2021年，我國新增光伏發(fā)電裝機容量達到54.88GW，同比上升13.9%。累計光伏發(fā)電并網(wǎng)裝機容量達到308GW，新增和累計裝機規(guī)模均居世界首位。
軌道交通是重要的能源需求用戶，各類車站房屋頂和軌道交通沿線也具有安裝分布式光伏發(fā)電設(shè)備所需的面積資源，因此，應充分發(fā)揮軌道交通光伏發(fā)電在未來能源系統(tǒng)中的重要作用，構(gòu)建基于光儲直柔技術(shù)的軌道交通新型能源體系。
針對不同的軌道交通類型，需要探索如何構(gòu)建相應的光儲直柔技術(shù)解決方案。
基于上述現(xiàn)狀，本文對光儲直柔技術(shù)進行梳理，介紹光伏發(fā)電、儲能技術(shù)、直流配電、柔性用電4項技術(shù)的最新進展情況，同時盤點各項技術(shù)在軌道交通領(lǐng)域的應用現(xiàn)狀，并對光儲直柔技術(shù)應用于軌道交通的發(fā)展趨勢進行展望。
光儲直柔技術(shù)指集光伏發(fā)電、儲能技術(shù)、直流配電、柔性用電于一體的新型系統(tǒng)性能源技術(shù)。
光伏發(fā)電技術(shù)是利用半導體材料的光伏效應將太陽能直接轉(zhuǎn)化為電能的固態(tài)發(fā)電技術(shù)，是太陽能利用的重要形式。作為可再生能源的一個重要發(fā)展方向，光伏發(fā)電技術(shù)近年來取得了持續(xù)快速發(fā)展。太陽能電池組件是光伏發(fā)電系統(tǒng)中的核心部分，不同的電池材料特性如表1所示。
光伏發(fā)電技術(shù)在通信、建筑、交通、電信等諸多行業(yè)中得到廣泛應用。光伏發(fā)電可分為以下3種類型。
其產(chǎn)生的電能僅供給本地負載，包括交流負載和直流負載，不與公共電網(wǎng)連接。配有蓄電池等儲電裝置，在無光照時，由蓄電池通過逆變器給負載供電，實現(xiàn)重復循環(huán)充放電。
分為帶蓄電池和不帶蓄電池，其產(chǎn)生的電能通過并網(wǎng)逆變器轉(zhuǎn)換成交流電后直接接入公共電網(wǎng)。
在用戶場地附近建設(shè)，倡導就近發(fā)電、就近并網(wǎng)、就近轉(zhuǎn)換、就近使用的原則。目前應用最為廣泛的是建在城市建筑物屋頂?shù)墓夥l(fā)電項目。
光伏發(fā)電技術(shù)不斷發(fā)展和成熟，其能量轉(zhuǎn)化效率日益提高，建設(shè)成本日益下降，在不久的將來有望解決能源緊缺的問題，甚至可以取代化石燃料，在環(huán)境保護與節(jié)能減排中起到積極作用。
儲能技術(shù)可有效降低新能源發(fā)電的不穩(wěn)定性，緩解電力系統(tǒng)供需矛盾，確保智能高效電網(wǎng)安全可靠運行。儲能技術(shù)種類繁多，根據(jù)不同能量形式及技術(shù)原理，主要分為機械儲能、電化學儲能和電磁儲能三大類，其技術(shù)特性如表2所示。
總體上，機械儲能較易于大規(guī)模推廣，但效率較低；電化學儲能效率較高，但大規(guī)模應用仍需解決其使用壽命短等問題；電磁儲能效率高，但成本較高，目前占比較低。
據(jù)統(tǒng)計，2021年我國已投運的儲能項目累計裝機容量為45.75GW，同比增長29%。新增投運容量為10.14GW，其中，抽水儲能規(guī)模最大，達到8.05GW；鋰離子電池儲能排名第二，投運規(guī)模達到1.84GW；壓縮空氣儲能新增投運規(guī)模大幅提升，達到170MW，是其2020年底前累計規(guī)模的15倍；液流電池裝機容量新增23MW。
不同類型的儲能技術(shù)原理不同，不同應用場景對儲能技術(shù)的需求各異。超級電容器儲能適合于需要提供短時較大脈沖功率的場合，而抽水儲能、壓縮空氣儲能和電化學儲能適合于系統(tǒng)調(diào)峰、大型應急電源、可再生能源并入等大規(guī)模、大容量的應用場合。此外，不同應用場景應根據(jù)其具體指標要求、儲能特性和應用目的來進行儲能容量的配置。
直流系統(tǒng)由于其形式簡單、易于控制、傳輸效率高等特點，在航空、通信、船舶等領(lǐng)域廣泛應用。但過去技術(shù)上的限制，使得直流變壓困難、傳輸距離有限，所以目前低壓配電系統(tǒng)多采用交流形式。
隨著直流技術(shù)、直流斷路器、電力電氣器件的不斷改進和完善，直流系統(tǒng)得到進一步發(fā)展，不僅克服了以往不足，而且還能很好地解決某些交流系統(tǒng)中存在的問題。在當前發(fā)電端和用電端悄然變化的背景下，交流系統(tǒng)與直流系統(tǒng)的應用特點如圖1所示。
圖1 交流系統(tǒng)與直流系統(tǒng)應用特點
（1）發(fā)電端。太陽能等新型分布式直流電需要經(jīng)過交流電網(wǎng)逆變才能并網(wǎng)，而風電和水力發(fā)電等交流電由于功率與電網(wǎng)不匹配，需要先進行整流、逆變后并網(wǎng)。大量的逆變環(huán)節(jié)會增加電力系統(tǒng)的建設(shè)費用，并降低電力系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化效率。
（2）用電端。由于電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，使得配電系統(tǒng)中出現(xiàn)大量的直流負荷，例如手機充電器、微波爐、變頻空調(diào)、電腦、浴霸等，在交流配電系統(tǒng)中，這些直流負荷需要通過逆變器轉(zhuǎn)換為直流電才能正常連接工作。逆變器的高頻率切換易使交流電網(wǎng)產(chǎn)生大量諧波，導致電能質(zhì)量下降，從而對電網(wǎng)的運行穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。
綜上，相較于交流系統(tǒng)，直流系統(tǒng)具有如下優(yōu)點：
①線路損耗低，傳輸效率高，節(jié)省線路走廊；
②更易實現(xiàn)系統(tǒng)擴容和故障隔離；
④有助于可再生能源和儲能設(shè)備靈活、方便地接入；
⑤與儲能技術(shù)相結(jié)合可改善供電可靠性和電能質(zhì)量。
柔性用電技術(shù)是指能夠主動改變從市政電網(wǎng)取電功率的能力，使用電端由剛性負載轉(zhuǎn)變?yōu)槿嵝载撦d。
一方面，電器設(shè)備根據(jù)直流母線電壓的波動動態(tài)調(diào)整輸出功率，即在電器設(shè)備感知到外界電力供應處于峰值時，在滿足舒適條件的前提下，設(shè)備自動降低功率運行；另一方面，通過光伏、儲能、負荷的動態(tài)匹配，實現(xiàn)與電網(wǎng)的友好“說話”。
發(fā)展柔性用電技術(shù)對解決當下電力負荷峰值突出以及未來與高比例可再生能源發(fā)電形態(tài)相匹配等問題具有重要意義。
柔性用電技術(shù)是光儲直柔技術(shù)的最終目的，使用電需求由剛性負荷向柔性負荷過渡，而光伏發(fā)電技術(shù)、儲能技術(shù)、直流配電技術(shù)是實現(xiàn)柔性用電技術(shù)的必要條件。目前，光儲直柔技術(shù)主要應用于建筑領(lǐng)域，在建筑屋頂、外墻發(fā)展分布式能源和儲能系統(tǒng)。
《國務院關(guān)于印發(fā)2030年前碳達峰行動方案的通知》明確指出，提高建筑終端電氣化水平，建設(shè)集光伏發(fā)電、儲能、直流配電、柔性用電為一體的光儲直柔建筑。將光儲直柔技術(shù)引入建筑，不僅可以提高建筑自身節(jié)能水平、改善建筑用電體驗，而且對于緩解城市電網(wǎng)增容壓力、提高供電可靠性具有重要意義。國內(nèi)已開展的光儲直柔示范建筑包括深圳建科院未來大廈R3模塊、青島奧帆中心、清華大學建筑節(jié)能樓等。
在能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的大背景下，建立以新能源為主體的新型電力體系對經(jīng)濟社會的發(fā)展具有重要意義。軌道交通是我國用電大戶之一，大多數(shù)電能被用于軌道交通車輛牽引供電。為實現(xiàn)雙碳目標，軌道交通行業(yè)節(jié)能減排勢在必行。軌道交通建設(shè)與光儲直柔技術(shù)的有機結(jié)合，既符合國家節(jié)能降耗政策，達到節(jié)能減排效果，也滿足降低運營成本的需求。目前光儲直柔技術(shù)在軌道交通的應用如下。
在軌道交通車輛段、車站、軌道沿線等空閑地段建設(shè)分布式太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)。
隨著光伏建筑一體化系統(tǒng)（BIPV）的發(fā)展，越來越多的軌道交通車站開始鋪設(shè)大規(guī)模光伏發(fā)電設(shè)施。用電范圍從最開始的照明等生活用電逐漸轉(zhuǎn)向鐵路沿線通信信號設(shè)備供電。
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在供電系統(tǒng)中配置儲能裝置，儲存剩余的光伏能量或在光伏發(fā)電不足時補給，一定程度上起到削峰填谷的作用，并能對牽引系統(tǒng)再生制動能量進行回收利用。
根據(jù)儲能介質(zhì)和電能釋放方式的不同，儲能裝置分為飛輪儲能、電化學儲能、超導儲能和超級電容儲能等。其中，電化學儲能中的鋰電池能量密度高，近年來發(fā)展迅速，在軌道交通系統(tǒng)中既可回收再生制動能量、穩(wěn)定電壓，同時鋰電池充放電效率、工作溫度及循環(huán)壽命等性能均能滿足接入軌道交通直流供電系統(tǒng)的需求。
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將光伏發(fā)電的直流電供給軌道交通供電系統(tǒng)，列車通過受流器與接觸網(wǎng)直接接觸獲得電能。
光伏發(fā)電系統(tǒng)接入軌道交通供電系統(tǒng)具有交流并網(wǎng)和直流并網(wǎng)2種方式，其中交流并網(wǎng)方式控制策略簡單而成熟，直流并網(wǎng)方式采用控制策略來補償牽引網(wǎng)電壓，減少接觸網(wǎng)損耗，從而達到改善軌道交通牽引供電質(zhì)量和節(jié)能的目的。
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運用柔性用電管理系統(tǒng)實現(xiàn)軌道交通用電的自我調(diào)節(jié)和自主優(yōu)化，為緩解電力供需矛盾提供有效解決途徑。
隨著電力電子變流技術(shù)的發(fā)展和軌道交通牽引供電系統(tǒng)潮流控制要求的不斷提高，直流牽引供電系統(tǒng)的潮流控制能力及系統(tǒng)供電安全得到有效提升。
光伏發(fā)電通過牽引供電系統(tǒng)轉(zhuǎn)換升壓后可直接接入直流牽引電源接觸網(wǎng)，消除了無功、負序等電能質(zhì)量問題，提高了電能質(zhì)量。
當線路上列車需要牽引功率時，優(yōu)先利用光伏發(fā)電并入功率，以降低雙向變流機組從交流電網(wǎng)吸收的功率；如光伏發(fā)電功率無法充分使用，則可將多余的功率回饋給交流側(cè)。
目前我國在軌道交通領(lǐng)域應用光儲直柔技術(shù)尚處于起步階段，在基礎(chǔ)性研究、技術(shù)研究、標準化體系建設(shè)和實際工程示范應用中還有許多問題需要解決。
（1）在基礎(chǔ)性研究上，需要對軌道交通能源特性與光伏發(fā)電、儲能和外部電網(wǎng)供電的關(guān)系進行深入分析，并對其柔性特性進行定量描述。
（2）在技術(shù)研究上，隨著人工智能、機器學習等技術(shù)的迅速發(fā)展，發(fā)電端、用電端的負荷預測技術(shù)也得到迅速發(fā)展，為準確的電力系統(tǒng)負荷預測技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，有助于提高電力用戶對能源的靈活利用和對系統(tǒng)的響應。
（3）在標準體系上，光儲直柔概念從無到有、再到進一步發(fā)展和普及，都離不開標準的支持。當前只有建筑領(lǐng)域的有關(guān)標準，對軌道交通領(lǐng)域光儲直柔技術(shù)標準的需求還有待進一步梳理，形成一套覆蓋關(guān)鍵技術(shù)的完整標準體系，為相關(guān)項目的規(guī)劃、設(shè)計、建設(shè)、運行、評估提供有利支撐。
參考資料：軌道交通光儲直柔技術(shù)的應用，中國鐵道科學研究院集團有限公司
原文始發(fā)于微信公眾號（光伏產(chǎn)業(yè)通）：光儲直柔技術(shù)在軌道交通上的應用
