鐵路沿線建設分布式光伏發電系統的可行性研究

鮑英豪

摘 要：碳達峰、碳中和是中國重大戰略決策，推進能源革命，加快綠色低碳發展是鐵路系統應盡的責任，推動可再生能源在鐵路系統的應用，盤活鐵路空閑用地資源，對于鐵路系統而言具有十分重要的經濟效益和社會效益。針對鐵路沿線各個區域建設分布式光伏發電系統的可行性進行了分析，研究了鐵路沿線分布式光伏發電系統的并網方案，并分析了供電可靠性；最后以山東地區3條鐵路沿線建設分布式光伏發電系統為例，對其經濟效益和社會效益進行了分析。研究結果表明：1）鐵路沿線能夠建設分布式光伏發電系統的區域主要包括：站房、站臺雨棚、鐵路停車場、路基邊坡、場坪邊坡、鐵路橋梁下方、生產生活房屋、料庫、車庫、其他空閑用地，以及其他空間等區域。2）鐵路沿線建設分布式光伏發電系統重點考慮接入鐵路電力供電系統和地方電力系統，不推薦接入牽引供電系統。3）經測算，山東地區鐵路每百公里可建設的分布式光伏發電系統裝機容量約為17.0 MW，對應的百公里年發電量約為1996萬kWh，每年每百公里可減少碳排放量1.9萬t；按“50%自發自用，50%余電上網”計算，每年每百公里可減少電費支出約1100萬元，具有較好的經濟效益和社會效益。研究結果可為鐵路沿線分布式光伏發電系統的建設提供借鑒。

關鍵詞：分布式光伏發電；鐵路沿線；建設區域；可再生能源；電力系統；經濟效益；社會效益

中圖分類號：TK01+1/TM615 文獻標志碼：A

0? 引言

碳達峰、碳中和是中國重大國策，也是中國今后很長一段時期內的重要任務。加快發展可再生能源，以可再生能源替代化石能源，推進能源革命，構建清潔低碳、安全高效的能源體系，探索可再生能源在各個行業的應用，有助于中國實現“雙碳”目標。

GB 55015—2021《建筑節能與可再生能源利用通用規范》指出，應充分利用可再生能源，降低建筑化石能源消耗量。2022年6月，國家發展改革委、國家能源局等9部門聯合印發《“十四五”可再生能源發展規劃》，鼓勵在高速鐵路沿線設施推動“光伏+”綜合利用，并鼓勵利用鐵路邊坡因地制宜開展光伏廊道示范項目建設；2021年12月9日，國務院印發《“十四五”現代綜合交通運輸體系發展規劃》，鼓勵在交通樞紐場站，以及公路、鐵路等沿線合理布局光伏發電及儲能設施，推動近零碳交通示范區建設。

從政策上看，國家正在逐步引導利用鐵路空閑用地資源，推進鐵路沿線建設分布式光伏發電系統已成為必然的發展趨勢。文獻[1-3]對鐵路領域建設分布式光伏發電系統進行了一些初步研究，但整體來講，鐵路沿線建設分布式光伏發電系統仍處于起步階段。

本文針對鐵路沿線各個區域建設分布式光伏發電系統的可行性進行分析，對鐵路沿線分布式光伏發電系統的并網方案進行研究，并對其供電可靠性進行分析；最后以山東地區3條鐵路沿線建設分布式光伏發電系統為例，分析其經濟效益和社會效益。

1? 分布式光伏發電系統建設區域分析

1.1? 鐵路沿線適合建設分布式光伏發電系統的區域

鐵路沿線適合建設分布式光伏發電系統的區域主要包括站房、站臺雨棚、鐵路停車場、路基邊坡、場坪邊坡、鐵路橋梁下方、生產生活房屋、料庫、車庫、其他空閑用地，以及其他空間等區域。

1.2? 各區域的適用性分析

1）站房。站房即車站主建筑，其屋面是目前鐵路沿線建設分布式光伏發電系統的常用區域，由于目前站房多采用輕鋼結構網架金屬屋面，在進行站房設計時應綜合考慮增加光伏組件等設備所增加的荷載，同時應考慮安裝分布式光伏發電系統后對站房整體視覺效果的影響，可采用光伏建筑一體化（BIPV）形式。

2）站臺雨棚。站臺雨棚也是目前鐵路沿線建設分布式光伏發電系統的常用區域，由于站臺雨棚設置在臨近線路的位置，因此光伏組件的安裝需要考慮風揭風險，其與其他光伏發電設備應采用緊貼站臺雨棚屋面固定的安裝方式，且應在站臺雨棚設計時就做好光伏組件安裝所需的支架基礎預留工作。

3）鐵路停車場。鐵路停車場屬于鐵路自營場所，一般設置于鐵路站區地面1層，光伏組件可安裝在停車場車棚上，并可考慮與電動汽車充電樁結合，設置直流充電樁。同時，應考慮停車場車棚的建設與站房整體視覺效果的搭配。安裝在鐵路停車場車棚上的光伏組件可考慮采用雙面光伏組件，既可增加分布式光伏發電系統的發電效率，又可提高停車場車棚的使用性和美觀度。

4）路基邊坡。路基邊坡分為正線路基邊坡、動走線路基邊坡、牽出線路基邊坡等。高速鐵路正線的列車車速較快，若在正線路基邊坡安裝光伏組件，需要研究列車高速通過時產生的壓力和列車風附加力產生的長期影響，光伏組件與路基邊坡的結合方式應避免對路基邊坡的穩固性構成影響，因此現階段不建議在高速鐵路的正線路基邊坡上鋪設光伏組件。而高速鐵路動走線、牽出線，以及普速鐵路所有線路的列車車速較慢，路基邊坡安裝光伏組件時需要考慮的影響因素較少，因此比較適合建設分布式光伏發電系統。在路基邊坡設計時，可對安裝光伏組件所需的基礎預留工作與路基邊坡的結構設計進行統籌考慮，從而可減少后期安裝光伏組件對路基邊坡產生的影響。

5）場坪邊坡。由于車間、工區、四電工程等的場坪需要考慮排水問題，一般情況下這些區域的地面都比原始地面高，場坪邊坡的典型坡度為1.0：1.5，適用于光伏組件的安裝。在場坪邊坡設計之初，可考慮在其骨架預留光伏組件的安裝條件。

6）鐵路橋梁下方。一般在角度不大于30°的東西向的鐵路橋梁下方，周圍無其他遮擋且橋梁高度適合的情況下，可在橋梁下方柵欄內部安裝光伏組件。

7）生產生活房屋、料庫、車庫等建筑。鐵路沿線設置有大量生產生活房屋、料庫、車庫、動車所等建筑，這些建筑屋面在滿足荷載的前提下可用于安裝光伏組件。在這些建筑設計時，屋面結構應與光伏組件的安裝條件進行統籌考慮并做出預留，以減少后期光伏組件安裝時的麻煩。

8）其他空閑用地。鐵路建設過程中，存在一定量的三角地、夾心地等空閑用地，可對其進行充分利用，在滿足行車安全的情況下，規劃安裝分布式光伏發電系統。

9）其他空間。文獻[4]提出在高速鐵路上空安裝分布式光伏發電系統，為鐵路沿線建設分布式光伏發電系統提出了很好的思路，但該方式是否適用尚需進一步分析，主要原因包括：①根據鐵路相關規定，接觸網支柱上不允許安裝除接觸網系統外的其他設施。因此，利用接觸網支柱作為光伏支架以充分利用高速鐵路上方區域，從目前鐵路系統的管理體系來看是不允許的。②接觸網支柱上有大量導線，電壓等級為27.5 kV，根據TB 10009—2016《鐵路電力牽引供電設計規范》，鐵路帶電部分與建（構）筑物邊沿之間的最小距離為2400 mm，利用接觸網支柱作為光伏支架時應在接觸網支柱原設計基礎上增加相應的高度，為滿足荷載要求，需同步增加接觸網支柱截面面積，但如此將大幅增加投資。③接觸網支柱立于鐵路橋梁預留的基礎上，增加接觸網支柱荷載，需要同時增加預留基礎的尺寸，這就需要修改鐵路橋梁的通用圖紙。④接觸網支柱間隔一般為50 m，間距較大，因此只靠接觸網支柱作為光伏支架不能滿足分布式光伏發電系統安全性的設計要求。⑤高速鐵路線路上方增加光伏支架等設施，需增加螺栓等零部件，這將對鐵路安全運營產生影響。綜合以上原因，本文認為在高速鐵路上空不適合建設分布式光伏發電系統。

2? 分布式光伏發電系統并網方案

鐵路供電系統包括鐵路牽引供電系統和鐵路電力供電系統，其中，鐵路牽引供電系統為電力機車供電；鐵路電力供電系統為鐵路的通信設備、信號設備、站房、生產生活設施等供電。下文對分布式光伏發電系統分別接入這兩種供電系統的可行性進行分析。

2.1? 接入鐵路牽引供電系統的可行性

鐵路牽引供電系統由牽引變電所、分區所、自耦變壓器（AT）所、開閉所、接觸網等組成。一般由地方電力系統引入兩路獨立的110 kV及以上電壓等級的電源為牽引變電所供電，高速鐵路進線電壓等級為220 kV及以上，牽引變電所將三相高壓電轉化為單相27.5 kV后通過接觸網為電力機車供電。

理論上講，鐵路沿線建設的分布式光伏發電系統可就近接入牽引變電所、分區所、AT所、開閉所等所（廳）為電力機車供電，原則上采用“自發自用、余電上網”的模式；為最大化自發自用電量，計量點位于鐵路牽引供電系統高壓線路進線側。但分布式光伏發電系統接入鐵路牽引供電系統存在以下問題：

1）按照GB/T 33593—2017《分布式電源并網技術要求》，分布式電源一般接入35 kV及以下配電系統，不支持其接入110 kV及以上高壓系統。

2）鐵路牽引供電系統與國家電網結算均采用反向供電不計的方式，所以分布式光伏發電系統未被利用的余電將不被計量。

3）鐵路每個供電臂的長度約為25 km，當高速列車以300 km/h的速度運行時，列車在每個供電臂的運行時間約為5 min，因此當發車間隔不大于5 min時，才能保證每個供電臂上均有列車運行，如此可保證分布式光伏發電系統的使用效率，否則其發出的電能只能返送到電網上。實際運營中，除京滬等繁忙干線鐵路外，其他鐵路線遠達不到5 min間隔的發車密度，因此在不增加儲能設施的情況下，光伏發電的自發自用利用率較低。

4）鐵路牽引供電系統的電壓等級為單相27.5 kV，電壓較高，光伏發電系統接入成本相對較高，尤其對于鐵路沿線容量較小的分布式光伏發電系統來講，經濟效益很差。

綜上所述，由于鐵路牽引供電系統計費方式的特殊性，分布式光伏發電系統采用“自發自用、余電上網”的模式不適合接入該供電系統，且在不增加儲能設施的情況下光伏發電的自發自用利用率非常低，經濟效益很差，所以不建議分布式光伏發電系統接入鐵路牽引供電系統。

2.2? 接入鐵路電力供電系統的可行性

鐵路的每個車站基本都建有電力配電所，為鐵路站場、工區，以及通信設備、信號設備、生產生活設施供電，其一般由地方電力系統引入1路或兩路10 kV電源供電。鐵路沿線建設兩路電力貫通線，為鐵路沿線的牽引變電所、基站、中繼站等設施供電，電力貫通線接入電力配電所。

鐵路沿線建設分布式光伏發電系統可就近接入電力配電所、牽引變電所、分區所、AT所、基站和中繼站等，實現分布式光伏發電系統的“自發自用、余電上網”，計量點可選擇在電力配電所進線側。

根據Q/GDW 1480—2015《分布式電源接入電網技術規定》的要求，并網電壓可根據各并網點分布式電源的裝機容量進行初步選擇。裝機容量為8 kW及以下的分布式電源可接入220 V電力系統，裝機容量為8～400 kW的分布式電源可接入380 V電力系統；裝機容量為400～6000 kW 的分布式電源可接入10 kV電力系統，裝機容量為5000～30000 kW的分布式電源可接入35 kV電力系統。

對于鐵路站區、工區等區域，其可利用區域較多，安裝的分布式光伏發電系統裝機容量較大，可接入10 kV中壓系統或多點接入380 V低壓系統。

對于鐵路區間區域，其可利用區域較少，安裝的分布式光伏發電系統裝機容量不大，因此為節約投資，優先選擇接入380 V低壓系統，并就近接入電力貫通線。

接入鐵路電力供電系統的主接線圖可根據并網點的分布式光伏發電系統裝機容量，選擇由國家電網公司出版的《分布式電源接入系統典型設計（2016版）》中的典型圖紙。

3? 供電可靠性分析

3.1? 通過饋線接入電力配電所和地方電力系統

鐵路站區附近分布式光伏發電系統應就近通過站饋線或新增饋線接入10 kV電力配電所，這是分布式光伏發電系統常規的接入方式，只要并網點容量可以滿足Q/GDW 1480—2015的要求、供電可靠性可以滿足地方電力系統的需要即可，這里不做贅述。

綜合考慮鐵路沿線可建設分布式光伏發電系統的區域大小、地方電力系統并網點的分布情況、地方電力系統的消納能力、鐵路電力貫通線的消納能力等因素，分布式光伏發電系統也可就近接入地方電力系統，此種接入方式對鐵路供電可靠性不會產生影響，同樣不再贅述。

3.2? 接入電力貫通線

由于鐵路區間建設分布式光伏發電系統的可利用區域比較分散，因此從經濟性的角度考慮，優先將分布式光伏發電系統接入鐵路的電力貫通線。在其接入電力貫通線后，電力貫通線由單一的輻射式結構變成多電源接入的有源系統；分布式光伏發電系統接入位置、接入容量和運行方式的變化，都會導致電力貫通線的有功潮流、無功潮流、電壓分布等發生較大變化，會對電力貫通線的穩態運行造成影響。

分布式光伏發電系統接入電力貫通線后，會改變配電線路的潮流分布，從而引起線路電流的變化。電力配電所母線電壓為V0，電力貫通線共有n個負荷點，第k個負荷點的功率為PL，k+jQL，k（k=1， 2， …， p， …， n）（其中，PL，k為第k個負荷點的有功功率；QL，k為第k個負荷點的無功功率）。第k-1個負荷點和第k個負荷點之間的線路Lk的阻抗為Rk+jXk（其中，Rk為第k個負荷點的電阻；Xk為第k個負荷點的阻抗），流經Lk的電流為ik。分布式光伏發電系統在第p個負荷點接入，其輸出電流為iPV，輸出功率為PPV+jQPV，（其中，PPV為分布式光伏發電系統輸出的有功功率；QPV為分布式光伏發電系統輸出的無功功率）。單個分布式光伏發電系統接入電力貫通線的簡化示意圖如圖1所示。

根據文獻[5]的相關研究結論，當分布式光伏發電系統接入電力貫通線后，應注意以下幾點問題：

1）接入后對電力貫通線有功潮流的影響。當無分布式光伏發電系統接入時，線路電流的最大值出現在電力貫通線的首端；當接入的分布式光伏發電系統的裝機容量較小時，線路電流的最大值仍出現在電力貫通線首端，且與無分布式光伏發電系統接入時相比有所減??；當接入的分布式光伏發電系統的裝機容量較大時，線路電流的最大值可能出現在電力貫通線首端，也可能出現在光伏支路。因此，在無分布式光伏發電系統接入時電力貫通線電流屬于安全范圍內的基礎上，分布式光伏發電系統接入后應關注其對電力貫通線電流的影響，主要關注光伏支路的載流量，確保光伏支路的電流不越限。

2）接入后對電力貫通線無功潮流的影響。分布式光伏發電系統輸出的無功功率大小與負荷所需無功功率密切相關，當分布式光伏發電系統輸出的無功功率大于負荷所需無功功率時，分布式光伏發電系統將向電力配電所倒送無功功率。

3）接入后對電力貫通線電壓分布的影響。分布式光伏發電系統接入電力貫通線后，節點處的電壓特性與分布式光伏發電系統的接入位置、接入容量和運行方式相關，但分布式光伏發電系統的接入始終使電力貫通線節點處的電壓比無分布式光伏發電系統接入時有所抬升。分布式光伏發電系統的接入位置越靠近電力貫通線的末端，對電力貫通線整體電壓的抬升作用越??；分布式光伏發電系統的接入容量越大，接入點電壓的抬升幅度越高；輸出的容性無功功率越多，接入點電壓的抬升越明顯。因此，在分布式光伏發電系統接入電力貫通線前，需根據實際情況進行計算，必要時應通過仿真驗算等手段得到接入點處電壓值，防止接入點電壓超限，影響鐵路電力系統的安全。

4? 發電量分析

鐵路沿線分布式光伏發電系統的發電量需要根據不同鐵路沿線的具體情況進行具體分析。本文以山東地區的萊榮高速鐵路、濰煙高速鐵路和鄭濟高速鐵路（山東段）3條鐵路沿線正處于建設階段的分布式光伏發電系統為例，依據分布式光伏發電系統建設前期的可行性研究報告中的數據，對其發電量進行測算。

4.1? 分布式光伏發電系統可利用區域的有效面積估算

根據前文鐵路沿線適合建設分布式光伏發電系統區域的分析，對這3條鐵路沿線建設分布式光伏發電系統的可利用區域的有效面積進行具體分析和估算。

4.1.1? 車站

鐵路車站建設分布式光伏發電系統的可利用區域主要包括站房、站臺雨棚、鐵路停車場及其他零星用地。根據這3條鐵路的整體設計，對3條鐵路站區內建設分布式光伏發電系統的可利用區域面積和有效面積進行估算，具體如表1所示。

4.1.2? 區間

鐵路區間建設分布式光伏發電系統的可利用區域主要包括鐵路橋梁下方、場坪邊坡及其他零星用地。其中，鐵路橋梁下方是否適合建設分布式光伏發電系統需要對鐵路走向、橋梁高度、周圍是否有遮擋等因素進行具體分析，一般高鐵沿線鐵路橋梁下方防護欄內的區域選取高鐵線路南側，且線路東西向的角度不超過30°、橋梁高度大于4 m的區域；場坪護坡包括牽引變電所、分區所、AT所、中繼站、基站等四電工程場坪護坡；其他零星用地包括通所道路兩側、閑置的三角地等區域。

對3條鐵路區間內建設分布式光伏發電系統的有效面積及單位有效面積（即百公里有效面積）進行估算，具體如表2所示。

結合表1、表2可以看出：受線路走向、橋梁高度、周圍光照條件等因素的影響，3條鐵路沿線建設分布式光伏發電系統的有效面積差別較大。

4.1.3? 整條鐵路線

3條鐵路線整條線路建設分布式光伏發電系統的有效面積及百公里有效面積統計如表3所示。

4.2? 太陽能資源分析

參照文獻[6]，山東省年太陽總輻射量在4542.61～5526.32 MJ/m2。其中，成武地區的年太陽總輻射量最少，為4542.61 MJ/m2；蓬萊地區的年太陽總輻射量最高，為5526.32 MJ/m2，屬于II類太陽能資源區，為“很豐富”區。

山東省各地的太陽能資源豐富程度與太陽總輻射量的分布特征類似。膠東半島北部、魯東南、魯北區域的年總太陽輻照量可達到1400 kWh/m2，為太陽能資源“很豐富”區；其中，蓬萊地區的年總太陽輻照量最大可達1535.59 kWh/m2。魯中、魯西、魯西南區域的年總太陽輻照量不足1400 kWh/m2，為太陽能資源“豐富”區，其中魯西南區域的年總太陽輻照量最低；而魯西南區域中，成武地區的年總太陽輻照量最低，為1262.85 kWh/m2。為簡化計算，本文按全年平均水平面總太陽輻照量約為1400 kWh/m2進行測算。

4.3? 經濟效益和社會效益分析

分布式光伏發電系統發電量與光伏組件裝機容量、光伏組件安裝傾角等參數直接相關。本算例選擇當前主流應用的單晶硅光伏組件進行測算，額定功率為550 W；單塊光伏組件尺寸為2256 mm×1133 mm×35 mm，面積約為2.556 m2。

參照文獻[7-9]及GB 50797—2012《光伏發電站設計規范》，計算分布式光伏發電系統的上網發電量Ep，其計算式為：

式中：HA為水平面總太陽輻照量，kWh/m2；Es為標準測試條件（STC）下的太陽輻照度，kW/m2，取值為1；PAZ為光伏組件裝機容量，kW；K為綜合效率系數，取83.87%。

關于光伏組件安裝傾角，考慮到鐵路沿線光伏組件的安裝位置特殊，無法按照最佳安裝傾角來安裝，因此本算例均按照光伏組件平鋪進行測算。

算例中各鐵路線的光伏組件總裝機容量及單位裝機容量（即百公里裝機容量）統計如表4所示。

從表4可以看出：每條鐵路線的光伏組件裝機容量受線路條件、站房規模、鐵路停車場規模、場坪高程等因素的影響較大，因此百公里裝機容量的差別較大；3條鐵路線平均百公里光伏組件裝機容量可達到17.0 MW。

通過計算可得，山東地區（以3條鐵路線為表征通過計算可得，山東地區（以3條鐵路線為表征）鐵路每百公里分布式光伏發電系統的年發電量約為1996 萬kWh，每年每百公里可減少碳排放量1.9 萬t；按“50%自發自用，50%余電上網”計算，每年每百公里可減少電費支出約1100萬元。綜上所述，鐵路沿線建設分布式光伏發電系統具有較好的經濟效益和社會效益。

5? 結論

有效利用鐵路空閑用地資源，在合適區域建設分布式光伏發電系統，有利于盤活鐵路沿線土地資源，降低鐵路能耗水平，既符合國家政策，也是鐵路系統作為大型央企承擔社會責任的表現。本文分析了鐵路沿線各個區域建設分布式光伏發電系統的可行性；然后研究了鐵路沿線分布式光伏發電系統的并網方案，并分析了供電可靠性；最后以山東地區3條鐵路沿線正在建設的分布式光伏發電系統為例，對其經濟效益和社會效益進行了分析。研究得到以下結論：

1）鐵路沿線能夠建設分布式光伏發電系統的區域主要包括：站房、站臺雨棚、鐵路停車場、路基邊坡、場坪邊坡、橋梁下方、生產生活房屋、料庫、車庫、其他空閑用地，以及其他空間等區域。

2）鐵路沿線建設分布式光伏發電系統重點考慮接入鐵路電力供電系統和直接接入地方電力系統，不推薦接入鐵路牽引供電系統。

3）以山東地區的萊榮高速鐵路、濰煙高速鐵路和鄭濟高速鐵路（山東段）3條鐵路沿線建設分布式光伏發電系統為例，經過測算，山東地區每百公里鐵路可建設的分布式光伏發電系統裝機容量約17.0 MW，百公里年發電量約為1996萬kWh，每年每百公里可減少碳排放量1.9萬t；按“50%自發自用，50%余電上網”計算，每年每百公里可減少電費支出約1100萬元，具有較好的經濟效益和社會效益。但由于每條鐵路線的實際情況不同，因此差別也較大。

目前鐵路系統對可再生能源的利用尚無相關鐵路規范支持，因此要在鐵路系統中推廣可再生能源應用，需要鐵路管理部門的大力支持，否則很難建設。建議開展試點建設，并在此基礎上盡快完善建設、驗收、運維等相關標準體系，推動可再生能源在鐵路系統中的應用。

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