分布式光伏发电技术在某铁路车站的应用
摘要：光伏发电技术也被称为太阳能发电技术，是一种利用太阳辐射转化为电能的技术。随着人们对可再生能源需求的增加，光伏发电技术得到了广泛应用和发展。文章以某铁路车站分布式光伏系统设计为例，依托CandelaRoof仿真软件，从太阳能资源分析、用电负荷预测、自发自用比例等多个方面对设计中的关键环节进行分析，提出了一种分布式光伏发电系统装机容量的估算方法，并通过仿真验证了方法的可行性，为工程设计提供参考。关键词：铁路供电；分布式光伏系统；用电负荷预测0引言随着全球能源紧缺问题的进一步加剧，可再生能源的发展和利用越来越受到关注。可再生能源是指不会枯竭的能源，包括太阳能、风能、水能、地热能等。这些能源的利用可以减少对化石燃料的依赖，降低环境污染，提高能源安全性。因此，研究和开发可再生能源对于促进全球可持续发展具有重要意义。光伏发电技术基本原理是利用半导体材料的光电效应，将太阳光能转化为电能。光伏发电系统由太阳能电池板、蓄电池、控制器和逆变器等组成，其中太阳能电池板是其核心部件。近年来，光伏发电技术在技术研发、市场规模、成本效益等方面都取得了显著进展。光伏发电技术的研发不断推进，太阳能电池板的效率不断提高。例如，PERC、N-TypeTOPCON、HJT等新型电池技术不断涌现，使太阳能电池板的转换效率不断提高，一些*家和地区成为主流的能源供应方式，加之我国提出“碳中和、碳达峰"目标，国内各地为推广绿色能源均有不同程度的优惠政策和补贴，进一步促进了国内光伏发电系统的发展。从目前的发展趋势来看，光伏发电仍会是未来数十年内的热门话题。在实际的工程设计中，已建成的铁路车站有较好的增设光伏系统的条件，相较于普通建筑，应用于铁路车站的光伏发电系统具有以下特点：（1）建筑面积充足。车站拥有较多的大面积建筑物，如站房、办公综合楼、轨道车库以及站台雨棚等，屋面大多较为平整，承载力良好，屋面可利用率高，可有效减少光伏发电系统占用的空间资源。（2）消纳能力高。车站具有平稳运行特性的动力负荷较多，典型负荷有通信、信号、信息设备，机房*用空调等。动力负荷用电量大且运行稳定，使光伏发电系统具有较高的消纳能力，为工程带来可观的经济效益。（3）供电系统构架。铁路供电系统，除车站设置配电所为本车站的负荷供电外，为保障重要负荷的用电可靠性，各相邻配电所间设置一回或两回高压电力贯通线，可为区间负荷供电，还可实现电源故障时的越区供电。铁路沿线区间用电负荷较多，主要有通信基站、信号中继站、电气化所、公安警务区及岗亭等。以通信基站为例，每3km有一处。由于区间负荷由相邻车站配电所之间连通的10kV电力贯通线供电，当车站设置的光伏发电系统有多余电量时，可通过10kV电力贯通线为区间负荷供电，这种供电系统构架进一步提升了光伏系统的消纳能力。文章以陕西省境内某铁路车站分布式光伏发电系统设计为例，针对以上设计中的关键问题进行分析，首先根据车站所在地的经纬度确定了系统的日照资源；然后结合车站用电情况提出了光伏阵列装机容量的估算算法并通过CandelaRoof仿真软件对光伏发电系统进行建模仿真；*后通过软件测算系统的自发自用比例验证了系统装机容量估算的准确性，以此说明文章提出的估算算法在项目前期设计阶段中的指导意义。1太阳能资源分析Meteonorm是由瑞士MeteotestAG公司开发的太阳能评估和规划交互式工具，根据该工具提供的气象数据，车站所在地平均年水平面总辐射量值为1241.7kW·h/m2，其中水平散射辐射量值为780.5kW·h/m2，月平均总辐射日辐照量*低值与*高值的比值为0.38，年水平面散射辐照量与水平面直接辐照量比值（即直射比DHRR）为0.37。根据《太阳能资源等级总辐射》（GB/T31155—2014）中相关规定，此地太阳能资源属于“C级"丰富地区，稳定度属于“B级"稳定地区，并且太阳能直射比等级为“中级"，具有较好的太阳能资源利用条件。2车站用电量分析对既有车站的用电量分析是计算光伏发电系统装机容量、消纳率及经济评价等一系列数据的依据。若要*确地分析用电量，则需要车站至少1a的日负荷曲线。一般而言，日负荷曲线难以收集，因此目前常用的计算方法是根据供电公司的电费缴纳单，对近一年的负荷用电情况进行分析。车站设容量为630kV·A箱式变电站1座，为站内负荷供电。根据*近1a的电费缴纳情况，车站在尖峰、高峰、平段及低谷时段的用电情况如表1所示。表1数据表明，车站近1a的用电总量为395000kW·h，平均日用电量为1082.19kW·h，且车站用电量*大的时间段为高峰段及平段，涵盖光伏发电系统的几乎全部发电时间段，可有效地利用光伏系统的发电量。表1车站各月份分时段用电量单位：（kW·h）/月https://img58.foodjx.com/9/20241225/638707294241350989253.png注：1月及12月尖峰时段为18：30—20：30，7月及8月的尖峰时段为19：30—21：30，高峰时段为8：00—11：30、18：30—23：00；平时段为7：00—8：00、11：30—18：30。3光伏系统装机容量估算光伏发电时间按9：00—15：00考虑，其中包含2.5h的高峰段用电及3.5h的平段用电。车站高峰段年用电量为142242.4kW·h，平段年用电量为133438.0kW·h，对用电量及时长进行加权平均，则光伏发电时间段内（共计6h）车站用电量为102829.88kW·h。https://img58.foodjx.com/9/20241225/638707294243381539719.png式中：WT为光伏日发电总量，kW·h；W高峰为光伏高峰时段发电总量，kW·h；W平段为光伏平时段发电总量，kW·h。由式（1）可得光伏发电时间段内平均日用电量合计281.7kW·h，查询气象数据，当地平均峰值日照小时数为3.4h，则装机容量估算为82.9kWp。https://img58.foodjx.com/9/20241225/638707294244319215668.png式中：P装机为光伏系统装机容量，kWp；T为峰值日照时间，h。4基于CandelaRoof软件的光伏发电系统建模根据车站建筑情况及光伏系统装机容量估算，光伏组件选用LR5-72HPH-550M，采用竖向2块布置方式，系统模型主要基本参数如表2所示。表2系统模型主要基本参数https://img58.foodjx.com/9/20241225/638707294245725387385.png式（2）计算的装机容量为估算值，由于平均日照小时数每月数值均不一样，且车站用电负荷有季节特性，因此需要建立每个月负荷用电量与光伏系统发电量之间的联系，才能*确计算系统的电量自用比例。为验证式（2）提出的估算方法的有效性，利用软件中自发自用测算模块对上述模型进行进一步分析和优化。将表1中车站的全年用电数据导入CandelaRoof软件中，根据光伏系统发电量及月负荷用电量，自发自用比例仿真计算结果如表3所示。
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