侯 霄 盧衍偉 朱麗媛 張明順

(中車四方車輛有限公司,266111,青島∥第一作者,高級工程師)

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光伏發(fā)電技術(shù)在軌道交通客車中的應(yīng)用

侯 霄 盧衍偉 朱麗媛 張明順

(中車四方車輛有限公司,266111,青島∥第一作者,高級工程師)

軌道交通客車在載客運行的過程中消耗大量的電能。采用光伏發(fā)電技術(shù)后,蓄電池組將太陽能電池發(fā)出的電能存儲,并隨時與客車充電機(jī)進(jìn)行電耦合,共同為客車供電。客車光伏電系統(tǒng)主要由光伏發(fā)電系統(tǒng)充電機(jī)、升降壓斬波器、直流負(fù)載及供電控制系統(tǒng)組成。其中,光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由光伏電池組件、發(fā)電控制器、蓄電池組及升降壓斬波器組成。詳細(xì)介紹了客車光伏供電系統(tǒng)的工作原理。

節(jié)能技術(shù); 牽引供電系統(tǒng); 光伏發(fā)電; 升降壓斬波器; 充電機(jī)

Author′s address CRRC SIFANG Co.,Ltd., 266111,Qingdao,China

軌道交通客車供電可采取單獨供電、集中式供電及混合供電等方式。無論哪種供電方式都需依靠牽引變電所或柴油發(fā)電機(jī)組供能,或消耗列車自身機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿哪芰?。本文以由電力機(jī)車主變壓器提供集中供電的普通客車及動車組客車為對象,探討光伏發(fā)電技術(shù)能否減少地面牽引變電所的容量和電力供應(yīng),并討論了減少軸驅(qū)發(fā)電機(jī)供電的普通22型、23型等客車,小型柴油發(fā)電機(jī)組供電的RW22、YW22等客車,以及發(fā)電車柴油發(fā)電機(jī)組集中供電的軌道交通客車的能源消耗[1]。

光伏產(chǎn)業(yè)是世界發(fā)展速度最快的行業(yè)之一。為實現(xiàn)能源和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展,世界各國均將太陽能光伏發(fā)電作為新能源與可再生能源發(fā)展的重點。隨著高鐵“走出去”戰(zhàn)略的實施,在我國軌道交通中發(fā)展太陽能光伏發(fā)電技術(shù)是有必要的。我國太陽能資源豐富,理論儲量達(dá)每年17 000億t標(biāo)準(zhǔn)煤,有巨大的開發(fā)潛力。光伏組件生產(chǎn)逐年增加,成本不斷降低,市場不斷擴(kuò)大。在太陽能電池技術(shù)研究開發(fā)方面,開展了單晶硅、多晶硅電池研究,以及非晶硅、銻化鎘、硒銅等薄膜電池研究,同時還開展了澆鑄多晶硅、銀/鋁漿、EVA (乙烯-醋酸乙烯酯共聚物)等材料研究,并取得了可喜成果[2]。

根據(jù)文獻(xiàn)[3]可知,我國的西藏、青海、新疆、內(nèi)蒙古南部、山西、陜西北部、河北、山東、遼寧、吉林西部、云南中部和西南部、廣東東南部、福建東南部、海南島東部和西部以及臺灣省的西南部等廣大地區(qū)的太陽輻射量很大;四川、重慶和貴州等省市因霧多,陰雨天多,太陽年輻射總量雖較小,但仍有一定的利用價值。

目前,鐵路客車存在較多的類型,如22型、25G、25K、國產(chǎn)25T、BSP客車等; 動車組客車有CRH1、CRH2、CRH3、CRH5及CRH380系列等。這些客車的電源類型有所不同。本文探討的光伏發(fā)電技術(shù)主要針對采用DC 110 V、DC 48 V、DC 24 V,以及充電機(jī)、蓄電池組等直流電源的客車。

1 光伏發(fā)電系統(tǒng)組成

光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由光伏電池組件、發(fā)電控制器、蓄電池組、保護(hù)二極管等組成(見圖1)。在客車車頂布置的光伏電池方陣,可在控制器的控制下將光生電能存儲到蓄電池組中。

圖1 光伏發(fā)電直流供電系統(tǒng)框圖

1.1 光伏電池組件

光伏電池單體是光電轉(zhuǎn)換的最小單元,其尺寸一般從2 cm×2 cm到16 cm×16 cm不等。光伏電池單體壽命為20～30 a,滿足客車整車設(shè)計壽命要求。光伏電池單體的工作電壓為0.45～0.50 V,工作電流為20～25 mA/cm2,需串并聯(lián)封裝成光伏電池組件對負(fù)載進(jìn)行供電。光伏發(fā)電系統(tǒng)選擇峰值電壓為27 V的光伏電池組件,光伏電池單體按6個×9個布置。通過將不同數(shù)量的電池組件串并聯(lián)后構(gòu)成光伏電池方陣就可產(chǎn)生負(fù)載所需的工作電壓或蓄電池組充電電壓。光伏電池具有一定的防腐、防風(fēng)、防雹、防雨等能力,能適應(yīng)不同的工作環(huán)境。

單節(jié)鐵路客車標(biāo)準(zhǔn)長度是25 m左右,除去車體兩端布置的空調(diào)和水箱等設(shè)備,車體的有效長度為19 m。光伏電池單體選擇無錫尚德太陽能電力有限公司生產(chǎn)的多晶硅電池單體,其尺寸為156 mm×156 mm。單片電池單體電壓為0.5 V,功率為4.4 W。

客車車身每側(cè)可縱向并排串聯(lián)布置的光伏電池組件數(shù)=車體長度/光伏電池組件寬度(含安裝)≈20個光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電電壓最終選擇DC 110 V,電壓范圍為100～135 V。客車車頂光伏發(fā)電功率理論值為4 752 W,兩側(cè)光伏電池方陣并聯(lián)供電。考慮太陽光入射角度的不同,總的發(fā)電功率具體數(shù)值需以試驗確定,現(xiàn)暫按6 000 W計算。

1.2 保護(hù)二極管

當(dāng)陰雨天、夜晚以及光伏發(fā)電系統(tǒng)不工作時或出現(xiàn)短路故障時,保護(hù)二極管可使蓄電池組通過太陽能電池放電。保護(hù)二極管串聯(lián)在光伏電池輸出端的升降壓斬波器與蓄電池組之間,其正向壓降小,并能承受足夠大的電流;其反向壓降大,飽和電流小。

1.3 鐵路客車蓄電池組

光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出的電能不僅通過蓄電池組儲能,還可隨時向直流負(fù)載供電。這樣可節(jié)省光伏發(fā)電系統(tǒng)的蓄電池組成本。光伏發(fā)電系統(tǒng)通過升降壓斬波器可與不同的客車類型的直流負(fù)載進(jìn)行匹配。

客車蓄電池的功能是:

(1) 在系統(tǒng)發(fā)生故障的情況下(缺少接觸網(wǎng)電壓、牽引變壓器或變流器發(fā)生故障、蓄電池充電機(jī)發(fā)生故障等),可確保向重要負(fù)載供電。

(2) 在正常情況下,是門系統(tǒng)、照明、接觸器和繼電器等的主要動力源,通過電池母線(或由電池充電器)給直流負(fù)載供電,以保證系統(tǒng)供電的可靠性。

以CRH2型動車組列車蓄電池組及負(fù)載為例,光伏發(fā)電系統(tǒng)在列車故障模式下的作用見表1[5]。

表1 CRH2型動車組列車光伏發(fā)電系統(tǒng)在列車故障模式下的作用

在列車正常載客運行過程中,光伏發(fā)電系統(tǒng)是一直工作的。以普通列車連掛15輛客車且晴天運行7 h計,則每列列車每天節(jié)省的電能為630 kWh。

正常情況下,蓄電池組充滿時,光伏發(fā)電系統(tǒng)與列車充電機(jī)通過控制器協(xié)同為直流負(fù)載供電?？刂葡到y(tǒng)優(yōu)先使用光伏發(fā)電系統(tǒng)電能,其次使用列車充電機(jī)電能,最后使用蓄電池組電能。光伏發(fā)電系統(tǒng)、蓄電池組與列車充電機(jī)通過控制器的控制實現(xiàn)了電耦合。

1.4 光伏發(fā)電控制器

光伏發(fā)電控制器是光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心部件,是實現(xiàn)電耦合的關(guān)鍵,其主要功能是實現(xiàn)電池的充電和保護(hù)。光伏發(fā)電控制器控制框圖如圖2所示。防反充二極管只有當(dāng)太陽能電池方陣輸出電壓大于蓄電池電壓時才能導(dǎo)通,反之則截止。這樣即可保證夜晚或陰雨天天氣時不會出現(xiàn)太陽能電池方陣反向放電,起到防反向充電保護(hù)作用。

開關(guān)器件T1并聯(lián)在光伏電池方陣的輸出端。

圖2 發(fā)電控制器控制原理框圖

當(dāng)列車停車或直流負(fù)載用電較少,并且蓄電池組不允許充電時,開關(guān)器件T1導(dǎo)通,太陽能方陣的輸出電能直接通過T1泄放。T1起到了蓄電池組過充電保護(hù)的作用。只有當(dāng)蓄電池組充電或列車停止運行時T2才會截止。

根據(jù)文獻(xiàn)[4],采用脈寬調(diào)制(PWM)三階段充電方式的控制器,比簡單地充滿-斷開控制器的充電效率要高出30%。PWM三階段充電法可最大限度地利用光伏電池,大大提高充電效率,還能保證蓄電池始終處于良好的工作狀態(tài)。PWM三階段充電控制器主電路的開關(guān)器件選用功率場效應(yīng)晶體管(MOSFET)。脈寬調(diào)制控制器原理如圖3所示。

圖3 PWM控制原理

2 客車光伏供電系統(tǒng)工作原理

客車光伏供電系統(tǒng)主要由光伏發(fā)電系統(tǒng)、充電機(jī)、升降壓斬波器、直流負(fù)載及供電控制系統(tǒng)構(gòu)成。充電機(jī)按客車車型標(biāo)配。供電控制系統(tǒng)根據(jù)不同的電壓等級與蓄電池組和充電機(jī)進(jìn)行匹配電耦合。

軌道交通客車直流配電多將DC 110 V、DC 48 V、DC 24 V電壓直流負(fù)載與充電機(jī)、蓄電池并聯(lián)為負(fù)載供電。光伏發(fā)電系統(tǒng)的電壓波動范圍為DC 100～135 V,需要通過升降壓斬波器來適應(yīng)不同類型客車的直流負(fù)載。直流負(fù)載不同時,供電控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)不需改變。客車光伏供電系統(tǒng)原理如圖4所示。設(shè)電路中電感L的電感值很大,電容C的電容值也很大,使電感電流iL和電容電壓(即負(fù)載電壓)Uo基本為恒值。D3為蓄電池組防反接二極管。當(dāng)蓄電池極性接反時D3導(dǎo)通,使蓄電池通過D3短路放電將熔斷器FU熔斷。該電路的基本工作原理是:當(dāng)可控開關(guān)T2處于通態(tài)時,電源經(jīng)T2向電感L供電使其儲存能量。此時電流為電源電流I1。同時,電容C維持輸出電壓基本恒定并向負(fù)載蓄電池組及客車直流負(fù)載供電。此后關(guān)斷T2,電感L中儲存的能量向負(fù)載釋放,電流為負(fù)載電流I2,電感L中電流通過二極管D1續(xù)流?？梢?負(fù)載電壓極性為上負(fù)下正,與電源極性相反[6]。

穩(wěn)態(tài)時,1個周期T內(nèi)L兩端電壓UL對時間的積分為零,即

當(dāng)T2處于通態(tài)時,光伏電池方陣電壓為UE,則UL=UE;當(dāng)T2處于斷態(tài)時,UL=-Uo。于是

UEton=Uotoff

式中:

ton——1個周期T內(nèi)的通態(tài)時長;

toff——1個周期T內(nèi)的斷態(tài)時長。

輸出電壓為

式中:

α——導(dǎo)通比,α=ton/T。

若改變α,則Uo既可以比電源電壓高,也可以比電源電壓低。當(dāng)0<α<1/2時為降壓,當(dāng)1/2<α<1時為升壓; 該部分電路實現(xiàn)了光伏發(fā)電系統(tǒng)與不同直流負(fù)載的匹配,并且具備了抗發(fā)電系統(tǒng)電壓波動的能力。

圖4 客車光伏發(fā)電供電系統(tǒng)

圖5～圖6為電源電流I1和負(fù)載電流I2的波形。當(dāng)電流脈動足夠小時,有

可得:

如果T2、D1為沒有損耗的理想開關(guān)時,則

UEI1=UoI2

圖5 電源電流波形圖

圖6 負(fù)載電流波形圖

3 結(jié)語

我國的軌道交通正在高速發(fā)展,其能源消耗量也在迅速增加。將節(jié)能技術(shù)引入客車制造和軌道交通運營是具有積極意義的舉措。多晶硅光伏電池價格約為5元/W,則1輛客車光伏電池的成本投入為47 520元; 按每年有效晴天數(shù)為250 d計算,則1輛客車每年節(jié)約電能10 500 kWh; 光伏電池壽命為25～30年,則每輛客車在30年的設(shè)計周期內(nèi)可節(jié)約用電315 000 kWh。光伏電池壽命終結(jié)時還可再回收利用。由此可算出,每輛客車因增設(shè)光伏發(fā)電系統(tǒng)而增加的成本約為8萬元,而其使用期可節(jié)省的電費卻將近20萬元。

[1] 楊志強(qiáng).客車電氣裝置[M].北京:中國鐵道出版社,2014:1-2.

[2] 何道清,何濤,丁宏林.太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)原理與應(yīng)用技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2012:11-12.

[3] 中國數(shù)字科技館.太陽能資源分布[EB/OL](2013-11-20)[2015-09-09].http:∥amuseum.cdstm.cn/AMuseum/diqiuziyuan/er2_2_1.html.

[4] 王長貴,王斯成.太陽能光伏發(fā)電實用技術(shù)[M].2版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2009:13-16.

[5] 劉志明,王星明.動車組設(shè)備[M].北京:中國鐵道出版社,2014:78-82.

[6] 王兆安,黃俊.電力電子技術(shù)[M].4版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008:100-111.

Application of Photovoltaic Power Generation in Rail Transit Vehicle

HOU Xiao, LU Yanwei, ZHU Liyuan, ZHANG Mingshun

Rail transit vehicle consumes a great deal of electric energy in operation.When photovoltaic power technology is adopted,the storage battery will absorbe the energy genenrated by solar battery and provide power for the train by coupling with the vehicle charger.The photovoltaic power generation system consists of power generation system charger,buck chopper,DC load and control system.Among which, the solar cell array,controller,storage battery,buck chopper and so on are main components,the working principle of the photovoltaic power generation system are introduced in detail.

power-saving technology; traction power supply system; photovoltaic power generation; boost buck chopper; charger

U270.38+1；TM919

10.16037/j.1007-869x.2017.06.030

2015-11-20)