安科瑞 陳聰

摘要：光伏發(fā)電技術也被稱為太陽能發(fā)電技術，是一種利用太陽輻射轉化為電能的技術。隨著人們對可再生能源需求的增加，光伏發(fā)電技術得到了廣泛應用和發(fā)展。文章以某鐵路車站分布式光伏系統設計為例，依托CandelaRoof仿真軟件，從太陽能資源分析、用電負荷預測、自發(fā)自用比例等多個方面對設計中的關鍵環(huán)節(jié)進行分析，提出了一種分布式光伏發(fā)電系統裝機容量的估算方法，并通過仿真驗證了方法的可行性，為工程設計提供參考。

關鍵詞：鐵路供電；分布式光伏系統；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(fā)展和利用越來越受到關注?？稍偕茉词侵覆粫萁叩哪茉?，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(huán)境污染，提高能源安全性。因此，研究和開發(fā)可再生能源對于促進全球可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[1]。

光伏發(fā)電技術基本原理是利用半導體材料的光電效應，將太陽光能轉化為電能。光伏發(fā)電系統由太陽能電池板、蓄電池、控制器和逆變器等組成，其中太陽能電池板是其核心部件。近年來，光伏發(fā)電技術在技術研發(fā)、市場規(guī)模、成本效益等方面都取得了顯著進展[2]。光伏發(fā)電技術的研發(fā)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涌現，使太陽能電池板的轉換效率不斷提高，一些*家和地區(qū)成為主流的能源供應方式，加之我國提出“碳中和、碳達峰”目標，國內各地為推廣綠色能源均有不同程度的優(yōu)惠政策和補貼，進一步促進了國內光伏發(fā)電系統的發(fā)展。從目前的發(fā)展趨勢來看，光伏發(fā)電仍會是未來數十年內的熱門話題[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系統的條件，相較于普通建筑，應用于鐵路車站的光伏發(fā)電系統具有以下特點：

（1）建筑面積充足。車站擁有較多的大面積建筑物，如站房、辦公綜合樓、軌道車庫以及站臺雨棚等，屋面大多較為平整，承載力良好，屋面可利用率高，可有效減少光伏發(fā)電系統占用的空間資源。

（2）消納能力高。車站具有平穩(wěn)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(wěn)定，使光伏發(fā)電系統具有較高的消納能力，為工程帶來可觀的經濟效益[4]。

（3）*特的供電系統構架。鐵路供電系統較為*特，除車站設置配電所為本車站的負荷供電外，為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回高壓電力貫通線，可為區(qū)間負荷供電，還可實現電源故障時的越區(qū)供電[5]。鐵路沿線區(qū)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(qū)及崗亭等。以通信基站為例，每3km有一處。由于區(qū)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(fā)電系統有多余電量時，可通過10kV電力貫通線為區(qū)間負荷供電，這種*特的供電系統構架進一步提升了光伏系統的消納能力。

文章以陜西省境內某鐵路車站分布式光伏發(fā)電系統設計為例，針對以上設計中的關鍵問題進行分析，首先根據車站所在地的經緯度確定了系統的日照資源；然后結合車站用電情況提出了光伏陣列裝機容量的估算算法并通過CandelaRoof仿真軟件對光伏發(fā)電系統進行建模仿真；*后通過軟件測算系統的自發(fā)自用比例驗證了系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。

1太陽能資源分析

Meteonorm是由瑞士MeteotestAG公司開發(fā)的太陽能評估和規(guī)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面總輻射量值為1241.7kW·h/m2，其中水平散射輻射量值為780.5kW·h/m2，月平均總輻射日輻照量*低值與*高值的比值為0.38，年水平面散射輻照量與水平面直接輻照量比值（即直射比DHRR）為0.37[6]。根據《太陽能資源等級總輻射》（GB/T31155—2014）中相關規(guī)定，此地太陽能資源屬于“C級”豐富地區(qū)，穩(wěn)定度屬于“B級”穩(wěn)定地區(qū)，并且太陽能直射比等級為“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(fā)電系統裝機容量、消納率及經濟評價等一系列數據的依據。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630kV·A箱式變電站1座，為站內負荷供電。根據*近1a的電費繳納情況，車站在尖峰、高峰、平段及低谷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395000kW·h，平均日用電量為1082.19kW·h，且車站用電量*大的時間段為高峰段及平段，涵蓋光伏發(fā)電系統的幾乎全部發(fā)電時間段，可有效地利用光伏系統的發(fā)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18：30—20：30，7月及8月的尖峰時段為19：30—21：30，高峰時段為8：00—11：30、18：30—23：00；平時段為7：00—8：00、11：30—18：30。

3光伏系統裝機容量估算

光伏發(fā)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142242.4kW·h，平段年用電量為133438.0kW·h，對用電量及時長進行加權平均，則光伏發(fā)電時間段內（共計6h）車站用電量為102829.88kW·h。

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

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

式中：P裝機為光伏系統裝機容量，kWp；T為峰值日照時間，h。

4基于CandelaRoof軟件的光伏發(fā)電系統建模

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

表2系統模型主要基本參數

式（2）計算的裝機容量為估算值，由于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(jié)特性，因此需要建立每個月負荷用電量與光伏系統發(fā)電量之間的聯系，才能*確計算系統的電量自用比例。為驗證式（2）提出的估算方法的有效性，利用軟件中自發(fā)自用測算模塊對上述模型進行進一步分析和優(yōu)化。將表1中車站的全年用電數據導入CandelaRoof軟件中，根據光伏系統發(fā)電量及月負荷用電量，自發(fā)自用比例仿真計算結果如表3所示。

表3系統自發(fā)自用比例仿真計算結果

挑選3月典型日，系統出力曲線及日負荷曲線如圖1所示。

圖13月典型日系統出力曲線及日負荷曲線

由圖1可知，系統出力曲線位于日負荷曲線下方，即該典型日光伏自發(fā)自用比例為100%。

綜上所述，基于式（2）的光伏系統裝機容量估算與實際仿真結果*為接近，可作為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系統

5.1平臺概述

Acrel-2000MG微電網能量管理系統，是我司根據新型電力系統下微電網監(jiān)控系統與微電網能量管理系統的要求，總結國內外的研究和生產的*進經驗，專門研制出的企業(yè)微電網能量管理系統。本系統滿足光伏系統、風力發(fā)電、儲能系統以及充電站的接入，*進行數據采集分析，直接監(jiān)視光伏、風能、儲能系統、充電站運行狀態(tài)及健康狀況，是一個集監(jiān)控系統、能量管理為一體的管理系統。該系統在安全穩(wěn)定的基礎上以經濟優(yōu)化運行為目標，促進可再生能源應用，提高電網運行穩(wěn)定性、補償負荷波動；有效實現用戶側的需求管理、消除晝夜峰谷差、平滑負荷，提高電力設備運行效率、降低供電成本。為企業(yè)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方案。

微電網能量管理系統應采用分層分布式結構，整個能量管理系統在物理上分為三個層：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，物理媒介可以為光纖、網線、屏蔽雙絞線等。系統支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信規(guī)約。

5.2平臺適用場合

系統可應用于城市、高速公路、工業(yè)園區(qū)、工商業(yè)區(qū)、居民區(qū)、智能建筑、海島、無電地區(qū)可再生能源系統監(jiān)控和能量管理需求。

5.3系統架構

本平臺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系統組網方式

6充電站微電網能量管理系統解決方案

6.1實時監(jiān)測

微電網能量管理系統人機界面友好，應能夠以系統一次電氣圖的形式直觀顯示各電氣回路的運行狀態(tài)，實時監(jiān)測光伏、風電、儲能、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(tài)監(jiān)視各回路斷路器、隔離開關等合、分閘狀態(tài)及有關故障、告警等信號。其中，各子系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(tài)參數主要有：開關狀態(tài)、斷路器故障脫扣告警等。

系統應可以對分布式電源、儲能系統進行發(fā)電管理，使管理人員實時掌握發(fā)電單元的出力信息、收益信息、儲能荷電狀態(tài)及發(fā)電單元與儲能單元運行功率設置等。

系統應可以對儲能系統進行狀態(tài)管理，能夠根據儲能系統的荷電狀態(tài)進行及時告警，并支持定期的電池維護。

微電網能量管理系統的監(jiān)控系統界面包括系統主界面，包含微電網光伏、風電、儲能、充電站及總體負荷組成情況，包括收益信息、天氣信息、節(jié)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，儲能及光伏系統信息進行顯示。

圖1系統主界面

子界面主要包括系統主接線圖、光伏信息、風電信息、儲能信息、充電站信息、通訊狀況及一些統計列表等。

6.1.1光伏界面

圖2光伏系統界面

本界面用來展示對光伏系統信息，主要包括逆變器直流側、交流側運行狀態(tài)監(jiān)測及報警、逆變器及電站發(fā)電量統計及分析、并網柜電力監(jiān)測及發(fā)電量統計、電站發(fā)電量年有效利用小時數統計、發(fā)電收益統計、碳減排統計、輻照度/風力/環(huán)境溫濕度監(jiān)測、發(fā)電功率模擬及效率分析；同時對系統的總功率、電壓電流及各個逆變器的運行數據進行展示。

6.1.2儲能界面

圖3儲能系統界面

本界面主要用來展示本系統的儲能裝機容量、儲能當前充放電量、收益、SOC變化曲線以及電量變化曲線。

圖4儲能系統PCS參數設置界面

本界面主要用來展示對PCS的參數進行設置，包括開關機、運行模式、功率設定以及電壓、電流的限值。

圖5儲能系統BMS參數設置界面

本界面用來展示對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儲能系統PCS電網側數據界面

本界面用來展示對PCS電網側數據，主要包括相電壓、電流、功率、頻率、功率因數等。

圖7儲能系統PCS交流側數據界面

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

圖8儲能系統PCS直流側數據界面

本界面用來展示對PCS直流側數據，主要包括電壓、電流、功率、電量等。同時針對直流側的異常信息進行告警。

圖9儲能系統PCS狀態(tài)界面

本界面用來展示對PCS狀態(tài)信息，主要包括通訊狀態(tài)、運行狀態(tài)、STS運行狀態(tài)及STS故障告警等。

圖10儲能電池狀態(tài)界面

本界面用來展示對BMS狀態(tài)信息，主要包括儲能電池的運行狀態(tài)、系統信息、數據信息以及告警信息等，同時展示當前儲能電池的SOC信息。

圖11儲能電池簇運行數據界面

本界面用來展示對電池簇信息，主要包括儲能各模組的電芯電壓與溫度，并展示當前電芯的電壓、溫度值及所對應的位置。

6.1.3風電界面

圖12風電系統界面

本界面用來展示對風電系統信息，主要包括逆變控制一體機直流側、交流側運行狀態(tài)監(jiān)測及報警、逆變器及電站發(fā)電量統計及分析、電站發(fā)電量年有效利用小時數統計、發(fā)電收益統計、碳減排統計、風速/風力/環(huán)境溫濕度監(jiān)測、發(fā)電功率模擬及效率分析；同時對系統的總功率、電壓電流及各個逆變器的運行數據進行展示。

6.1.4充電站界面

圖13充電站界面

本界面用來展示對充電站系統信息，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、各個充電站的運行數據等。

6.1.5視頻監(jiān)控界面

圖14微電網視頻監(jiān)控界面

本界面主要展示系統所接入的視頻畫面，且通過不同的配置，實現預覽、回放、管理與控制等。

6.1.6發(fā)電預測

系統應可以通過歷史發(fā)電數據、實測數據、未來天氣預測數據，對分布式發(fā)電進行短期、超短期發(fā)電功率預測，并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(fā)電計劃，便于用戶對該系統新能源發(fā)電的集中管控。

圖15光伏預測界面

6.1.7策略配置

系統應可以根據發(fā)電數據、儲能系統容量、負荷需求及分時電價信息，進行系統運行模式的設置及不同控制策略配置。如削峰填谷、周期計劃、需量控制、防逆流、有序充電、動態(tài)擴容等。

具體策略根據項目實際情況（如儲能柜數量、負載功率、光伏系統能力等）進行接口適配和策略調整，同時支持定制化需求。

圖16策略配置界面

6.1.8運行報表

應能查詢各子系統、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、尖峰平谷時段電量等。

圖17運行報表

6.1.9實時報警

應具有實時報警功能，系統能夠對各子系統中的逆變器、雙向變流器的啟動和關閉等遙信變位，及設備內部的保護動作或事故跳閘時應能發(fā)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；并應能以彈窗、聲音、短信和電話等形式通知相關人員。

圖18實時告警

6.1.10歷史事件查詢

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和管理，方便用戶對系統事件和報警進行歷史追溯，查詢統計、事故分析。

圖19歷史事件查詢

6.1.11電能質量監(jiān)測

應可以對整個微電網系統的電能質量包括穩(wěn)態(tài)狀態(tài)和暫態(tài)狀態(tài)進行持續(xù)監(jiān)測，使管理人員實時掌握供電系統電能質量情況，以便及時發(fā)現和消除供電不穩(wěn)定因素。

1）在供電系統主界面上應能實時顯示各電能質量監(jiān)測點的監(jiān)測裝置通信狀態(tài)、各監(jiān)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：系統應能實時顯示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）電壓波動與閃變：系統應能顯示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頻率偏差；

4）功率與電能計量：系統應能顯示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(tài)監(jiān)測：在電能質量暫態(tài)事件如電壓暫升、電壓暫降、短時中斷發(fā)生時，系統應能產生告警，事件能以彈窗、閃爍、聲音、短信、電話等形式通知相關人員；系統應能查看相應暫態(tài)事件發(fā)生前后的波形。

6）電能質量數據統計：系統應能顯示1min統計整2h存儲的統計數據，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(tài)（動作或返回）、波形號、越限值、故障持續(xù)時間、事件發(fā)生的時間。

圖20微電網系統電能質量界面

6.1.12遙控功能

應可以對整個微電網系統范圍內的設備進行遠程遙控操作。系統維護人員可以通過管理系統的主界面完成遙控操作，并遵循遙控預置、遙控返校、遙控執(zhí)行的操作順序，可以及時執(zhí)行調度系統或站內相應的操作命令。

圖21遙控功能

6.1.13曲線查詢

應可在曲線查詢界面，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系統正常運行以來任意時間段內各配電節(jié)點的發(fā)電、用電、充放電情況，即該節(jié)點進線用電量與各分支回路消耗電量的統計分析報表。對微電網與外部系統間電能量交換進行統計分析；對系統運行的節(jié)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；具備對并網型微電網的并網點進行電能質量分析。

圖23統計報表

6.1.15網絡拓撲圖

系統支持實時監(jiān)視接入系統的各設備的通信狀態(tài)，能夠完整的顯示整個系統網絡結構；可在線診斷設備通信狀態(tài)，發(fā)生網絡異常時能自動在界面上顯示故障設備或元件及其故障部位。

圖24微電網系統拓撲界面

本界面主要展示微電網系統拓撲，包括系統的組成內容、電網連接方式、斷路器、表計等信息。

6.1.16通信管理

可以對整個微電網系統范圍內的設備通信情況進行管理、控制、數據的實時監(jiān)測。系統維護人員可以通過管理系統的主程序右鍵打開通信管理程序，然后選擇通信控制啟動所有端口或某個端口，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(guī)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）?？梢远x不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限，為系統運行、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

應可以在系統發(fā)生故障時，自動準確地記錄故障前、后過程的各相關電氣量的變化情況，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、提高電力系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(fā)6段錄波，每次錄波可記錄故障前8個周波、故障后4個周波波形，總錄波時間共計46s。每個采樣點錄波至少包含12個模擬量、10個開關量波形。

圖27故障錄波

6.1.19事故追憶

可以自動記錄事故時刻前后一段時間的所有實時掃描數據，包括開關位置、保護動作狀態(tài)、遙測量等，形成事故分析的數據基礎。

用戶可自定義事故追憶的啟動事件，當每個事件發(fā)生時，存儲事故*10個掃描周期及事故后10個掃描周期的有關點數據。啟動事件和監(jiān)視的數據點可由用戶隨意修改。

6.2硬件及其配套產品

7結束語

鐵路車站分布式光伏發(fā)電設施的建設和維護成本相對較低，可以作為車站備用能源或補充能源，提高供電可靠性。鐵路車站建筑、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，推導并提出一種光伏組件裝機容量計算方法，并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。

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