光伏發(fā)電在地鐵牽引供電系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

(庫爾勒鐵路供電段，新疆 烏魯木齊 841001)

0 引 言

隨著“一帶一路”國(guó)家戰(zhàn)略的提出，烏魯木齊市緊緊把握難得的歷史機(jī)遇，正在努力“打造絲綢之路上的綜合交通樞紐”。為完成此目標(biāo)，烏魯木齊市擬規(guī)劃修建線路總長(zhǎng)為211.9 km的7條地鐵線路，屆時(shí)地鐵必將成為城市的耗能大戶，為城市供電系統(tǒng)帶來巨大挑戰(zhàn)。與此同時(shí)，新疆四周遠(yuǎn)離海洋，且具有“三山夾兩盆”的地形特點(diǎn)，氣候干燥，云量、雨量少，大氣透明度高且晝夜溫差大，光熱資源極其豐富。數(shù)據(jù)顯示，其太陽能輻射總量為1450～1720 kWh/m2，居全國(guó)第2位，年日照時(shí)數(shù)為2550～3500 h，日照百分率為60%～80%[1-2]。因此，若能充分運(yùn)用地鐵站地面建筑優(yōu)勢(shì)，引入光伏電站提供牽引供電系統(tǒng)部分電能，就可以充分利用新疆的豐富資源，為“節(jié)約能源，綠色出行”貢獻(xiàn)一份具有新疆特色的力量。

目前國(guó)內(nèi)關(guān)于光伏電站接入地鐵供電系統(tǒng)的研究較少，文獻(xiàn)[3]提出了通過逆變和整流技術(shù)實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電向3000 V直流牽引供電系統(tǒng)供電的方案。文獻(xiàn)[4]介紹了德國(guó)鐵路牽引供電系統(tǒng)中將光伏發(fā)電直接接入牽引供電系統(tǒng)的兩種應(yīng)用形式，運(yùn)用單相逆變技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電在牽引供電系統(tǒng)沿線的任意位置接入系統(tǒng)。

為進(jìn)一步研究光伏電站接入地鐵供電系統(tǒng)的可行性，基于MATLAB/Simulink構(gòu)建了1 MW光伏電站接入地鐵牽引供電系統(tǒng)的仿真模型。模型中地鐵負(fù)荷采用24脈波整流器接電阻負(fù)載形式模擬，光伏電站MPPT控制方法采用擾動(dòng)觀察法，光伏逆變器輸出采用電壓電流雙閉環(huán)控制策略。模型通過觀察光伏電站經(jīng)過逆變器后的輸出電能的諧波大小，判斷光伏電站是否符合并入地鐵供電系統(tǒng)要求，為光伏電站接入地鐵供電系統(tǒng)的可行性提供仿真參考。仿真結(jié)果表明，經(jīng)過逆變器后的光伏發(fā)電站輸出的電能諧波滿足并網(wǎng)要求，說明了光伏電站接入地鐵牽引供電系統(tǒng)在理論上的可行性。

1 地鐵牽引供電系統(tǒng)

城市軌道交通多修建在中大型城市，用地資源緊張，因此城市軌道交通沿線所建的停車場(chǎng)、車輛段以及高架線路都可以作為光伏電站的架設(shè)地點(diǎn)，這為光伏發(fā)電系統(tǒng)在城軌中的應(yīng)用提供了廣闊的前景。地鐵牽引供電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。牽引變電站從110 kV電網(wǎng)取電，經(jīng)過變壓器降壓和整流，變?yōu)镈C 1500 V供給接觸網(wǎng)。

圖1 地鐵牽引供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[5]

由于牽引供電系統(tǒng)中采用24脈波整流技術(shù)，故將地鐵列車負(fù)載部分采用24脈波牽引移相整流器接電阻負(fù)載進(jìn)行模擬，基本結(jié)構(gòu)如圖2所示[6]。24脈波整流機(jī)組包括兩臺(tái)變壓器，均為雙低壓輸出變壓器。每臺(tái)整流機(jī)組單獨(dú)工作時(shí)均可輸出12脈波的直流電，組成各自獨(dú)立的12脈波整流系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)24脈波整流，在高壓側(cè)采用延邊三角形移相方法，分別移相7.5°，實(shí)現(xiàn)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)移相15°且輸出24脈波。

圖2 地鐵負(fù)載結(jié)構(gòu)

用電阻等效的地鐵車輛不會(huì)產(chǎn)生無功功率，但由于變壓器短路阻抗的存在，使系統(tǒng)出現(xiàn)無功功率。

2 光伏電站

2.1 光伏電站MPPT方法

光伏電站采用擾動(dòng)觀察法作為最大功率點(diǎn)跟蹤(maximum power point tracking，MPPT)方法。擾動(dòng)觀察法的原理是擾動(dòng)光伏電池的端口輸出電壓，在原輸出電壓上增加一個(gè)小干擾電壓dU分量，并比較干擾周期前后光伏電池的輸出功率。若輸出功率P增加，則此擾動(dòng)能夠提高輸出功率，下一次往相同方向擾動(dòng)。反之，若擾動(dòng)后輸出功率P減小，則該擾動(dòng)不利于提高輸出功率，下一次往相反方向擾動(dòng)，擾動(dòng)觀察法流程圖3所示[7]。

2.2 光伏電站逆變器控制方法

目前的光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變器控制中，多采用雙閉環(huán)控制其單位功率因數(shù)輸出。三相光伏逆變器采用前饋解耦控制策略，控制策略由電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)組成，且均采用比例-積分(PI)調(diào)節(jié)器。PI控制器用于控制穩(wěn)態(tài)誤差，即縮小輸入值與參考值之間的誤差?？刂瓶驁D如圖4所示。

這種模式下光伏電站直接接入地鐵牽引供電系統(tǒng)時(shí)，電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)可以表示為

圖3 擾動(dòng)觀察法流程

圖4 逆變器控制策略

(1)

式中：Pload為地鐵負(fù)荷的有功功率；Qload為地鐵負(fù)荷的無功功率；PPV為光伏電站發(fā)出的有功功率。

由式(1)可知，當(dāng)光伏電站以單位功率因數(shù)運(yùn)行，即僅輸出有功功率，會(huì)影響電網(wǎng)側(cè)電能質(zhì)量，降低網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)。因此需要充分利用光伏逆變器的冗余容量，在保證有功功率輸出的情況下盡可能多地進(jìn)行無功補(bǔ)償。

3 光伏電站接入地鐵牽引供電系統(tǒng)的仿真模型

因?yàn)閷?duì)于采用集中供電式的地鐵牽引供電系統(tǒng)，不論接入點(diǎn)如何選擇，光伏電站產(chǎn)生的電能均未直接接入城市電網(wǎng)，光伏電站電能與電網(wǎng)之間互不影響，加之光伏電站產(chǎn)生的電能是直流電，所以理論上通過 DC/DC 變換器升壓后，光伏電站所發(fā)出的電能可以直接接入地鐵直流接觸網(wǎng)，直流牽引供電系統(tǒng)中不存在無功、負(fù)序等電能質(zhì)量問題。這種光伏發(fā)電站直接接入直流牽引供電網(wǎng)的并入方式，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)。

選擇35 kV交流母線作為光伏的并網(wǎng)點(diǎn)，拓?fù)鋱D如圖5所示。一般而言，地鐵負(fù)荷遠(yuǎn)大于光伏電站所產(chǎn)生的能量，所以光伏電站起到了節(jié)約市電的作用。

圖5 光伏電站接入地鐵牽引供電系統(tǒng)拓?fù)鋱D

4 仿真分析

為了驗(yàn)證所提方法的有效性，基于圖5在MATLAB/Simulink中搭建了仿真模型。光伏發(fā)電模塊采用擾動(dòng)觀察法產(chǎn)生控制信號(hào)控制DC/DC變換器實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤，逆變器采用前面所述帶無功補(bǔ)償功能的雙閉環(huán)控制策略。仿真所用主要參數(shù)見表1。

表1 仿真主要參數(shù)

設(shè)定地鐵車輛在正常運(yùn)行時(shí)需要功率為3 MW，設(shè)置仿真條件如下：1 MW光伏電站接入上述地鐵牽引供電系統(tǒng)，光照強(qiáng)度1000 W/s2，溫度25℃；0.2 s時(shí)光伏電站受到的光照由1000 W/s2突變?yōu)?00 W/s2，溫度不變，仿真結(jié)果見圖6、圖7。

圖6 光伏電站輸出電壓電流

圖7 光伏電站輸出功率

從圖6、圖7可以看出，在0～0.2 s內(nèi)，光伏電站工作在額定工作狀況下，輸出有功功率為1 MW；當(dāng)0.2 s光照發(fā)生突變時(shí)，光伏電站輸出有功功率下降，電流變小，此時(shí)經(jīng)過逆變器后的光伏電站輸出的電能諧波較小，符合并網(wǎng)要求。

5 結(jié) 語

隨著烏魯木齊市軌道交通行業(yè)的迅猛發(fā)展，城市的供電系統(tǒng)將會(huì)受到一定挑戰(zhàn)，為避免可能到來的能源短缺問題，同時(shí)也為了充分利用新疆地區(qū)的太陽能資源，對(duì)光伏電站接入地鐵牽引供電系統(tǒng)的可行性進(jìn)行了一定研究?；贛ATLAB/Simulink搭建了光伏電站接入地鐵牽引供電系統(tǒng)的仿真模型，將1 MW光伏電站接入35 kV地鐵牽引供電網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)光伏電能的就近消納。仿真結(jié)果表明，經(jīng)過逆變器后的光伏發(fā)電站輸出的電能諧波滿足并網(wǎng)要求，說明光伏電站接入地鐵牽引供電系統(tǒng)在理論上是可行的。

若能將其應(yīng)用于實(shí)際中，將起到節(jié)能減排、獲得更大經(jīng)濟(jì)效益的作用。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于光伏發(fā)電系

統(tǒng)接入地鐵牽引供電系統(tǒng)的研究較少，上述所建立的模型和光伏并網(wǎng)方法可以起到借鑒作用。

[1] 何穎, 趙爭(zhēng)鳴. 新疆光伏發(fā)電現(xiàn)狀及發(fā)展對(duì)策[J]. 能源工程, 2004(4):35-37.

[2] 胡仁祥, 王曉斌, 常喜強(qiáng). 并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)吐魯番地區(qū)配電網(wǎng)影響的研究[J]. 四川電力技術(shù), 2012, 35(3):27-29.

[3] MB Caracciolo, R Faranda, S Leva. Photovoltaic Applications in Railway Stations[C].International Conference on Electricity Distribution，2007.

[4] Mayer O, Lynass M, Gómez M, et al. Design Aspects for High Voltage MW PV Systems for Railway Power Supply[C]. European PV Solar Energy Conference，2014.

[5] 倪衛(wèi)標(biāo), 沈小軍, 趙時(shí)旻,等. 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[J]. 城市軌道交通研究, 2014, 17(11)：78-81.

[6] Li Qiang. Analysis on the Application of Photovoltaic Power Generation Project in a Metro Section [J]. Electric Railway, 2016(4):32-35.

[7] 張國(guó)梁, 李虹, 劉立群,等. 基于改進(jìn)擾動(dòng)觀察法的光伏MPPT研究[J]. 電源技術(shù), 2017(1):111-114.