太阳能光伏发电接入磁浮交通供电系统的方法与流程

本发明涉及磁浮交通供电系统，特别是一种太阳能光伏发电接入磁浮交通供电系统的方法以及太阳能电池板在磁浮交通基础设施上的布设方式。

背景技术：

太阳能是一种绿色、清洁、可再生且取之不竭、用之不尽的能源，利用太阳能发电并应用到实际生产生活中，已成为世界能源发展的趋势和方向。我国国土辽阔、太阳能资源丰富，具有利用太阳能的巨大潜力和优势。

城市轨道交通近年来在国内大中城市普遍发展，其中的磁浮交通作为一种新型节能型交通在我国上海、北京、湖南等地建设发展。

磁浮交通的基础设施中，牵引和供电系统的基础设施的规模占较大比重，包括主变电所、沿轨道布置的轨旁变电所、沿轨道布置的轨旁开关站以及牵引变电所和其内部的大量相同功能的牵引功率模块，以及车站设施、维修基地设施等。基础设施种类多、占用空间大，长距离供电线缆多、供电容量大。

与传统的轨道交通相比，高速磁浮交通的牵引供电系统具有下列特殊性：

1)牵引动力实施分区供电，每个分区长度为数百米～数十公里，上海高速磁浮交通示范运营线牵引分区最长数十公里，在上述的一个供电分区内仅可运行一辆高速磁浮列车。

2)为了保障高速磁浮列车牵引对电能的强大需求，在上述分区的两端设置牵引变电所，为几个分区供电，每两个牵引变电站所间距在十公里～数十公里之间；牵引变电所内设置多个数兆伏安的高功率变流器模块。变流器模块输出电压和频率可变的电能，通过三相高压电缆、轨旁开关站向沿线定子段供电，驱动列车高速运动。

3)在每个供电分区内沿轨道设置多座轨旁开关站，用来控制定子段的电力通断，轨旁开关站之间的距离在数百米～千米之间。

4)为了向沿线的轨旁开关站、动力轨站、道岔等提供电能，沿轨道设置了轨旁变电所，向上述设备提供三相或直流电能，轨旁变电所之间的距离为数百米～数公里。

目前，现有的高速磁浮交通的供电方式为：主变电站将外部电网的高压电经降压后输入至沿线的牵引变电所、轨旁变电所和车站变电所等，这些分变电所再将电能变换后供给相应的负荷。由于上述所、站大部分沿轨道布置，电力传输距离长达数公里至数十公里、电缆发热损耗是个十分严重的问题。同时，为了放置上述牵引供电设备，建立的基础设施占用空间也十分可观。

磁浮轨道交通用电负荷按不同用途及性质可归为3类负荷：

1)车辆牵引与悬浮供电负荷：该类负荷主要是向车辆提供驱动电源及车体内部的悬浮和低压机电负荷电源，所需容量最大，通常要数十兆瓦。

2)运营动力负荷：主要是车站及区间内为保证线路正常、安全运营而所需的一些机电设备、通信信号设备、监控设备等，其负荷容量也较大，如每座轨旁变电所约在兆瓦级，每座轨旁开关站动作的峰值功率在百千瓦。

3)运营照明负荷：主要是运营所需的各类正常照明、应急照明、指示照明、广告照明等。另外，在车辆段动力负荷和照明负荷，特别是车库内的照明负荷和车场内的路灯照明负荷容量也相当可观。

上述用电负荷中，牵引和悬浮负荷用电不仅容量大，且是行车负荷，必须有极高的可靠性；动力负荷中部分为行车及消防负荷，容量也较大，可靠性也必须保证；照明负荷中的应急照明，该部分容量较小，但可靠性必须保证。采用太阳能光伏发电装置作为既有的电网的补充可进一步提高系统的可靠性。

磁浮交通系统尤其高速磁浮交通由于其特殊的牵引供电模式和构造，在供电和牵引系统及主电路、供电模块和设备等方面，以及线路轨道结构等基础设施方面与既有铁路和城市轨道交通等传统轨道交通完全不同。高速磁浮供电系统与磁浮交通牵引供电系统公共母线有三相交流20kV、三相交流400V、直流400V、直流±2500V等多种类型，涉及的容量从数百kVA到数十MVA不等，如何把太阳能光伏电池板发出的电能接入磁浮交通的牵引供电系统和综合供电系统并实现协同工作，如何结合磁浮交通的基础设施进行太阳能光伏电池板的布设安装等是本发明要解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种太阳能光伏发电接入磁浮交通供电系统的方法，以 解决在磁浮交通系统中太阳能光伏电池板的布置、太阳能光伏发电电能接入到磁浮交通供电系统的问题。在提高磁浮交通供电安全可靠的同时，使磁浮交通供电具有配置灵活、节能环保、节省输电设备、保护和节约土地的效果。

本发明的技术解决方案如下：

一种太阳能光伏发电接入磁浮交通供电系统的方法，其特点在于，在磁浮交通沿线敷设太阳能电池板，建立多个太阳能光伏发电装置，分别接入轨道沿线的轨旁开关站、轨旁变电站、牵引变电所和主变电所的供电系统的母线。

所述的母线是交流母线，接入交流母线的太阳能光伏发电装置，包括太阳能电池板、DC-AC逆变器和变压器、交流接入开关、交流储能开关和储能装置，太阳能光伏电池板发出的电能经DC-AC逆变器和变压器，通过交流接入开关接入轨旁开关站的母线，与外部电网进来的电能共同向轨旁开关站的母线上的用电负荷供电；当太阳能电池板的发电量大于轨旁开关站的母线上用电负荷需求时，通过储能开关将太阳能电池板发出的电能馈入储能装置；当储能装置满状态时，太阳能电池板的发出的电能通过轨旁开关站的母线馈入上一级母线；当所述的母线上用电负荷需求较大时，储能装置的电能、太阳能电池板发出的电能和上级电网的电能共同馈入所述的母线向负荷供电。

所述的母线是直流母线时，所述的太阳能光伏发电装置包括太阳能电池板、DC-DC变换器、直流接入开关、直流储能开关和储能装置，所述的太阳能光伏电池板发出的电能经DC-DC变换器，通过直流接入开关接入所述的母线，与外部电网进来的电能共同向母线上的用电负荷供电；当太阳能电池板的发电量大于所述的母线上用电负荷的需求时，通过储能开关将太阳能电池板发出的电能馈入储能装置；当储能装置满状态时，太阳能电池板发出的电能通过本母线馈入上一级母线；当所述的母线上用电负荷需求较大时，储能装置的电能、太阳能电池板发出的电能和上级电网的电能共同馈入所述的母线向负荷供电。

所述的接入同样电压等级的磁浮交通供电系统母线的太阳能光伏发电装置具有完全一样的结构、设备型号和控制方式。

所述的太阳能电池板布置在磁浮轨道沿线的轨道梁的顶部和侧面，所述的太阳能电池板包括柔性太阳能薄膜电池和晶硅太阳能电池板，将所述的柔性太阳能薄膜电池直接布于轨道梁的顶部和侧面，利用薄金属面板固定；采用晶硅太阳能电池板布置于轨道梁的顶部和侧面，但采用晶硅太阳能电池板布置于轨道梁的顶部时，应 当考虑将磁浮轨道结构的功能键的滑行面相对于轨道梁的顶面适当抬起，使安装后太阳能电池板表面与功能键的滑行面基本处于同一高，满足安装的太阳能电池板不侵入车辆底部限界要求。

所述的太阳能电池板布置在磁浮轨道的声屏障上，形成具备隔声和太阳能发电功能的一体式结构。

所述的太阳能电池布置在磁浮轨道的线路两侧的绿地，采用晶硅太阳能电池板，借助支架结构固定；所述的太阳能电池板布置于车站顶部、轨旁开关站、轨旁变电所、主变电所或维修基地建筑物的顶面，利用薄金属面板固定；或采用晶硅太阳能电池板进行平行式或整体式布置，借助支架结构固定。

本发明具有以下特点：

1、本发明在磁浮交通供电系统的母线上接入太阳能光伏发电装置，采用沿轨道的分布式、混合电压等级结构。同样电压等级的磁浮交通供电系统母线的太阳能光伏发电装置可以采用一样的结构、设备型号和控制方式。

2、在磁浮交通供电系统的母线上接入太阳能光伏发电装置，与磁浮交通供电系统共同向负荷供电，是对供电系统的一种有效补充、减小沿轨道线路供电容量，降低损耗；当新建立磁浮供电系统时，可减少电网的功率配置。

3、本发明可以充分利用磁浮轨道交通基础设施及其附近的空间设置太阳能光伏电池板，不占用额外的空间，特别是利用轨道沿线的空间设置太阳能光伏发电装置，为沿线设备供电，输配电损耗低，降低或避免了附加的输配电成本，土建和安装成本低。

4、本发明可应用于其他与之类似的轨道交通，包括轮轨交通、各种磁浮交通的供电系统中。

附图说明

图1是实施例1光伏发电装置沿磁浮轨道的布置图；

图2是实施例2光伏发电接入高速磁浮交通轨旁变电所的框图；

图3是实施例3光伏发电接入高速磁浮交通轨旁开关站的框图；

图4是实施例4光伏发电接入高速磁浮交通功率模块的框图；

图5是实施例5光伏发电接入高速磁浮交通主变电所的框图；

图6是实施例6柔性太阳能电池布置于轨道梁顶部俯视图；

图7是实施例6晶硅太阳能电池板布置于轨道梁顶部俯视图；

图8是实施例7柔性太阳能电池与声屏障一体式结构主视图(含顶部空间)；

图9是实施例8晶硅太阳能电池板与声屏障一体式结构主视图(含顶部空间)；

图10是实施例8太阳能电池与声屏障一体式结构主视图(不含顶部空间)；

图11是实施例9晶硅太阳能电池板布置于线路两侧绿地局部平面图；

图12是实施例9晶硅太阳能电池板布置于线路两侧绿地局部剖面图；

图13是实施例10柔性太阳能电池布置于弧形屋顶建造图；

图14是实施例11晶硅太阳能电池板布置于平屋顶建造图(平行式)；

图15是实施例12晶硅太阳能电池板布置于平屋顶建造图(整体式)；

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明做进一步说明。但不应以此限制本发明的保护范围。

实施例1

请参阅图1，图1是光伏发电装置沿磁浮轨道的布置图，由图可见，本发明太阳能光伏发电接入磁浮交通供电系统的方法，其特点在于，在磁浮交通沿线敷设太阳能电池板，建立多个太阳能光伏发电装置，分别接入轨道沿线的轨旁开关站17、17’、19、19’、……，轨旁变电站6、6’、8、8’、10……，牵引变电所4和4’和主变电所2和2’的供电系统的母线。在磁浮轨道线路两端的主变电所2和2’及线路两端的牵引变电所4和4’内设置太阳能光伏发电装置1、1’、3、3’，沿着磁浮线路走向每隔一段距离便设置一个轨旁变电所6、6’、8、8’、10……，需在每一个轨旁变电所内设置独立的太阳能发电装置5、5’、7、7’、9……。沿轨旁布置的开关站17、17’、19、19’……内就地布置太阳能光伏发电装置18、20、22、24、26、28、……。所述的主变电所、牵引变电所、轨旁变电站、轨旁开关站内的太阳能光伏发电装置独立设置，接入同样电压等级的磁浮交通供电系统母线的太阳能光伏发电装置具有完全一样的结构、设备型号和控制方式。

实施例2

接入磁浮交通轨旁变电所的太阳能光伏发电装置可以是1、2或3个。图2为本发明实施例2太阳能光伏发电装置接入磁浮交通轨旁变电所的框图，包括3个太阳能光伏发电装置，其基本组成和连接方式如下。

在沿线设置的轨旁变电所内的母线46、48和40上分别接入太阳能光伏发电装置59、59’、53。

太阳能光伏发电装置59和59’具有相同的结构。太阳能光伏发电装置59包括：母线接入开关60、储能开关63、DC-AC逆变器61、太阳能光伏电池板62和储能装置64；将太阳能光伏电池板62发出的电能经DC-AC逆变器61、接入开关60接入公共母线，与外部电网共同向母线上的负荷供电，减少外部电网功率配置；当公共母线负荷不需要消耗电能而太阳能光伏电池板又可以发电时，通过开关63将该太阳能光伏电池板发出的电能馈入储能装置64；当储能装置64充满电后，太阳能光伏系统59发出的电能馈入外部电网29和30；当太阳能光伏电池板不能发电而公共母线有足够的电能时，通过开关60、DC-AC逆变器61、开关63将公共母线的电能馈入储能装置64；当公共母线需要电能时储能装置64的电能又可再馈入公用母线补充系统用电需求，减小电网为母线46和母线48配置的峰值功率。

母线46、48上分别接入的太阳能光伏发电装置59、59’可以通过母线联络开关47互相联通，相互充电，母线46、48上所接负荷大小基本一致。

太阳能光伏发电装置53包括母线接入开关54、储能开关57、DC-DC变换器55、太阳能光伏电池板56和储能装置58。

在沿线设置的轨旁变电所内其他不同电压等级和容量的独立的母线40接入太阳能光伏发电装置53；将太阳能光伏电池板56发出的电能经DC-DC变换器55、接入开关54接入公共母线40，与外部电网共同向母线上的负荷供电，减少外部电网功率配置；当公共母线上接的负荷不需要电能而太阳能光伏系统53又可以发电时，通过开关57将该太阳能光伏电池板发出的电馈入储能装置58；当储能装置58充满电后，太阳能光伏系统53发出的电能馈入外部电网29和30；当太阳能光伏电池板不能发电而公共母线有足够的电能时，通过开关54、DC-DC变换器55、开关57将公共母线的电能馈入储能装置58；当公共母线需要电能时储能装置58的电能再馈入公用母线补充系统用电需求，减小电网为母线40配置的峰值功率。

实施例3

图3为本发明实施例3：太阳能光伏发电装置接入磁浮交通轨旁开关站的框图，其基本组成和连接方式如下。

太阳能光伏发电装置71包括：母线接入开关72，储能开关75，DC-AC逆变器73，太阳能光伏电池板74，储能装置76。

在沿线设置的轨旁开关站内设有两条独立的进线65和66，65和66分别通过各自的进线开关67和68引入站内公共母线69，67和68进线开关互为冗余，同时只有一路工作。太阳能光伏发电装置71将太阳能光伏电池板74发出的电能经DC-AC逆变器73、接入开关72接入公共母线，与外部电网共同向站内母线69上的开关站内负荷70供电，减少外部电网功率配置；当公共母线负荷不需要消耗电能而太阳能光伏电池板又可以发电时，通过开关75将该太阳能光伏电池板发出的电能馈入储能装置76；当储能装置76充满电后，太阳能光伏系统71发出的电能馈入外部电网65和66；当太阳能光伏电池板不能发电而公共母线有足够的电能时，通过开关72、DC-AC逆变器73、开关72将公共母线的电能馈入储能装置76；当公共母线需要电能时储能装置76的电能又可再馈入公用母线补充系统用电需求，减小电网为母线69配置的峰值功率。

实施例4

接入磁浮交通牵引变电所的太阳能光伏发电装置可以为1或2个。图4为本发明实施例4：太阳能光伏发电装置接入磁浮交通牵引变电所的框图，接入2个太阳能光伏发电装置，其基本组成和连接方式如下：

太阳能光伏发电装置84和太阳能光伏发电装置84’结构相同，太阳能光伏发电装置84包括：母线接入开关89，储能开关88，DC-DC变换器87，太阳能光伏电池板85，储能装置86。

牵引变电所功率模块的直流母线上接入太阳能光伏发电装置84，将太阳能光伏电池板85发出的电能经DC-DC变换器87、接入开关89接入直流母线，与直流环节80共同向逆变器模块供电；当逆变器模块不需要消耗电能而太阳能光伏电池板又可以发电时，通过储能开关88将该太阳能光伏电池板发出的电能馈入储能装置86；当储能装置86充满电后，太阳能光伏系统84发出的电能馈入外部电网77和78或停止储能；当太阳能光伏电池板不能发电而母线有足够的电能时，通过接入开关89、 DC-DC变换器87、储能开关88将母线的电能馈入储能装置86；当母线需要电能时储能装置58的电能又可再馈入母线补充系统用电需求，以减小电网为母线77和母线78配置的峰值功率。

实施例5

接入磁浮交通主变电所的太阳能光伏发电装置可以是1个或2个，图5为本发明实施例5：太阳能光伏发电装置接入磁浮交通主变电所的框图，其基本组成和连接方式如下。

太阳能光伏发电装置108包括：母线接入开关109，储能开关113，变压器110，DC/AC逆变器83，太阳能光伏电池板114，储能装置112。太阳能光伏发电装置108’与108结构一致。

在主变电所内母线92上接入太阳能光伏发电装置108，将太阳能光伏电池板114发出的电能经DC-AC逆变器111、变压器110，接入开关109接入公共母线，与外部电网共同向母线上的负荷供电，减少外部电网功率配置；当公共母线负荷不需要消耗电能而太阳能光伏电池板又可以发电时，通过开关113将该太阳能光伏电池板发出的电能馈入储能装置112；当储能装置112充满电后，太阳能光伏系统108发出的电能馈入外部电网92和94；当太阳能光伏电池板不能发电而公共母线有足够的电能时，通过开关109、变压器110、DC-AC逆变器111、开关113将公共母线的电能馈入储能装置112；当公共母线需要电能时储能装置112的电能又可再馈入公用母线补充系统用电需求，减小电网为母线92和母线94配置的峰值功率。

母线94上接入的太阳能光伏发电装置108’，可以通过母线隔离开关93互相联通，相互充电，母线92、94上所接负荷大小基本一致。

对于太阳能电池布设的具体实施主要基于高速磁浮线结构，但同样适用于类似系统结构。主要考虑在沿线轨道梁、声屏障、线路两侧绿地、车站顶部和开关站、变电站、维修基地等建筑顶面进行布设。

1)沿线轨道梁

实施例6，参见图6和图7，高速磁浮轨道梁顶部总宽为2.8m，其中主体承重梁115宽1.78m，两侧功能键116部分总宽1.02m，轨道梁顶部及侧面具有广阔的空间，可考虑在其表面及侧面布置太阳能电池，为列车运行储存电能。功能键116部分顶面为滑行面，以备特殊情况下列车滑行使用。列车处于静停状态时，列车停留 在滑行面上，即列车底面与滑行面相接触，而与承重梁115顶面间有一定的间隙。故将太阳能电池布置于承重梁115顶面，根据太阳能电池的不同，可以采取两种方式，使其表面与滑行面处于同一高度，从而不影响列车运行。一是使用柔性太阳能薄膜电池118，其厚度仅为1mm左右，可将其直接布置于轨道梁顶部和侧面。采取如下步骤安装：1、将金属面板117固定在承重梁115顶面；2、将金属面板117表面的保护膜去除，清洗金属表面；3、将柔性太阳能薄膜电池118贴于金属面板117上并压实。二是使用晶硅太阳能电池板119，由于晶硅太阳能电池板119需硬衬底和边框结构固定，故其具有一定厚度，为将其应用于承重梁115顶面且不影响列车运行，加工时可将功能键顶面抬高，使其与晶硅太阳能电池板119表面处于同一高度。在轨道梁的侧面，可根据实际光照、结构及限界条件布设柔性太阳能薄膜电池118或晶硅太阳能电池板119。

2)声屏障

实施例7，参见图8，为减小磁浮列车运行对沿线居民生活的影响，在居民区附近的线路两侧可设置声屏障120结构，声屏障120本身需占有一定位置空间，为使其空间利用最优化，可将声屏障120与太阳能电池相结合，统一设计，使其同时满足隔声和太阳能发电两大功能。可采用柔性太阳能薄膜电池121和晶硅太阳能电池板124布置于声屏障上，实现具备隔声和太阳能发电两大功能的一体式结构的功能。对于柔性太阳能薄膜电池121采用与其应用于轨道梁顶面相同的方法固定，将薄金属面板固定在声屏障上，再将柔性太阳能薄膜电池121贴在金属面板上。

对于某些地段，为缓解车内乘客的压抑感，在声屏障上嵌入了透明玻璃122，使乘客视野在此基本不受阻碍，在此处安装太阳能电池时，应避开透明玻璃122，使其不被遮挡。对于线路上空，可考虑搭建弧形基础结构123，参见图8，在其上固定薄金属面板，并将柔性太阳能薄膜电池121贴于其上。同样，可以采用晶硅太阳能电池板124布置于声屏障120上，安装时避开透明玻璃122。

实施例8，,于晶硅太阳能电池板124不能任意弯曲和折叠，在利用线路上部空间时，需采用倾斜方式，建设倒锥形基础结构125，参见图9，再将晶硅太阳能电池组件124固定其上。由于其他外部条件限制，在无法利用声屏障处顶部空间时，参见图10，可考虑使用柔性太阳能电池121和晶硅太阳能电池板124两种方式与声屏障120相结合，统筹考虑，设计成一体式结构。

3)线路两侧绿地

实施例9，参见图11和图12，对于磁浮交通沿线两侧绿地128，高速磁浮交通要求两侧需留有一定范围的隔离带，如上海高速磁浮示范线两侧各留有25m宽的安全距离，两侧各规划了50m的防护带，内为绿地，故存在广阔的空间，可在其上布置太阳能电池，使其发挥更大的实用价值。由于绿地128空间较大，可考虑架设多组平行的太阳能支架130，在其上安装晶硅太阳能电池板组件127。

4)车站顶部

实施例10，参见图13，对于磁浮交通沿线或附近，建筑的顶面可根据不同形状(如弧形结构131等)进行布设，如上海磁浮示范线龙阳路车站顶为弧形结构131，为太阳能电池的布置提供了很好的基础条件。可以车站顶部弧形结构131为基础，直接在上面固定薄金属面板，再在其上贴上柔性太阳能薄膜电池132即可。

5)开关站、变电站、维修基地等建筑顶面

实施例11，对于磁浮交通沿线或附近，建筑的顶面为平顶的，如上海磁浮示范线沿线开关站、二个变电站、一个维修基地等建筑是保证磁悬浮铁路正常运行的不可或缺的建筑设施，这些建筑的顶面都为平顶结构，可在其上布置太阳能电池，增大其使用价值。参见图14，图15，在平顶建筑物顶面133架设太阳能支架134，根据实际情况，可采取多组平行式135布置和整块式136布置。

本发明解决了在磁浮交通系统中太阳能光伏电池板的布置、太阳能光伏发电,接入到磁浮交通供电系统的问题。在提高磁浮交通供电安全可靠的同时，使磁浮交通供电具有配置灵活、节能环保、节省输电设备、保护和节约土地的效果。