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浅聊分布式光伏系统在某铁路车站的设计与应用
2024-11-13 阅读(1612)
张继冬
安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要： 随着可再生能源的广泛应用，分布式光伏系统在各类建筑中的应用日益受到关注。本文以某铁路车站为例，探讨了分布式光伏系统在铁路车站的设计要点与应用情况。首先介绍了分布式光伏系统的优势及在铁路车站应用的可行性，接着详细阐述了该铁路车站分布式光伏系统的设计过程，包括光伏组件选型、布局规划、电气系统设计等方面，最后分析了其应用效果及带来的综合效益，旨在为分布式光伏系统在更多铁路车站及类似建筑中的推广应用提供参考。
2.1.1节能减排
太阳能是清洁可再生能源，分布式光伏系统发电过程中不产生温室气体排放，可显著减少铁路车站因用电产生的碳排放，助力交通运输行业的绿色发展。
2.1.2经济效益
通过自发自用、余电上网的模式，铁路车站可节省部分电费支出，同时还能获得售电收入，长期来看具有较好的经济回报。
2.1.3提高能源可靠性
在电网供电出现故障等情况下，分布式光伏系统可作为备用电源继续为车站部分重要负荷供电，提高车站能源供应的可靠性。
2.2.1空间资源
铁路车站一般拥有较大面积的站房屋顶、站台雨棚等，这些平整的建筑表面为安装光伏组件提供了充足的空间。
2.2.2光照条件
大多数铁路车站所处地理位置具有一定的日照时长和光照强度，能够保证光伏系统有较好的发电效率。
2.2.3技术成熟度
目前分布式光伏系统的技术已经相对成熟，从光伏组件制造到系统安装、运维等环节都有完善的技术标准和规范，可确保在铁路车站稳定运行。
3.1.1功率和效率
综合考虑车站所在地区的光照资源、可安装面积等因素，选择合适功率和高转换效率的光伏组件。例如，选用单晶硅光伏组件，其具有较高的转换效率，可在有限的面积内获取更多的发电量。
3.1.2可靠性和耐久性
铁路车站环境相对复杂，光伏组件需要具备良好的抗风、抗雪、抗腐蚀等性能。选择经过严格质量检测、具有可靠封装工艺的组件，以确保其在车站长期稳定运行。
3.2.1站房屋顶布局
根据站房屋顶的形状、朝向和结构特点，采用合理的布局方式。一般尽量使光伏组件朝向正南方向，以获取最大的日照量。同时，要考虑屋顶的承载能力，避免因光伏组件安装导致屋顶结构安全问题。
3.2.2站台雨棚布局
站台雨棚可安装光伏组件的面积也较大。在布局时，要结合雨棚的功能和旅客通行需求，合理安排光伏组件的安装位置，确保不会影响旅客上下车和车站工作人员的作业。
3.3.1逆变器选型
选择合适的逆变器将光伏组件产生的直流电转换为交流电。根据光伏系统的规模和电压等级，选用具有高效率、高可靠性和良好电网适应性的逆变器。
3.3.2汇流箱设计
设置汇流箱对光伏组件产生的电流进行汇流，以便于后续的传输和处理。汇流箱应具备过流、过压等保护功能，确保电气系统的安全。
3.3.3监控系统
建立完善的监控系统，实时监测光伏系统的发电功率、电压、电流等参数，以及光伏组件的运行状态。通过监控系统可以及时发现故障并进行处理，提高系统的运维效率。
经过实际运行，该铁路车站分布式光伏系统在正常光照条件下能够稳定发电，日均发电量可满足车站部分照明、弱电设备等用电需求，有效减少了车站从电网的购电电量。
据测算，该光伏系统每年可减少大量二氧化碳等温室气体排放，对改善车站周边环境质量、履行社会责任起到了积极作用。
在几次电网短暂停电事件中，分布式光伏系统发挥了备用电源的作用，维持了车站部分重要负荷的正常运行，如应急照明等，提高了车站能源供应的整体可靠性。
五、Acrel-2000MG充电站微电网能量管理系统
5.1平台概述
Acrel-2000MG微电网能量管理系统，是我司根据新型电力系统下微电网监控系统与微电网能量管理系统的要求，总结国内外的研究和生产的*进经验，专门研制出的企业微电网能量管理系统。本系统满足光伏系统、风力发电、储能系统以及充电站的接入，*进行数据采集分析，直接监视光伏、风能、储能系统、充电站运行状态及健康状况，是一个集监控系统、能量管理为一体的管理系统。该系统在安全稳定的基础上以经济优化运行为目标，促进可再生能源应用，提高电网运行稳定性、补偿负荷波动；有效实现用户侧的需求管理、消除昼夜峰谷差、平滑负荷，提高电力设备运行效率、降低供电成本。为企业微电网能量管理提供安全、可靠、经济运行提供了全新的解决方案。
微电网能量管理系统应采用分层分布式结构，整个能量管理系统在物理上分为三个层：设备层、网络通信层和站控层。站级通信网络采用标准以太网及TCP/IP通信协议，物理媒介可以为光纤、网线、屏蔽双绞线等。系统支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信规约。
5.2平台适用场合
系统可应用于城市、高速公路、工业园区、工商业区、居民区、智能建筑、海岛、无电地区可再生能源系统监控和能量管理需求。
5.3系统架构
本平台采用分层分布式结构进行设计，即站控层、网络层和设备层，详细拓扑结构如下：
六、充电站微电网能量管理系统解决方案
6.1实时监测
微电网能量管理系统人机界面友好，应能够以系统一次电气图的形式直观显示各电气回路的运行状态，实时监测光伏、风电、储能、充电站等各回路电压、电流、功率、功率因数等电参数信息，动态监视各回路断路器、隔离开关等合、分闸状态及有关故障、告警等信号。其中，各子系统回路电参量主要有：相电压、线电压、三相电流、有功/无功功率、视在功率、功率因数、频率、有功/无功电度、频率和正向有功电能累计值；状态参数主要有：开关状态、断路器故障脱扣告警等。
系统应可以对分布式电源、储能系统进行发电管理，使管理人员实时掌握发电单元的出力信息、收益信息、储能荷电状态及发电单元与储能单元运行功率设置等。
系统应可以对储能系统进行状态管理，能够根据储能系统的荷电状态进行及时告警，并支持定期的电池维护。
微电网能量管理系统的监控系统界面包括系统主界面，包含微电网光伏、风电、储能、充电站及总体负荷组成情况，包括收益信息、天气信息、节能减排信息、功率信息、电量信息、电压电流情况等。根据不同的需求，也可将充电，储能及光伏系统信息进行显示。
子界面主要包括系统主接线图、光伏信息、风电信息、储能信息、充电站信息、通讯状况及一些统计列表等。
6.1.1光伏界面
本界面用来展示对光伏系统信息，主要包括逆变器直流侧、交流侧运行状态监测及报警、逆变器及电站发电量统计及分析、并网柜电力监测及发电量统计、电站发电量年有效利用小时数统计、发电收益统计、碳减排统计、辐照度/风力/环境温湿度监测、发电功率模拟及效率分析；同时对系统的总功率、电压电流及各个逆变器的运行数据进行展示。
6.1.2储能界面
本界面主要用来展示本系统的储能装机容量、储能当前充放电量、收益、SOC变化曲线以及电量变化曲线。
6.1.3风电界面
本界面用来展示对风电系统信息，主要包括逆变控制一体机直流侧、交流侧运行状态监测及报警、逆变器及电站发电量统计及分析、电站发电量年有效利用小时数统计、发电收益统计、碳减排统计、风速/风力/环境温湿度监测、发电功率模拟及效率分析；同时对系统的总功率、电压电流及各个逆变器的运行数据进行展示。
6.1.4充电站界面
本界面用来展示对充电站系统信息，主要包括充电站用电总功率、交直流充电站的功率、电量、电量费用，变化曲线、各个充电站的运行数据等。
6.1.5视频监控界面
本界面主要展示系统所接入的视频画面，且通过不同的配置，实现预览、回放、管理与控制等。
6.1.6发电预测
系统应可以通过历史发电数据、实测数据、未来天气预测数据，对分布式发电进行短期、超短期发电功率预测，并展示合格率及误差分析。根据功率预测可进行人工输入或者自动生成发电计划，便于用户对该系统新能源发电的集中管控。
6.1.7策略配置
系统应可以根据发电数据、储能系统容量、负荷需求及分时电价信息，进行系统运行模式的设置及不同控制策略配置。如削峰填谷、周期计划、需量控制、防逆流、有序充电、动态扩容等。
具体策略根据项目实际情况（如储能柜数量、负载功率、光伏系统能力等）进行接口适配和策略调整，同时支持定制化需求。
6.1.8运行报表
应能查询各子系统、回路或设备*时间的运行参数，报表中显示电参量信息应包括：各相电流、三相电压、总功率因数、总有功功率、总无功功率、正向有功电能、尖峰平谷时段电量等。
6.1.9实时报警
应具有实时报警功能，系统能够对各子系统中的逆变器、双向变流器的启动和关闭等遥信变位，及设备内部的保护动作或事故跳闸时应能发出告警，应能实时显示告警事件或跳闸事件，包括保护事件名称、保护动作时刻；并应能以弹窗、声音、短信和电话等形式通知相关人员。
6.1.10历史事件查询
应能够对遥信变位，保护动作、事故跳闸，以及电压、电流、功率、功率因数、电芯温度（锂离子电池）、压力（液流电池）、光照、风速、气压越限等事件记录进行存储和管理，方便用户对系统事件和报警进行历史追溯，查询统计、事故分析。
6.1.11电能质量监测
应可以对整个微电网系统的电能质量包括稳态状态和暂态状态进行持续监测，使管理人员实时掌握供电系统电能质量情况，以便及时发现和消除供电不稳定因素。
（1）在供电系统主界面上应能实时显示各电能质量监测点的监测装置通信状态、各监测点的A/B/C相电压总畸变率、三相电压不平衡度*和正序/负序/零序电压值、三相电流不平衡度*和正序/负序/零序电流值；
（2）谐波分析功能：系统应能实时显示A/B/C三相电压总谐波畸变率、A/B/C三相电流总谐波畸变率、奇次谐波电压总畸变率、奇次谐波电流总畸变率、偶次谐波电压总畸变率、偶次谐波电流总畸变率；应能以柱状图展示2-63次谐波电压含有率、2-63次谐波电压含有率、0.5～63.5次间谐波电压含有率、0.5～63.5次间谐波电流含有率；
（3）电压波动与闪变：系统应能显示A/B/C三相电压波动值、A/B/C三相电压短闪变值、A/B/C三相电压长闪变值；应能提供A/B/C三相电压波动曲线、短闪变曲线和长闪变曲线；应能显示电压偏差与频率偏差；
（4）功率与电能计量：系统应能显示A/B/C三相有功功率、无功功率和视在功率；应能显示三相总有功功率、总无功功率、总视在功率和总功率因素；应能提供有功负荷曲线，包括日有功负荷曲线（折线型）和年有功负荷曲线（折线型）；
（5）电压暂态监测：在电能质量暂态事件如电压暂升、电压暂降、短时中断发生时，系统应能产生告警，事件能以弹窗、闪烁、声音、短信、电话等形式通知相关人员；系统应能查看相应暂态事件发生前后的波形。
（6）电能质量数据统计：系统应能显示1min统计整2h存储的统计数据，包括均值、*值、*值、95%概率值、方均根值。
（7）事件记录查看功能：事件记录应包含事件名称、状态（动作或返回）、波形号、越限值、故障持续时间、事件发生的时间。
6.1.12遥控功能
应可以对整个微电网系统范围内的设备进行远程遥控操作。系统维护人员可以通过管理系统的主界面完成遥控操作，并遵循遥控预置、遥控返校、遥控执行的操作顺序，可以及时执行调度系统或站内相应的操作命令。
6.1.13曲线查询
应可在曲线查询界面，可以直接查看各电参量曲线，包括三相电流、三相电压、有功功率、无功功率、功率因数、SOC、SOH、充放电量变化等曲线。
6.1.14统计报表
具备定时抄表汇总统计功能，用户可以自由查询自系统正常运行以来任意时间段内各配电节点的发电、用电、充放电情况，即该节点进线用电量与各分支回路消耗电量的统计分析报表。对微电网与外部系统间电能量交换进行统计分析；对系统运行的节能、收益等分析；具备对微电网供电可靠性分析，包括年停电时间、年停电次数等分析；具备对并网型微电网的并网点进行电能质量分析。
6.1.15网络拓扑图
系统支持实时监视接入系统的各设备的通信状态，能够完整的显示整个系统网络结构；可在线诊断设备通信状态，发生网络异常时能自动在界面上显示故障设备或元件及其故障部位。
本界面主要展示微电网系统拓扑，包括系统的组成内容、电网连接方式、断路器、表计等信息。
6.1.16通信管理
可以对整个微电网系统范围内的设备通信情况进行管理、控制、数据的实时监测。系统维护人员可以通过管理系统的主程序右键打开通信管理程序，然后选择通信控制启动所有端口或某个端口，快速查看某设备的通信和数据情况。通信应支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信规约。
6.1.17用户权限管理
应具备设置用户权限管理功能。通过用户权限管理能够防止未经授权的操作（如遥控操作，运行参数修改等）。可以定义不同级别用户的登录名、密码及操作权限，为系统运行、维护、管理提供可靠的安全保障。
6.1.18故障录波
应可以在系统发生故障时，自动准确地记录故障前、后过程的各相关电气量的变化情况，通过对这些电气量的分析、比较，对分析处理事故、判断保护是否正确动作、提高电力系统安全运行水平有着重要作用。其中故障录波共可记录16条，每条录波可触发6段录波，每次录波可记录故障前8个周波、故障后4个周波波形，总录波时间共计46s。每个采样点录波至少包含12个模拟量、10个开关量波形。
6.1.19事故追忆
可以自动记录事故时刻前后一段时间的所有实时扫描数据，包括开关位置、保护动作状态、遥测量等，形成事故分析的数据基础。
用户可自定义事故追忆的启动事件，当每个事件发生时，存储事故扫描周期及事故后扫描周期的有关点数据。启动事件和监视的数据点可由用户随意修改。
6.2硬件及其配套产品
七，结论
通过对某铁路车站分布式光伏系统的设计与应用研究，可以看出分布式光伏系统在铁路车站具有良好的应用前景。其不仅能够带来可观的经济效益，还能实现节能减排、提高能源供应可靠性等多方面的综合效益。在未来的铁路车站建设和改造中，应进一步推广分布式光伏系统的应用，不断优化设计和运维方案，使其更好地服务于铁路交通事业的绿色发展。同时，也为其他类似建筑应用分布式光伏系统提供了有益的借鉴和参考。
参考文献
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[7]牛明哲，某铁路车站分布式光伏系统设计分析
[8]安科瑞企业微电网设计与应用手册.2022年05版
作者简介：
张继冬，男，现任职于安科瑞电气股份有限公司。
