張彥龍

中交隧道工程局有限公司鐵路運營分公司，北京 100102

1 工程概況

蒙內(nèi)鐵路電力供電主要依靠肯尼亞電力與照明公司提供，沿線設9座變配電所，其中6座33kV配電所只有單電源供給，內(nèi)羅畢終點站、賴茨港變配電所由兩路電源供給。由于肯尼亞電力匱乏且不穩(wěn)定，停電頻繁，蒙內(nèi)鐵路各站配備了柴油發(fā)電機組，作為外電網(wǎng)停電時各站通信信息、信號等重要負荷的備用電源，其余生產(chǎn)、生活及區(qū)間GMS-R基站將無法供電。為了徹底解決這一問題，在蒙內(nèi)鐵路沿線建設光柴儲微網(wǎng)系統(tǒng)，保證電網(wǎng)停電時微電網(wǎng)系統(tǒng)可持續(xù)為所有負荷供電。文章以蒙內(nèi)鐵路蒙巴薩終點站為例對建設微電網(wǎng)改善供電問題進行分析。

肯尼亞位于熱帶季風區(qū)，蒙內(nèi)鐵路所在區(qū)域?qū)贌釒Р菰瓪夂颍砂退_終點站地處于沿海濕熱地區(qū)。通常，肯尼亞每年3—6月為大雨季、10—12月為小雨季，其余時間段為旱季。蒙巴薩終點站地理位置為南緯4°2′、東經(jīng)39°40′，通過查閱相關(guān)氣象資料可知，所在地年均總輻照量為1994.1kW·h/m2（水平面年均峰值日照時數(shù)為1994.1h），日均峰值日照時數(shù)為5.46h。從氣象資料上可見，蒙內(nèi)鐵路乃至東非規(guī)劃的鐵路網(wǎng)所在區(qū)域太陽能資源都非常豐富，非常適合推廣和利用太陽能資源。

2 方案設計

2.1 微電網(wǎng)概述

微電網(wǎng)由風能、光能等能量形成電源，通過轉(zhuǎn)換、儲能裝置，配置監(jiān)控及保護裝置后，將電源分配到各用電負荷點，從而形成一個發(fā)電、配電系統(tǒng)。它能夠?qū)崿F(xiàn)控制、保護和管理的自治系統(tǒng)，可為外電電網(wǎng)內(nèi)的用電負荷調(diào)配，相互備用，既可以獨立運行，也可以并網(wǎng)運行。微電網(wǎng)系統(tǒng)構(gòu)成示意圖如圖1所示。微電網(wǎng)按照運行模式可分為并網(wǎng)型和獨立型，并網(wǎng)微電網(wǎng)支持并網(wǎng)運行與獨立運行兩種運行模式。在并網(wǎng)運行模式下，一般與高低壓配電網(wǎng)并網(wǎng)運行，互為補充，實現(xiàn)電能交換，當外電網(wǎng)停電時，它可以轉(zhuǎn)為獨立運行模式，繼續(xù)為微電網(wǎng)內(nèi)用電負荷供電，這樣可以提高重要負荷的供電可靠性，通過能量管理系統(tǒng)和智能化控制系統(tǒng)保證微電網(wǎng)供電的質(zhì)量。

圖1 微電網(wǎng)系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

2.2 微電網(wǎng)總體方案

案例微網(wǎng)由光伏、柴油發(fā)電機、儲能裝置等組成，光伏裝機容量為450kWp，儲能容量為515kW×0.5h，既有的柴油發(fā)電機組容量保持不變，系統(tǒng)采用先進的能量管理系統(tǒng)、智能化控制等手段，使其具備離網(wǎng)運行模式，繼而實現(xiàn)光儲發(fā)電與柴油機發(fā)電之間多種運行模式的智能切換，大幅提高了光伏電站的電能質(zhì)量和穩(wěn)定性。微電網(wǎng)系統(tǒng)配置容量如表1所示。

表1 微電網(wǎng)系統(tǒng)配置容量表

3 具體方案實施

該微網(wǎng)系統(tǒng)主要由光伏發(fā)電組件、儲能蓄電池組、柴油發(fā)電機組、蓄電池管理系統(tǒng)（BMS）、能量管理系統(tǒng)（MGC）和監(jiān)控系統(tǒng)等組成。當并網(wǎng)運行時，光伏系統(tǒng)所發(fā)電量全部被負荷消耗，蓄電池組處于備用狀態(tài)，當外電網(wǎng)停電時，蓄電池儲能系統(tǒng)將提供本站及GMS-R基站負荷的用電。

3.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)設計

該光伏發(fā)電系統(tǒng)的裝機容量配置為450kWp，其中光伏組件選用275kWp多晶硅太陽能電池組件，經(jīng)計算需1637塊，選用9臺50kWp組串式逆變器、2臺交流匯流箱，光伏陣列所發(fā)直流電經(jīng)逆變器轉(zhuǎn)變成交流電后，經(jīng)過匯流箱匯流升壓接至415V母線側(cè)。該項目太陽電池組件采用固定式支架，根據(jù)蒙巴薩終點站所在地理位置，綜合地面承載力、風載及安裝成本等綜合計算，該項目光伏組件設計采用安裝傾角5°、方位角180°（正北），總安裝容量為450kWp，可建于車站周圍空曠地面上。

3.2 儲能系統(tǒng)

（1）儲能系統(tǒng)組成。儲能系統(tǒng)選用磷酸鐵鋰電池、PCS和BMS安裝在一個標準（2991mm×2438mm×2591mm）集裝箱內(nèi)，集裝箱進行防水、防火、防紫外線及防腐處理，保證滿足使用需求，此集裝箱占地面積大約為20m2。（2）儲能系統(tǒng)配置。儲能系統(tǒng)配置儲能變流器總?cè)萘繛?60kVA，磷酸鐵鋰蓄電池陣列容量為325.6kW·h，配備一套蓄電池管理系統(tǒng)（BM）。

3.3 能量管理系統(tǒng)

能量管理系統(tǒng)是微網(wǎng)運行的控制核心，主要負責完成快速采集處理光伏系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)等通信信息的獲取，以及對分布式電源、儲能、負荷的實時管理，完成系統(tǒng)策略功能，并構(gòu)建了系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行防線[1]。

4 主設備配置

4.1 光伏組件

該項目可選用275W的多晶硅光伏組件，選用國內(nèi)定型的成熟產(chǎn)品，發(fā)電效率高，符合相關(guān)規(guī)范要求，產(chǎn)品性能穩(wěn)定可靠，符合系統(tǒng)壽命周期使用要求，光伏組件產(chǎn)品特性如下。（1）4主柵光伏電池片：兼顧考慮光伏發(fā)電單元的結(jié)構(gòu)形式、工程造價，以及電池片工作電壓和直流輸入電壓、溫度系數(shù)等因素，合理確定最佳方式。（2）高效：通過工藝高水平測試，組件轉(zhuǎn)換效率較高。（3）弱光性能：通過使用出色的玻璃及電池片的表面制絨技術(shù)，以在弱光環(huán)境下獲得優(yōu)異的性能。（4）荷載能力：整體組件通過2400Pa的風荷載及5400Pa的雪荷載認證。（5）環(huán)境的適應性：符合該地區(qū)氣候特征，通過高鹽霧和高氨腐蝕性測試。

4.2 逆變器

對于光伏電站系統(tǒng)，逆變器的選擇至關(guān)重要，它對于提高系統(tǒng)的發(fā)電效率轉(zhuǎn)換、減少運行中電能損耗、降低運營成本及投資成本回收期有著重要的意義。逆變器的作用就是把來自太陽能電池方陣的直流電轉(zhuǎn)換成交流電，并把電力輸送給與交流系統(tǒng)連接的負載設備，同時把剩余的電力儲存在蓄電池儲能系統(tǒng)中。同時，它還能及時發(fā)現(xiàn)電池組件運行中的異常和故障情況，起到保護電網(wǎng)安全的作用。該項目可選用的逆變器為50kW串式逆變器。

4.3 儲能系統(tǒng)

（1）儲能變流器（pcs）。儲能裝置是整個光伏系統(tǒng)中的重要組成部分，它是整個光伏系統(tǒng)供電調(diào)節(jié)裝置，控制儲能蓄電池充放電過程，保護蓄電池過充、過放和過流，延長電池使用壽命，并在日照不足時或夜間為用電負載供電，同時具備完善的保護功能，如孤島保護、直流過壓保護和低電壓穿越等，滿足并網(wǎng)或離網(wǎng)運行的要求[2]。

（2）蓄電池。儲能電池選用LFP磷酸鐵鋰電池，該系列電池具有超長的循環(huán)壽命和很高的運行可靠性，適用于偏遠、無電地區(qū)微電網(wǎng)環(huán)境。蓄電池管理系統(tǒng)（BMS）主要由儲能蓄電池的監(jiān)測、控制和管理等模塊組成，其功能是采集蓄電池組運行信息、充放電管理、故障診斷，采集整組電池的總電壓和電流，是集對電池組出現(xiàn)的異常進行監(jiān)測、報警和保護于一體的管理系統(tǒng)。其設計原則為集裝箱機房內(nèi)需配置火災報警、溫度、水浸、濕度傳感系統(tǒng)，隔熱、阻燃、應急照明及消防等自動控制和安全保障系統(tǒng)，達到實時監(jiān)控運行環(huán)境安全的目的。防誤報功能，一旦發(fā)生煙霧、高溫（45℃）、水浸等故障，機房會通過聲光報警和遠程通信的方式通知值班人員，同時切除正在運行的蓄電池設備[3]。

5 伏電站應用經(jīng)濟性分析

（1）光伏系統(tǒng)發(fā)電量估算。根據(jù)測算，該微電網(wǎng)25年總電量約為1654萬kW·h。（2）主要設備投資概算。該微網(wǎng)項目的初投資總額約為391萬元，包含光伏系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)、微網(wǎng)能量控制系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、消防及技術(shù)服務。（3）收益分析。按肯尼亞當?shù)匾话闵a(chǎn)電價按20左右肯先令/（kW·h）考慮，再爭取肯尼亞國家政府支持，項目前期每年可節(jié)約電費1464萬肯先令，25年總計可節(jié)約電費3.3億肯先令，約合2200萬元人民幣。（4）其他收益分析。蒙內(nèi)鐵路隨著貨運量的不斷增加，電力的需求也不斷加大，該項目實施后，可有效避免肯尼亞外電停電對貨運裝卸的影響。

6 結(jié)束語

綜上所述，蒙內(nèi)鐵路新建光伏微電網(wǎng)應用是可行、有利的，必要性充分，可為踐行中國“一帶一路”提供有力的支持。發(fā)展蒙內(nèi)鐵路物流，降低物流成本，是更好地發(fā)揮蒙內(nèi)鐵路在肯尼亞綜合交通運輸體系中骨干作用的客觀要求，是實現(xiàn)蒙內(nèi)鐵路運維項目打造中國鐵路海外新模式、樹立鐵路運營國際化品牌、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要保障。