基于光储微电网的公交自洽枢纽

第一章 绪论

1.1课题的背景及意义

自2015年开始，北京市交通委公交处便开始在全市推广“公交自洽枢纽”试点项目，要求公交企业根据实际情况制订公交枢纽站运营管理方案或服务方案，在规定时间内向市交通委进行申报审核并及时备案。 2015年底，北京市已有7家企业取得了“公交自洽枢纽”项目的批复。2017年2月19日，北京市交通委、市交通委联合发布《关于在本市开展公共交通枢纽建设工作的指导意见（试行）》（京交公交发〔2017〕1号），提出在全市推广“公交自洽枢纽”建设工作。

从基础设施的发展趋势出发，建立了公交枢纽集成网的新模型；提出了一种新型的可再生能源综合利用体系，分析了当前和今后15年内电力自洽率、能源自洽率、可再生能源渗透率、整个运输过程中的二氧化碳排放量等指标，以期为规划今后15年的交通与可再生能源的融合创新发展进程指出明确方向和演进路径。

1.2 本文主要研究内容

近年来，我国城市公交枢纽建设发展迅速，与之配套的供电设施也在逐步完善，部分城市的公共交通枢纽由城市供电局负责供电，部分由政府投资建设。随着公交枢纽数量的不断增加、规模的不断扩大，在电网规划、建设管理、运行维护等方面都需要更高的标准，而供电系统作为公交枢纽正常运行的重要保障之一，其设计也需更加注重整体的协调性与合理性。鉴于此，本文分析了当前部分一线城市公共交通枢纽的供电系统情况。通过对当前公共交通枢纽供电设施现状和其规划设计过程中存在问题进行分析，为我国城市公交枢纽供电系统设计提供参考。本研究的主要应用领域包括：发电、电力分配、储能三大部分，而电力分配则是电力市场的一个重要组成部分。合理布局的分布式能源不仅能够“削峰填谷”，减少配电网络的负荷，而且能够有效地解决由于其随机因素对电力系统的安全性和经济性的不利影响。

1.3 课题的前景

除了传统意义上的太阳能发电站和分布式的屋顶光电池之外，它也可以被广泛地运用到建筑，农业，渔业，公共设施，景观建设等领域。这种混合和跨国的模式，既可以实现太阳能光伏电站的清洁生产，又可以实现经济发展与生态环境的双重保障；同时，通过对新能源发展的有效、集约化的方式，可以为新能源发展提供更多的用地。

在为上海公共交通提供便利的虹桥公路交通枢纽的基础上，有一座巨大的停车场，每日有大量的公共汽车进出，同时也是一座隐蔽的“发电厂”，这个位于停车场顶部的分散太阳能电站仅仅是上海公共交通中心众多带有“自来电”的停车场之一。上海公共交通中心的“川沙”、“封浜”、“九亭”三大电站的屋面太阳能发电系统已基本建成，这三个电站的装机规模为12.4 MW，建成投产后，可实现年发电能力为117百万度，年节省标准煤3370多万吨，年减少二氧化碳9220 t，具有十分重要的意义。

第二章 光伏发电与储能

2.1 光伏发电绪论

2.1.1光伏发电概述

光伏发电是一种新型的利用可再生能源发电的技术，可用于供电、照明、交通、新能源等方面，其与传统的发电方式相比，光伏发电有很多优点，因此被人们寄予厚望。它的基本结构由玻璃、硅基体和金属电极三部分组成。根据光伏电池的工作原理及其在太阳能电池中所处的位置不同而分为单晶硅光伏电池、多晶硅—单晶复合光伏电池和多晶硅—多晶复合光伏电池。通过将太阳能板连接在一起，可以将太阳能板组装在一起，形成一个巨大的太阳能板，然后通过电源控制器等元件，组成一个太阳能电站。

2.2 光伏发电研究

2.2.1 光生伏特效应

当光照到器件表面时，器件表面的光会被器件表面的光所吸收，从而使器件表面的光电转换效率提高，从而使器件表面的光电转换效率提高。在此基础上，利用外场诱导的空间电荷使其在界面处的电子与空穴进行再结合。在区域 N中，电子移动到区域 N中，而区域 N中，空穴移动到区域 P中。由于该界面层电荷的隔离，使得 P区域与 N区域间形成了一可测的外部电压。这时可以在晶圆的两侧添加一个电极，并与伏特计相连。对于晶硅太阳电池而言，其开路电压一般在0.5-0.6 V之间。随着载流子注入量的增加，在此过程中，载流子注入的载流子数目愈多，其注入的载流子就愈多。由于有更多的光能被界面膜所吸附，因此，界面膜也就是电池的表面就会有更大的面积，从而产生更大的电流。

2.2.2 光伏电池数学模型

 用一个等效回路来仿真太阳能电池的工作状况[1]。当光的亮度一定时，太阳能电池的输出是固定的，其输出电流 Isc恒定不变，等效来看，可以将其作为恒流源，光电流流经负载后，在其两端产生端电压U ，从而形成一个与光的反向的暗电流Id，其方向与光电流相反。为使该等值的电阻器 Rs与并联电阻器 Rp更加符合真实的情形，将该等值的电阻器 Rs与并联电阻器 Rp加入到该等值的电阻器中，如图2-1所示。

 

图2-1 光伏电池等效模型

在该表中， Isc是光产生的电流；Ip是在一个并联电阻器中流动的电流；Id是在一个等效逆二极体中流动的一个电流；I是光电单元的负荷电流；U是作为负荷电压的光电单元的输入电压；Rs是一个当量的等效串级电阻器，是一个当量的等效并联电阻器。

如图2-1所示，通过对 PV的等效回路推导出 PV的输出电流表达式：

              (2-1)

 

流过等效反向二极管的电流一般用式（2-2）表示：

                 (2-2)

 

式(2-2)中，为二极管反向饱和电（(取=8*10e4A):U为负载端电；;T为华氏温：:K为玻耳兹曼常；;q为电子电；;A为P-N 结的理想因子，当T=300K 时，取值2.8。

对式（2-1）中的Ip有：

 

                           (2-3)

将式（2-2）和（2-3）代入式（2-1)，可得光伏电池输出电流表达式为：

           (2-4)

 

式（2-4）为光伏电池在物理学中应用的基本解析表达式，目前也已在较多的光伏电池的理论分析中受到应用[2]，因为式（2-4）中 A、和Rs不是生产厂家给出的官方参数，这些参数与实际工作状态中电池温度和光照强度等因素有关，因此不适用于复杂光伏发电系统工程设计。

2.2.3基本要素

光伏组件的基本要素主要包括：太阳能电池板、蓄电池、逆变器和电缆。其中，太阳能电池板是光伏组件的核心部分，其质量好坏直接决定了光伏发电系统的效率。

2.3 储能系统研究

2.3.1 储能发展

中国能量存储协会（CNESA）不完整的数据显示，到2020年末，世界上在运营的储能系统总装机容量达到了191.1 GW，同比增加了3.4%。在这些机组中，累计装机容量为172.5兆瓦，较上年同期增加0.9%，与上年同期相比，累计装机容量比为90.3%；其次是累积装机量，为14.2 GW，占总装机量的7.5%；在所有的电解存储技术中，锂离子电池是最大的一种，它已经超过了10 GW，达到了13.1 GW，占到了92.0%的份额。

2.3.2 蓄电池数学模型

蓄电池是光伏发电储能系统中储存能量的重要组成部分，它的选用和使用将会对太阳能电池的工作特性产生很大的作用。在光伏发电储能系统的实际运用中，若从电池的使用年限等方面来看，其费用与光伏电池的费用是非常接近的。所以，选择合适的电池，优化其储能策略及调控技术，可以达到降低系统造价的目的[3]。当前，太阳能电池主要有铅酸电池、镍镐电池、镍氢电池和锂离子电池。表2-2给出了太阳能电池在太阳能发电中的应用情况。

表2-2 光伏系统常用蓄电池性能比较

性能指标	单位	铅酸电池	镍镉电池	镍氢电池	锂电池
电压	V	2	1.2	1.2	3.7
重量比能量	Wh/kg	30-45	40-60	60-80	110-190
体积比能量	Wh/L	60-90	100-150	150-200	200-500
循环寿命	次	300-500	500-1000	500-1000	500-2000
月自放电率		45%	20-30%	30-35%	<5%
有害物质		铅	镉	无	无
单位成本	元Wh	1-1.5	3	4-5	6
安全性		良好	优秀	好	优秀
充电速度		中	较快	较快	较快
使用成本	元度	低，3.29	低	中，9.84	高，10.43
环保性		差	差	中	中

在太阳能光伏发电的储存系统中，对于储存环节的蓄电池容量，要综合考量：负载容量，放电深度，变换器损耗的效能等。用下面的方法来选取电池的容量[4]。

                        (2-5)

式中，C为蓄电池容量（kWh)；F为是（一般用1.05表示的）效率修正系数；D为以h表示的最大非照明电力消耗的最大时间；P为以kW表示的负载能力；L维护保养率（取0.8)；K为变换器损耗率（取0.8)；U为放电深度（取0.5)。