高鐵站房“光儲直柔”近零碳配電系統研究

張 強

（中國鐵路設計集團有限公司）

0 引言

在全球能源安全壓力逐漸增大、氣候變化問題日益突出的形勢下，國家提出二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和的戰略。發展低碳能源技術，建立低碳經濟發展模式和低碳社會消費模式，是協調經濟發展與保護環境之間關系的基本途徑。

截至2021年國內高鐵運營里程已達到4萬公里，國內高鐵站房數量逐年增多，能耗問題日益突出，如何利用新的節能配電技術實現對車站的能源消耗優化，實現近零碳排放目標具有重要研究意義。近年來，光伏發電技術不斷發展，發電裝置產品化和市場化速度加快，數字能源管理技術的不斷成熟，使得建筑物實現“光伏發電、儲能蓄電、直流供電、柔性用電”成為可能。高鐵站房因其本身的建筑布局和結構特性，具備大面積鋪設光伏發電板的優勢，便利的土地開發條件可以發展儲能業務，同時車站內大量的照明設施和UPS設備能夠采用直流配電形式。本文通過對車站設置“光儲直柔”配電系統的關鍵技術進行分析研究，探索實現高鐵車站近零碳排放的技術路徑。

1 高鐵車站發電場所分布及用電負荷分析

1.1 高鐵車站發電場所分布

光伏發電組件通常設置在建筑物屋頂等面積廣闊、光照充足的位置，在一座高鐵車站內，車站屋頂、站臺雨棚和停車場等位置均是設置光伏發電板的優選位置。鑒于鐵路運行安全的需要，火車站周邊的各類建筑一般距離鐵路線路較遠，同時在站房兩側往往設置市政廣場，這就使得站房建筑基本不會被周邊的高層建筑遮擋，站臺上的雨棚和停車場的上方也具備良好的日照條件，可安裝光伏發電板，能夠產生良好的發電效益。此外，站房的立面也可以根據車站裝修風格在光照充足的位置裝設一定數量的光伏電板。距離車站較近的線路地段，也可以在鐵路路基邊坡或者防護柵欄上布置光伏電板。

當在站房屋頂和雨棚頂部安裝光伏發電板時，應結合建筑本身的特性、裝修效果和地理條件等因素選擇適當的安裝形式，常見的安裝形式是以建筑物為載體，建筑結構充分考慮光伏組件的結構荷載，另外一種形式是在建筑物屋頂集成光伏組件。在雨棚的頂部可以采用光伏板集成的形式，在炎熱天氣時段吸收太陽能發電的同時，起到隔熱的作用。

1.2 高鐵車站用電負荷分析

高鐵車站內的用電負荷主要分為設備動力負荷和照明負荷兩大類，按照用電負荷的重要性又分為一級負荷、二級負荷和三級負荷，下表以某車站用電負荷表進行歸類分析，研究車站內各類用電設備的供電形式。

表 某車站用電負荷

（續）

由上表可以看出，高鐵站房內的大部分設備，如LED燈具、通信信息設備、空調均可以選用直流供電的模式。

2 車站“光儲直柔”配電系統設計

車站“光儲直柔”配電系統主要由電源側、配電架構、用電負荷和儲能裝置四部分構成，為實現對分布式能源和傳統市政電源的靈活投切控制，構建用電負荷的柔性調節機制，需設置能源管理系統完成各環節運行數據采集、站房環境監測和配電設備監控等功能，提升車站能源利用管控效率，如圖1所示為“光儲直柔”系統示意圖。

圖1 “光儲直柔”系統示意圖

2.1 能源管理系統構建

系統綜合考慮可擴展的需要，從接入層、采集層、數據層、應用層、展示層5個層次全面遵循統一標準規范體系和安全保障體系。第一層是接入層，實現系統數據共享交換的需求；第二層是采集層，為系統數據分析和應用功能提供數據支撐；第三層是數據層，為系統提供存儲力和算力支撐；第四層是應用層，對環境與能源的數據管理、分析，支撐建筑設備的監測、節能優化和設備運維管理。第五層是展示層，支持工作站展示與移動終端多種展示方式，便于工作人員操控使用。

利用能源系統可以有效預測在不同的日期光伏發電系統的發電量，同時根據高鐵車站的運行數據，獲取相應的用電負荷，通過大數據計算分析，提出最優的能源控制策略。在光伏發電充足，用電負荷較少的情況下，可通過能源管理系統啟用儲能設備，最大程度利用分布式電能。

2.2 光伏系統設計

在站房頂和雨棚頂分別設置光伏發電板，某高鐵站房建筑面積為10000m2，屋頂面積為5600m2，雨棚面積為7200m2，估算裝機容量約為1000kW。車站內光伏發電板需要結合站房和雨棚整體裝修風格布置，同時為保證電站的持續收益，光伏組件選擇半片技術。半片技術是典型的按比例提升功率的技術，它疊加在效率越高的電池片上帶來的提升越大。半片技術通過降低組件中串聯電阻，降低內部功率損失，提高轉換效率，且半片技術工藝成熟，優良率有保證。車站光伏發電系統可選用具有運行靈活、操作方便、免維護、價格性能比較優越等優點的組串式逆變器。站房屋頂和雨棚頂位置較高，平單軸支架對發電量提升有限，宜選用技術成熟、運行經驗豐富和可靠性高的固定式支架。

光伏發電系統配置一套環境監測儀，實時監測日照強度、風速、風向、溫度等氣象參數，統一納入車站能源管理系統。該裝置由風速傳感器、風向傳感器、日照輻射表、測溫探頭、控制盒及支架組成，可測量環境溫度、風速、風向和輻射強度等參量，根據采集的數據和車站負荷進行大數據計算，充分利用能源管理系統提升可再生能源的利用率。

2.3 儲能裝置設計

在高鐵站附近可在鐵路高架橋下、路基邊和線路夾角地等區域設置模塊化集裝箱式集成儲能系統，根據車站規模、年發電量和車站負荷情況設計合理容量的儲能裝置。在車站“光儲直柔”配電系統中，儲能系統是不可或缺的重要組成部分。車站儲能系統可通過設置雙向可控的儲能DC／DC變化器接入配電系統直流主母線，儲能系統不僅參與車站全部用電負荷的調節，實現削峰填谷等能源優化利用措施，還能維持整個配電系統母線電源的穩定，提高車站配電系統的可靠性。

2.4 直流配電網絡設計

車站配電網主要采用直流配電系統設計，預留交流負荷接引條件。配電網絡中設置電力電子變換裝置，以滿足不同用電設備對不同電壓等級和不同電流性質的需求，同時實現光伏發電系統和儲能系統的投切靈活控制。綜合考慮供電距離、配電的經濟性和可靠性等因素，主母線采用375V電壓；房屋照明部分插座采用48V電壓；公共區照明因供電距離比較遠采用375V；空調、充電樁等大功率設備跨接在主母線上可取得750V的電壓；車站內的光伏系統和儲能系統直接接入主母線，如圖2所示為高鐵站房配電系統源儲荷關系圖。

圖2 高鐵站房配電系統源儲荷關系圖

3 “光儲直柔”配電系統應用展望

3.1 車站應用“光儲直柔”配電系統的潛力

高鐵車站內站房屋頂、雨棚和停車場等場所適合布置光伏發電板，甚至可以在車站周邊的路基邊坡或者鐵路柵欄安裝發電板。車站可以靈活設置儲能裝置，車站負荷中大量設備可采用直流供電的形式，例如通信設備、信息設備、LED照明燈具、汽車充電樁、LED大屏、計算機等設備，其他用能較大的暖通負荷（水泵、空調、制冷等）也大都采用變頻技術，可選用直流電機，匹配直流供電形式。在車站設置能源管理系統，充分利用大數據計算優勢和現代物聯網技術，實現對設備供電的柔性控制和負荷與能源的耦合調控，構建車站用電側和能源側的動態平衡，最大化實現零碳排放。

3.2 “光儲直柔”配電系統應用展望

高鐵車站內站房屋頂、碳中和目標推動整個能源系統的低碳發展，在未來低碳能源系統發展要求下，高鐵站房配電系統將不再僅是傳統意義上的用電負載，而是集齊傳統意義上的電源、儲能、調節、負荷等功能。“光儲直柔”建筑是推動建筑承擔起上述綜合功能的重要技術路徑，不僅實現電能的自產自銷，同時在碳中和層面具有重大意義，目前對于高鐵站房配電系統“光儲直柔”依然是處于探索和研究階段，面向系統設計、面向未來運行，“光儲直柔”建筑仍需在多方面開展持續深入研究，如圖3所示為“光儲直柔”系統研究展望。

圖3 “光儲直柔”建筑構建原則與研究展望

4 結束語

在建筑配電系統中采用“光儲直柔”技術已創建多個示范工程，但尚未在高鐵車站建設中構建“光儲直柔”配電系統。隨著光伏發電技術的發展及儲能技術市場化推進，以及直流配電關鍵技術的突破，越來越多的建筑會選用“光儲直柔”配電系統。高鐵車站因其特殊的場地布局、建筑結構和用電負荷等特點，更適合構建“光儲直柔”配電系統，但目前該技術仍有好多局限，如直流供電故障監測、關鍵設備研制和標準不完善等問題，距離大范圍推廣工程實踐應用還需要積累更多的建設和運行經驗。