论文|光伏系统在奥地利铁路能源供应中的应用

注：本文为期刊公众号简版，完整版已发群内自取。

铁路是交通系统的重要组成部分，其电力消耗巨大。利用光伏系统发电进行用电替代，对于满足节能需求、减少碳排放、实现铁路交通绿色低碳发展，具有重要意义。奥地利联邦铁路公司（ÖBB）一直致力于降低奥地利铁路的二氧化碳排放量。为达到这一目标，ÖBB下属基础设施子公司（ÖBB Infrastruktur AG）于2015年在维也纳（Wien）东南部的威尔弗莱因斯多夫（Wilfleinsdorf）建设并投产16.7Hz光伏系统试验工厂，以测试和验证将光伏系统生产的电能直接馈入接触网为轨道车辆供电的可行性和有效性。在试验成功以后，ÖBB Infrastruktur AG于2020年—2021年安装了另外5套16.7Hz光伏系统，并将其生产的电能直接馈入15kV接触网。至2021年底，该公司已经拥有总装机容量为5.5MWp的6套16.7Hz光伏系统（图1）。其计划在中期将16.7Hz光伏系统的发电量增加100GWh以上，从而进一步减少铁路运输的二氧化碳排放量、提高其环保性。

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Wilfleinsdorf的地面安装式光伏系统

位于Wilfleinsdorf的地面安装式16.7Hz光伏系统总装机容量为1MWp，于2015年投入运营，是奥地利第一个直接馈入15kV接触网的16.7Hz光伏系统（图2）。该系统自2015年投入使用至今一直无故障运行，2020年的年产量为1230MWh，远超前期预测的1100MWh。

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Tullnerfeld声屏障安装式光伏测试系统

ÖBB-Infrastruktur AG采取了多种措施以降低轨道交通产生的噪声，其中包括在线路两旁建造总长度为950km的声屏障。声屏障具有较大的表面积，理论上可安装光伏系统。但是，诸如施工成本高、馈电方式有限、铺设电缆长及由此产生的电能损耗大等因素也制约了光伏系统在声屏障上的使用。电网中的自用变压器、应急供电变压器和道岔加热变压器是合适的馈入点。

图尔纳菲尔德（Tullnerfeld）的16.7Hz光伏测试系统（图3）安装在铁路沿线声屏障朝南的外侧，其产生的电能馈入Tullnerfeld变电站的自用变压器，总装机容量为30kWp，用于测试声屏障安装式光伏系统及研究铁路运营对该系统的影响。该系统由输出功率为10kWp的光伏组件模块、传统太阳能电池板等组成。太阳能电池板分别以0°（即紧贴声屏障，垂直于地面，图3中的③）、15°（图3中的①）和30°（图3中的②）3种倾斜度安装在声屏障上。该光伏测试系统还配置了1台独立的10kVA16.7Hz逆变器。

近2年的运营实践表明：

（1）从铁路运营对声屏障安装式光伏系统的影响看，到目前为止，铁路运营（最高速度230km/h）所产生的振动及过度污染情况均未对系统的运行产生负面影响；

（2）从太阳能电池板3种倾斜度下的系统年电能产量看，倾斜30°的系统电能产量最高，0°产量略低，15°最低（图4）

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Auhof变频器厂屋顶安装式光伏系统

2020年，奥地利首个16.7Hz屋顶安装式光伏系统投入运行。该系统安装在奥霍夫（Auhof）变频器厂的屋顶上，总装机容量为88.3kWp，年电能产量约为64MWh，由276个面积为453 平方米的光伏组件模块构成（图5）。由于屋顶向南的倾斜度非常适宜，可以省去用于调整倾斜度的支架，光伏组件模块通过与屋顶平行、带有折叠式夹具的轨道系统直接固定在屋顶上。除光伏系统生产的电能外，变频器厂还连接来自相邻Auhof变电站自用变压器的16.7Hz230V电源。光伏系统产生的电能直接供变频器厂使用，如有剩余则馈入接触网。

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Ladendorf和Kottingneusiedl地面安装式光伏系统

2套新一代16.7Hz地面安装式光伏系统在下奥地利州北部Laaer Ostbahn架设并于2021年下半年投入运行。其中，拉登多夫（Ladendorf）光伏系统（图6）的总装机容量为1.2MWp，科廷诺伊西德尔（Kottingneusiedl）光伏系统（图7）的总装机容量为1.13MWp。

研究人员基于从Wilfleinsdorf光伏系统中获得的经验，对这两套地面安装式光伏系统提出了一种新的系统理念（图8），即以中压侧安装的断路器替代高压高性能保险丝。由于上述光伏系统位于铁路影响区域内，因此其接地系统和铁路的接地系统是相连的。光伏系统的归线和保护接地线分开布线，并通过反向电流补偿轨相互连接及与铁路接地系统连接。与Wilfleinsdorf光伏系统不同，出于对市场情况的考虑，这两套光伏系统采用了中央逆变器。上述理念均根据兼容性研究成果，在奥地利理工学院的网格模拟器上预先进行了测试和验证。

光伏系统的操作和监控由梅德林（Meidling）能源控制中心完成，如限制功率等。Meidling能源控制中心还建立了一个测量值档案库，用于接收和存储光伏系统传输过来的各种测量值、状态信息和报警信息。

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Inzersdorf物流大厅屋顶安装式光伏系统

因泽斯多夫（Inzersdorf）16.7Hz光伏系统安装于维也纳南站新建物流大厅（图9）的屋顶上，该大厅被设计为多功能转运站及公铁运输的中转中心，位于Pottendorf铁路线上。该系统于2021年底投入使用，总装机容量为2.03MWp，是维也纳装机容量最大的屋顶安装式光伏系统。大厅的朝向为西南，为提高电能产量，该系统采用倾斜度为13°的东西向光伏阵列。光伏阵列共包含输出功率为450Wp的4515个光伏组件模块，占地面积超过9800平方米。

由于该光伏系统与Pottendorf线路馈入点的距离超过325m，铁路的接地系统与光伏系统的接地系统是分开的，研发人员为此开发了一种新的馈电方案。该光伏系统有2座技术站，一座位于大厅附近，包含中央逆变器、15kV变压器和系统运行所需的遥控、控制和保护装置，另一座位于馈入点附近，包含1个15kV断路器。2座技术站之间由1条15kV的绝缘电缆（其中的去线和归线均为中压电缆）连接。这种配置可在铁路接地系统和50Hz公共电网接地系统之间实施电气隔离，并防止在发生故障时引入不良电位。新馈电方案的另一项创新是在光伏系统向接触网馈电时，自动调整相应接触网开关设备的保护设置。由于光伏系统的馈电功率更高，因此必须进行这种调整。该光伏系统的断路器配备自动夜间关闭功能，该功能是利用传感器测量辐照实现的。

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展望

在接下来的几年里，ÖBB-Infrastruktur AG将继续安装并调试数个16.7Hz光伏系统。为评估将光伏系统产生的电能馈入15kV接触网的影响并确定最佳馈电区域，该公司将选择适宜地点进行电网模拟，并对接触网系统进行必要的结构调整。此外，针对16.7Hz光伏系统面临诸多的挑战，如既有电网容量不足、发电量波动性大、投资成本比同等尺寸的50Hz光伏系统高出约20%～30%（由于增加逆变器、变压器、开关设备等组件引起的）等，该公司将继续加大研发力度，力求加以解决，从而推动铁路交通绿色、低碳发展。

来源：《现代城市轨道交通》编辑部