014）中相關(guan) 規定，此地太陽能資源屬於(yu) “C級”豐(feng) 富地區，穩定度屬於(yu) “B級”穩定地區，並且太陽能直射比等級為(wei) “中級”，具有較好的太陽能資源利用條件。

2車站用電量分析

對既有車站的用電量分析是計算光伏發電係統裝機容量、消納率及經濟評價(jia) 等一係列數據的依據。若要*確地分析用電量，則需要車站至少1a的日負荷曲線。一般而言，日負荷曲線難以收集，因此目前常用的計算方法是根據供電公司的電費繳納單，對近一年的負荷用電情況進行分析。

車站設容量為(wei) 630kV·A箱式變電站1座，為(wei) 站內(nei) 負荷供電。根據*近1a的電費繳納情況，車站在尖峰、高峰、平段及低穀時段的用電情況如表1所示。

表1數據表明，車站近1a的用電總量為(wei) 395000kW·h，平均日用電量為(wei) 1082.19kW·h，且車站用電量*大的時間段為(wei) 高峰段及平段，涵蓋光伏發電係統的幾乎全部發電時間段，可有效地利用光伏係統的發電量。

表1車站各月份分時段用電量

單位：（kW·h）/月

注：1月及12月尖峰時段為(wei) 18：30—20：30，7月及8月的尖峰時段為(wei) 19：30—21：30，高峰時段為(wei) 8：00—11：30、18：30—23：00；平時段為(wei) 7：00—8：00、11：30—18：30。

3光伏係統裝機容量估算

光伏發電時間按9：00—15：00考慮，其中包含2.5h的高峰段用電及3.5h的平段用電。車站高峰段年用電量為(wei) 142242.4kW·h，平段年用電量為(wei) 133438.0kW·h，對用電量及時長進行加權平均，則光伏發電時間段內(nei) （共計6h）車站用電量為(wei) 102829.88kW·h。

式中：WT為(wei) 光伏日發電總量，kW·h；W高峰為(wei) 光伏高峰時段發電總量，kW·h；W平段為(wei) 光伏平時段發電總量，kW·h。

由式（1）可得光伏發電時間段內(nei) 平均日用電量合計281.7kW·h，查詢氣象數據，當地平均峰值日照小時數為(wei) 3.4h，則裝機容量估算為(wei) 82.9kWp。

式中：P裝機為(wei) 光伏係統裝機容量，kWp；T為(wei) 峰值日照時間，h。

4基於(yu) CandelaRoof軟件的光伏發電係統建模

根據車站建築情況及光伏係統裝機容量估算，光伏組件選用LR5-72HPH-550M，采用豎向2塊布置方式，係統模型主要基本參數如表2所示。

表2係統模型主要基本參數

式（2）計算的裝機容量為(wei) 估算值，由於(yu) 平均日照小時數每月數值均不一樣，且車站用電負荷有季節特性，因此需要建立每個(ge) 月負荷用電量與(yu) 光伏係統發電量之間的聯係，才能*確計算係統的電量自用比例。為(wei) 驗證式（2）提出的估算方法的有效性，利用軟件中自發自用測算模塊對上述模型進行進一步分析和優(you) 化。將表1中車站的全年用電數據導入CandelaRoof軟件中，根據光伏係統發電量及月負荷用電量，自發自用比例仿真計算結果如表3所示。

表3係統自發自用比例仿真計算結果

挑選3月典型日，係統出力曲線及日負荷曲線如圖1所示。

圖13月典型日係統出力曲線及日負荷曲線

由圖1可知，係統出力曲線位於(yu) 日負荷曲線下方，即該典型日光伏自發自用比例為(wei) 100%。

綜上所述，基於(yu) 式（2）的光伏係統裝機容量估算與(yu) 實際仿真結果*為(wei) 接近，可作為(wei) 工程設計前期裝機容量的估算方法。

5Acrel-2000MG充電站微電網能量管理係統

5.1平台概述

Acrel-2000MG微電網能量管理係統，是我司根據新型電力係統下微電網監控係統與(yu) 微電網能量管理係統的要求，總結國內(nei) 外的研究和生產(chan) 的*進經驗，專(zhuan) 門研製出的企業(ye) 微電網能量管理係統。本係統滿足光伏係統、風力發電、儲(chu) 能係統以及充電站的接入，*進行數據采集分析，直接監視光伏、風能、儲(chu) 能係統、充電站運行狀態及健康狀況，是一個(ge) 集監控係統、能量管理為(wei) 一體(ti) 的管理係統。該係統在安全穩定的基礎上以經濟優(you) 化運行為(wei) 目標，促進可再生能源應用，提高電網運行穩定性、補償(chang) 負荷波動；有效實現用戶側(ce) 的需求管理、消除晝夜峰穀差、平滑負荷，提高電力設備運行效率、降低供電成本。為(wei) 企業(ye) 微電網能量管理提供安全、可靠、經濟運行提供了全新的解決(jue) 方案。

微電網能量管理係統應采用分層分布式結構，整個(ge) 能量管理係統在物理上分為(wei) 三個(ge) 層：設備層、網絡通信層和站控層。站級通信網絡采用標準以太網及TCP/IP通信協議，物理媒介可以為(wei) 光纖、網線、屏蔽雙絞線等。係統支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信規約。

5.2平台適用場合

係統可應用於(yu) 城市、高速公路、工業(ye) 園區、工商業(ye) 區、居民區、智能建築、海島、無電地區可再生能源係統監控和能量管理需求。

5.3係統架構

本平台采用分層分布式結構進行設計，即站控層、網絡層和設備層，詳細拓撲結構如下：

圖1典型微電網能量管理係統組網方式

6充電站微電網能量管理係統解決方案

6.1實時監測

微電網能量管理係統人機界麵友好，應能夠以係統一次電氣圖的形式直觀顯示各電氣回路的運行狀態，實時監測光伏、風電、儲(chu) 能、充電站等各回路電壓、電流、功率、功率因數等電參數信息，動態監視各回路斷路器、隔離開關(guan) 等合、分閘狀態及有關(guan) 故障、告警等信號。其中，各子係統回路電參量主要有：相電壓、線電壓、三相電流、有功/無功功率、視在功率、功率因數、頻率、有功/無功電度、頻率和正向有功電能累計值；狀態參數主要有：開關(guan) 狀態、斷路器故障脫扣告警等。

係統應可以對分布式電源、儲(chu) 能係統進行發電管理，使管理人員實時掌握發電單元的出力信息、收益信息、儲(chu) 能荷電狀態及發電單元與(yu) 儲(chu) 能單元運行功率設置等。

係統應可以對儲(chu) 能係統進行狀態管理，能夠根據儲(chu) 能係統的荷電狀態進行及時告警，並支持定期的電池維護。

微電網能量管理係統的監控係統界麵包括係統主界麵，包含微電網光伏、風電、儲(chu) 能、充電站及總體(ti) 負荷組成情況，包括收益信息、天氣信息、節能減排信息、功率信息、電量信息、電壓電流情況等。根據不同的需求，也可將充電，儲(chu) 能及光伏係統信息進行顯示。

圖1係統主界麵

子界麵主要包括係統主接線圖、光伏信息、風電信息、儲(chu) 能信息、充電站信息、通訊狀況及一些統計列表等。

6.1.1光伏界麵

圖2光伏係統界麵

本界麵用來展示對光伏係統信息，主要包括逆變器直流側(ce) 、交流側(ce) 運行狀態監測及報警、逆變器及電站發電量統計及分析、並網櫃電力監測及發電量統計、電站發電量年有效利用小時數統計、發電收益統計、碳減排統計、輻照度/風力/環境溫濕度監測、發電功率模擬及效率分析；同時對係統的總功率、電壓電流及各個(ge) 逆變器的運行數據進行展示。

6.1.2儲(chu) 能界麵

圖3儲(chu) 能係統界麵

本界麵主要用來展示本係統的儲(chu) 能裝機容量、儲(chu) 能當前充放電量、收益、SOC變化曲線以及電量變化曲線。

圖4儲(chu) 能係統PCS參數設置界麵

本界麵主要用來展示對PCS的參數進行設置，包括開關(guan) 機、運行模式、功率設定以及電壓、電流的限值。

圖5儲(chu) 能係統BMS參數設置界麵

本界麵用來展示對BMS的參數進行設置，主要包括電芯電壓、溫度保護限值、電池組電壓、電流、溫度限值等。

圖6儲(chu) 能係統PCS電網側(ce) 數據界麵

本界麵用來展示對PCS電網側(ce) 數據，主要包括相電壓、電流、功率、頻率、功率因數等。

圖7儲(chu) 能係統PCS交流側(ce) 數據界麵

本界麵用來展示對PCS交流側(ce) 數據，主要包括相電壓、電流、功率、頻率、功率因數、溫度值等。同時針對交流側(ce) 的異常信息進行告警。

圖8儲(chu) 能係統PCS直流側(ce) 數據界麵

本界麵用來展示對PCS直流側(ce) 數據，主要包括電壓、電流、功率、電量等。同時針對直流側(ce) 的異常信息進行告警。

圖9儲(chu) 能係統PCS狀態界麵

本界麵用來展示對PCS狀態信息，主要包括通訊狀態、運行狀態、STS運行狀態及STS故障告警等。

圖10儲(chu) 能電池狀態界麵

本界麵用來展示對BMS狀態信息，主要包括儲(chu) 能電池的運行狀態、係統信息、數據信息以及告警信息等，同時展示當前儲(chu) 能電池的SOC信息。

圖11儲(chu) 能電池簇運行數據界麵

本界麵用來展示對電池簇信息，主要包括儲(chu) 能各模組的電芯電壓與(yu) 溫度，並展示當前電芯的電壓、溫度值及所對應的位置。

6.1.3風電界麵

圖12風電係統界麵

本界麵用來展示對風電係統信息，主要包括逆變控製一體(ti) 機直流側(ce) 、交流側(ce) 運行狀態監測及報警、逆變器及電站發電量統計及分析、電站發電量年有效利用小時數統計、發電收益統計、碳減排統計、風速/風力/環境溫濕度監測、發電功率模擬及效率分析；同時對係統的總功率、電壓電流及各個(ge) 逆變器的運行數據進行展示。

6.1.4充電站界麵

圖13充電站界麵

本界麵用來展示對充電站係統信息，主要包括充電站用電總功率、交直流充電站的功率、電量、電量費用，變化曲線、各個(ge) 充電站的運行數據等。

6.1.5視頻監控界麵

圖14微電網視頻監控界麵

本界麵主要展示係統所接入的視頻畫麵，且通過不同的配置，實現預覽、回放、管理與(yu) 控製等。

6.1.6發電預測

係統應可以通過曆史發電數據、實測數據、未來天氣預測數據，對分布式發電進行短期、超短期發電功率預測，並展示合格率及誤差分析。根據功率預測可進行人工輸入或者自動生成發電計劃，便於(yu) 用戶對該係統新能源發電的集中管控。

圖15光伏預測界麵

6.1.7策略配置

係統應可以根據發電數據、儲(chu) 能係統容量、負荷需求及分時電價(jia) 信息，進行係統運行模式的設置及不同控製策略配置。如削峰填穀、周期計劃、需量控製、防逆流、有序充電、動態擴容等。

具體(ti) 策略根據項目實際情況（如儲(chu) 能櫃數量、負載功率、光伏係統能力等）進行接口適配和策略調整，同時支持定製化需求。

圖16策略配置界麵

6.1.8運行報表

應能查詢各子係統、回路或設備*時間的運行參數，報表中顯示電參量信息應包括：各相電流、三相電壓、總功率因數、總有功功率、總無功功率、正向有功電能、尖峰平穀時段電量等。

圖17運行報表

6.1.9實時報警

應具有實時報警功能，係統能夠對各子係統中的逆變器、雙向變流器的啟動和關(guan) 閉等遙信變位，及設備內(nei) 部的保護動作或事故跳閘時應能發出告警，應能實時顯示告警事件或跳閘事件，包括保護事件名稱、保護動作時刻；並應能以彈窗、聲音、短信和電話等形式通知相關(guan) 人員。

圖18實時告警

6.1.10曆史事件查詢

應能夠對遙信變位，保護動作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數、電芯溫度（鋰離子電池）、壓力（液流電池）、光照、風速、氣壓越限等事件記錄進行存儲(chu) 和管理，方便用戶對係統事件和報警進行曆史追溯，查詢統計、事故分析。

圖19曆史事件查詢

6.1.11電能質量監測

應可以對整個(ge) 微電網係統的電能質量包括穩態狀態和暫態狀態進行持續監測，使管理人員實時掌握供電係統電能質量情況，以便及時發現和消除供電不穩定因素。

1）在供電係統主界麵上應能實時顯示各電能質量監測點的監測裝置通信狀態、各監測點的A/B/C相電壓總畸變率、三相電壓不平衡度*和正序/負序/零序電壓值、三相電流不平衡度*和正序/負序/零序電流值；

2）諧波分析功能：係統應能實時顯示A/B/C三相電壓總諧波畸變率、A/B/C三相電流總諧波畸變率、奇次諧波電壓總畸變率、奇次諧波電流總畸變率、偶次諧波電壓總畸變率、偶次諧波電流總畸變率；應能以柱狀圖展示2-63次諧波電壓含有率、2-63次諧波電壓含有率、0.5～63.5次間諧波電壓含有率、0.5～63.5次間諧波電流含有率；

3）電壓波動與(yu) 閃變：係統應能顯示A/B/C三相電壓波動值、A/B/C三相電壓短閃變值、A/B/C三相電壓長閃變值；應能提供A/B/C三相電壓波動曲線、短閃變曲線和長閃變曲線；應能顯示電壓偏差與(yu) 頻率偏差；

4）功率與(yu) 電能計量：係統應能顯示A/B/C三相有功功率、無功功率和視在功率；應能顯示三相總有功功率、總無功功率、總視在功率和總功率因素；應能提供有功負荷曲線，包括日有功負荷曲線（折線型）和年有功負荷曲線（折線型）；

5）電壓暫態監測：在電能質量暫態事件如電壓暫升、電壓暫降、短時中斷發生時，係統應能產(chan) 生告警，事件能以彈窗、閃爍、聲音、短信、電話等形式通知相關(guan) 人員；係統應能查看相應暫態事件發生前後的波形。

6）電能質量數據統計：係統應能顯示1min統計整2h存儲(chu) 的統計數據，包括均值、*值、*值、95%概率值、方均根值。

7）事件記錄查看功能：事件記錄應包含事件名稱、狀態（動作或返回）、波形號、越限值、故障持續時間、事件發生的時間。

圖20微電網係統電能質量界麵

6.1.12遙控功能

應可以對整個(ge) 微電網係統範圍內(nei) 的設備進行遠程遙控操作。係統維護人員可以通過管理係統的主界麵完成遙控操作，並遵循遙控預置、遙控返校、遙控執行的操作順序，可以及時執行調度係統或站內(nei) 相應的操作命令。

圖21遙控功能

6.1.13曲線查詢

應可在曲線查詢界麵，可以直接查看各電參量曲線，包括三相電流、三相電壓、有功功率、無功功率、功率因數、SOC、SOH、充放電量變化等曲線。

圖22曲線查詢

6.1.14統計報表

具備定時抄表匯總統計功能，用戶可以自由查詢自係統正常運行以來任意時間段內(nei) 各配電節點的發電、用電、充放電情況，即該節點進線用電量與(yu) 各分支回路消耗電量的統計分析報表。對微電網與(yu) 外部係統間電能量交換進行統計分析；對係統運行的節能、收益等分析；具備對微電網供電可靠性分析，包括年停電時間、年停電次數等分析；具備對並網型微電網的並網點進行電能質量分析。

圖23統計報表

6.1.15網絡拓撲圖

係統支持實時監視接入係統的各設備的通信狀態，能夠完整的顯示整個(ge) 係統網絡結構；可在線診斷設備通信狀態，發生網絡異常時能自動在界麵上顯示故障設備或元件及其故障部位。

圖24微電網係統拓撲界麵

本界麵主要展示微電網係統拓撲，包括係統的組成內(nei) 容、電網連接方式、斷路器、表計等信息。

6.1.16通信管理

可以對整個(ge) 微電網係統範圍內(nei) 的設備通信情況進行管理、控製、數據的實時監測。係統維護人員可以通過管理係統的主程序右鍵打開通信管理程序，然後選擇通信控製啟動所有端口或某個(ge) 端口，快速查看某設備的通信和數據情況。通信應支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信規約。

圖25通信管理

6.1.17用戶權限管理

應具備設置用戶權限管理功能。通過用戶權限管理能夠防止未經授權的操作（如遙控操作，運行參數修改等）。可以定義(yi) 不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限，為(wei) 係統運行、維護、管理提供可靠的安全保障。

圖26用戶權限

6.1.18故障錄波

應可以在係統發生故障時，自動準確地記錄故障前、後過程的各相關(guan) 電氣量的變化情況，通過對這些電氣量的分析、比較，對分析處理事故、判斷保護是否正確動作、提高電力係統安全運行水平有著重要作用。其中故障錄波共可記錄16條，每條錄波可觸發6段錄波，每次錄波可記錄故障前8個(ge) 周波、故障後4個(ge) 周波波形，總錄波時間共計46s。每個(ge) 采樣點錄波至少包含12個(ge) 模擬量、10個(ge) 開關(guan) 量波形。

圖27故障錄波

6.1.19事故追憶

可以自動記錄事故時刻前後一段時間的所有實時掃描數據，包括開關(guan) 位置、保護動作狀態、遙測量等，形成事故分析的數據基礎。

用戶可自定義(yi) 事故追憶的啟動事件，當每個(ge) 事件發生時，存儲(chu) 事故*10個(ge) 掃描周期及事故後10個(ge) 掃描周期的有關(guan) 點數據。啟動事件和監視的數據點可由用戶隨意修改。

6.2硬件及其配套產(chan) 品

7結束語

鐵路車站分布式光伏發電設施的建設和維護成本相對較低，可以作為(wei) 車站備用能源或補充能源，提高供電可靠性。鐵路車站建築、車站負荷有其*有的特點，因此設計鐵路車站分布式光伏項目時應予以充分考慮。文章以某車站為(wei) 例，對分布式光伏的設計流程進行了詳細的分析及闡述，圍繞車站既有負荷的用電數據，推導並提出一種光伏組件裝機容量計算方法，並通過仿真驗證了方法的準確性，對工程設計有著較好的指導意義(yi) 。

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