光伏發電技術在軌道交通客車中的應用

侯 霄 盧衍偉 朱麗媛 張明順

(中車四方車輛有限公司,266111,青島∥第一作者,高級工程師)

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光伏發電技術在軌道交通客車中的應用

侯 霄 盧衍偉 朱麗媛 張明順

(中車四方車輛有限公司,266111,青島∥第一作者,高級工程師)

軌道交通客車在載客運行的過程中消耗大量的電能。采用光伏發電技術后,蓄電池組將太陽能電池發出的電能存儲,并隨時與客車充電機進行電耦合,共同為客車供電。客車光伏電系統主要由光伏發電系統充電機、升降壓斬波器、直流負載及供電控制系統組成。其中,光伏發電系統主要由光伏電池組件、發電控制器、蓄電池組及升降壓斬波器組成。詳細介紹了客車光伏供電系統的工作原理。

節能技術; 牽引供電系統; 光伏發電; 升降壓斬波器; 充電機

Author′s address CRRC SIFANG Co.,Ltd., 266111,Qingdao,China

軌道交通客車供電可采取單獨供電、集中式供電及混合供電等方式。無論哪種供電方式都需依靠牽引變電所或柴油發電機組供能,或消耗列車自身機械能轉變為電能的能量。本文以由電力機車主變壓器提供集中供電的普通客車及動車組客車為對象,探討光伏發電技術能否減少地面牽引變電所的容量和電力供應,并討論了減少軸驅發電機供電的普通22型、23型等客車,小型柴油發電機組供電的RW22、YW22等客車,以及發電車柴油發電機組集中供電的軌道交通客車的能源消耗[1]。

光伏產業是世界發展速度最快的行業之一。為實現能源和環境的可持續發展,世界各國均將太陽能光伏發電作為新能源與可再生能源發展的重點。隨著高鐵“走出去”戰略的實施,在我國軌道交通中發展太陽能光伏發電技術是有必要的。我國太陽能資源豐富,理論儲量達每年17 000億t標準煤,有巨大的開發潛力。光伏組件生產逐年增加,成本不斷降低,市場不斷擴大。在太陽能電池技術研究開發方面,開展了單晶硅、多晶硅電池研究,以及非晶硅、銻化鎘、硒銅等薄膜電池研究,同時還開展了澆鑄多晶硅、銀/鋁漿、EVA (乙烯-醋酸乙烯酯共聚物)等材料研究,并取得了可喜成果[2]。

根據文獻[3]可知,我國的西藏、青海、新疆、內蒙古南部、山西、陜西北部、河北、山東、遼寧、吉林西部、云南中部和西南部、廣東東南部、福建東南部、海南島東部和西部以及臺灣省的西南部等廣大地區的太陽輻射量很大;四川、重慶和貴州等省市因霧多,陰雨天多,太陽年輻射總量雖較小,但仍有一定的利用價值。

目前,鐵路客車存在較多的類型,如22型、25G、25K、國產25T、BSP客車等; 動車組客車有CRH1、CRH2、CRH3、CRH5及CRH380系列等。這些客車的電源類型有所不同。本文探討的光伏發電技術主要針對采用DC 110 V、DC 48 V、DC 24 V,以及充電機、蓄電池組等直流電源的客車。

1 光伏發電系統組成

光伏發電系統主要由光伏電池組件、發電控制器、蓄電池組、保護二極管等組成(見圖1)。在客車車頂布置的光伏電池方陣,可在控制器的控制下將光生電能存儲到蓄電池組中。

圖1 光伏發電直流供電系統框圖

1.1 光伏電池組件

光伏電池單體是光電轉換的最小單元,其尺寸一般從2 cm×2 cm到16 cm×16 cm不等。光伏電池單體壽命為20～30 a,滿足客車整車設計壽命要求。光伏電池單體的工作電壓為0.45～0.50 V,工作電流為20～25 mA/cm2,需串并聯封裝成光伏電池組件對負載進行供電。光伏發電系統選擇峰值電壓為27 V的光伏電池組件,光伏電池單體按6個×9個布置。通過將不同數量的電池組件串并聯后構成光伏電池方陣就可產生負載所需的工作電壓或蓄電池組充電電壓。光伏電池具有一定的防腐、防風、防雹、防雨等能力,能適應不同的工作環境。

單節鐵路客車標準長度是25 m左右,除去車體兩端布置的空調和水箱等設備,車體的有效長度為19 m。光伏電池單體選擇無錫尚德太陽能電力有限公司生產的多晶硅電池單體,其尺寸為156 mm×156 mm。單片電池單體電壓為0.5 V,功率為4.4 W。

客車車身每側可縱向并排串聯布置的光伏電池組件數=車體長度/光伏電池組件寬度(含安裝)≈20個光伏發電系統發電電壓最終選擇DC 110 V,電壓范圍為100～135 V。客車車頂光伏發電功率理論值為4 752 W,兩側光伏電池方陣并聯供電。考慮太陽光入射角度的不同,總的發電功率具體數值需以試驗確定,現暫按6 000 W計算。

1.2 保護二極管

當陰雨天、夜晚以及光伏發電系統不工作時或出現短路故障時,保護二極管可使蓄電池組通過太陽能電池放電。保護二極管串聯在光伏電池輸出端的升降壓斬波器與蓄電池組之間,其正向壓降小,并能承受足夠大的電流;其反向壓降大,飽和電流小。

1.3 鐵路客車蓄電池組

光伏發電系統發出的電能不僅通過蓄電池組儲能,還可隨時向直流負載供電。這樣可節省光伏發電系統的蓄電池組成本。光伏發電系統通過升降壓斬波器可與不同的客車類型的直流負載進行匹配。

客車蓄電池的功能是:

(1) 在系統發生故障的情況下(缺少接觸網電壓、牽引變壓器或變流器發生故障、蓄電池充電機發生故障等),可確保向重要負載供電。

(2) 在正常情況下,是門系統、照明、接觸器和繼電器等的主要動力源,通過電池母線(或由電池充電器)給直流負載供電,以保證系統供電的可靠性。

以CRH2型動車組列車蓄電池組及負載為例,光伏發電系統在列車故障模式下的作用見表1[5]。

表1 CRH2型動車組列車光伏發電系統在列車故障模式下的作用

在列車正常載客運行過程中,光伏發電系統是一直工作的。以普通列車連掛15輛客車且晴天運行7 h計,則每列列車每天節省的電能為630 kWh。

正常情況下,蓄電池組充滿時,光伏發電系統與列車充電機通過控制器協同為直流負載供電。控制系統優先使用光伏發電系統電能,其次使用列車充電機電能,最后使用蓄電池組電能。光伏發電系統、蓄電池組與列車充電機通過控制器的控制實現了電耦合。

1.4 光伏發電控制器

光伏發電控制器是光伏發電系統的核心部件,是實現電耦合的關鍵,其主要功能是實現電池的充電和保護。光伏發電控制器控制框圖如圖2所示。防反充二極管只有當太陽能電池方陣輸出電壓大于蓄電池電壓時才能導通,反之則截止。這樣即可保證夜晚或陰雨天天氣時不會出現太陽能電池方陣反向放電,起到防反向充電保護作用。

開關器件T1并聯在光伏電池方陣的輸出端。

圖2 發電控制器控制原理框圖

當列車停車或直流負載用電較少,并且蓄電池組不允許充電時,開關器件T1導通,太陽能方陣的輸出電能直接通過T1泄放。T1起到了蓄電池組過充電保護的作用。只有當蓄電池組充電或列車停止運行時T2才會截止。

根據文獻[4],采用脈寬調制(PWM)三階段充電方式的控制器,比簡單地充滿-斷開控制器的充電效率要高出30%。PWM三階段充電法可最大限度地利用光伏電池,大大提高充電效率,還能保證蓄電池始終處于良好的工作狀態。PWM三階段充電控制器主電路的開關器件選用功率場效應晶體管(MOSFET)。脈寬調制控制器原理如圖3所示。

圖3 PWM控制原理

2 客車光伏供電系統工作原理

客車光伏供電系統主要由光伏發電系統、充電機、升降壓斬波器、直流負載及供電控制系統構成。充電機按客車車型標配。供電控制系統根據不同的電壓等級與蓄電池組和充電機進行匹配電耦合。

軌道交通客車直流配電多將DC 110 V、DC 48 V、DC 24 V電壓直流負載與充電機、蓄電池并聯為負載供電。光伏發電系統的電壓波動范圍為DC 100～135 V,需要通過升降壓斬波器來適應不同類型客車的直流負載。直流負載不同時,供電控制系統的結構不需改變。客車光伏供電系統原理如圖4所示。設電路中電感L的電感值很大,電容C的電容值也很大,使電感電流iL和電容電壓(即負載電壓)Uo基本為恒值。D3為蓄電池組防反接二極管。當蓄電池極性接反時D3導通,使蓄電池通過D3短路放電將熔斷器FU熔斷。該電路的基本工作原理是:當可控開關T2處于通態時,電源經T2向電感L供電使其儲存能量。此時電流為電源電流I1。同時,電容C維持輸出電壓基本恒定并向負載蓄電池組及客車直流負載供電。此后關斷T2,電感L中儲存的能量向負載釋放,電流為負載電流I2,電感L中電流通過二極管D1續流。可見,負載電壓極性為上負下正,與電源極性相反[6]。

穩態時,1個周期T內L兩端電壓UL對時間的積分為零,即

當T2處于通態時,光伏電池方陣電壓為UE,則UL=UE;當T2處于斷態時,UL=-Uo。于是

UEton=Uotoff

式中:

ton——1個周期T內的通態時長;

toff——1個周期T內的斷態時長。

輸出電壓為

式中:

α——導通比,α=ton/T。

若改變α,則Uo既可以比電源電壓高,也可以比電源電壓低。當0<α<1/2時為降壓,當1/2<α<1時為升壓; 該部分電路實現了光伏發電系統與不同直流負載的匹配,并且具備了抗發電系統電壓波動的能力。

圖4 客車光伏發電供電系統

圖5～圖6為電源電流I1和負載電流I2的波形。當電流脈動足夠小時,有

可得:

如果T2、D1為沒有損耗的理想開關時,則

UEI1=UoI2

圖5 電源電流波形圖

圖6 負載電流波形圖

3 結語

我國的軌道交通正在高速發展,其能源消耗量也在迅速增加。將節能技術引入客車制造和軌道交通運營是具有積極意義的舉措。多晶硅光伏電池價格約為5元/W,則1輛客車光伏電池的成本投入為47 520元; 按每年有效晴天數為250 d計算,則1輛客車每年節約電能10 500 kWh; 光伏電池壽命為25～30年,則每輛客車在30年的設計周期內可節約用電315 000 kWh。光伏電池壽命終結時還可再回收利用。由此可算出,每輛客車因增設光伏發電系統而增加的成本約為8萬元,而其使用期可節省的電費卻將近20萬元。

[1] 楊志強.客車電氣裝置[M].北京:中國鐵道出版社,2014:1-2.

[2] 何道清,何濤,丁宏林.太陽能光伏發電系統原理與應用技術[M].北京:化學工業出版社,2012:11-12.

[3] 中國數字科技館.太陽能資源分布[EB/OL](2013-11-20)[2015-09-09].http:∥amuseum.cdstm.cn/AMuseum/diqiuziyuan/er2_2_1.html.

[4] 王長貴,王斯成.太陽能光伏發電實用技術[M].2版.北京:化學工業出版社,2009:13-16.

[5] 劉志明,王星明.動車組設備[M].北京:中國鐵道出版社,2014:78-82.

[6] 王兆安,黃俊.電力電子技術[M].4版.北京:機械工業出版社,2008:100-111.

Application of Photovoltaic Power Generation in Rail Transit Vehicle

HOU Xiao, LU Yanwei, ZHU Liyuan, ZHANG Mingshun

Rail transit vehicle consumes a great deal of electric energy in operation.When photovoltaic power technology is adopted,the storage battery will absorbe the energy genenrated by solar battery and provide power for the train by coupling with the vehicle charger.The photovoltaic power generation system consists of power generation system charger,buck chopper,DC load and control system.Among which, the solar cell array,controller,storage battery,buck chopper and so on are main components,the working principle of the photovoltaic power generation system are introduced in detail.

power-saving technology; traction power supply system; photovoltaic power generation; boost buck chopper; charger

U270.38+1；TM919

10.16037/j.1007-869x.2017.06.030

2015-11-20)