周 超
（中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都 610031）
地铁作为缓解城市交通压力的重要设施，较好地解决了大城市日益严重的交通问题，但其本身耗能巨大。利用光伏发电技术可减少地铁对城市电网的用电需求，推动交通能源低碳转型，实现城市轨道交通行业绿色低碳可持续发展。分布式光伏发电技术由于其投资成本低、建设区域广、利用效率高、环境友好等特点得到大规模快速发展。深圳地铁6号线高架车站分布式光伏发电系统的成功应用为城市轨道交通如何利用绿色新能源建设降低运营能耗提供了参考。
深圳地铁6号线是深圳市轨道交通线网中位于中部发展轴的市域快线，串联龙华区、光明区和宝安区。线路全长37.626 km，其中高架段长24.616 km，地下段长5.647 km，过渡段长1.197 km，山岭隧道段长6.166 km。全线共设置20座车站，其中高架车站15座，地下车站5 座。高架车站沿道路路中或路侧布置，与周边建筑间距大，无遮阳影响，车站顶棚采用门式弧形钢结构网架形式，具备设置光伏发电系统基础条件。全线共12 座高架车站设置分布式光伏发电系统，装机容量为2.3 MWp。
2.1 光伏与车站建筑结合形式选择
光伏与建筑物的结合形式大体可分为两类[1]：一类是光伏方阵与建筑的结合，另一类是光伏方阵与建筑集成，也称为光伏建筑一体化设计。结合地铁高架车站特点，经全寿命周期成本分析，深圳地铁6号线采用光伏建筑一体化设计，车站建筑景观设计时充分考虑光伏系统要求，将光伏、建筑和美学融为一体，与城市景观相融合。光伏发电系统与地铁车站同步设计、同步施工，提高车站整体美观性。
2.2 屋面光伏与建筑结合方案
深圳地铁6号线在车站造型方案比选时充分考虑高架车站在通透、轻巧、节能及光伏组件安装等方面的要求，采用光伏建筑一体化设计。屋顶采用门式弧形钢结构网架形式，屋面外板选用直立锁边铝镁锰合金屋面板，屋面板每隔0.4 m设一道板肋。光伏组件整体平铺于车站顶棚，通过光伏支架固定在屋面板上，如图1所示。光伏支架采用专用夹具与铝镁锰屋面板肋固定连接，既保证光伏组件与屋面板结构的连接强度，也不影响屋面结构布置及防水，实现光伏发电系统与车站建筑完美结合[2]，如图2所示。
图1 高架车站建筑剖面图
图2 车站光伏建筑一体化实景图
深圳地铁6号线高架车站依据采光、遮阳、通风等功能需求进行的光伏建筑一体化设计为光伏发电系统与高架车站景观相融合提供了新思路。
2.3 太阳能光伏组件选择及布置
太阳能电池主要分为晶硅电池与薄膜电池。晶硅电池目前发展最成熟，商业化程度最高，市场占有率高达90%以上。晶硅电池可分为单晶硅电池和多晶硅电池[3]。薄膜电池优点是材料用量少、成本低，最大缺点是多数品种光电转化率比晶硅电池低。结合太阳能电池在转化效率、成本上的差异，通过全寿命周期成本分析，深圳地铁6号线采用转化效率达18.6%的高效单晶硅光伏组件，光伏组件尺寸为1 956 mm×991 mm×40 mm，单块光伏组件最大输出功率为360 Wp 。
深圳地铁6号线标准高架车站屋顶面积约2 800 m2，考虑到钢结构屋面受力、检修与维护等多种因素，光伏组件有效安装面积约1 500 m2，安装512 块单晶硅光伏组件，车站装机容量为184.32 kWp。光伏组件在屋面的平面布置如图3所示，每16块光伏组件构成1个光伏方阵，高架车站分布式光伏发电系统由32 个光伏方阵构成。
图3 高架车站屋面光伏组件平面布置图（单位：mm）
2.4 光伏方阵屋面钢结构受力条件
高架车站屋面光伏方阵采用专用夹具与铝镁锰屋面板肋固定，如图4所示，夹具固定点位选择在铝镁锰面板固定座的正上方，布置间距为0.4 m，与屋面板肋一致。光伏方阵荷载通过光伏支架传递给夹具，夹具将荷载传递到屋面板上，再通过屋面板下的檩条、钢梁传至车站屋顶门型钢立柱。
图4 光伏方阵在钢结构屋面固定实例图
深圳地区台风频繁，合理的光伏支架设计方案至关重要。利用SM Solver和SAP2000软件，建立光伏组件在车站屋面上安装的数学模型，对光伏组件与屋面连接方式间进行三维受力分析，计算光伏支架系统的夹具、支座、压块受力情况，提出分布式光伏系统对车站屋面的结构受力条件如下[4]：预留光伏系统荷载不大于0.4 kN/m2，单个支点夹具承受向上拉力不大于2.18 kN，向下压力恒载设计值0.33 kN、活载设计值0.4 kN；
屋面板夹具支座材料抗拉抗压和抗弯160 N/mm2、抗剪90 N/mm2；
光伏组件在屋面安装时需设有不小于2.5 cm的泄风口。
考虑列车进出站点所带来的振动问题，通过模拟计算和实测验证，优化光伏支架系统布置，采用特殊的防松动措施，使得支架系统不仅满足受力要求，同时还能适应深圳地区特有的台风灾害及列车运行振动等现实问题。深圳地铁6号线高架车站光伏支架系统夹具与屋面固定点分布如图5所示。光伏发电系统并网运行至今已近2年，经受了多次极端台风天气的考验，亦未发现因列车振动而出现支架系统松动情况。
图5 光伏支架系统连接夹具固定点位置图（单位：mm）
3.1 并网接入方式选择
光伏发电系统分为独立光伏发电系统和并网光伏发电系统两类[1]，后者不需配置蓄电池，从而使成本大幅降低。从供电可靠性及经济性角度，地铁高架车站宜选用并网光伏发电系统。根据地铁供电系统的特点，在35 kV交流侧、400 V交流侧和1 500 V直流侧可作光伏并网发电的接入点[5]。由于地铁车站用电负荷较大，可供安装太阳能光伏组件车站屋面的面积又有限，经计算，各车站日时发电量均小于日时用电量，仅能满足车站部分动力照明用电需求，故地铁高架车站光伏发电系统选择在400 V低压侧并网方式。
高架车站变电所设2台35 kV/0.4 kV配电变压器，低压供电系统采用单母线分段的主接线方案，正常情况下2台变压器各带一半用电负荷。为保证最大限度的优先使用光伏电源，选择在动力变压器低压侧出线与低压进线断路器上端之间的母线处为并网接入点，通过两段母线给车站动力照明负荷供电，维持两段母线供电平衡[6]，系统主接线如图6所示。
图6 高架车站分布式光伏发电系统主接线
结合系统装机容量，每座车站配置6台30 kW组串式智能逆变器，每台逆变器接入5～6个光伏方阵，采用2台5进1出的交流汇流箱，分成2个并网点，并网于车站2台配电变压器400 V低压侧母线上。车站动力照明负荷优先使用光伏电源，光伏发电量不足部分由地铁电网补给，光伏系统不能发电时由地铁电网供电。
在并网接入点设置并网监控装置，实时监测变电所400 V进线断路器的电压和电流，当出现通信故障或其他故障（变电所故障或光伏系统故障）时，并网监控装置控制光伏交流并网断路器断开并隔离光伏发电系统与车站供电系统，避免故障扩大或相互影响，确保供电的可靠性。
3.2 对地铁供电系统可靠性的影响
地铁车站光伏发电成珠链式独立分布，各车站光伏发电系统分别接入本站供电系统低压侧后，地铁供电系统网络结构由2路市政电源接入变为多电源接入结构。经潮流计算和模拟分析表明，分布式光伏发电接入车站低压侧后，前端线路负载率略有下降，但不影响供电系统潮流方向；
光伏发电接入后系统短路容量增大，短路电流随之增大，进而提高了保护装置灵敏度[5]。因此，地铁供电系统原有保护配置满足光伏发电系统接入后的稳定运行要求。
深圳地铁6号线充分利用地铁综合监控系统、能源管理系统、乘客资讯系统和通信传输通道对各车站光伏发电系统进行管理。车站光伏发电监控系统通过车站级综合监控系统、能源管理系统，利用地铁通信传输系统连接至控制中心级能源管理系统，对光伏发电系统的运行状态、设备参数、环境数据等进行监视、测量和控制，对当前和历史发电量、节能减排情况进行对比统计分析，对全线光伏发电数据进行整合，为运营、检修、管理等提供全面、便捷、差异化的数据和服务，为进一步优化提供实际数据支持。
5.1 防雷接地设计
高架车站光伏发电系统设备的保护接地、工作接地、屏蔽接地及防雷接地共用车站综合接地系统，接地电阻不大于 4 Ω[7]。
屋面光伏系统采用50 mm×5 mm的热浸锌扁钢组成不大于10 m×10 m或12 m×8 m的接闪器，接地扁钢与屋面预留接地端子可靠焊接。光伏组件采用接地线相互连接，并不少于2点与光伏支架可靠连接，支架不少于2点与扁钢网格可靠电气连接；
屋面监控、环境监测仪支架和冲洗给水管等金属构件与接地扁钢网格可靠电气连接。在光伏逆变器、交流汇流箱和并网柜中逐级加装防雷浪涌保护器，实行多级防雷保护[8]。
5.2 屋面检修与维护通道设计
屋面检修与维护通道布置在屋面采光天窗四周等人员通行区域（如图2中的黄色区域），方便工作人员安装和维护光伏组件，提高光伏组件安装和维护的安全系数。
检修和维修通道包括固定支架和人行板，通道距光伏组件水平距离约200～300 mm，高出光伏组件0～100 mm。人行板采用400 mm宽树脂格栅材料，采用光伏专用夹具和角钢固定安装。
5.3 光伏组件清洁设计
由于光伏组件表面受车站周边环境影响积灰过多会降低系统发电量，因此屋面光伏组件需定期清洁。深圳属于多雨地区，采用的光伏组件具有自洁功能，在自然雨水后可自行达到清洁状态，在长期未下雨时可由人工冲洗屋面光伏组件。
屋面两端预留给水接入条件，水压满足在屋顶清洁的要求。对于不满足条件的车站在站台增设给水管道泵，在屋面沿采光天窗四周布置DN50不锈钢水管，安装12个水龙头，以便接管清洗。
5.4 屋面监控设计
为方便运维人员掌握屋面光伏组件日常情况，在屋面设置2处视屏监控高清摄像头，可对屋面光伏设施进行无死角监视。同时，在屋面设置1套环境监测仪，可对环境温度、太阳能辐照强度、风速等气象数据进行监测。屋面视频监控和环境监测数据均接入光伏发电监控系统，在车控室通过综合监控系统也可方便查看车站屋面光伏发电系统情况。
深圳地铁6号线12座高架车站分布式光伏发电系统于2020年8月正式并网运行，运行实测数据表明光伏发电量可满足高架车站约30%的动力照明用电需求，在高峰发电时段甚至可提供80%以上的用电量。该光伏发电系统年发电约234万kW · h，25年设计寿命期内预计总发电量5 856万kW · h，减排二氧化碳58 400 t，纯经济收益达5 000万元以上，可实现经济与生态双丰收。
随着国家双碳目标的设立，光伏发电系统成本的进一步降低，“光伏+轨道交通”更具有广泛的经济效益和显著的社会效益。深圳地铁6号线高架车站分布式光伏发电系统的创新设计和并网发电，填补了太阳能光伏发电在城市轨道交通高架车站中规模化应用的空白，为小容量、分布式光伏发电系统在城市轨道交通中的进一步推广应用提供了示范案例，对城市轨道交通节能减排、降低运营成本具有重要意义，对推动分布式光伏发电系统在我国城市轨道交通中的应用起到引领和示范效应。
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