光伏并网发电在地铁车辆基地的应用

光伏并网发电在地铁车辆基地的应用

杨荷娟黄鑫

（中铁二院华东勘察设计有限责任公司机电设备处浙江杭州310004）

摘要：随着能源、环境问题与经济发展之间的矛盾愈演愈烈，当水污染、雾霾等一系列严重威胁人类健康和发展的问题摆到所有人面前时，太阳能作为清洁可再生无污染能源正越来越受到业界关注亲睐。本文基于工程实际详细介绍光伏并网发电技术在上海地铁12号线工程中应用情况，包括系统组成与实现功能、系统运行方式及项目成果等内容，该工程对今后光伏并网发电技术进一步应用与推广具有显著示范作用。

关键词：光伏并网发电；城市轨道交通；防逆流；孤岛效应

1概述

1.1光伏并网发电的发展

光伏并网发电始于上世纪80年代初，美国、德国等发达国家率先展开试验性研究。试验结果在发展相应的技术方面是获得突破，但在经济性方面却并不十分令人鼓舞：由于太阳能电池成本过高，虽然具有显著减排等环境效益，但其高昂发电成本却很难让电力公司接受。90年代，“屋顶光伏并网系统”面世，受益于其经济灵活、不单独占地能以及适应太阳能能量密度低，有利于战备和能源安全，受到广泛重视并得到迅速发展。

随着近几年光伏发电技术以及设备生产的快速发展，太阳能光伏电池生产成本迅速下降，经济效益显著提高。与此同时，经济可持续发展的愿景促使发达国家有计划地推广城市光伏并网发电，大力建设户用屋顶光伏发电系统和大型集中并网发电系统，同时在交通工具、城市照明以及太空航天器、通信系统、微波中继站、电视差转台、光伏水泵等系统中大力推广太阳能光伏系统应用。目前，全球范围光伏并网发电市场发展迅猛，并网发电产业在光伏行业市场占比始终保持在50%以上。

1.2项目背景

上海市电力发展“十二五”报告中指出，煤电占上海市发电装机容量比例高达77%，城市建设对煤电依赖性高，煤作为发电能源不仅发电效率低（平均仅为35%），而且会带来严重空气污染问题。2013年上海出现霾的天数超过全年60%，最严重时PM2.5指数超过500。

城市轨道交通作为大城市发展公共交通的首选，具有安全舒适、快速环保、运力大的特点，但由于能源消耗总量巨大，是城市能耗重点关注对象之一。目前，城市轨道交通用电完全依赖城市供电，通过在城市轨道交通项目中建设光伏发电站，一方面能改变地铁供电电源结构，缓解城市供电压力，另一方面能通过减少污染排放，实现轨道交通可持续发展，是轨道交通建设一项重要突破。

上海地铁12号线金桥停车场于2009年12月开工建设，场址位于浦东金桥地区金穗路以东、金海路以南、川桥路王家桥路以北长方形地块，场址东侧临近环东二大道规划绿化带及外环高压走廊。停车场周围无遮挡物，建筑体量较大，且光照充足，先天条件优越，适宜设置光伏发电系统。

2光伏并网发电技术

2.1光伏并网发电技术的内涵及优势

光伏并网发电系统将太阳能电池组件产生的直流电经并网逆变器转换成符合电网要求的交流电之后，直接进入公共电网。光伏电池组件所产生电能除供给交流负载外，也能反馈给电网。阴雨天或夜晚，光伏系统所产生电能不能满足负载需求时，由电网供电。

相较于其他发电系统，光伏并网系统具有多种优势：由于没有转动部件，不产生噪音；没有空气污染，不排放废水；没有燃烧过程、不需要燃料；维修保养简单、维护费用低；运行可靠、稳定性好；作为关键部件的太阳电池，使用寿命长，晶体硅太阳电池寿命可达到25年以上；而且根据需要能够快速增产和扩大发电规模。因此，光伏发电项目是加快我国新能源产业发展的一项重要举措，并被列为国家可再生能源项目中鼓励类项目，符合国家能源产业政策，具有良好的环境效益、社会效益和经济效益。

2.2光伏并网发电设计要点

（1）系统电压波动问题：根据《供电质量供电电压允许偏差》GB12325-2008规定的供电电压允许偏差值，35kV及以上供电电压正、负偏差绝对值之和不超过标称电压的10%。由于光伏发电装置的输出功率随日照、天气、季节、温度等自然因素而变化，其输出功率极不稳定，因此需要做好并网电压波动记录和电网发电下降的补偿。

（2）谐波问题：根据国家标准《电能质量公用电网谐波》GB/T14549-1993规定，35kV电网电压总谐波畸变率≤3%。由于光伏发电系统通过光伏组件将太阳能转化为直流电能，再通过并网型逆变器将直流电能转化为与电网同频率、同相位的正弦波电流，并入电网，在将直流电能经逆变转换为交流电能过程中，会产生大量谐波，因此并网需对电压电流进行实际检测，并针对谐波电压、电流等偏差采取加装滤波装置等相应措施。

（3）无功平衡问题：光伏发电系统所发电功率因数较高，为满足无功补偿按分层分区和就地平衡的原则，光伏发电系统应配置适当无功补偿装置，以满足电网对无功的要求，提高电压质量，降低线损。因此，系统需对电网供电情况、地区总用电负载平衡进行详细分析，以确定无功平衡设计。

3光伏系统的组成及功能实现

本次光伏并网发电工程安装于地铁12号线金桥停车场内运用联合库上，采用与建筑屋顶相结合的光伏建筑一体化设计方案，光伏系统并网逆变器输出电压为三相AC380V，50Hz，光伏系统经升压至35kV电压等级，接入轨道交通35kV中压侧配电网，为该线路牵引及降压变电所供电，整个系统构成示意图如图一所示。

图一光伏并网发电构成示意图

3.1光伏发电系统

光伏发电系统将太阳能通过光伏组件等设备转化为电能，系统由光伏组件、汇流箱、直流柜、并网逆变器及控制器、交流柜等设备组成。光伏组件选用单个功率为245Wp的晶体硅组件，正面为3.2mm高透钢化玻璃，背面为白色背膜封装材料EVA。为减少太阳能电池组件与逆变器之间连接线，方便维护，提高可靠性，在太阳能电池组件与逆变器之间增加直流汇流装置。通过太阳能电池组件串联组成若干个太阳能电池组件串列，接入光伏阵列防雷汇流箱，通过防雷器与断路器后输出，方便后级逆变器的接入。通过直流配电柜将汇流箱输出的直流电缆接入进行汇流，再接至并网逆变器。并网逆变器带有隔离变压器，使得逆变器的直流输入和交流输出之间电气隔离开来。直流侧的太阳能电池板阵列为“浮地”，正负极与地之间都没有电气连接，且逆变器在运行过程中，随时检测直流正负极的对地阻抗，从而保证逆变器直流侧的短路故障不会影响到电网。

3.2升压并网系统

升压并网系统将经逆变器逆变后输出的低压电升压为与既有电网相同电压等级的高压电，实现并列运行，由升压变压器、并网GIS开关柜等设备组成。本项目中升压变压器选用0.4/35kV非晶合金变压器，这是轨道交通领域内首次采用非晶合金变压器，具有低噪音、低损耗、全密封免维护、运行费用极低等显著优点，进一步提升光伏并网发电系统的环保节能效益。

3.3监控系统

为方便对光伏系统设备工作状态的实时监控，每个光伏发电子系统均配置监控装置。监控系统主要包括：监控用工业控制机、网络版监控软件和液晶显示装置。系统采用独立监测系统检测并网电站运行状况，利用工业控制机采集数据，可以24小时不间断对所有并网逆变器进行运行数据监测，实现发电管理、数据管理、安全管理以及远程设备管理。

3.4保护系统

（1）保护配置

光伏发电0.4kV和35kV系统各单元保护装置直接安装于被保护设备开关柜室内，具体保护配置如表一所示：

（2）防雷与接地

光伏并网发电系统防雷保护分为直击雷防护和感应雷防护。其中，直击雷的防护根据光伏组件方阵的高度和占地面积，采用与建筑已有避雷网连接。感应雷的防护采用在太阳能电池支路汇流接入并网逆变器前设置两级电源避雷器，，一级在光伏阵列防雷汇流箱中，输出端正、负相上分别安装有电源避雷器，二级是在直流配电柜中，每个直流配电单元输出端正、负相上分别安装有电源避雷器，接地端与楼顶建筑预留出接地点相连接。此外，在并网逆变器交流输出侧和低压交流配电柜输出端也安装有避雷器，作为防雷设施。

光伏发电系统的接地保护设计将安装支架、设备基础、设备外壳等通过接地扁钢或接地电缆接至建筑专业预留接地点，接地电阻不大于0.5Ω。

（3）防“孤岛效应”

并网逆变器具备“被动式”和“主动式”两种“孤岛效应”检测方法。“被动式”检测实时检测电网电压的幅值、频率和相位，当电网失电时，会在电网电压的幅值、频率和相位参数上，产生跳变信号，通过检测跳变信号来判断电网是否失电。“主动式”检测对电网参数产生小干扰信号，通过检测反馈信号来判断电网是否失电，其中一种方法就是通过测量逆变器输出谐波电流在并网点所产生的谐波电压值，从而得到电网阻抗来进行判断，当电网失电时，会在电网阻抗参数上发生较大变化，从而判断是否出现了电网失电情况。通过上述任一检测方法，当并网逆变器检测到电网失电后，会立即停止工作，当电网恢复供电时，并网逆变器并不会立即投入运行，而是需要持续检测电网信号在一段时间（如90秒钟）内完全正常，才重新投入运行。

4项目实施的关键点

4.1光伏组件排布设计

为保证系统发电量与保持建筑整体美观的完美平衡，结合光伏组件具有一定的雨水自清洁功能，本项目光伏组件采用光伏组件固定于钢结构支架之上的安装方式，钢结构支架通过固定在屋面预制混凝土基础上的钢柱与屋面可靠固定，以达到最佳发电效率。运用联合库建筑方位正南，屋顶为预应力混凝土结构，采用10°倾角的铺设坡度安装，如图二所示。

图二光伏组件安装示意图

4.2输出控制

本工程采用的逆变器在输出功率≥50%额定功率，电网波动<5%情况下，交流输出电流总谐波分量（THD）<3%。在运行过程中，并网逆变器实时采集交流电网电压信号，通过闭环控制，使得逆变器交流输出电流与电网电压相位保持一致，系统功率因数能保持在1.0左右。

4.3防逆流系统设计

本工程光伏并网系统接入轨道交通35kV中压侧配电网，为该线路的牵引及降压变电所供电，电能不反馈至公共电网。因此，为确保光伏系统所发电力直接提供给地铁负荷用电，防止馈送至公共电网，防逆流控制器会随时监控网侧电压与电流，一旦发现向公共电网输入能量，会自动通过通讯控制逆变器降低输出电流，减小光伏系统发电功率；当出现通讯故障或其它系统故障时，防逆流控制器会控制输出接触器断开，从而彻底停止向电网供电，保证系统安全可靠运行。

4.4运行方式

（1）白天：太阳能通过光伏组件转换为电能，升压后并入轨道交通供电系统网络，与既有供电电源实现并列运行；

（2）夜间：光伏系统不提供电力，设备对电网电压进行实时监测。

（3）当一回既有市政电源（检修或故障）退出运行时，挂在同段母线上的光伏系统同时退出运行，另一段光伏系统运行方式保持不变。车站既有35kV母线分段断路器合闸，同时之前退出运行的光伏系统检测判断电网参数满足并网条件后继续进行发电并网运行。

（4）当一台升压变压器或一回光伏并网电缆发生故障时，相应并网开关柜的断路器分闸，系统其余回路保持运行状态不变。

5项目成果及评价

金桥停车场光伏并网发电项目采用并网非逆流光伏发电系统，该系统由光伏组件、直流防雷汇流箱、直流防雷配电柜、交流配电柜、并网逆变器、防逆流控制柜等组成。太阳能通过光伏组件转化为直流电力；一定数量光伏组件串联组成若干个光伏组件串以满足所需输出电压要求，若干光伏组件串接入直流防雷汇流箱，汇流后直流电通过直流配电柜接至光伏并网逆变器，并网逆变器将直流电转化为与电网同步的正弦交流电汇入电网。

金桥停车场光伏并网发电项目是光伏并网发电技术在城市轨道交通项目中的首次应用和实现，本项目总装机容量1915.9kWp，建成后年发电量189.1万kW•h，不仅能满足金桥停车场自身用电需求，还能为正线列车牵引进行供电支援。若按0.86元/度的价格进行计算，约9年收回全部成本，按25年设计使用年限计算，可节约成本2000余万元。

2013年3月，由上海太阳能学会、同济大学、上海大学、上海市隧道工程轨道交通设计研究院以及铁道第三勘察设计院等多家单位数位国内知名专家、学者组成的专家评审团对方案进行评审。各位专家对系统方案进行充分讨论和研究后，一致认为金桥停车场光伏并网发电方案结合了轨道交通车辆基地内建筑物以及轨道交通用能的特点，具有可行性和实用性，符合国家节能减排、发展绿色能源的政策，项目的实施具有示范效应。

参考文献：

[1]任元会，卞铠生等．工业与民用配电设计手册．第三版．北京：中国电力出版社，2005．

[2]袁晓，赵敏容等．太阳能光伏发电并网技术的应用[J]．上海电力，2006，4：342-347．

[3]ZhangHonglian.DevelopmentApplicationandConstraintsofPhotovoltaicTechnologyinChina[C]．Asia-PacificPowerandEnergyEngineeringconference(APPEEC2011)

[4]《供电质量供电电压允许偏差》GB12325-2008

[5]《电能质量公用电网谐波》GB/T14549-1993