光伏發(fā)電系統(tǒng)接入城市軌道交通供電系統(tǒng)模式研究*

倪衛(wèi)標(biāo)沈小軍趙時(shí)旻張 翼

（1.上海鐵路局供電檢測所，200071，上海；2.同濟(jì)大學(xué)電氣工程系，200092，上海；3.上海申通地鐵集團(tuán)有限公司，201103，上?！蔚谝蛔髡?，工程師）

光伏發(fā)電系統(tǒng)接入城市軌道交通供電系統(tǒng)模式研究*

倪衛(wèi)標(biāo)1沈小軍2趙時(shí)旻3張 翼2

（1.上海鐵路局供電檢測所，200071，上海；2.同濟(jì)大學(xué)電氣工程系，200092，上海；3.上海申通地鐵集團(tuán)有限公司，201103，上海∥第一作者，工程師）

城市軌道交通具有應(yīng)用分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的廣闊空間。以上海城市軌道交通為例，開展了光伏發(fā)電接入城軌交通供電系統(tǒng)的可行性與并網(wǎng)方式研究。理論計(jì)算及仿真分析結(jié)果表明，光伏發(fā)電接入城軌交通供電系統(tǒng)是可行的。光伏發(fā)電系統(tǒng)接入城市軌道交通供電系統(tǒng)具有交流并網(wǎng)和直流并網(wǎng)2種模式。交流并網(wǎng)模式具有控制策略簡單成熟的優(yōu)點(diǎn)；直流側(cè)并網(wǎng)模式通過控制策略優(yōu)化補(bǔ)償牽引網(wǎng)電壓減少接觸網(wǎng)損耗，具有提高城軌交通牽引供電質(zhì)量和節(jié)能的雙重作用。

城市軌道交通；光伏發(fā)電；交流并網(wǎng)；直流并網(wǎng)；節(jié)能

First-author'saddressElectrical Detection Department of Shanghai Railway Bureau，200071，Shanghai，China

隨著城市軌道交通（以下簡稱“城軌”）的快速發(fā)展，城軌已成為城市的主要耗能大戶，其節(jié)能減排問題日益突出。光伏發(fā)電作為一種清潔能源，具有無污染、無噪聲的特點(diǎn)，隨著技術(shù)的進(jìn)步，其應(yīng)用領(lǐng)域在不斷擴(kuò)大。德國、荷蘭、奧地利等國家已經(jīng)開展了沿高速公路沿線安裝光伏聲屏障，并就地利用的研究［1］。城軌沿線所建的停車場、車輛段以及高架線路，其場地上的優(yōu)勢為光伏發(fā)電系統(tǒng)在城軌中的應(yīng)用提供了廣闊的前景［2-3］。實(shí)現(xiàn)光伏的終端利用對城軌和整個社會的節(jié)能減排，均具有重要的意義，因此有必要開展光伏發(fā)電系統(tǒng)在城軌供電系統(tǒng)中的相關(guān)應(yīng)用研究。

1 光伏發(fā)電應(yīng)用可行性分析

城軌沿線所建的地面停車場、車輛段，以及高架線路兩側(cè)、建筑物屋頂，其場地上的優(yōu)勢可以作為分布式光伏發(fā)電應(yīng)用的新興平臺［4-5］。以上海軌道交通3號線高架線路為例，典型牽引變電站間距離3 km，設(shè)置光伏電池與法線夾角α=27°，參照圖1中所示的尺寸及安裝方式，單側(cè)可安裝面積為8 417.4 m2，上下行雙側(cè)可安裝面積為16 834.8 m2。

圖1 光伏電池板安裝示意圖

按每平米太陽能電池板的安裝容量100 W，面積利用率50%計(jì)算，則兩站間高架路段裝機(jī)直流容量可達(dá)841.7 kW。上海地處中國長江三角洲前緣，位于北緯31度14分，東經(jīng)121度29分，平均氣溫16℃左右，年日照時(shí)數(shù)1 665.3 h，年平均日輻射量12 317.8 kJ/m2［6］。根據(jù)熱功當(dāng)量1 k Wh= 3 600 kJ，將日輻射量換算為標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)（1 000 W/m2）下的平均日輻射時(shí)數(shù)為3.4 h，那么一個典型牽引變電站間隔年平均發(fā)電量為1 044 599.3 k Wh。不僅實(shí)現(xiàn)了可再生能源的就地利用，還能有效降低電能傳輸損耗。

據(jù)統(tǒng)計(jì)：每節(jié)約1 k Wh電，就相應(yīng)節(jié)約了0.4 kg標(biāo)準(zhǔn)煤，減少0.272 kg碳粉塵、0.997 kg二氧化碳（CO2）、0.03 kg二氧化硫（SO2）、0.015 kg氮氧化物的排放，節(jié)約用水40 L［3］。特別是隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，太陽能光伏電池的發(fā)電成本已達(dá)到或接近常規(guī)發(fā)電成本價(jià)格［7］，因此，實(shí)現(xiàn)光伏的終端利用對城軌和整個社會的節(jié)能減排，均具有重要的意義，將產(chǎn)生巨大的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

2 光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)模式及能量管理策略

2.1 城軌供電系統(tǒng)簡介

上海城軌供電系統(tǒng)一般包括電源系統(tǒng)、動力照明系統(tǒng)和牽引供電線系統(tǒng)3部分［8］，如圖2所示。

圖2 上海城軌供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

電源系統(tǒng)由外部電網(wǎng)和主變電站構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)AC 110 k V到AC 33 k V的轉(zhuǎn)換。動力照明系統(tǒng)主要包括降壓變電站和負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)AC 33 k V到AC 400 V的轉(zhuǎn)換，供給車站照明、空調(diào)、電梯、商業(yè)等用電。牽引供電系統(tǒng)主要由牽引變電站、接觸網(wǎng)（第三軌）、車輛以及走行軌等組成，實(shí)現(xiàn)AC 33 k V轉(zhuǎn)換為列車牽引所需要DC 1 500 V，并供給車輛。

2.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)方式

城軌供電系統(tǒng)具有交流負(fù)載，又有大直流負(fù)載，因此光伏發(fā)電系統(tǒng)可能的并網(wǎng)點(diǎn)如圖3所示。

圖3 光伏發(fā)電系統(tǒng)可能的并網(wǎng)點(diǎn)

2.2.1 交流側(cè)并網(wǎng)拓?fù)浼澳芰抗芾聿呗?/p>

光伏陣列產(chǎn)生的直流電經(jīng)過并網(wǎng)逆變器轉(zhuǎn)換為符合要求的交流電之后接入交流網(wǎng)絡(luò)［9-10］，如圖4所示。根據(jù)城軌供電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，交流側(cè)存在33/35 k V和400 V 2個并網(wǎng)點(diǎn)。對于采用集中供電式的城軌供電系統(tǒng)，光伏所發(fā)電力均未直接接入市電網(wǎng)絡(luò)，無須與供電部門聯(lián)絡(luò)，靈活便利。對于分散式供電方式，接入33/35 k V則會受到較多限制。

圖4 交流側(cè)并網(wǎng)拓?fù)鋱D

一般而言，城軌交流用電負(fù)荷遠(yuǎn)大于光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電能力。光伏發(fā)電系統(tǒng)交流并網(wǎng)方式下，只要產(chǎn)生電能，且滿足并網(wǎng)條件就可以輸出到電網(wǎng)中去，故能量管理策略相對簡單，相關(guān)領(lǐng)域已有的研究成果可直接采用。采用光伏發(fā)電系統(tǒng)與市電并聯(lián)形式向用電負(fù)荷供電，原則是優(yōu)先使用光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的電能。

該方式無需安裝儲能裝置，但需要專用的并網(wǎng)逆變器，以保證輸出的電力滿足電氣設(shè)備對電壓、頻率等指標(biāo)的要求［10］。光伏發(fā)電經(jīng)過逆變器接入車輛段和停車場的低壓變電所，供場內(nèi)部分交流負(fù)荷使用。該方式已在上海城軌川沙停車場得到了應(yīng)用。

2.2.2 直流側(cè)并網(wǎng)拓?fù)浼澳芰抗芾聿呗?/p>

理論上光伏發(fā)電系統(tǒng)通過DC/DC變換器即可接入城軌直流接觸網(wǎng)，具有電能質(zhì)量高、諧波污染問題不突出、運(yùn)行中不占用牽引變電站整流裝置的容量等優(yōu)點(diǎn)。城軌牽引供電系統(tǒng)是一個復(fù)雜的車、網(wǎng)動態(tài)交互系統(tǒng)，列車運(yùn)行中頻繁地在起動、加速、惰行、制動等工況間轉(zhuǎn)換，直流接觸網(wǎng)電壓波動十分劇烈。典型工況下的直流接觸網(wǎng)電氣特性如圖5所示。

圖5 城軌車、網(wǎng)典型動態(tài)電氣特性示意圖

在列車牽引階段，功率需求非常大，系統(tǒng)內(nèi)阻的存在會導(dǎo)致接觸網(wǎng)電壓低于系統(tǒng)空載電壓。在列車再生制動階段，會引起局部接觸網(wǎng)電壓上升，當(dāng)超過設(shè)定的閾值時(shí)，將觸發(fā)車載制動電阻以發(fā)熱的形式消耗掉制動電能。所謂再生制動是指牽引電機(jī)在外力作用下減速、反轉(zhuǎn)時(shí)以發(fā)電機(jī)狀態(tài)運(yùn)行。車輛母線電壓升高，實(shí)現(xiàn)能量反饋直流饋電系統(tǒng)，供車輛所在供電區(qū)段上的其他車輛和本車輔助系統(tǒng)使用，實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行。實(shí)際工況中，再生制動能量時(shí)?！梆?用”不匹配，再生制動電能得不到充分利用。

可見，直流側(cè)并網(wǎng)只有適應(yīng)城軌的牽引網(wǎng)負(fù)荷運(yùn)行特點(diǎn)，才能充分利用光伏系統(tǒng)所發(fā)電力。一種直流側(cè)并網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及能量管理策略如圖6所示。

圖6 直流側(cè)并網(wǎng)拓?fù)鋱D及能量管理策略示意圖

采用該拓?fù)溥M(jìn)行并網(wǎng)，通過制定合理的能量管理策略，能夠充分發(fā)揮光伏發(fā)電系統(tǒng)在節(jié)能和保障電能供電質(zhì)量兩方面的功能。比如早晚客流高峰時(shí)處于全天光照密度較弱階段，并且由于運(yùn)行高峰，運(yùn)營車輛多，牽引階段功率需求大，會造成網(wǎng)壓產(chǎn)生較大的跌落；此時(shí)段光伏電池只向儲能設(shè)備充電，與外網(wǎng)斷開，通過儲能設(shè)備向電網(wǎng)提供短時(shí)大功率，以達(dá)到填谷，發(fā)揮其保障牽引網(wǎng)電壓安全的作用。白天處于運(yùn)行非高峰時(shí)段時(shí)，陽光光能密度較高，牽引網(wǎng)電壓相對較低階段（對應(yīng)車輛等效牽引），光伏電池直接通過DC/DC變換器向電網(wǎng)輸電，不通過儲能設(shè)備，減少損耗；牽引網(wǎng)電壓處于相對較高階段（對應(yīng)車輛等效再生制動），光伏系統(tǒng)向儲能設(shè)備充電，并在牽引網(wǎng)電壓下降到一定值時(shí)予與釋放，實(shí)現(xiàn)更好的能量利用率。以上任何階段或夜間，儲能系統(tǒng)還可參與制動能量回收。

3 交、直流并網(wǎng)模式節(jié)能特性仿真

為了對比交、直流并網(wǎng)模式下節(jié)約常規(guī)電能的效果，借鑒相關(guān)成果［11-12］，基于EMTDC/PSCAD軟件進(jìn)行了仿真，并引入節(jié)能倍率參數(shù)k進(jìn)行考核。所謂節(jié)能倍率是指光伏發(fā)電系統(tǒng)接入前后原系統(tǒng)消耗常規(guī)電能差與光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出電能的比值。

即：

式中：

W0——光伏發(fā)電系統(tǒng)未接入前系統(tǒng)消耗常規(guī)電能；

W1——光伏發(fā)電系統(tǒng)接入后系統(tǒng)消耗常規(guī)電能；

Wpv——光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出的電能。

顯然，k越大說明節(jié)約常規(guī)電能的效果越好。仿真中設(shè)光伏發(fā)電系統(tǒng)功率為180 k W，以恒功率持續(xù)工作96 s。

3.1 交流側(cè)并網(wǎng)模式節(jié)能特性

光伏發(fā)電系統(tǒng)交流側(cè)并網(wǎng)模式，無論是33 k V或400 V并網(wǎng)，并網(wǎng)電壓均是穩(wěn)定不變的。采用前述的交流側(cè)并網(wǎng)能量管理策略，則在忽略上端和400 V傳輸環(huán)節(jié)損耗的情況下，系統(tǒng)節(jié)約消耗常規(guī)電能等于光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出的電能。由系統(tǒng)仿真條件可知，系統(tǒng)節(jié)約消耗常規(guī)能源4.79 k Wh，光伏發(fā)電系統(tǒng)節(jié)能倍率為1。

3.2 直流并網(wǎng)模式節(jié)能特性

光伏發(fā)電系統(tǒng)直流并網(wǎng)模式仿真模型如圖7所示。仿真中列車控制包括一個完整起動惰行制動停站加一個起動工況（對應(yīng)96 s的仿真時(shí)間），由牽引站I向牽引站Ⅱ行駛，仿真參數(shù)如表1所示。

圖7 直流并網(wǎng)仿真模型

表1 仿真參數(shù)

光伏發(fā)電系統(tǒng)在運(yùn)行過程中持續(xù)工作，接觸網(wǎng)電壓低于1 500 V時(shí)直接向接觸網(wǎng)提供能量，高于1 500 V后向儲能裝置充電（對應(yīng)車輛再生制動），當(dāng)接觸網(wǎng)電壓再次低于1 500 V時(shí)（對應(yīng)車輛再次牽引），儲能裝置與光伏發(fā)電系統(tǒng)同時(shí)向接觸網(wǎng)饋電。

為了單純比較光伏發(fā)電系統(tǒng)交、直并網(wǎng)模式下對系統(tǒng)節(jié)能的貢獻(xiàn)，仿真中儲能系統(tǒng)不參與城軌車輛制動能量回收；根據(jù)光伏發(fā)電系統(tǒng)接入和未接入2種情況分別進(jìn)行了仿真，仿真中記錄列車受電弓處的網(wǎng)壓及兩個牽引變電站輸出的總能量。仿真結(jié)果如表2和圖8所示。

表2 直流并網(wǎng)模式下的牽引系統(tǒng)耗能數(shù)據(jù)

圖8 列車受電弓處的電壓值

表2仿真數(shù)據(jù)表明，相比較于原有系統(tǒng)，直流側(cè)并網(wǎng)模式下系統(tǒng)消耗常規(guī)電能5.7 k Wh，大于光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量4.79 k Wh，實(shí)現(xiàn)增益節(jié)能0.89 k Wh，節(jié)能倍率為1.2。

研究者認(rèn)為，直流側(cè)并網(wǎng)模式實(shí)現(xiàn)常規(guī)電能的節(jié)能倍增效益，是由于城軌直流接觸網(wǎng)電壓允許有較大的范圍內(nèi)波動［13］，以及車輛牽引階段的等效特性為功率源共同引起的。由圖8可知，光伏發(fā)電系統(tǒng)的接入對接觸網(wǎng)電壓進(jìn)行了有效抬升，降低了牽引電流，減少了直流接觸網(wǎng)網(wǎng)損，所減少的網(wǎng)損即是仿真算例中對應(yīng)的節(jié)能倍增效益。

4 結(jié)語

城軌供電系統(tǒng)及其負(fù)荷的特殊性，使得光伏發(fā)電系統(tǒng)接入具有交流并網(wǎng)和直流并網(wǎng)兩種模式。研究結(jié)果表明，交流側(cè)并網(wǎng)技術(shù)具有控制策略相對簡單成熟，無需裝設(shè)儲能裝置，投資小的特點(diǎn)，能夠較快推廣應(yīng)用。直流側(cè)并網(wǎng)具有提高城軌牽引供電質(zhì)量和節(jié)能的雙重作用，但需要安裝儲能裝置，并需結(jié)合城軌的牽引網(wǎng)負(fù)荷運(yùn)行特點(diǎn)，控制技術(shù)復(fù)雜，有待深入研究。

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Grid Modes of PV Generation System in Urban Rail Transit Power Supply

Ni Weibiao，Shen Xiaojun，Zhao Shimin，Zhang Yi

Urban rail transit provides a broader space for the application of photovoltaic generation system.In this paper，Shanghai rail transit is taken as an example to study the feasibility and grid mode of PV power generation system in urban rail transit power supply.Theoratical calculation and simulation analysis show that PV generation applied in the energy conservation of urban rail transit is feasible.There are two grid modes：AC grid and DC grid，the former features simple and mature control strategy，while the later can compensate the traction network voltage by optimizing the control strategy to reduce catenary power losses，so it has the dual roles of improvingthe quality of urban rail transit traction power supply and saving the energy.

urban rail transit；photovoltaic（PV）power generation；AC grid；DC grid；energy conservation

U 231.8

2014-05-06）

*國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（E07/51347005）；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金（0800219260）