吳宗臻，王小鎖，張凌云，吉祥雨

（中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司城市軌道交通中心，北京 100081）

1 引言

2020年9 月，我國提出2030年“碳達(dá)峰”與2060年“碳中和”的戰(zhàn)略目標(biāo)。為努力實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，各行業(yè)都必須加快能源轉(zhuǎn)型，從以化石能源為基礎(chǔ)的碳基能源系統(tǒng)向以可再生能源為基礎(chǔ)的零碳能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)變。目前可供開發(fā)的綠色替代能源主要包括水能、風(fēng)能、太陽能、生物能、地?zé)崮?、海洋能、氫能等，其中，太陽能逐漸成為當(dāng)前可開發(fā)利用的重點(diǎn)替代能源之一。光伏發(fā)電具有無污染、可再生、安裝地點(diǎn)機(jī)動靈活、可存儲等諸多優(yōu)點(diǎn)，其中分布式光伏發(fā)電發(fā)展迅猛。2021年，我國新增光伏發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到54.88 GW，同比上升13.9%。累計(jì)光伏發(fā)電并網(wǎng)裝機(jī)容量達(dá)到308 GW，新增和累計(jì)裝機(jī)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(yīng)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(yīng)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(jìn)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(xiàng)技術(shù)的最新進(jìn)展情況，同時(shí)盤點(diǎn)各項(xiàng)技術(shù)在軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，并對光儲直柔技術(shù)應(yīng)用于軌道交通的發(fā)展趨勢進(jìn)行展望。

2 光儲直柔技術(shù)及發(fā)展

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)。

2.1 光伏發(fā)電技術(shù)

光伏發(fā)電技術(shù)是利用半導(dǎo)體材料的光伏效應(yīng)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(gè)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。

表1 太陽能電池材料特性表

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(yīng)用。光伏發(fā)電可分為以下3種類型。

（1）離網(wǎng)型光伏發(fā)電。其產(chǎn)生的電能僅供給本地負(fù)載，包括交流負(fù)載和直流負(fù)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(shí)，由蓄電池通過逆變器給負(fù)載供電，實(shí)現(xiàn)重復(fù)循環(huán)充放電。

（2）并網(wǎng)型光伏發(fā)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)。

（3）分布式光伏發(fā)電。在用戶場地附近建設(shè)，倡導(dǎo)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(yīng)用最為廣泛的是建在城市建筑物屋頂?shù)墓夥l(fā)電項(xiàng)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(hù)與節(jié)能減排中起到積極作用。

2.2 儲能技術(shù)

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(yùn)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(jī)械儲能、電化學(xué)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(jī)械儲能較易于大規(guī)模推廣，但效率較低；電化學(xué)儲能效率較高，但大規(guī)模應(yīng)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。

表2 儲能技術(shù)類型特性比較

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2021年我國已投運(yùn)的儲能項(xiàng)目累計(jì)裝機(jī)容量為45.75 GW，同比增長29%。新增投運(yùn)容量為10.14 GW，其中，抽水儲能規(guī)模最大，達(dá)到8.05 GW；鋰離子電池儲能排名第二，投運(yùn)規(guī)模達(dá)到1.84 GW；壓縮空氣儲能新增投運(yùn)規(guī)模大幅提升，達(dá)到170 MW，是其2020年底前累計(jì)規(guī)模的15倍；液流電池裝機(jī)容量新增23 MW 。

不同類型的儲能技術(shù)原理不同，不同應(yīng)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(shí)較大脈沖功率的場合，而抽水儲能、壓縮空氣儲能和電化學(xué)儲能適合于系統(tǒng)調(diào)峰、大型應(yīng)急電源、可再生能源并入等大規(guī)模、大容量的應(yīng)用場合。此外，不同應(yīng)用場景應(yīng)根據(jù)其具體指標(biāo)要求、儲能特性和應(yīng)用目的來進(jìn)行儲能容量的配置。

2.3 直流配電技術(shù)

直流系統(tǒng)由于其形式簡單、易于控制、傳輸效率高等特點(diǎn)，在航空、通信、船舶等領(lǐng)域廣泛應(yīng)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(jìn)和完善，直流系統(tǒng)得到進(jìn)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(dāng)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(yīng)用特點(diǎn)如圖1所示。

圖1 交流系統(tǒng)與直流系統(tǒng)應(yīng)用特點(diǎn)

（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(fēng)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(jìn)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(fèi)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(fù)荷，例如手機(jī)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(fù)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(dǎo)致電能質(zhì)量下降，從而對電網(wǎng)的運(yùn)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(diǎn)：①線路損耗低，傳輸效率高，節(jié)省線路走廊；②更易實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)擴(kuò)容和故障隔離；③易于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功率分配；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。

2.4 柔性用電技術(shù)

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(fù)載轉(zhuǎn)變?yōu)槿嵝载?fù)載。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(yīng)處于峰值時(shí)，在滿足舒適條件的前提下，設(shè)備自動降低功率運(yùn)行；另一方面，通過光伏、儲能、負(fù)荷的動態(tài)匹配，實(shí)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(dāng)下電力負(fù)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(fù)荷向柔性負(fù)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(shí)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(yīng)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(wù)院關(guān)于印發(fā)2030年前碳達(dá)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(yàn)，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(xué)建筑節(jié)能樓等。

3 軌道交通光儲直柔技術(shù)應(yīng)用

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(jì)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(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)，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(jī)結(jié)合，既符合國家節(jié)能降耗政策，達(dá)到節(jié)能減排效果，也滿足降低運(yùn)營成本的需求。目前光儲直柔技術(shù)在軌道交通的應(yīng)用如下。

（1）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。

（2）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(shí)補(bǔ)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(jìn)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(xué)儲能、超導(dǎo)儲能和超級電容儲能等。其中，電化學(xué)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(shí)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。

（3）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(bǔ)償牽引網(wǎng)電壓，減少接觸網(wǎng)損耗，從而達(dá)到改善軌道交通牽引供電質(zhì)量和節(jié)能的目的。

（4）運(yùn)用柔性用電管理系統(tǒng)實(shí)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(fù)序等電能質(zhì)量問題，提高了電能質(zhì)量。當(dāng)線路上列車需要牽引功率時(shí)，優(yōu)先利用光伏發(fā)電并入功率，以降低雙向變流機(jī)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)。

4 結(jié)語及展望

碳中和的目的是促進(jìn)整個(gè)能源結(jié)構(gòu)的低碳化，在未來的發(fā)展趨勢下，軌道交通將不再是單純的用電負(fù)荷，而是具有發(fā)電、儲能、調(diào)節(jié)、用電等多種功能。光儲直柔技術(shù)是推進(jìn)軌道交通實(shí)現(xiàn)上述各項(xiàng)功能的一條重要技術(shù)路徑，但目前我國在軌道交通領(lǐng)域應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)化體系建設(shè)和實(shí)際工程示范應(yīng)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(jìn)行深入分析，并對其柔性特性進(jìn)行定量描述。

（2）在技術(shù)研究上，隨著人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)的迅速發(fā)展，發(fā)電端、用電端的負(fù)荷預(yù)測技術(shù)也得到迅速發(fā)展，為準(zhǔn)確的電力系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)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(yīng)。

（3）在標(biāo)準(zhǔn)體系上，光儲直柔概念從無到有、再到進(jìn)一步發(fā)展和普及，都離不開標(biāo)準(zhǔn)的支持。當(dāng)前只有建筑領(lǐng)域的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對軌道交通領(lǐng)域光儲直柔技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的需求還有待進(jìn)一步梳理，形成一套覆蓋關(guān)鍵技術(shù)的完整標(biāo)準(zhǔn)體系，為相關(guān)項(xiàng)目的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)行、評估提供有利支撐。

（4）在實(shí)際工程和應(yīng)用上，現(xiàn)有的實(shí)際應(yīng)用案例大多是單一功能或單個(gè)場景，因此，在軌道交通系統(tǒng)中如何合理地構(gòu)建光儲直柔系統(tǒng)、建立合理的方案，還有待于進(jìn)一步的研究。