张新星
中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京，102611
铁路作为我国的主要交通运输通道，截至2021年底，中国电气化铁路总里程已达15万千米，电气化率为73.3%，电力机车保有量达1.35万台[1]。如果能够将绿色电能应用于铁路的生产生活系统，来替代部分或全部铁路用电电能，将为推动碳中和目标的实现提供很大的助力。目前，绿色电能在铁路中的应用主要集中在“网-源-储-车”及铁路贯通线中的技术研究[2]。对于绿色电能余电不上网情况下的绿色能源的应用研究却少之又少，而我国部分地区规定“配套建设的新能源项目，建成后生产的电量，需由新增用电负荷全部消纳”。基于以上前提，本工程以新疆某电气化铁路为例，对铁路沿线10kV配电所用电需求进行了详细分析，提出了多种绿色电能替代方案，并对比了各方案的收益比及可实施性，得出了最佳绿色电能替代方案，可为后期相似工程提供绿电方案思路。
新疆地区资源禀赋明显，风能资源总储量、太阳能年辐射照度总量均居全国前位。近年来，新疆大力发展绿色能源产业，先后建成多处新能源发电基地，截至目前，新疆电网绿色能源装机容量累计达到3806.425万千瓦，占新疆电网装机总量的34.64%，其中风电装机容量2490.825万千瓦、光伏装机容量1315.6万千瓦[3]。
新疆是我国少数几个风能资源丰富的省区，由于“三山夹两盆”的地形形成了新疆风多、风大的气候特点。其风能资源技术可开发量达到7.8亿千瓦，占全国技术可开发量的17%，排全国第二。新疆维吾尔自治区拥有丰富的太阳能资源，其长时间的日照和高水准的太阳辐射为光伏应用和太阳能资源的开发提供了有利条件，为新疆和全国的新能源发展提供了重要的资源基础[4]。
随着新疆清洁能源开发步伐的加快，疆电外送绿色能源占比逐步提高，新建地区开展电气化铁路电力系统绿电研究有先天性优势。
铁路10kV供电系统一般由铁路10kV配电所、10kV贯通线以及10/0.4kV变配电设备构成，主要为铁路沿线生产生活设备提供电能。单线电气化铁路每座10kV配电所容量在1500kVA～4000kVA不等。本次基于拟建铁路老爷庙—三塘湖—淖毛湖—烟墩铁路开展研究，该铁路全线电力负荷年用电量总计为134584MWh，典型配电所年用电量为16823MWh。单座10kV配电所日用电曲线如图1—图4所示。
图1 春季配电所负荷日用电曲线
图2 夏季配电所负荷日用电曲线
图3 秋季配电所负荷日用电曲线
图4 冬季配电所负荷日用电曲线
从用电特性曲线上看，随着季节的变化，配电所的日负荷量也随之变化。春夏季用电负荷较平均，秋冬季用电量较大。配电所整体用电时段全天覆盖，在早上8点～晚上7点之间，用电量居高不下，在晚间逐渐回落。
根据新疆地区绿色电能政策，配套建设的新能源项目，建成后生产的电量，需由新增用电负荷全部消纳。故本文仅研究绿电不上网的方案。
3.1 光伏全消纳不上网方案
本方案以绿色电能100%消纳、余电不上网为前提，测定配电所的安装容量。经仿真测算，拟按每个配电所附近设置2.7MWp装机容量，消纳率可接近100%。
采用PVsyst软件进行仿真模拟，全年各月逐时发电仿真曲线与用电曲线对比如图5—图10（上部紫色曲线为用户用电曲线，下部暗红色曲线为光伏出力曲线）所示。
图5 1 月典型日发电及用电曲线对比图
图6 3 月典型日发电及用电曲线对比图
图7 5 月典型日发电及用电曲线对比图
图8 7 月典型日发电及用电曲线对比图
图9 9 月典型日发电及用电曲线对比图
图10 11 月典型日发电及用电曲线对比图
利用PVsyst软件进行消纳计算。经模拟对比各个月日典型发电量与用电曲线之间的关系发现，每日光伏所产生所有电量均被用户全部消纳。
10kV配电所供电臂整体区间光伏装机容量为2.7MWp时，年均发电量4995878kWh，其中4967028kWh电量用于自消纳，其余弃用，自发自用率=4967028kWh/4995878kWh=99.4%。经测算本方案度电成本为0.2415元/kWh。投资财务内部收益率（所得税后）为10.43%，资本金财务内部收益率26.28%，方案收益比很高。
另测算3.5MWp自发自用率为97.7%，4MWp自发自用率为93.7%，可见2.7MWp光伏装机容量为最优方案。
3.2 风光储协同最大化替代外部电源方案
太阳能和风能在时间和地域上都有很强的互补性，阳光最强时一般风很小；
而在晚上没有阳光时，由于温差比较大，空气的流动导致风的形成。因此，本方案利用风光互补特性，配套储能系统进行研究。
本方案立足于余电不上网前提下，最大程度地解决全线电力负荷134584MWh年用电量的供给，每个典型区间为16823MWh用电量。经过测算，每个区间分别配置一组4MW风力发电+4MW光伏发电+2.4MW/19.2MWh磷酸铁锂储能系统。
根据10kV配电所供电臂整体用电特性，采用按季节调整的每日恒用电模型，进行测算如下。本次选取一个典型配电区间进行测算，测算模型按4MW风力发电+4MW光伏发电+2.4MW/19.2MWh磷酸铁锂储能系统配置。经过计算，此配置在理论上可极大程度地替代外电源网络，风光储三种发电方式相互补位，最大限度地将绿色能源应用于电力供应。这可以在一定程度上有效弥补铁路途经弱电源地区的电力资源不稳定问题。但本方案度电成本约为0.4334元/kWh。度电成本较高，经济性差[5]。
3.3 风光储协同部分替代外部电源方案
本方案在考虑方案一的全消纳及方案二的全绿电的基础上考虑相结合的方案三。本方案立足于全消纳的基础上，配以适当的储能做调节，尽可能实现较大比例的绿电替代规模。根据用电特性分析中的用电量可知，全线在光伏出力时段（7：00-16：00）的用电占比为50%，其余时段用电占比为50%。经测算，考虑布置2MWp的光伏装机容量，另配置2MW的风力发电，在光伏出力时段，风光出力1∶1配比，配合储能系统的作用，提供平滑的供电曲线。在非光伏时段，风机及储能系统协调作用，提供夜间电力保障。经过测算，每个区间配置一组2MW风力发电+2MW光伏发电+2MW/4MWh磷酸铁锂储能系统能够实现电能全部消纳，且度电成本小于0.3357元/kWh。
光伏全消纳不上网方案在绿色电能全消纳、无弃电、无需上网的前提下，经济性最好，但绿色电能替代率较低，仅为30%。风光储协同最大化替代外部电源方案采用风光储结合的方式，可100%替代铁路10kV电能，但因储能系统规模较大，经济性差。风光储协同部分替代外部电源方案：绿电率可达到43%，且投资回报率较好。综上分析，在单线铁路10kV电力系统中余电不上网情况下，绿色电能全部替代公共电网方案可实施性较差，风光储协同部分替代外部电源方案为优选方案。
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