城市轨道交通绿色能源融合实践

　　一、实施背景

　　(一)政策与战略导向

　　习近平总书记在第七十五届联合国大会一般性辩论上明确提出“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”。交通运输行业作为能源消耗和碳排放的重点领域，其绿色低碳转型进程直接影响“双碳”目标的实现节奏。据《中国交通运输领域碳达峰碳中和专项规划》数据显示，交通运输行业碳排放占全国总碳排放的10%以上，其中城市轨道交通虽属“绿色出行”范畴，但自身运营过程中的能源消耗，尤其是电力消耗仍需进一步优化。上海市交通委、市发展改革委在2023年共同研究制定了《上海市交通领域碳达峰实施方案》，提出综合运输更加高效联运，出行服务体系更加绿色，能源利用效率持续提升，清洁低碳能源得到广泛和深度利用，实现交通领域各方式碳排放梯次达峰。上海地铁在此基础上研究编制了《上海地铁服务“碳达峰、碳中和国家战略”绿色城轨行动方案》，从整体到局部，从服务到建设，从企业到行业，提出六项重点任务，目标全面建成高品质城市轨道交通网络，成为绿色出行引领者，积极打造绿色低碳产业体系，成为绿色交通先行官。

　　图1 “上海地铁+光伏模式”融合模式

　　截止至2024年底，上海地铁运营线路达21条，运营里程突破831公里，日均客运量超1000万人次。庞大的运营规模带来了巨大的能源消耗，2024年上海地铁总用电量超过28亿度。与此同时，上海城市核心区域土地资源稀缺，传统集中式光伏电站因占地面积大、选址受限等问题，难以在城市内部大规模布局。在这种形势下，上海地铁拥有着丰富的车辆基地、高架车站空间资源，这些建筑屋顶具备光照条件稳定、靠近用电负荷中心等优势，为分布式光伏的规模化应用提供了独特且优质的场景。

　　(二)技术痛点亟待突破

　　分布式光伏的规模化应用面临三大核心技术难题，总结如下：

　　(1)分布式光伏在轨道交通供电系统中规模化“消纳难”。上海地铁采用集中式供电，传输路径长、负荷变化率快等特征;而分布式光伏存在集中度低、发电能力不稳定、接入成本差异大等问题。因此，实现分布式光伏的高效利用和全额消纳是规划化应用分布式新能源需面临的技术挑战。

　　(2)规模化的分布式光伏发电系统的能效状态“评估难”。多点分布式光伏系统建设运行是一个复杂的动态协同过程，不同运行场站的无功电压条件不同，不同外界条件影响下的发电效率不同，不同功率阶段的能量转换效率也不同。因此，准确评估各场站光伏系统能效，提出量化评估方法是当前需要研究的重要技术问题。

　　(3)全寿命周期分布式光伏资产运行维护“管理难”。分布式光伏系统大多利用屋面密集安装、运行维护不便，故障发现不及时，容易发生过热和短路风险，甚至导致严重的设备损坏和系统性事故。因而，要及时掌握光伏系统核心组件的状态，及时发现潜在缺陷，适时开展维护改造，保证光伏资产的技术经济性最大化。

　　二、主要做法

　　(一)总体思路与方案

　　鉴于以上技术难点，上海地铁重点攻关研究，在规划阶段，重点分析轨道交通负荷的特性，通过时间和空间参数进行叠加，建立轨道交通的综合用能模型，研究光储协同的规划思路方法;在设计阶段，开发地铁供电网络与电力网的融合的潮流计算技术，建立光伏波动、功率变换装置和多种负荷模型，研究不同目标下的多元素联合调度方法、策略、调整原则、调整阈值等，形成高效的调度技术;在运行阶段，重点研究新能源高比例接入条件下信息共享、需求响应、应急供电等方面的具体控制技术，不断提高轨道交通的能源自洽率;针对工程实践需求，建立针对新能源接入能力的评估指标体系和工作流程，形成工程建设方面的闭环。总体技术框架如下：

　　图2 总体技术框架

　　(二)关键技术创新点

　　1. 轨道交通大规模分布式光伏建设优化设计研究

　　 建设我国首个城市轨道交通分布式光伏工程开创行业先河

　　 提出分布式光伏分级接入和分层消纳的接入技术准则

　　 提出核心部件的技术要求保障光伏系统全寿命周期性能

　　2. 分布式光伏逆变器量化评估及补偿方法研究

　　 提出基于知识驱动技术的光伏逆变器能效量化评估的方法

　　 发明储能支撑条件下的光伏逆变环节动态无功补偿方法

　　 提出直流电压补偿技术的光伏发电效能提升策略

　　3. 轨道交通光伏系统故障智能化检测关键技术体系

　　 基于弹性变形数据增强技术，建立光伏组件故障特征数据集

　　 试点应用自带AFCI检测功能与IV曲线自动扫描的光伏逆变器

　　 建立光伏方阵与光伏组串映射关系

　　4. 城市轨道交通分布式能源协同自洽及主动支撑技术

　　 建立适用于高比例新能源渗透下的城市轨道交通能源高效利用和负荷高适应性的自律协同技术体系

　　三、实施成效

　　上海地铁深入贯彻落实绿色发展理念，积极“地铁+光伏”模式融合创新，在交通领域为实现“双碳”目标，贡献了积极的力量。

　　(一)光伏覆盖规模持续扩大。上海地铁于2013年试点建设了我国第一个城市轨道交通分布式光伏工程，是轨交行业首个国家金太阳示范项目;于2019年成立我国轨道交通行业内首家地铁新能源公司。目前在19个地铁车辆基地建设了20座分布式光伏电站，光伏装机容量已达62.4MW，光伏投运规模居行业领域之首。

　　图3 上海轨道交通全网光伏工程分布龙阳路基地航拍图

　　(二)清洁能源效益显著提升。上海地铁整体光伏工程年发电量可达6500万千瓦时，节约标准煤Tc1.8万吨，减排CO2 2.7万吨，通过“自发自用、余电上网”模式，不仅满足了站场部分负荷需求，还实现了能源结构的优化，提升了整体运营的环保水平。

　　(三)光伏应用模式不断创新。以龙阳路基地光伏工程为例，根据现场条件定制化设计，红色铜铟镓硒薄膜组件拼布出上海地铁标志logo，是该类型组件在上海轨交系统内的首次应用。以封浜基地光伏工程为例，为我国首条全线以绿色三星级标准进行设计和建设的轨道交通示范线路，光伏与建筑同步规划设计、同步建设，同步投入运营。以3号线东宝兴路车站高架车站光伏项目为例，用轻柔组件粘贴的方式，是上海地铁高架车站的新场景应用，也是完成迈向绿色交通的又一个重要里程碑。

　　(四)运营成本优化效果明显。上海地铁建设光伏工程发电有效降低了地铁系统的用电支出，除了减少从电网购电的规模，降低核心能耗成本，年均节约电费超四千万元，还能有效提升车辆基地“空闲”屋顶利用率，同时对于光伏的后期运维成本较低，可与轨道交通现有供电系统结合实现能源高效调配，长期来看能持续稳定优化运营成本，增强了地铁项目的全生命周期经济性。

　　(五)光伏项目示范效应凸显。以北翟路基地光伏工程为例，该项目是在不破坏基地内地铁2号线运用库屋顶原有绿化面积基础上，架高加装光伏发电系统，是“绿色地铁+绿化屋顶+绿色发电”叠加应用的上海首创模式。以三林基地光伏项目为例，其被列为首批上海碳普惠示范项目，上海市生态环境局核发对应减排量，在上海环境能源交易所以挂牌竞价的方式出售该减排量，成交价格65.88元/吨，为碳普惠机制的推广提供了实践经验。

　　图4 上海轨道交通北翟路绿化屋顶光伏示范项目

　　(六)社会影响力持续彰显。上海地铁光伏工程的建设，受到了社会各界的广泛关注，中国外交部发言人华春莹女士，在其官方社交媒体上点赞了上海地铁光伏项目，相关案例也获央视、《人民日报》、美国CNN电视频道等主流媒体专题报道，不仅为城市公共设施低碳升级提供了鲜活样本，让绿色发展理念更深入地走进公众视野，也提升了上海作为国际化大都市的可持续发展形象。

　　四、未来展望

　　(一)规模拓展：继续推进“全域光伏”布局

　　上海地铁计划未来分布式光伏装机容量提升约21.6MW，未来可突破100MW。同时结合光伏新产品的应用，继续拓宽光伏在上海轨道交通领域的应用场景，继续扩大光伏应用装机规模。重点推进以下工作：

　　1. 空间维度：从“重点区域”到“全场景覆盖”

　　对已建成的轨道交通车辆基地，做到光伏工程“能加尽加”;对新建基地，做到光伏工程“能上尽上”;同时研判其它碎片化区域如建筑楼顶、声屏障、隧道出入口等，实现“见缝插针”式新能源开发;同时研究上海地铁光伏建筑一体化，实现从“建筑附加光伏”到“光伏即建筑”的转变。让光伏从“后期加装”变为“同步建设”，最大化挖掘交通场景的能源潜力。

　　2. 规模维度：从“单点试点”到“网络化联动”

　　推动上海地铁光伏工程向区域化、网络化发展。研究串联沿线车辆段、站点、楼宇等光伏系统，收集光伏发用电数据，形成“线路级光伏能源网络”，同时探索网络化光伏资源联动，通过统一调度平台整合不同线路、不同区域的光伏发电，提升整体能源供应稳定性，放大规模效应。

　　(二)技术升级：精准聚焦“智慧能源”融合

　　1. 发电效率优化：聚焦“高效组件 + 智能运维”

　　探索新一代高效光伏组件，研究新型组件材料，在相同空间内提升发电量，适配轨道交通能耗特点规律;同时提升光伏检测运维能力，应用无人机巡检、AI故障预警等智能运维技术，实时监测光伏板清洁度、电路运行状态，减少人工运维成本，降低设备故障停机率，保障发电效率稳定。

　　2. 能源管理升级：打造“光储充用”一体化系统

　　研究光伏与储能、充电桩、智能调度等深度融合。在适用性场景下研究“光储直柔”技术，解决光伏发电“间歇性”问题，将光伏系统与基地民用车辆充电设施、站内其它动照系统联动，建立智能能源管理平台，实现“供能-储能-用能” 的动态调配，让能源利用更高效、更精准。

　　(三)行业引领：持续构建“绿色交通”生态

　　1. 标准输出：制定轨道交通光伏领域专项规范

　　联合行业协会、高校等机构牵头制定普适性的轨道交通光伏工程标准建设规范、施工规范、运维规范等，明确光伏组件技术要求、安全防护、能源计量等关键指标，将上海地铁迄今为止的实践成熟的技术方案、管理模式总结提升，向全国乃至全球轨道交通行业推广。

　　2. 生态联动：推动“跨领域协同”发展

　　继续加强与电力行业、光伏企业、储能厂商、能源服务商的合作，探索构建“轨道交通+新能源”产业联盟可行性，共同研发适配轨道交通场景的专属技术理念产品，对接城市电网、绿电交易平台，推动轨道交通光伏能源参与双碳认证与交易，不仅为自身降本增效，还能为上海低碳能源体系提供支撑，助力“交通-能源”跨领域绿色生态构建。