绿色直流车辆段技术应用与展望_张改景.pdf

绿 色 建 筑 Green Building绿色建筑2023年 第2期028绿色直流车辆段技术应用与展望绿色直流车辆段技术应用与展望张改景1，黄继成2，杨将铎1（1.上海市建筑科学研究院有限公司，上海 201108;2.上海轨道交通十四号线发展有限公司，上海 200235）摘要：轨道交通车辆段具有利用光伏发电的先天优势，基于光储直柔技术和轨道交通车辆段能源需求的剖析，构建适应多场景的车辆段直流技术方案，包括多源直流微网结构、大功率能量路由器整体配电结构、多支路低功率能量路由器配电结构场景，并针对典型车辆段进行直流方案匹配与技术示范研究，以期为绿色直流车辆段的建设探索提供参考。关键词：轨道交通车辆段；光储直柔；直流配电；碳中和中图分类号：TU18 U223.5+1 文献标志码：A 文章编号：1674-814X（2023）02-028-05国务院发布加快建立健全绿色低碳循环发展经济体系，明确指出至 2025 年基础设施绿色化水平不断提高，城市轨道交通作为基础设施的重要组成部分，其绿色低碳化建设具有重要意义。车辆基地是轨道交通系统的车辆停修和后勤保障基地，屋顶资源丰富，具有利用光伏发电的先天优势。如何在轨道交通车辆段高效应用分布式光伏直流供电技术具有重要意义。1 分布式光伏直流技术发展现状1.1 分布式光伏直流技术相关政策及实践政策标准方面，国务院关于印发 2030 年前碳达峰行动方案的通知提出，“提高建筑终端电气化水平，建设集光伏发电、储能、直流配电、柔性用电于一体的光储直柔建筑”1。在标准完善方面，先后发布了 GB/T 357272017中低压直流配电电压导则2、T/CECS 7052020直流照明技术规程3、T/CABEE 0302022民用建筑直流配电设计标准4及一系列用于配电系统过流保护的直流断路器国家标准5-6。工程示范方面，山西省运城市芮城县东夭村利用自然和社会条件优势，建立能源互通的纯直流微网，在区域光伏消纳、余电稳定上网、网内电力结算等问题上为农村减碳和电气化改革做了颇有意义的探索7；深圳市建筑科学研究院股份有限公司在自持净零能耗办公建筑中应用低压直流配电技术，对母线侧和用户侧柔性响应做出积极探索8；国网江苏省电力有限公司在江苏省苏州市吴江投运中低压直流供用电系统示范工程，实现大范围直流配电和高比例新能源接入9。我国直流技术历经多年孵化，从概念到示范，逐步走向市场应用。1.2 车辆段分布式光伏发展需求轨道交通车辆段是轨道交通系统的车辆停修和后勤保障基地，通常包括车辆段、综合维修中心、物资总库、培训中心等部分。作为一种具有特定功能的园区，其电能消耗巨大，具有较高的节能潜力。同时，轨道交通车辆段场地范围大，阳光资源丰富，是典型的消费者单元，是光储直柔技术应用的典型场景之一10。轨道交通本身存在特殊的分布式能源场景。例如，内蒙古自治区呼和浩特市地铁 1 号线牵引制动采用逆变型可再生能量制动回馈系统11；刘玉文等12提出下一代地铁列车可采用全碳化硅（SiC）变流装置、钛酸锂电池及氢能源辅助供电；高仕斌等13认为，降低轨道用能全寿命期的交通碳排放量，最有效的途径是可再生能源的就地消纳，有必要构建“网-源-储-车”协同供能技术体系。在末端负载方面，车辆段低压供配电系统主要包括车辆段内各建筑物的动力照明及其控制、车辆段的道路照明、电力电缆及管网设计；也包括车辆段内混合变电所、降压变电所、接触网等14。同时，轨道交通车辆段具有负载功率波动大、类型单一且价值较高等特点。车辆段的直流牵引及动力负荷几乎是系统中绝大多数的用电负荷，因此末端负载本身Green Building 绿 色 建 筑 绿色建筑2023年 第2期029采用直流或直流变频的比例非常高，便于进行直流化改造。上海市某车辆段主要负载清单如表 1 所示。表 1 某车辆段主要负载清单 单位：kW类别功率运用库检修库其他牵引700600480通信170170排烟及排风风机2 250120290雨水泵及水处理630检修及作业151 68015空调16照明4622其他182 260（综合楼）36合计3 7874 6821 0132 直流车辆段技术及应用2.1 直流车辆段关键技术目前，应用于轨道交通车辆段领域的直流技术主要有分布式能源技术、供配电技术及保护技术和直流末端技术 3 种，各技术均具备较高的安全性并能够适用于不同的应用领域。2.1.1 分布式能源技术光储直柔技术可有效提升太阳能系统效能，对于轨道交通车辆段而言，“光储直柔”的概念可以直接拓展到分布式能源直流柔性配电，因为常规建筑难以承载的风能、热电联产、生物质发电等都可以在地广人稀的车辆段实现。储能技术的应用也不再局限于对能量密度要求较高的锂电储能或安全性要求较高的铅炭电池，可以选用蓄冷、蓄热、抽水蓄能、氢燃料电池等多种储能形式。2.1.2 供配电技术及保护技术在轨道交通车辆段平方公里级别直流供配电场景中，可根据需求采用 23 个电压等级，采用经阻抗接地（IT）体系，直流设备接地，不同接地系统间进行电气隔离，并采用过流保护和电压保护措施。在各衔接处，采用双向（交）直流变换器，进行电压补偿和瞬流保护等。2.1.3 直流末端技术在工业场景，末端设备较方便进行直流改造，牵引和通信本身采用直流供电系统，动力负荷多数采用直流变频方式。需要对多电压等级的末端设备进行改造，使其工作电压固定在 23 个直流电压等级内，并保证弱电的兼容性。2.2 直流车辆段应用场景构建直流车辆段常用的场景结构主要有 3 种：（1）多源直流微网结构；（2）大功率能量路由器整体配电结构；（3）多支路低功率能量路由器配电结构。2.2.1 场景 1多源直流微网结构，场景示意如图 1 所示。多源直流微网结构应采用 1 500 V 以上的直流（DC）母线电压，并在末端降压，以便于大范围微网布置和大功率负载接入。图 1 车辆段多源直流微网结构示意2.2.2 场景 2大功率能量路由器整体配电结构场景示意如图 2 所示。大功率能量路由器整体配电结构的研发关键在于其通过厂家定制，接入特定的光伏、市电、储能，输送线路分支、电压和功率也为定制。可以形成直流双向充电桩，但此场景输电线路不宜过长。VFDDCDC绿 色 建 筑 Green Building绿色建筑2023年 第2期030图 2 大功率能量路由器整体配电结构示意2.2.3 场景 3多支路低功率能量路由器配电结构场景示意如图 3 所示。多支路低功率能量路由器配电结构的研发重点是，低功率能量路由器有标准化产品，配电量 26 kW，内置 0.51.5 kWh 电池。光伏依靠最大功率点跟踪（MPPT)输出较高电压电能，市电依靠变换器输出较高电压电能。负载以照明和部分插座为主，母线电压可设定为 DC 375 V，经过能量路由器后电压变为 48 V。2.2.4 场景优劣横向对比分析3 种场景的技术参数及经济性能进行横向对比如表 2 所示。图 3 多支路低功率能量路由器配电结构示意DCDCVFDMPPT/26 kW26 kW26 kWGreen Building 绿 色 建 筑 绿色建筑2023年 第2期031表 2 方案对比分析项目场景 1（多源直流微网）场景 2（大功率能量路由器整体配电）场景 3（多支路低功率能量路由器配电）配电规模不限30300 kW每支路 26 kW输电距离不限500 m500 m负载各类负载不能接入大功率负载（牵引）只能接入小功率负载储能外置大容量外置适当容量内置小容量（1 kWh 电以内）接入光伏可可可充电桩双向变流控制双向变流控制无实现目标光伏本地最大化消纳、削峰填谷、增加效益光伏本地最大化消纳、削峰填谷光伏本地最大化消纳硬件造价20 元/W20 元/W（定制）10 元/W软件造价高较高低劣势标准缺失，不易出图和施工，控制复杂，尚属于前沿研究热点单价较高，定制产品不易维护，有一定限制容量和负载类型有较大限制优势距离、容量、负载类型无限制可满足常用需求单价较低，施工和改造难度低，较好应用于单一负载结构2.3 典型案例分析笔者以上海市某轨道交通车辆段为例，基于车辆段现有用能情况，分析直流供电系统应用可能性，并进行直流技术应用场景匹配，完成直流车辆段技术示范。2.3.1 某车辆段项目概况本轨道交通车辆段占地面积 28 493.00 m2，建筑面积 102 319.72 m2，容积率为 0.31，绿化率为 33%，包括运用库、洗车库、镟轮库、工程车库、试车线（1 630 m）及综合维修中心和物资仓库、主变电所等设施，是 14 号线和规划 17 号线共址车辆段。2.3.2 数据分析本车辆段 2022 年 17月光伏发电和（非牵引）用电数据如图 4 所示。由图 4 可知，光伏发电量远高于车辆段常规用电量，且不同月份发用电量波动较大，若受限于暂时的技术条件，不能在直流系统内纳入牵引电力，则无法在系统内有效匹配光伏电力和负载。因此，光储直柔系统仅适合在部分区域进行示范。图 4 典型车辆段 2022 年 17 月光伏发电和（非牵引）用电数据2.2.3 直流示范项目系统设计根据车辆段现有条件和示范需求，推荐使用上文中的第 3 类场景，即多支路低功率能量路由器配电结构。直流母线选用 375 V，采用 IT 方式接地。设计负荷容量 30 kW，负荷类型为低压直流接入的照明。在办公楼每层照明（6 kW4 层24 kW）以及应急照明（3 kW）处电路设置低功率能量路由器，接入 20 kW 光伏并接入市电，实现光伏最大消纳。主要软硬件组成如下：（1）利用现有光伏中容量 20 kW 的光伏发电系统：本系统光伏变换器采用具有精确限压限流及最大功率跟踪点跟踪的控制方法，通过一级直流/直流(DC/DC)变换实现 MPPT 条件下输出的精确限压及限流。（2）配置单向 20 kW AC/DC 变换器：使微网系统能够从市电网取电，且具有电压补偿和短路保护的功能。（3）直流 LED 照明灯具。（4）低功率能量路由器：能量路由器内集成监测传感器、直流变换器和小型储能，需要达到直流配电保护要求的快速、可靠、灵活、准确动作要求，实现电流保护、电压保月份绿 色 建 筑 Green Building绿色建筑2023年 第2期032护、接地漏电流保护、过负荷保护、逆功率保护以及开入量联锁保护等功能。在管理系统的配合下，形成主被动保护的功能。（5）包含通信与数据采集在内的设备和微电网集中管理系统。2.3.3 场景拓展轨道交通是一个巨大的系统，包括车辆段、地铁站、轨道等一系列地面资源，具有充足的光伏潜力。通过增加轨道交通系统的光伏板覆盖面积，可以增加光伏发电量，从而服务更多的直流末端。因此，光储直柔系统在车辆段具有良好的应用潜力，是轨道交通低碳发展的重要措施之一。3 结 语当前，光储直柔系统建设处于兴起阶段，开展车辆段分布式能源体系与直流微电网整合设计，丰富轨道交通低碳化发展应用场景。充分利用直流系统易接入、高电能质量、对电网影响小的特性，能够提高轨道交通车辆段的光伏利用水平，从而增强车辆段光伏本地消纳和降低车辆段峰值功率，促进低碳发展，促进多分布式能源电力体系上下游的友好共生。参考文献：1 中华人民共和国国务院.关于印发 2030 年前碳达峰行动方案的通知(国发202123 号)EB/OL(2021-10-24)2022-03-25.http:/ 国家质量监督检验检疫总局,中国国家标准化管理委员会.GB/T 357272017,中低压直流配电电压导则S.北京:中国标准出版社,2017.3 中国建筑节能协会.T/CABEE 0302022,民用建筑直流配电设计标准S.北京:中国建筑工业出版社,2022.4 中国工程建设标准化协会.T/CECS 7052020,直流照明系统技术规程S.北京:中国计划出版社,2020.5 国家市场监督管理总局,国家标准化管理委员会.GB/T 14048.22020,低压开关设备和控制设备 第 2 部分:断路器S.北京:中国标准出版社,2020.6 国家市场监督管理总局,国家标准化管理委员会.GB/T 10963.22020,电气附件家用及类似场所用过电流保护断路器 第2部分:用于交流和直流的断路器S.北京:中国标准出版社,2020.7 陈文波,郝斌.碳中和背景下农村光储直柔系统建设分析:以山西省芮城县东夭村为例J.建设科技,2021(7):86-89.8 李雨桐,郝斌,赵宇明,等.低压直流配用电技术在净零能耗建筑中的应用探索J.广东电力,2020,33(12):49-55.9 魏星琦,张宸宇,刘瑞煌,等.苏州中低压直流配用电系统关键技术及示范J.供用电,2022,39(8):47-57.10 吴宗臻,王小锁,张凌云,等.轨道交通光储直柔技术应用及展望J.现代城市轨道交通,2022(8):4.11 赵青海.地铁车辆段屋顶分布式光伏发电方案设计J.天津建设科技,2017,27(4):95-96.12 刘玉文,丁叁叁,尤维秀.下一代地铁列车创新设计J.铁道车辆,2021,59(1):35-37,81.13 高仕斌,罗嘉明,陈维荣,等.轨道交通“网-源-储-车”协同供能技术体系J/OL.西南交通大学学报,2022-12-01:1-18.2022-12-03.http:/ 靳忠福.上海轨道交通 6 号线港城路车辆段低压供配电系统设计J.现代城市轨道交通,2010(2):3.收稿日期：2022-12-05作者简介：张改景，正高级工程师，研究方向为区域能源规划及绿色建筑，现供职于上海市建筑科学研究院有限公司。通信地址：上海市闵行区申富路 519 号 10 号楼 5 楼。