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摘要：光儲直柔技術是面向碳中和目標實現能源革新的一種新的集成技術。文章首先對光伏發電、儲能技術、直流配電、柔性用電4項技術的最新進展情況進行簡要介紹，通過調研光儲直柔技術在軌道交通領域的應用現狀，對其未來發展趨勢進行展望，以期為光儲直柔技術的進一步深入研究、探索提供參考。

關鍵詞：軌道交通；光儲直柔技術；應用展望；碳中和

1引言

2020年9月，我國提出2030年“碳達峰”與2060年“碳中和”的戰略目標。為努力實現這一目標，各行業都必須加快能源轉型，從以化石能源為基礎的碳基能源系統向以可再生能源為基礎的零碳能源系統轉變。目前可供開發的綠色替代能源主要包括水能、風能、太陽能、生物能、地熱能、海洋能、氫能等，其中，太陽能逐漸成為當前可開發利用的重點替代能源之一。光伏發電具有無污染、可再生、安裝地點機動靈活、可存儲等諸多優點，其中分布式光伏發電發展迅猛。2021年，我國新增光伏發電裝機容量達到54.88GW，同比上升13.9%。累計光伏發電并網裝機容量達到308GW，新增和累計裝機規模均居世界首位。軌道交通是重要的能源需求用戶，各類站房屋頂和軌道交通沿線也具有安裝分布式光伏發電設備所需的面積資源，因此，應充分發揮軌道交通光伏發電在未來能源系統中的重要作用，構建基于光儲直柔技術的軌道交通新型能源體系。針對不同的軌道交通類型，需要探索如何構建相應的光儲直柔技術解決方案。基于上述現狀，本文對光儲直柔技術進行梳理，介紹光伏發電、儲能技術、直流配電、柔性用電4項技術的最新進展情況，同時盤點各項技術在軌道交通領域的應用現狀，并對光儲直柔技術應用于軌道交通的發展趨勢進行展望。

2光儲直柔技術及發展

光儲直柔技術指集光伏發電、儲能技術、直流配電、柔性用電于一體的新型系統性能源技術。

2.1光伏發電技術

光伏發電技術是利用半導體材料的光伏效應將太陽能直接轉化為電能的固態發電技術，是太陽能利用的重要形式。作為可再生能源的一個重要發展方向，光伏發電技術近年來取得了持續快速發展。太陽能電池組件是光伏發電系統中的核心部分，不同的電池材料特性如表1所示。光伏發電技術在通信、建筑、交通、電信等諸多行業中得到廣泛應用。光伏發電可分為以下3種類型。（1）離網型光伏發電。其產生的電能僅供給本地負載，包括交流負載和直流負載，不與公共電網連接。配有蓄電池等儲電裝置，在無光照時，由蓄電池通過逆變器給負載供電，實現重復循環充放電。（2）并網型光伏發電。分為帶蓄電池和不帶蓄電池，其產生的電能通過并網逆變器轉換成交流電后直接接入公共電網。（3）分布式光伏發電。在用戶場地附近建設，倡導就近發電、就近并網、就近轉換、就近使用的原則。目前應用最為廣泛的是建在城市建筑物屋頂的光伏發電項目。光伏發電技術不斷發展和成熟，其能量轉化效率日益提高，建設成本日益下降，在不久的將來有望解決能源緊缺的問題，甚至可以取代化石燃料，在環境保護與節能減排中起到積極作用。

2.2儲能技術

儲能技術可有效降低新能源發電的不穩定性，緩解電力系統供需矛盾，確保智能高效電網安全可靠運行。儲能技術種類繁多，根據不同能量形式及技術原理，主要分為機械儲能、電化學儲能和電磁儲能三大類，其技術特性如表2所示。總體上，機械儲能較易于大規模推廣，但效率較低；電化學儲能效率較高，但大規模應用仍需解決其使用壽命短等問題；電磁儲能效率高，但成本較高，目前占比較低。據統計，2021年我國已投運的儲能項目累計裝機容量為45.75GW，同比增長29%。新增投運容量為軌道交通光儲直柔技術應用及展望10.14GW，其中，抽水儲能規模最大，達到8.05GW；鋰離子電池儲能排名第二，投運規模達到1.84GW；壓縮空氣儲能新增投運規模大幅提升，達到170MW，是其2020年底前累計規模的15倍；液流電池裝機容量新增23MW。不同類型的儲能技術原理不同，不同應用場景對儲能技術的需求各異。超級電容器儲能適合于需要提供短時較大脈沖功率的場合，而抽水儲能、壓縮空氣儲能和電化學儲能適合于系統調峰、大型應急電源、可再生能源并入等大規模、大容量的應用場合。此外，不同應用場景應根據其具體指標要求、儲能特性和應用目的來進行儲能容量的配置。

2.3直流配電技術

直流系統由于其形式簡單、易于控制、傳輸效率高等特點，在航空、通信、船舶等領域廣泛應用。但過去技術上的限制，使得直流變壓困難、傳輸距離有限，所以目前低壓配電系統多采用交流形式。隨著直流技術、直流斷路器、電力電氣器件的不斷改進和完善，直流系統得到進一步發展，不僅克服了以往不足，而且還能很好地解決某些交流系統中存在的問題。在當前發電端和用電端悄然變化的背景下，交流系統與直流系統的應用特點如圖1所示。（1）發電端。太陽能等新型分布式直流電需要經過交流電網逆變才能并網，而風電和水力發電等交流電由于功率與電網不匹配，需要先進行整流、逆變后并網。表1太陽能電池材料特性表電池種類半導體材料優點缺點大量的逆變環節會增加電力系統的建設費用，并降低電力系統的轉化效率。（2）用電端。由于電力電子技術的迅速發展，使得配電系統中出現大量的直流負荷，例如手機充電器、微波爐、變頻空調、電腦、浴霸等，在交流配電系統中，這些直流負荷需要通過逆變器轉換為直流電才能正常連接工作。逆變器的高頻率切換易使交流電網產生大量諧波，導致電能質量下降，從而對電網的運行穩定性產生不利影響。綜上，相較于交流系統，直流系統具有如下優點：①線路損耗低，傳輸效率高，節省線路走廊；②更易實現系統擴容和故障隔離；③易于實現系統功率分配；④有助于可再生能源和儲能設備靈活、方便地接入；⑤與儲能技術相結合可改善供電可靠性和電能質量。

2.4柔性用電技術

柔性用電技術是指能夠主動改變從市政電網取電功率的能力，使用電端由剛性負載轉變為柔性負載。一方面，電器設備根據直流母線電壓的波動動態調整輸出功率，即在電器設備感知到外界電力供應處于峰值時，在滿足舒適條件的前提下，設備自動降低功率運行；另一方面，通過光伏、儲能、負荷的動態匹配，實現與電網的友好“說話”。發展柔性用電技術對解決當下電力負荷峰值突出以及未來與高比例可再生能源發電形態相匹配等問題具有重要意義。柔性用電技術是光儲直柔技術的最終目的，使用電需求由剛性負荷向柔性負荷過渡，而光伏發電技術、儲能技術、直流配電技術是實現柔性用電技術的必要條件。目前，光儲直柔技術主要應用于建筑領域，在建筑屋頂、外墻發展分布式能源和儲能系統。《國務院關于印發2030年前碳達峰行動方案的通知》明確指出，提高建筑終端電氣化水平，建設集光伏發電、儲能、直流配電、柔性用電為一體的光儲直柔建筑。將光儲直柔技術引入建筑，不僅可以提高建筑自身節能水平、改善建筑用電體驗，而且對于緩解城市電網增容壓力、提高供電可靠性具有重要意義。國內已開展的光儲直柔示范建筑包括深圳建科院未來大廈R3模塊、青島奧帆中心、清華大學建筑節能樓等。

3軌道交通光儲直柔技術應用

在能源結構轉型的大背景下，建立以新能源為主體的新型電力體系對經濟社會的發展具有重要意義。軌道交通是我國用電大戶之一，大多數電能被用于軌道交通車輛牽引供電。為實現雙碳目標，軌道交通行業節能減排勢在必行。軌道交通建設與光儲直柔技術的有機結合，既符合國家節能降耗政策，達到節能減排效果，也滿足降低運營成本的需求。目前光儲直柔技術在軌道交通的應用如下。（1）在軌道交通車輛段、車站、軌道沿線等空閑地段建設分布式太陽能光伏發電系統。隨著光伏建筑一體化系統（BIPV）的發展，越來越多的軌道交通車站開始鋪設大規模光伏發電設施。用電范圍從最開始的照明等生活用電逐漸轉向鐵路沿線通信信號設備供電。（2）在供電系統中配置儲能裝置，儲存剩余的光伏能量或在光伏發電不足時補給，一定程度上起到削峰填谷的作用，并能對牽引系統再生制動能量進行回收利用。根據儲能介質和電能釋放方式的不同，儲能裝置分為飛輪儲能、電化學儲能、超導儲能和超級電容儲能等。其中，電化學儲能中的鋰電池能量密度高，近年來發展迅速，在軌道交通系統中既可回收再生制動能量、穩定電壓，同時鋰電池充放電效率、工作溫度及循環壽命等性能均能滿足接入軌道交通直流供電系統的需求。（3）將光伏發電的直流電供給軌道交通供電系統，列車通過受流器與接觸網直接接觸獲得電能。光伏發電系統接入軌道交通供電系統具有交流并網和直流并網2種方式，其中交流并網方式控制策略簡單而成熟，直流并網方式采用控制策略來補償牽引網電壓，減少接觸網損耗，從而達到改善軌道交通牽引供電質量和節能的目的。（4）運用柔性用電管理系統實現軌道交通用電的自我調節和自主優化，為緩解電力供需矛盾提供有效解決途徑。隨著電力電子變流技術的發展和軌道交通牽引供電系統潮流控制要求的不斷提高，直流牽引供電系統的潮流控制能力及系統供電安全得到有效提升。光伏發電通過牽引供電系統轉換升壓后可直接接入直流牽引電源接觸網，消除了無功、負序等電能質量問題，提高了電能質量。當線路上列車需要牽引功率時，優先利用光伏發電并入功率，以降低雙向變流機組從交流電網吸收的功率；如光伏發電功率無法充分使用，則可將多余的功率回饋給交流側。

4結語及展望

碳中和的目的是促進整個能源結構的低碳化，在未來的發展趨勢下，軌道交通將不再是單純的用電負荷，而是具有發電、儲能、調節、用電等多種功能。光儲直柔技術是推進軌道交通實現上述各項功能的一條重要技術路徑，但目前我國在軌道交通領域應用光儲直柔技術尚處于起步階段，在基礎性研究、技術研究、標準化體系建設和實際工程示范應用中還有許多問題需要解決。（1）在基礎性研究上，需要對軌道交通能源特性與光伏發電、儲能和外部電網供電的關系進行深入分析，并對其柔性特性進行定量描述。（2）在技術研究上，隨著人工智能、機器學習等技術的迅速發展，發電端、用電端的負荷預測技術也得到迅速發展，為準確的電力系統負荷預測技術的發展奠定了基礎，有助于提高電力用戶對能源的靈活利用和對系統的響應。（3）在標準體系上，光儲直柔概念從無到有、再到進一步發展和普及，都離不開標準的支持。當前只有建筑領域的有關標準，對軌道交通領域光儲直柔技術標準的需求還有待進一步梳理，形成一套覆蓋關鍵技術的完整標準體系，為相關項目的規劃、設計、建設、運行、評估提供有利支撐。（4）在實際工程和應用上，現有的實際應用案例大多是單一功能或單個場景，因此，在軌道交通系統中如何合理地構建光儲直柔系統、建立合理的方案，還有待于進一步的研究。

作者:吳宗臻 王小鎖 張凌云 吉祥雨 單位:中國鐵道科學研究院集團有限公司城市軌道交通中心