摘要：光伏發(fā)電技術(shù)也被稱為太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)，是一種利用太陽(yáng)輻射轉(zhuǎn)化為電能的技術(shù)。隨著人們對(duì)可再生能源需求的增加，光伏發(fā)電技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用和發(fā)展。文章以某鐵路車站分布式光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)為例，依托CandelaRoof仿真軟件，從太陽(yáng)能資源分析、用電負(fù)荷預(yù)測(cè)、自發(fā)自用比例等多個(gè)方面對(duì)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行分析，提出了一種分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)裝機(jī)容量的估算方法，并通過(guò)仿真驗(yàn)證了方法的可行性，為工程設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：鐵路供電；分布式光伏系統(tǒng)；用電負(fù)荷預(yù)測(cè)

0引言

隨著全球能源緊缺問(wèn)題的進(jìn)一步加劇，可再生能源的發(fā)展和利用越來(lái)越受到關(guān)注?？稍偕茉词侵覆粫?huì)枯竭的能源，包括太陽(yáng)能、風(fēng)能、水能、地?zé)崮艿?。這些能源的利用可以減少對(duì)化石燃料的依賴，降低環(huán)境污染，提高能源安全性。因此，研究和開(kāi)發(fā)可再生能源對(duì)于促進(jìn)全球可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[1]。

光伏發(fā)電技術(shù)基本原理是利用半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng)，將太陽(yáng)光能轉(zhuǎn)化為電能。光伏發(fā)電系統(tǒng)由太陽(yáng)能電池板、蓄電池、控制器和逆變器等組成，其中太陽(yáng)能電池板是其核心部件。近年來(lái)，光伏發(fā)電技術(shù)在技術(shù)研發(fā)、市場(chǎng)規(guī)模、成本效益等方面都取得了顯著進(jìn)展[2]。光伏發(fā)電技術(shù)的研發(fā)不斷推進(jìn)，太陽(yáng)能電池板的效率不斷提高。例如，PERC、N-TypeTOPCON、HJT等新型電池技術(shù)不斷涌現(xiàn)，使太陽(yáng)能電池板的轉(zhuǎn)換效率不斷提高，一些*家和地區(qū)成為主流的能源供應(yīng)方式，加之我國(guó)提出“碳中和、碳達(dá)峰"目標(biāo)，國(guó)內(nèi)各地為推廣綠色能源均有不同程度的優(yōu)惠政策和補(bǔ)貼，進(jìn)一步促進(jìn)了國(guó)內(nèi)光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展。從目前的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，光伏發(fā)電仍會(huì)是未來(lái)數(shù)十年內(nèi)的熱門話題[3]。

在實(shí)際的工程設(shè)計(jì)中，已建成的鐵路車站有較好的增設(shè)光伏系統(tǒng)的條件，相較于普通建筑，應(yīng)用于鐵路車站的光伏發(fā)電系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

（1）建筑面積充足。車站擁有較多的大面積建筑物，如站房、辦公綜合樓、軌道車庫(kù)以及站臺(tái)雨棚等，屋面大多較為平整，承載力良好，屋面可利用率高，可有效減少光伏發(fā)電系統(tǒng)占用的空間資源。

（2）消納能力高。車站具有平穩(wěn)運(yùn)行特性的動(dòng)力負(fù)荷較多，典型負(fù)荷有通信、信號(hào)、信息設(shè)備，機(jī)房*用空調(diào)等。動(dòng)力負(fù)荷用電量大且運(yùn)行穩(wěn)定，使光伏發(fā)電系統(tǒng)具有較高的消納能力，為工程帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益[4]。

（3）供電系統(tǒng)構(gòu)架。鐵路供電系統(tǒng)，除車站設(shè)置配電所為本車站的負(fù)荷供電外，為保障重要負(fù)荷的用電可靠性，各相鄰配電所間設(shè)置一回或兩回高壓電力貫通線，可為區(qū)間負(fù)荷供電，還可實(shí)現(xiàn)電源故障時(shí)的越區(qū)供電[5]。鐵路沿線區(qū)間用電負(fù)荷較多，主要有通信基站、信號(hào)中繼站、電氣化所、公安警務(wù)區(qū)及崗?fù)さ取Ｒ酝ㄐ呕緸槔?，?km有一處。由于區(qū)間負(fù)荷由相鄰車站配電所之間連通的10kV電力貫通線供電，當(dāng)車站設(shè)置的光伏發(fā)電系統(tǒng)有多余電量時(shí)，可通過(guò)10kV電力貫通線為區(qū)間負(fù)荷供電，這種供電系統(tǒng)構(gòu)架進(jìn)一步提升了光伏系統(tǒng)的消納能力。

文章以陜西省境內(nèi)某鐵路車站分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)為例，針對(duì)以上設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行分析，首先根據(jù)車站所在地的經(jīng)緯度確定了系統(tǒng)的日照資源；然后結(jié)合車站用電情況提出了光伏陣列裝機(jī)容量的估算算法并通過(guò)CandelaRoof仿真軟件對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真；*后通過(guò)軟件測(cè)算系統(tǒng)的自發(fā)自用比例驗(yàn)證了系統(tǒng)裝機(jī)容量估算的準(zhǔn)確性，以此說(shuō)明文章提出的估算算法在項(xiàng)目前期設(shè)計(jì)階段中的指導(dǎo)意義。

1太陽(yáng)能資源分析

Meteonorm是由瑞士MeteotestAG公司開(kāi)發(fā)的太陽(yáng)能評(píng)估和規(guī)劃交互式工具，根據(jù)該工具提供的氣象數(shù)據(jù)，車站所在地平均年水平面總輻射量值為1241.7kW·h/m2，其中水平散射輻射量值為780.5kW·h/m2，月平均總輻射日輻照量*低值與*高值的比值為0.38，年水平面散射輻照量與水平面直接輻照量比值（即直射比DHRR）為0.37[6]。根據(jù)《太陽(yáng)能資源等級(jí)總輻射》（GB/T31155—2014）中相關(guān)規(guī)定，此地太陽(yáng)能資源屬于“C級(jí)"豐富地區(qū)，穩(wěn)定度屬于“B級(jí)"穩(wěn)定地區(qū)，并且太陽(yáng)能直射比等級(jí)為“中級(jí)"，具有較好的太陽(yáng)能資源利用條件。

2車站用電量分析

對(duì)既有車站的用電量分析是計(jì)算光伏發(fā)電系統(tǒng)裝機(jī)容量、消納率及經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)等一系列數(shù)據(jù)的依據(jù)。若要*確地分析用電量，則需要車站至少1a的日負(fù)荷曲線。一般而言，日負(fù)荷曲線難以收集，因此目前常用的計(jì)算方法是根據(jù)供電公司的電費(fèi)繳納單，對(duì)近一年的負(fù)荷用電情況進(jìn)行分析。

車站設(shè)容量為630kV·A箱式變電站1座，為站內(nèi)負(fù)荷供電。根據(jù)*近1a的電費(fèi)繳納情況，車站在尖峰、高峰、平段及低谷時(shí)段的用電情況如表1所示。

表1數(shù)據(jù)表明，車站近1a的用電總量為395000kW·h，平均日用電量為1082.19kW·h，且車站用電量*大的時(shí)間段為高峰段及平段，涵蓋光伏發(fā)電系統(tǒng)的幾乎全部發(fā)電時(shí)間段，可有效地利用光伏系統(tǒng)的發(fā)電量。

表1車站各月份分時(shí)段用電量

單位：（kW·h）/月

注：1月及12月尖峰時(shí)段為18：30—20：30，7月及8月的尖峰時(shí)段為19：30—21：30，高峰時(shí)段為8：00—11：30、18：30—23：00；平時(shí)段為7：00—8：00、11：30—18：30。

3光伏系統(tǒng)裝機(jī)容量估算

光伏發(fā)電時(shí)間按9：00—15：00考慮，其中包含2.5h的高峰段用電及3.5h的平段用電。車站高峰段年用電量為142242.4kW·h，平段年用電量為133438.0kW·h，對(duì)用電量及時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行加權(quán)平均，則光伏發(fā)電時(shí)間段內(nèi)（共計(jì)6h）車站用電量為102829.88kW·h。

式中：WT為光伏日發(fā)電總量，kW·h；W高峰為光伏高峰時(shí)段發(fā)電總量，kW·h；W平段為光伏平時(shí)段發(fā)電總量，kW·h。

由式（1）可得光伏發(fā)電時(shí)間段內(nèi)平均日用電量合計(jì)281.7kW·h，查詢氣象數(shù)據(jù)，當(dāng)?shù)仄骄逯等照招r(shí)數(shù)為3.4h，則裝機(jī)容量估算為82.9kWp。

式中：P裝機(jī)為光伏系統(tǒng)裝機(jī)容量，kWp；T為峰值日照時(shí)間，h。

4基于CandelaRoof軟件的光伏發(fā)電系統(tǒng)建模

根據(jù)車站建筑情況及光伏系統(tǒng)裝機(jī)容量估算，光伏組件選用LR5-72HPH-550M，采用豎向2塊布置方式，系統(tǒng)模型主要基本參數(shù)如表2所示。

表2系統(tǒng)模型主要基本參數(shù)

式（2）計(jì)算的裝機(jī)容量為估算值，由于平均日照小時(shí)數(shù)每月數(shù)值均不一樣，且車站用電負(fù)荷有季節(jié)特性，因此需要建立每個(gè)月負(fù)荷用電量與光伏系統(tǒng)發(fā)電量之間的聯(lián)系，才能*確計(jì)算系統(tǒng)的電量自用比例。為驗(yàn)證式（2）提出的估算方法的有效性，利用軟件中自發(fā)自用測(cè)算模塊對(duì)上述模型進(jìn)行進(jìn)一步分析和優(yōu)化。將表1中車站的全年用電數(shù)據(jù)導(dǎo)入CandelaRoof軟件中，根據(jù)光伏系統(tǒng)發(fā)電量及月負(fù)荷用電量，自發(fā)自用比例仿真計(jì)算結(jié)果如表3所示。