基于光伏發(fā)電系統(tǒng)的高鐵AT 所配電技術(shù)研究

李 昂，金 鈞，趙雨生，柳 宇，王 聰

0 引言

在國(guó)外，近年來(lái)太陽(yáng)能光伏電源已開(kāi)始由補(bǔ)充能源向替代能源過(guò)渡，并從偏遠(yuǎn)無(wú)電地區(qū)中小功率的獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)向并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的方向發(fā)展[1]，而把太陽(yáng)能發(fā)電應(yīng)用在鐵路牽引網(wǎng)系統(tǒng)的研究還比較少，本文探討的設(shè)計(jì)方案具有創(chuàng)新意義。為AT所增設(shè)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)作備用電源，可以有效減少因配電線路故障造成的經(jīng)濟(jì)損失，很大程度上提高了AT 所配電的安全性和穩(wěn)定性，保證機(jī)車的正常運(yùn)行。同時(shí)，利用綠色能源發(fā)電，可以減少污染，在節(jié)約用電成本的同時(shí)創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益，最終實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

1 高鐵AT 所配電系統(tǒng)

AT 供電方式是牽引網(wǎng)的重要組成部分。將AT所自耦變壓器（AT）按一定間隔距離跨接在牽引網(wǎng)的接觸網(wǎng)、正饋線和鋼軌間，起著支撐2×27.5 kV 饋電系統(tǒng)的作用。

如圖1 所示，牽引網(wǎng)AT 變電所（簡(jiǎn)稱AT 所）里的主要設(shè)備有自耦變壓器、斷路器、檢測(cè)裝置、母線排、開(kāi)關(guān)設(shè)備和空調(diào)機(jī)等，保證這些設(shè)備的供電是保證AT 所正常工作的基礎(chǔ)，是電力機(jī)車從接觸網(wǎng)獲得電能從而正常運(yùn)行的根本。AT 所由10 kV線路（三相工頻交流電）輸配電通過(guò)變壓器T1 變換為0.4 kV 工頻交流電為所內(nèi)設(shè)備供電，當(dāng)10 kV線路出現(xiàn)故障時(shí)，則選擇接觸網(wǎng)線路（單相工頻）經(jīng)過(guò)所內(nèi)變壓器T0 變換得到0.4 kV 工頻交流電。

圖1 AT 所結(jié)構(gòu)示意圖

由于AT 所地處野外地區(qū)，平時(shí)維護(hù)不便，周圍地勢(shì)空曠，有足夠的空間來(lái)放置設(shè)備。這就使得可再生能源發(fā)電系統(tǒng)給AT 所配電成為可能，具有代表性的就是太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)。

2 太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)

2.1 太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)組成

太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能電池組件、并網(wǎng)變流器、系統(tǒng)控制器和繼電器保護(hù)裝置組成。太陽(yáng)能電池組件由多塊太陽(yáng)能電池板串并聯(lián)組成，在陽(yáng)光的照射下將光能轉(zhuǎn)化為電能，是太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心部件。并網(wǎng)變流器將太陽(yáng)能電池輸出的直流電轉(zhuǎn)化為工頻交流電輸入電網(wǎng)，并網(wǎng)變流器有多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以選擇，不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在不同的應(yīng)用場(chǎng)合可以體現(xiàn)出各自的優(yōu)缺點(diǎn)。系統(tǒng)控制器保證了并網(wǎng)變流器的輸出與電網(wǎng)同頻同相，并實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能電池的最大功率點(diǎn)跟蹤。繼電器保護(hù)裝置保證了系統(tǒng)的運(yùn)行安全，在電網(wǎng)或光伏系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)切除，保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行[1]。

2.2 太陽(yáng)能光伏電池等效電路

圖2 為太陽(yáng)能電池的等效電路[2]。

圖2 太陽(yáng)能電池等效電路圖

則太陽(yáng)能電池的電流-電壓特性可以表示為

式中，I 為輸出電流；Ish為光生電流；U 為端電壓；Rs為太陽(yáng)能電池串聯(lián)等效電阻；Rsh為太陽(yáng)能電池并聯(lián)等效電阻；I0為反向飽和電流；q 為電子電荷，q = 1.6×10-19C；A 為二極管因子，取值為1～2；k為波爾茲曼常數(shù)，k = 1.38×10-23J/K；T 為絕對(duì)溫度，K。

3 AT 所增設(shè)太陽(yáng)能備用電源的設(shè)計(jì)方案

3.1 與電網(wǎng)相連接的光伏發(fā)電系統(tǒng)

圖3 為基于太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的AT 所配電結(jié)構(gòu)圖。在該系統(tǒng)中，并網(wǎng)逆變器將太陽(yáng)能電池板產(chǎn)生的直流電能轉(zhuǎn)化為和電網(wǎng)電壓同頻、同相的交流電能，同時(shí)還可以給蓄電池組充電，當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)所產(chǎn)生的交流電能超過(guò)負(fù)載所需時(shí)，多余的部分將送往電網(wǎng)。當(dāng)10 kV 線路出現(xiàn)故障時(shí)，接觸網(wǎng)線路投放使用并通過(guò)所內(nèi)變壓器T0 變換為0.4 kV電壓等級(jí)的電能為AT 所內(nèi)設(shè)備供電，而當(dāng)變壓器T0 出現(xiàn)故障或者接觸網(wǎng)線路出現(xiàn)故障時(shí)，則選用太陽(yáng)能光伏電池組件帶蓄電池組為所內(nèi)設(shè)備提供電能，這樣做理論上提高了AT 所配電的安全性和穩(wěn)定性。

圖3 基于太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的AT 所配電結(jié)構(gòu)圖

用太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)作AT 所的備用電源的優(yōu)勢(shì)在于太陽(yáng)能是可再生資源，取之不盡，而且無(wú)污染。太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)具有免維護(hù)性，并且可以通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，大大提高了用電的安全性和穩(wěn)定性。

3.2 以Z 源阻抗網(wǎng)絡(luò)為核心的光伏發(fā)電系統(tǒng)

圖4 為基于Z 源逆變器的光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。太陽(yáng)能電池發(fā)出不穩(wěn)定、不規(guī)則的直流電通過(guò)Z 源阻抗網(wǎng)絡(luò)送入三相橋式逆變電路，最后經(jīng)過(guò)LC 濾波電路送入電網(wǎng)（或負(fù)載）。實(shí)現(xiàn)將不穩(wěn)定的直流電轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定、規(guī)則的交流電。

Z 源阻抗網(wǎng)絡(luò)（Z 源網(wǎng)絡(luò)）由大小相等的2 個(gè)電感L1、L2和2 個(gè)電容C1、C2組成，并連接成形，將變換器和負(fù)載藕合在一起[3]。相對(duì)于傳統(tǒng)的變換器，Z 源阻抗網(wǎng)絡(luò)有以下優(yōu)點(diǎn)：由于Z 源網(wǎng)絡(luò)中沒(méi)有開(kāi)關(guān)元件，所以嚴(yán)格意義上不算一級(jí)網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)的效率必定提高；Z 源網(wǎng)絡(luò)的升壓功能是由逆變橋的貫穿短路實(shí)現(xiàn)的，其升壓比為1～∞，逆變器的調(diào)制比為0～1，所以系統(tǒng)的電壓轉(zhuǎn)換比可達(dá)到0～∞；Z 源網(wǎng)絡(luò)中的電容不起支撐電壓的作用，所以電容的耐壓和容量都可以減小，其結(jié)構(gòu)組成兩級(jí)LC 濾波，所以電感電容值都相應(yīng)減小，這不但使系統(tǒng)的體積成本降低，同時(shí)也降低了由電解電容帶來(lái)的系統(tǒng)可靠性問(wèn)題；Z 源變換器中的LC 網(wǎng)絡(luò)可以起到濾波的作用，改善輸出波形；由于Z 源變換器的存在，使后級(jí)逆變器的開(kāi)關(guān)管只承受電網(wǎng)電壓，所以開(kāi)關(guān)管的耐壓只需按網(wǎng)壓選取，避免了由于光伏陣列輸出電壓太高對(duì)開(kāi)關(guān)元件耐壓造成的嚴(yán)苛要求；Z 源網(wǎng)絡(luò)利用負(fù)載續(xù)流的時(shí)間升壓，所以逆變橋的貫穿短路對(duì)系統(tǒng)沒(méi)有損害，降低了對(duì)開(kāi)關(guān)管控制信號(hào)的要求，使系統(tǒng)的可靠性提高。

圖4 基于Z 源逆變器的光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.3 并網(wǎng)控制策略

太陽(yáng)能電池板輸出的是直流電，而電網(wǎng)則是50 Hz 的交流電，其中逆變器是整個(gè)系統(tǒng)最主要的環(huán)節(jié)，采用SPWM 控制技術(shù)，即正弦波脈寬調(diào)制逆變技術(shù)。根據(jù)電力系統(tǒng)準(zhǔn)周期并列的條件，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)工作時(shí)，為使并網(wǎng)裝置在并網(wǎng)工作時(shí)產(chǎn)生的沖擊減少，逆變器必須同時(shí)滿足以下條件：

（1）并網(wǎng)逆變器輸出電壓應(yīng)和電網(wǎng)電壓保持同相，通常情況下相位差應(yīng)小于10°。

（2）逆變器輸出電壓應(yīng)和電網(wǎng)電壓接近相等，壓差一般應(yīng)控制在10%以內(nèi)。

（3）逆變器輸出頻率應(yīng)和電網(wǎng)電壓頻率接近，頻差一般應(yīng)控制在0.4 Hz 以下。

太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)控制框圖如圖5 所示。該并網(wǎng)系統(tǒng)中包括光伏陣列MPPT 控制、DC/DC 升壓控制、DC/AC 逆變控制、電網(wǎng)電壓鎖相以及各種保護(hù)等控制部分[4，5]。

在光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)的主要工作如下：

（1）采集模擬量（直流、交流電流和電壓等）來(lái)監(jiān)控和控制。

（2）提供頻率、脈寬可實(shí)時(shí)改變的SPWM 信號(hào)給功率器件驅(qū)動(dòng)板。

（3）數(shù)字鎖相，檢測(cè)電網(wǎng)電壓的相位和頻率。

（4）自動(dòng)保護(hù)，接收功率器件發(fā)出的過(guò)流、過(guò)壓保護(hù)信號(hào)。

圖5 太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)控制框圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種以光伏發(fā)電系統(tǒng)作高鐵AT 所配電備用電源的設(shè)計(jì)方案。提高了高鐵AT 所配電的安全性和穩(wěn)定性，并探討了以Z 源阻抗網(wǎng)絡(luò)為核心的光伏發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，給出了光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)方案，從理論上分析研究了并網(wǎng)逆變器控制策略，從而改善了牽引網(wǎng)AT 所配電電能質(zhì)量。利用綠色能源創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。

[1] 盧婷.太陽(yáng)能發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2008.

[2] 楊金煥，于化從，葛亮.太陽(yáng)能光伏發(fā)電應(yīng)用技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[3] 王君惠.基于Z 源逆變器的光伏發(fā)電系統(tǒng)研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2010.

[4] Teodorescu，R.等著；周克亮，王政，徐青山譯.光伏與風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)變換器[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

[5] 王東嬌.太陽(yáng)能光伏發(fā)電控制技術(shù)研究[D].太原：中北大學(xué)，2010.