光伏發(fā)電系統(tǒng)接入城市軌道交通供電系統(tǒng)的應(yīng)用研究

王振海，陳 霞，黨 敏，韓春白雪，王 藍(lán)，張 麗，戴朝華*

(1.北方國際合作股份有限公司，北京 100040；2.廣州地鐵設(shè)計研究院股份有限公司，廣州 510010；3.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，成都 610031)

0 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)水平提高、城市化進(jìn)程加快，交通擁堵和汽車尾氣排放造成的環(huán)境污染引起了廣泛關(guān)注，城市軌道交通(下文簡稱“城軌”)是解決這2個問題行之有效的措施。目前，城軌在我國大、中型城市已得到普遍發(fā)展[1]。然而，發(fā)展迅速的城軌建設(shè)事業(yè)也對城軌供電系統(tǒng)造成了壓力，在當(dāng)前能源短缺的背景下，亟需尋找一種可以與傳統(tǒng)能源共同為城軌供電系統(tǒng)提供電力的新能源。

在眾多新能源形式中，光伏發(fā)電以其清潔、無污染、分布廣等特點(diǎn)備受青睞。近年來，光伏發(fā)電系統(tǒng)在軌道交通中的應(yīng)用逐漸興起，德國、日本等國開展了光伏發(fā)電系統(tǒng)接入鐵路牽引供電系統(tǒng)中的研究[2-3]，我國也對鐵路光伏方面的研究進(jìn)行了初步探索[4]；在城軌領(lǐng)域，以光伏發(fā)電系統(tǒng)接入城軌供電系統(tǒng)的應(yīng)用形式最為常見，并在近幾年取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會反響[5-7]。實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)在城軌供電系統(tǒng)中的應(yīng)用不僅擁有節(jié)能減排、促進(jìn)光伏電力消納的環(huán)保效益和降低城軌運(yùn)營成本的經(jīng)濟(jì)效益，還具有改善能源利用形式及滿足人們綠色出行愿望的社會效益。

因此，開展光伏發(fā)電系統(tǒng)與城軌供電系統(tǒng)相結(jié)合的相關(guān)應(yīng)用研究很有必要。本文分析了光伏發(fā)電系統(tǒng)與城軌供電系統(tǒng)相結(jié)合的優(yōu)勢，基于MATLAB＆Simulink建立了光伏發(fā)電系統(tǒng)接入城軌供電系統(tǒng)的仿真模型，并對交流并網(wǎng)模式下光伏發(fā)電系統(tǒng)接入后城軌供電系統(tǒng)的適應(yīng)性進(jìn)行了理論和仿真分析。

1 可行性分析

1.1 系統(tǒng)結(jié)合的優(yōu)勢

由于城市用地緊張，城軌將每條線路的停車場、車輛段和控制中心等都設(shè)在離市區(qū)較遠(yuǎn)的郊區(qū)，車輛基地周圍高層建筑物較少，因此若在此處建設(shè)光伏發(fā)電系統(tǒng)，光伏組件不易被遮擋，其發(fā)電性能能夠得到保障，應(yīng)用條件極佳；加上城軌沿線通常設(shè)有高架車站，若車站周圍無高大建筑物遮擋，也可作為光伏組件的安裝地點(diǎn)[8-9]。因此，車輛基地的建筑屋頂和高架車站的頂棚，均可為安裝大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)提供場所。

與此同時，我國光伏發(fā)電裝機(jī)容量逐年攀升，且光伏發(fā)電技術(shù)日趨成熟，實(shí)現(xiàn)了諸多突破，為光伏發(fā)電系統(tǒng)在城軌領(lǐng)域的應(yīng)用提供了良好的市場和技術(shù)條件。由于城軌供電系統(tǒng)的動力照明負(fù)荷穩(wěn)定，特征明顯，其負(fù)荷曲線與光伏發(fā)電曲線基本一致，匹配程度高，因此其能夠較好地消納當(dāng)?shù)氐墓夥娏Α?/p>

1.2 發(fā)電量估算

日前，我國國內(nèi)多個城市已投資建設(shè)地鐵光伏發(fā)電項目工程。以廣州市地鐵5號線魚珠車輛段為例，其屋頂可利用總面積約為7.6萬m2，考慮到光伏組件之間需留有巡檢通道，且受屋頂女兒墻、采光天窗、屋頂設(shè)備及屋頂排水溝的影響，屋頂面積的可利用系數(shù)為0.7，可布置275 W的多晶硅光伏組件19270塊，容量約為5.3 MWp。

由美國航空航天局衛(wèi)星監(jiān)測提供的資料顯示，廣州市的日均太陽輻射量為3.69 kWh/m2/d，年峰值日照小時數(shù)為1346.85 h，則廣州市地鐵5號線魚珠車輛段光伏發(fā)電項目的首年理論發(fā)電量為571.0644萬kWh；假設(shè)多晶硅光伏組件的首年衰減率為3%、25年衰減率不超過20%，經(jīng)計算，該項目建成后25年的累計發(fā)電量為12649.12萬kWh，年均發(fā)電量為505.96萬kWh，年均利用小時數(shù)為1193.31 h。

2 光伏發(fā)電系統(tǒng)與城軌供電系統(tǒng)相結(jié)合

2.1 城軌供電系統(tǒng)

城軌供電系統(tǒng)主要由外部電源(電力系統(tǒng))、牽引供電系統(tǒng)和動力照明系統(tǒng)構(gòu)成。牽引供電系統(tǒng)是整個供電系統(tǒng)的核心部分，主要由牽引變電所和牽引網(wǎng)2部分組成[10]，其中，牽引網(wǎng)按照牽引電流制式的不同可分為三相交流牽引網(wǎng)、單相交流牽引網(wǎng)和直流牽引網(wǎng)3種；牽引變電所中普遍采用整流變壓器和24脈波整流機(jī)組將35 kV中壓電進(jìn)行降壓整流后供給電動車組負(fù)荷。動力照明系統(tǒng)設(shè)置在降壓變電所內(nèi)，降壓變電所可與牽引變電所合建成牽引混合變電所，或僅為單獨(dú)的降壓變電所。城軌供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 城軌供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Schematic diagram of urban rail transit power supply system

其中，城軌供電系統(tǒng)的主要諧波源來自于牽引整流機(jī)組和動力照明負(fù)荷。當(dāng)有列車牽引工況取流時，整流機(jī)組流入電網(wǎng)側(cè)的諧波電流傅立葉展開式為[11]：

式中，ig(ωt)為諧波電流瞬時值；ω為基波頻率；Idm為最大短路電流；t為時間。

整流變壓器網(wǎng)側(cè)的諧波電流為：

由于動力照明負(fù)荷涉及多個用電系統(tǒng)，如通風(fēng)空調(diào)環(huán)控系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、電扶梯-屏蔽門系統(tǒng)、信號系統(tǒng)、人防系統(tǒng)、車站隧道照明系統(tǒng)等，因此其諧波特征因負(fù)荷的性質(zhì)不同而不同。

城軌供電系統(tǒng)的無功功率源于主變壓器、動力照明負(fù)荷、電纜，以及牽引負(fù)荷[12]。其中，牽引負(fù)荷采用直流供電，功率因數(shù)較高，一般能達(dá)到0.95以上。由于動力照明負(fù)荷中感性負(fù)荷較多，是城軌供電系統(tǒng)中無功功率的主要來源，其使功率因數(shù)較低，平均功率因數(shù)約為0.8。

2.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)

光伏發(fā)電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 光伏發(fā)電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig. 2 Topology diagram of PV power generation system

光伏發(fā)電系統(tǒng)采用基于Boost電路、擾動觀察算法的最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)技術(shù)，使其輸出功率始終工作在最大功率點(diǎn)上[13]。Boost電路存在一個最佳占空比D，可實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大功率輸出。Boost電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。其中，Ui為電源電壓；IL為電感電流；L為電感；Uo為輸出電壓。

圖3 Boost電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig. 3 Topology diagram of Boost circuit

MPPT的目的是利用擾動觀察法的原理找到最佳占空比D。擾動觀察法的主要思想是周期性地對Boost電路的占空比進(jìn)行擾動，觀察擾動前、后光伏陣列的輸出功率變化ΔP和電壓變化ΔV，若ΔP和ΔV均為正或均為負(fù)，則對占空比施加負(fù)向擾動；反之，施加正向擾動?；贛PPT技術(shù)的光伏陣列的輸出功率如圖4所示。

光伏發(fā)電系統(tǒng)在發(fā)電過程中會產(chǎn)生一定的諧波分量，并網(wǎng)后光伏發(fā)電側(cè)注入供電系統(tǒng)的諧波將與并網(wǎng)前供電系統(tǒng)中的諧波發(fā)生疊加[14]。此外，由于經(jīng)濟(jì)性的制約，通常光伏發(fā)電系統(tǒng)僅輸出有功功率，若不進(jìn)行無功補(bǔ)償，將會導(dǎo)致供電系統(tǒng)輸出的有功功率減少而無功功率不變，在供電系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)計量的功率因數(shù)則會隨之下降[15]。

圖4 基于MPPT技術(shù)的光伏陣列的輸出功率Fig. 4 PV array output power based on MPPT technology

2.3 光伏發(fā)電系統(tǒng)與城軌供電系統(tǒng)的結(jié)合

城軌供電系統(tǒng)中有3個位置可作為光伏發(fā)電系統(tǒng)的接入點(diǎn)，如圖1中的①～③所示，分別為AC35 kV側(cè)、AC400 V側(cè)及DC1500 V側(cè)。本文僅針對光伏發(fā)電系統(tǒng)接入城軌供電系統(tǒng)AC35 kV側(cè)(接入點(diǎn)如圖1中的①所示)進(jìn)行諧波和功率因數(shù)分析，電動車組負(fù)荷以固定電阻模擬。

3 仿真分析

基于圖1在MATLAB＆Simulink中搭建光伏發(fā)電系統(tǒng)接入城軌供電系統(tǒng)的仿真模型，并對光伏發(fā)電系統(tǒng)接入城軌供電系統(tǒng)前、后的電能質(zhì)量進(jìn)行分析。仿真中，忽略中壓配電網(wǎng)電纜帶來的無功功率影響。主要仿真參數(shù)如表1所示。

表1 主要仿真參數(shù)Table 1 Main simulation parameters

以光伏發(fā)電系統(tǒng)接入牽引混合變電所AC35 kV側(cè)母線Ⅰ段展開仿真分析。車輛基地內(nèi)動力照明負(fù)荷基于某地鐵段場綜合樓及牽引混合變電所的負(fù)荷數(shù)據(jù)。牽引混合變電所母線Ⅰ段的動力照明負(fù)荷的總有功功率為1017 kW、無功功率為712 kVar；相鄰降壓變電所母線Ⅱ段的總有功功率為449 kW、無功功率為322 kVar。光伏發(fā)電系統(tǒng)接入前、后牽引混合變電所AC35 kV進(jìn)線側(cè)的功率變化情況如圖5所示。

圖5 光伏發(fā)電系統(tǒng)接入前、后牽引混合變電所AC35 kV進(jìn)線側(cè)的功率對比Fig. 5 Power comparison of AC35 kV inlet side of traction hybrid substation before and after PV power generation system is connected

由圖5可知，光伏發(fā)電系統(tǒng)接入后，牽引混合變電所AC35 kV進(jìn)線側(cè)功率在0.05 s后穩(wěn)定，之后一直穩(wěn)定在恒功率狀態(tài)。光伏發(fā)電系統(tǒng)接入后，牽引混合變電所AC35 kV進(jìn)線側(cè)的有功功率降低，光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率主要用于牽引混合變電所的牽引負(fù)荷和降壓變電所的動力照明負(fù)荷。一方面，光伏發(fā)電系統(tǒng)的接入減少了城軌供電系統(tǒng)對城市電網(wǎng)的有功功率需求，具有節(jié)能效益；但另一方面，光伏發(fā)電系統(tǒng)接入后，牽引混合變電所AC35 kV進(jìn)線側(cè)有功功率的減小使?fàn)恳╇娤到y(tǒng)網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)降低。

為驗證光伏發(fā)電系統(tǒng)的接入對牽引供電系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)的具體影響，對光伏發(fā)電系統(tǒng)接入前、后牽引混合變電所AC35 kV進(jìn)線側(cè)的功率因數(shù)進(jìn)行測量，變化情況如圖6所示。圖中，光伏發(fā)電系統(tǒng)接入后在0.30 s時將太陽輻照度由1000 W/m2降低至700 W/m2，溫度為25 ℃維持不變。

圖6 光伏發(fā)電系統(tǒng)接入前、后牽引混合變電所AC35 kV進(jìn)線側(cè)的功率因數(shù)變化Fig. 6 Changes in power factor on the AC35 kV inlet side of traction hybrid substation before and after PV power generation system is connected

由圖6可知，隨著太陽輻照度減小，光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率降低，城軌供電系統(tǒng)在牽引供電系統(tǒng)的有功功率需求增加，而無功功率需求不受光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率的影響，因此，牽引混合變電所AC35 kV進(jìn)線側(cè)的功率因數(shù)增加。

測量牽引混合變電所的牽引負(fù)荷支路35 kV側(cè)、動力照明負(fù)荷支路35 kV側(cè)，以及牽引混合變電所AC35 kV進(jìn)線側(cè)的功率因數(shù)，光伏發(fā)電系統(tǒng)接入前、后的平均功率因數(shù)如表2所示。

表2 光伏發(fā)電系統(tǒng)接入前、后的平均功率因數(shù)Table 2 Average power factor before and after PVpower generation system is connected

從表2的測量結(jié)果可以看出，光伏發(fā)電系統(tǒng)接入后，牽引混合變電所AC35 kV進(jìn)線側(cè)的平均功率因數(shù)從0.938降低至0.931，但未低于國標(biāo)限定最低值。值得注意的是，隨著光伏發(fā)電系統(tǒng)容量進(jìn)一步增大，光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率的增加將會導(dǎo)致城軌供電系統(tǒng)功率因數(shù)更大程度的降低。按照《功率因數(shù)調(diào)整電費(fèi)辦法》，當(dāng)功率因數(shù)低于0.9時，將會因調(diào)整功率因數(shù)而增收電費(fèi)，因此，為避免由此增收的電費(fèi)，城軌供電系統(tǒng)接入大容量光伏發(fā)電系統(tǒng)后需對現(xiàn)有無功補(bǔ)償裝置的容量進(jìn)行校驗。

針對光伏發(fā)電系統(tǒng)接入對城軌供電系統(tǒng)諧波的影響，不考慮背景諧波時，光伏發(fā)電系統(tǒng)接入前、后城軌供電系統(tǒng)不同位置的電壓諧波總畸變率THDU和電流諧波總畸變率THDI如表3所示。

表3 光伏發(fā)電系統(tǒng)接入前、后城軌供電系統(tǒng)不同位置的諧波情況Table 3 Harmonic conditions at different locations of urban rail power supply system before and after PV power generation system is connected

由于光伏發(fā)電系統(tǒng)側(cè)的輸出本身就帶有一定的諧波含量，導(dǎo)致光伏發(fā)電系統(tǒng)接入后，城軌供電系統(tǒng)中各處的THDU、THDI都有所增加，主變電所110 kV側(cè)A相、且主變電所35 kV側(cè)A相及牽引混合變電所AC35 kV側(cè)A相的THDI增長明顯，但增長后的THDU、THDI均在國標(biāo)限制范圍內(nèi)。

一般情況下，35 kV并網(wǎng)側(cè)接入的光伏發(fā)電系統(tǒng)容量較大，同時由于并網(wǎng)電壓等級較高，電能傳輸損耗較小，光伏發(fā)電系統(tǒng)可供一個供電分區(qū)內(nèi)的多個牽引混合變電所和降壓變電所的牽引負(fù)荷和動力照明負(fù)荷使用，因此可不考慮配置儲能裝置。雖然光伏發(fā)電系統(tǒng)的接入會帶來一定的無功功率和諧波問題，但尚在安全范圍內(nèi)。

城軌供電系統(tǒng)夜間停運(yùn)后，大量的中壓配電網(wǎng)電纜向城市電網(wǎng)提供容性無功功率，而電力部門采用“無功反送正計”的計費(fèi)方法，即用電低谷時段出現(xiàn)的容性無功反送現(xiàn)象將被電力部門正計入罰款區(qū)間。因此，為提高功率因數(shù)，城軌供電系統(tǒng)多采用在主變電所35 kV側(cè)母線安裝無功補(bǔ)償裝置(SVG)的無功集中補(bǔ)償方式，并兼顧濾波功能。因此，光伏發(fā)電系統(tǒng)接入城軌供電系統(tǒng)所帶來的功率因數(shù)和諧波影響可以通過現(xiàn)有SVG綜合解決，不用單獨(dú)配置無功補(bǔ)償和濾波裝置。

4 結(jié)論

本文在MATLAB/Simulink中搭建了光伏發(fā)電系統(tǒng)接入城市軌道交通供電系統(tǒng)AC35 kV側(cè)的模型，并對光伏發(fā)電系統(tǒng)接入前、后的功率因數(shù)和諧波變化情況展開了仿真分析。仿真結(jié)果顯示，接入光伏發(fā)電系統(tǒng)具有一定的節(jié)能效益，可降低城軌供電系統(tǒng)的供電壓力；雖然并網(wǎng)后牽引供電系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)下降，城市供電系統(tǒng)的諧波含量增加，但其影響程度尚在國標(biāo)規(guī)定范圍內(nèi)。光伏發(fā)電系統(tǒng)接入城軌供電系統(tǒng)后帶來的功率因數(shù)問題和諧波問題可通過在主變電所35 kV側(cè)安裝SVG綜合解決。