基于光伏发电系统的新能源微电网技术在铁路站段的应用研究

Application of New Energy Microgrid Technology in Railway Stations and Sections Based on Photovoltaic Power Generation System

摘要

新能源微电网技术为解决我国铁路站段光伏发电项目并网问题和提升项目经济环境效益提供了一种新的技术路径。通过调研新能源微电网技术国内外发展应用现状，梳理总结光伏发电、储能、电动汽车充电桩等新能源微电网关键技术在我国铁路站段的应用情况，研究分析新能源微电网技术在我国铁路站段应用的成本、经济效益及节能降碳效益，从国家政策规范、技术成熟度、应用前景、安全性等方面开展该技术在我国铁路站段应用的可行性研究。结合我国铁路站段供用能特点和绿色发展内在需求，构建基于光伏发电系统的新能源微电网技术在铁路站段应用的系统架构、运行模式及发展建议，为推动建设多能融合、柔性互通、清洁高效的铁路站段新型供配电系统提供有力支撑。

Abstract

New energy microgrid technology has provided a novel technical path for solving the grid connection problem and improving the economic and environmental benefits of photovoltaic power generation projects in railway stations and sections in China. By investigating the development and application status quo of new energy microgrid technology at home and abroad, this paper summarized the application of new energy key technologies, such as photovoltaic power generation, energy storage, and charging piles for electric vehicles in railway stations and sections in China. Besides, the paper studied and analyzed the cost, economic benefit, and energy saving and carbon reduction benefit of new energy microgrid technology application in China's railway stations and sections, and implemented the feasibility study of the application of this technology in China's railway stations and sections from the aspects of national policy norms, technology maturity, application prospect, and safety. Combined with the characteristics of energy supply and consumption, as well as the inherent need for green development of railway stations and sections in China, the paper constructed the system structure, operation mode, and development suggestions for the application of new energy microgrid technology based on a photovoltaic power generation system in railway stations and sections. This can support the promotion of the construction of a new power supply and distribution system of railway stations and sections with multi-energy integration, flexible interoperability, cleanliness, and high efficiency.

Graphical abstract

关键词

光伏发电 / 新能源 / 微电网 / 铁路站段 / 应用研究

Key words

Photovoltaic Power Generation / New Energy / Microgrid / Railway Stations and Sections / Application Research

0　引言

中央经济会议多次强调，要积极稳妥推进碳达峰碳中和，加快绿色科技创新和先进绿色技术的推广应用，因地制宜发展新质生产力。新质生产力的本质是绿色生产力，而新能源技术的创新应用在促进绿色生产力发展过程中发挥着重要作用。当前，以光伏、风电为代表的新能源保持快速发展态势，成为推动各行业实现碳达峰碳中和目标的重要技术支撑。

国家能源局数据显示，2023年全国可再生能源发电总装机达15.16亿kW，约占我国总装机规模的51.9%。其中，光伏发电装机6.09亿kW，同比增长55.2%，是全部新能源装机中占比最多和增长最快的新能源技术。新能源微电网技术作为提升分布式光伏项目消纳率和供电可靠性的新型技术，凭借微型、清洁、自洽、友好等优势，在工业园区、公共建筑、公共交通等场所进行了广泛推广应用，对于改善光伏、风力等新能源系统的能源利用效率、经济性，打造低碳、零碳园区、建筑，推动交通网、能源网深度融合发挥了重要作用。

铁路作为国家战略性、先导性、关键性重大基础设施，在国家大力推动清洁能源高效利用的背景下，光伏发电技术正在铁路多个站段进行大规模推广应用^[1]。构建基于光伏发电系统的铁路站段新能源微电网系统，为提升铁路光伏发电项目经济环境效益提供了新途径，同时有助于实现铁路多能互补、绿色用能，推动铁路高质量发展。

1　国内外新能源微电网技术发展应用现状

1.1　国外新能源微电网技术应用现状

随着世界气候形势日趋严峻，国外多个国家和地区纷纷制定碳达峰碳中和及可持续发展战略，并颁布法律法规用于支持清洁能源、储能等技术发展^[2]。美国、欧盟和日本是世界上最早开展微电网技术研究应用的国家和地区，将微电网技术作为国家现代能源供应体系的重要组成部分。美国微电网技术研究的重点侧重于利用微电网技术提升供电质量和可靠性；欧洲则偏向于利用微电网技术解决新能源技术接入配电网问题；日本则更偏向于海岛微电网技术方面^[3]。截至目前，全世界已有2 000多个微电网示范项目投入运营使用^[4]。市场数据显示，在各类微电网细分领域中，以光伏为代表的新能源微电网市场增速最快。在亚洲、非洲和拉丁美洲地区的一些国家，光伏新能源微电网或光伏混合微电网市场份额超过60%。

在铁路领域，欧美日等均十分重视光伏等新能源技术在铁路的应用，将清洁能源技术利用作为实现铁路及交通行业碳达峰碳中和目标的重要途径，在交通枢纽、站场等建设了大量光伏发电系统^[5]，并积极开展光伏等新能源技术与现有铁路牵引供电技术的融合研究^[6]。

1.2　国内新能源微电网技术应用现状

虽然我国微电网技术相比于美国等发达国家起步较晚，但自2006年搭建首个微电网综合实验平台以来，我国微电网技术发展迅速。光伏、储能、电动充电桩等微电网关键技术在应用规模、技术水平等方面逐步处于世界领先地位。截至2023年底，我国以光伏为代表的新能源技术装机容量已占世界总装机容量的50%以上；2023年新增投运新型储能装机规模较2022年底增长超过260%；我国电动汽车充电设施总量达859.6万台，同比增长65%。以“光储充”为代表的新能源微电网技术在我国工业园区、公共建筑、高速公路等多个场所进行了广泛应用。

伴随着各种新型技术发展的日新月异，我国新能源微电网技术正在向着更加智能、更加灵活可靠的方向发展。V2G双向充电技术、柔性直流配电技术、智慧能源管控技术等各类微电网先进技术的研究应用，搭建了多层级、多场景能量交互的交直流混联微电网架构，支持光伏和储能系统可靠接入，实现“源-网-荷-储”融合互动。通过优化可再生能源和储能等资源配置，积极参与需求侧响应，实现原有光伏发电系统提质增效，帮助用能场所减少碳排放量、降低用能成本，提升项目建设经济效益和社会效益。

2　我国铁路站段新能源微电网技术应用现状

虽然我国铁路站段还尚未正式开展新能源微电网技术实际应用，但作为新能源微电网技术的重要组成部分，光伏发电、电动汽车充电桩等在铁路站段的建设规模与日俱增。

2.1　光伏发电技术

近年来，我国铁路积极推动光伏发电技术在站段的建设应用，北京南站、杭州西站、武汉站、雄安站、广州动车段、西安动车段等铁路站段建筑屋顶先后建设了光伏发电系统^[7]。截至2023年底，全路有9个铁路局集团公司利用铁路货场、机辆段(所)、站房等大面积屋面及低效用地实施光伏开发项目41个，主要分布在货场屋面、机辆段(所)屋面、站房及雨棚屋面等，利用屋面及土地总面积129万m²，总装机容量约124 MW，总投资约12.5亿元，年均发电量约1.3亿kW·h，相当于减少二氧化碳排放7.24万t，项目年均总收益约8 755万元。当前铁路站段应用的光伏发电技术以单晶硅光伏组件为主，组件铺设在铁路客站建筑雨棚屋顶和动车段(所)屋面，早期建设的光伏项目采用“租用站房、全额上网”的模式，近5年新建项目以“自发自用、余电上网”为主，部分项目采用完全自消纳的建设模式^[8]。经济效益方面，建设较早的北京南站、武汉站等项目经济效益较差，投资回收期长达40~50年；近5年建设的广州动车段、西安动车段等光伏项目平均投资回收期约为6~10年。项目建设成本和光伏消纳率方面，当前光伏项目建设平均造价已降至4元/W，铁路自用消纳率可达到85%以上。建设模式方面，已由最初的路外单位投资建设、铁路出租屋面的形式，逐渐转变为铁路自身投资、对外公开招标的方式进行建设，或采用合同能源管理方式进行招标建设，投资建设方通过低价售电给铁路站段的方式赚取收益。

2.2　储能技术

虽然我国其他行业光伏发电系统配备储能已十分普遍，但考虑到当前储能技术的经济性和安全性，我国铁路站段尚未开展储能技术的实际应用。与此同时，国家环形铁道试验中心、浩吉铁路(浩勒报吉南—吉安)灵宝东工务维修车间正在积极开展储能技术的试验研究，部分铁路建设项目正在探索建设期采用先进的新型储能技术搭建储能电站，保障光伏发电的可持续利用和电动施工装备充换电的可靠供给。随着国家发展和改革委员会《全额保障性收购可再生能源电量监管办法》(2024年第15号令)的发布^[9]，明确了电网企业不再需全额收购可再生能源并网发电项目的上网电量，给分布式光伏发电项目的建设带来一定挑战。铁路光伏建设项目原本就存在并网困难的情况，在储能电池成本逐年降低和安全性能不断提升的背景下，储能技术的应用有助于提升铁路光伏发电项目节能降碳效果和实现电能调配。

2.3　电动汽车充电桩技术

随着旅客出行及铁路职工的电动汽车持有量逐年增多，铁路客站及段(所)电动汽车充电桩需求与日俱增，多个铁路客站及段(所)配备建设大量电动汽车充电桩。通过选取我国典型铁路站段进行调研，当前铁路站段充电桩主要采用铁路自行投资建设和充电桩公司投资建设等2种模式。典型的充电费用模式为铁路职工将充电费用支付给充电桩公司，再由充电桩公司同铁路段(所)之间进行电费结算；个别站段采取职工免费充电的形式。而铁路客站内建设的充电桩则采用旅客将充电费用支付给停车场运营管理单位的模式。充电桩从站段现有配电系统引出，以7 kW交流充电桩为主，部分存在30 kW直流充电桩和3.5 kW，5 kW交流慢充终端，尚未进行车网互动或与光伏发电系统进行连接。

3　技术经济、降碳效益和可行性分析

3.1　技术经济及降碳效益分析

3.1.1　系统成本分析

根据中国光伏行业协会编写的《2023—2024年中国光伏产业发展路线图》，2023年我国工商业分布式光伏发电系统初始投资成本为3.18元/W，2024年预计下降至3元/W以下^[10]。根据2022年底的统计数据，我国铁路站段可用于建设光伏发电系统的存量资源面积约为440.35万m²，按照100 W/m²的安装容量计算，共可安装光伏发电系统440.35 MW，系统总计投资成本约14亿元。铁路站段光伏发电系统成本分析如表1所示。

2023年光伏电站储能电池项目中标项目显示，当前锂离子储能电池平均成本约为1.3元/(W·h)。由于储能尚未在铁路进行大规模应用，初步按照光伏装机容量的10%配备储能，铁路站段预估安装配套储能设备44.035 MW/88.07 MW·h，建设总成本约为1.14亿元。

充电桩方面，以常规使用的7 kW交流充电桩为例，综合充电桩设备采购、安装、配套线路改造等，当前铁路站段安装电动汽车充电桩的成本约为3 200~4 000元/台。

3.1.2　经济效益分析

常规光伏微电网项目收益包括：光伏发电系统自用电收益、光伏发电系统上网收益、储能系统收益、电动汽车充放电收益、碳配额交易、绿证绿电交易等。由于铁路站段充电桩尚未开展与电网之间的互动，不存在充放电收益；路内碳配额交易和绿证绿电交易还存在政策、机制等方面的问题，尚无法获取碳配额交易和绿证绿电交易收益。因此，铁路站段光伏发电系统新能源微电网当前收益主要包括：光伏发电系统自用电收益P_Z，元；光伏发电系统上网收益P_S，元；储能系统收益P_C，元。

计算光伏发电量是开展新能源微电网经济效益分析的基础。光伏发电系统发电量计算公式为

E_P=H_A\times \frac{P_{AZ}}{E_S}\times K⑴

式中：E_P为光伏发电系统发电总量，kW·h；H_A\mathrm{为}水平面太阳能总辐照量，kW·h/m²，取2023年全国年平均水平面太阳能总辐照量1 496.1 kW·h/m²；E_S\mathrm{为}标准条件下的辐照度，为常数，取1 kW·h/m²；P_{AZ}\mathrm{为}组件安装容量，kWp；K为综合效率系数，通常取值范围在78%~82%，参考规范要求，通过综合计算光伏组件转换效率、光伏组件积尘损失率、光伏组件串并联失配率、光伏逆变器转换效率、电缆线路线损、变压器效率等值，最终取值80.02%。

光伏组件寿命通常为25年，为期25年的发电量计算公式为

E_Z={\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^{\mathrm{25}}}{E}_i={\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^{\mathrm{25}}}{E}_P\times (\mathrm{1}-{\eta }_{\mathrm{1}})\times (\mathrm{1}-{\eta }_{\mathrm{2}}{)}^{(i-\mathrm{1})}⑵

式中：E_Z为25年的发电量总和，kW·h；E_i为第i年的发电量，kW·h；；{\eta }_{\mathrm{1}}为组件首年衰减率；{\eta }_{\mathrm{2}}为组件逐年衰减率。根据工业和信息化部《光伏制造行业规范条件(2021年)》(2021年第5号)，晶体硅组件衰减率首年不高于2.5%，后续每年不高于0.6%，本研究中{\eta }_{\mathrm{1}}取2%，{\eta }_{\mathrm{2}}取0.6%。

年均发电量\mathrm{计算}\mathrm{公式}\mathrm{为}

E_{AV}=\frac{E_Z}{\mathrm{25}}⑶

式中：E_{AV}为年均发电量，kW·h。

综上，通过公式⑴、公式⑵、公式⑶，计算铁路站段安装光伏后总计年均发电量4.78亿kW·h。

初步估算，铁路站段光伏发电系统自用电比例约为80%；铁路用电成本按照0.8元/(kW·h)取值。由此计算自用电收益P_Z\mathrm{计算}\mathrm{公式}为

P_Z=E_{AV}\times \mathrm{0.8}\times \mathrm{0.8}⑷

储能系统容量按照光伏容量的10%、充电2 h进行配置，按照每日充放电2次计算收益，储能利用效率85%。储能系统收益P_C\mathrm{计算}\mathrm{公式}为

P_C=E_G\times \mathrm{0.1}\times \mathrm{2}\times \mathrm{0.85}\times \mathrm{2}\times \mathrm{365}\times \mathrm{0.8}⑸

式中：E_G为光伏发电系统安装容量，MW。

光伏发电系统上网收益P_S按照光伏发电总量减去铁路站段自用电量和储能消耗电量，再乘以全国脱硫燃煤平均电价0.368 4元/(kW·h)的方式计算。光伏发电系统上网收益P_S计算公式为

P_S=\left(E_{AV}-E_{AV}\times \mathrm{0.8}-E_G\times \mathrm{0.1}\times \mathrm{2}\times \mathrm{0.85}\times \mathrm{2}\times \mathrm{365}\right)\times \mathrm{0.368}\mathrm{4}⑹

铁路站段光伏微电网经济效益分析如表2所示。由表2可知，铁路站段建设基于光伏发电系统的新能源微电网系统可产生总经济效益约3.64亿元。

3.1.3　节能降碳效益分析

我国铁路站段可安装光伏发电系统装机容量约440.35 MW，年均发电量约4.78亿kW·h。根据生态环境部最新发布的2021年全国电力平均二氧化碳排放因子0.556 8 kgCO₂/(kW·h)^[11]，计算铁路站段光伏新能源微电网技术应用可减少CO₂排放约26.62万t。由此可见，该技术的节能降碳效益明显。

3.2　可行性分析

（1）政策规范可行性分析。当前国家出台的绿色低碳发展政策规划、指导意见等多次明确提出大力支持智能微电网技术发展及示范项目建设，积极推动新能源、新型储能、车网互动、智慧能源管控等新能源微电网技术创新，鼓励通过建设智能微电网提升新能源项目消纳能力^[12-13]，推动能源绿色低碳转型和双碳目标的早日实现，为新能源微电网技术发展提供了顶层支撑和根本遵循。交通运输行业发布的有关规划文件则多次提出在交通枢纽沿线等部署建设光伏发电系统，开展基础设施分布式光伏发电及并网、交通能源产储配用一体化等技术突破研究^[14]，为交通运输行业新能源微电网技术发展提供了科学依据。《推动铁路行业低碳发展实施方案》(国铁科法〔2024〕2号)等绿色低碳发展规划方案，则对推广光伏发电技术在铁路客站的应用和探索开展光伏发电技术在铁路沿线试点示范应用提出了明确方向^[15]。基于光伏发电系统的新能源微电网技术符合国家及交通运输行业绿色低碳转型发展大方向、大趋势，高度契合铁路节能降碳发展需求，对提升现有铁路光伏发电系统经济环境效益具有显著作用。

（2）技术成熟度可行性分析。基于光伏发电系统的新能源微电网技术已经在多个工业园区、交通枢纽、公共建筑等场所成功应用，对于提升用能场所新能源利用效率和绿色低碳水平发挥了重要作用。从技术成熟度来说，该技术发展早、应用案例广泛、技术成熟，既往应用案例节能降碳效果明显、经济效益可观，具备在铁路站段进行推广应用的成熟条件。在应用场景方面，铁路部分段(所)场景类似于工业园区，大型客站属于公共建筑，具备光伏发电系统铺设条件、电动充电桩使用需求和储能技术应用空间，面对当前较为高昂的铁路站段用电支出成本，应用该技术将会产生较为明显的经济效益。此外，铁路客站负荷调节能力强，在对光伏发电量消纳方面，可通过与周边综合交通枢纽用电联动，将多余电量供给公交车辆充电，进一步提高该技术应用可行性。

（3）技术应用前景可行性分析。根据铁路光伏发电开发潜力有关预测，预计到2030年，铁路新建屋面资源及土地资源可安装光伏发电系统装机容量约0.99 GW，年均发电量约10.8亿kW·h，预计可产生经济效益6.9亿元。面对光伏发电系统即将在铁路站段多场景大规模推广应用的发展趋势，国家电网不再主动承担消纳分布式光伏发电项目多余电量的责任，如何解决光伏发电的科学消纳及光伏发电波动性同铁路用能需求之间的匹配关系是未来铁路光伏发电技术应用的重点难题。基于光伏发电系统的新能源微电网技术能够有效破解铁路分布式光伏消纳和波动性问题，将储能技术同电动汽车充电桩进行有机融合，适用于铁路站段当前新能源技术快速发展的应用场景，有效提升铁路站段清洁能源利用的灵活性和可靠性，应用前景广阔。

（4）技术应用安全可行性分析。根据该技术在其他行业的应用效果调研，该技术运行情况良好，具备完善可靠的运行监控系统，能够保障用能场所供配电网络的安全稳定运行，未产生安全性事故。铁路运输企业高度重视安全生产，此前光伏发电技术在铁路站段应用并未产生安全事故，且国家环形铁道试验中心正在开展光储充一体化自洽微网试验建设，安全性能良好。随着光伏建筑一体化技术、钒液流电池储能技术等高安全性技术的快速发展，未来该技术在铁路站段的安全推广应用将更为可行。

4　铁路站段新能源微电网关键技术和运行模式

结合微电网技术特点和铁路站段用能需求，研究提出基于光伏发电系统的新能源微电网技术在铁路站段应用的系统架构和关键技术。铁路站段基于光伏发电系统的新能源微电网技术架构如图1所示。该系统架构基于铁路站段现有光伏技术、充电桩技术应用现状，并充分考虑铁路站段供配电特点，提出“源-网-荷-储-充”一体化智能微网系统。系统主要由高效光伏发电技术、储能技术、电动汽车智能充放电技术、智慧能源管控技术、交直流母线柔性互通等关键技术组成。微电网系统利用铁路站段建筑屋顶、雨棚及闲置土地建设光伏发电系统，根据铁路站段实际用电量需求、光伏发电系统建设容量及微电网系统建设经济性等配套一定比例的储能系统，与铁路站段现有的电动充电桩技术有机结合，利用交直流母线柔性互融技术，实现不同能源侧能量的分层利用，互联共通，有效提高铁路站段光伏发电、电动汽车充电、储能充放电效率。

该系统主要运行模式为：当白天光照资源丰富时，光伏发电系统可通过双向变换器并入到站段交流配电系统直接给站段照明、空调等辅助交流用电设备供电，并优先给铁路站段电动汽车充电桩供电，多余电量给储能设备充电，实现光伏发电量的科学消纳。如果铁路站段存在直流配电负荷，光伏发电系统也可直接给直流配电负荷进行供电，打造“光-储-直-柔”一体化供配电系统。当夜间或光照资源不丰富时，由储能系统进行放电，供铁路站段辅助交流设备负荷供电或有使用需求的充电桩供电。对于享受峰谷电价的铁路站段，也可充分利用储能设备实现“削峰填谷”，在电价低谷时间进行充电，在电价高峰期进行放电，进一步提高项目经济效益。配置智慧能源管控系统，对普通负荷、电动汽车充电负荷加以管控，有序充电，还可根据天气情况，预测光伏发电，实时调整储能出力，使铁路站段用能多元化，用能最优化。在国家大力支持新能源汽车与电网融合互动的背景下，积极探索铁路站段电动充电桩智能充放电技术，鼓励电动汽车作为新型储能载体参与微电网能量调度，实现铁路网、信息网、能源网的深度融合。

5　建议

（1）提高铁路新能源微电网技术的政策规划引领作用。国家有关政策已多次明确提出鼓励各地结合应用场景因地制宜建设智能微电网项目，建设交通自洽能源系统。铁路出台的绿色低碳发展规划也明确提出大力推动光伏技术在铁路的建设应用。未来应进一步明确基于光伏发电系统的新能源微电网技术在推动铁路清洁能源高质量发展方面的重要作用，加快制定实施铁路光伏发电高质量发展的指导意见和实施意见，稳步推进新型储能技术、电动汽车充放电技术主动参与光伏发电项目的消纳及调峰能力建设，根据铁路站段绿色低碳发展内外部需求，因地制宜开展基于光伏发电系统的新能源微电网项目建设。加快制定完善光伏、储能等技术在铁路应用的相关规范，为新能源微电网技术在铁路站段的应用提供坚强指导。

（2）明确铁路新能源微电网技术的发展方向。我国铁路站段当前对新能源技术的应用主要集中在部分铁路客站、动车段(所)建筑屋顶建设的光伏发电系统，储能技术、电动汽车充放电技术尚未参与到光伏发电系统建设当中，造成部分光伏项目受负荷调节能力影响随之产生的消纳能力下降，在一定程度上影响了项目的经济效益。未来智能微电网在铁路站段的研究应用应明确基于光伏发电系统基础上，积极融合新型储能、电动汽车充电桩、能源智慧管控等多种技术，以提升铁路站段分布式新能源利用效率和经济效益为根本出发点，以服务铁路绿色低碳高质量发展和碳达峰碳中和为最终目标，主动探索新能源供配电体系与铁路站段现有供配电网络体系的高效配合，为构建铁路站段新型绿色能源供给消费形式提供有益探索。

（3）推进铁路新能源微电网技术的示范建设。示范工程是新技术研究和推广应用的集中体现及重要环节，微电网示范工程的建设对于推动该技术在国内外快速发展发挥了重要促进作用。光伏发电技术在我国铁路站段的应用已相对成熟，未来应在参考其他行业类似场景微电网技术应用成功案例的基础上，加快推进铁路站段的新能源微电网示范工程建设。以点带面，优先针对光照资源丰富、光伏发电技术应用效果良好的铁路站段园区开展“产储配用”智能微电网示范建设，因地制宜推动更多新能源微电网项目在铁路站段的落地应用，为全面提升我国铁路清洁能源利用比例和铁路综合能源利用效率提供有力技术支撑。

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基金资助

中国铁道科学研究院集团有限公司科研项目(2023YJ238)