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太阳能光伏发电在新能源城轨轨道车辆上应用现

作者:36选7    发布时间:2020-02-05 07:17    

  在国内,轨道交通中应用太阳能的主要方式是将太阳能电池板安装在高架车站(最多)、车辆段停车场(其次)、高架区间、地下站出入口集散地等,为车站提供照明和一般机电负荷供电,如上海虹桥火车站、天津西站、南京南站等已经建立了并网光伏发电系统。

  目前,国内将光伏电池用在轨道车辆上研究相对较少。中车青岛四方机车车辆股份有限公司的侯霄等人基于电力机车主变压器集中供电的普通客车及动车组客车,对太阳能电池在轨道车辆上应用的经济性进行评估,其探讨的光伏发电技术主要针对车用DC110V、DC48V、DC24V以及充电机、蓄电池组等的用电,系统供电情况如图5所示。

  车体长度按照19 m(扣除两端空调、水箱等设备)计算,太阳能电池选择无锡尚德的多晶硅电池,尺寸为156 mm×156 mm,单片电压0.5 V,功率4.4 W。光伏发电系统电压范围最终确定为100 ~135 V,总发电功率按照6 000 W计算,多晶硅光伏电池价格约为5元/W,则1辆客车光伏电池的成本投入为47 520元;按每年有效晴天数为250天计算,则1辆客车每年节约电能10 500 kWh;光伏电池寿命为25~30年,则每辆客车在30年的设计周期内可节约用电315 000 kWh;考虑光伏电池寿命终结时还可再回收利用,由此算出每辆客车因增设光伏发电系统而增加的成本约8万元,而其使用期可节约的电费将近20万元。

  中车唐山机车车辆有限公司(以下简称“中车唐山”)开展太阳能光伏发电在新能源轨道车辆上应用的研究。与传统有轨电车不同,新能源有轨电池采用燃料电池作为主动力源,动力电池和超级电容作为辅助电源,起到满足车辆启动时大功率输出需求、提高车辆动力响应特性、保证燃料工况稳定、吸收制动能量等作用。该系统中动力电池、超级电容的电能也来自燃料电池,因此能源消耗只有氢气。

  在该系统中引入光伏电池有以下3个作用:①为燃料电池提供辅机功率:能够与储能模块构成光伏储能系统,为燃料电池辅机系统(空压机、散热器、循环泵、阀门、控制器等)供电,同时提供燃料电池保温系统户外供电。②为列车辅助系统提供功率:光伏储能系统为照明、门控、列控等系统供电;转换为380/220V交流为空调风机、电热玻璃等设施供电。③为车载动力储能提供自放电补偿功率:太阳能光伏阵列经直流升压模块输出750V直流,与车载储能模块相连,以解决车载储能模块因自放电导致的过放问题,从而实现车载储能的免维护存放。

  为充分利用车辆运行时光伏电池发出的电能,中车唐山开发了基于车辆和运行线路的光伏发电仿真计算软件,软件功能如图5所示。

  该软件主要作用是根据太阳能电池板的安装方式,太阳能电池厂家提供的参数和车辆线路参数,模型计算定线路条件下太阳能电池功率输出曲线,为光伏电能的充分利用提供参考,也是车辆光伏电池安装角度、安装面积优化的一种手段。目前,中车唐山搭载光伏发电系统的新能源城轨车辆正在开发中,预计2019年投入使用。

  微网是将分布式电源、电力电子装置、储能装置与负荷组成的一个整体,通过隔离开关与大电网相连,可运行在并网和孤岛2种模式下。在图6所示的新能源混合动力城轨车辆上,燃料电池和太阳能属于分布式电源,动力电池和超级电容属于储能装置,这两类装置结合在一起实际上构成了一个车载微网,且该微网始终运行在孤岛模式下。

  由于微网中使用较多的电力电子装置作为接口,使得微网内的分布式电源相对于传统大发电机惯性很小或无惯性。对新能源混合动力系统而言,超级电容和蓄电池作为储能装置维持微网的暂态稳定性。从微网的角度对新能源混东动力系统的控制策略进行研究,有助于系统配置和结构的进一步优化。微网的控制策略也是新能源混合动力微网研究的重点工作,对分布式电源来说,其接口逆变器的控制方法有恒功率控制、下垂控制、恒压恒频控制;对整个微网系统来说,一般有2种控制策略:主从控制和对等控制,如图8所示。

  主从控制的特点是以分布式电源为主单元时需要强通讯,且从控制器服从主控制器。主从控制按照是否以某一分布式电源作为主单元可分为以分布式电源作为主控制单元的主从控制和以上层中心控制器作为主控制单元的主从控制2大类。对等控制策略的特点是能让微网具有“即插即用”的功能,分为利用测量系统的频率和分布式电源输出电压幅值产生分布式电源参考有功和无功功率的f-P&V-Q下垂控制法。另一种是利用测量分布式电源输出的有功和无功功率产生其输出的电压频率和幅值的P-f&Q-V下垂控制法。这些控制方法需要结合新能源轨道车辆的特点进行选择和优化,从而充分发挥系统功能。

  从上述分析可以得出,太阳能在新型轨道车辆上应用的研究,应主要从以下2个方面开展:

  ①车载光伏电池的选型、安装和发电利用方式研究。目前,市面上光伏电池种类繁多,每种太阳能电池都有自己的特点和适用范围。在城轨车辆上,由于安装空间有限,需要综合考虑成本和发电效率,并尝试在车体侧墙和车窗玻璃(不能影响采光)上布置太阳电池板,以尽可能增大安装面积。此外,不同类型、不同发电能力太阳能电池板的发电电压不一致,可能需要匹配多个DC/DC变流器防止回流,从而对太阳能电池板的选型、安装和电能利用提出更严峻要求。

  ②车载新能源混合动力微网控制策略研究。对太阳能电池而言,其功率输出受温度和光照强度影响较大,在温度、光照强度确定的条件下,其可输出功率存在最大值。因此,最大功率跟踪是太阳能发电控制的关键技术。对于新能源混合动力微网而言,引入光伏电池后,系统参数进一步增多,控制系统需要根据光伏电池发电特点对其加以利用,同时考虑到光伏发电的不稳定性,需要制定相应的处置机制。如何在保证动力系统功率输出稳定的前提下充分发挥各个模块的作用,达到降低能耗、延长系统寿命的作用,是控制系统进一步发展的主要工作。

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