光伏發電在地鐵牽引供電系統中的應用研究

(庫爾勒鐵路供電段，新疆 烏魯木齊 841001)

0 引 言

隨著“一帶一路”國家戰略的提出，烏魯木齊市緊緊把握難得的歷史機遇，正在努力“打造絲綢之路上的綜合交通樞紐”。為完成此目標，烏魯木齊市擬規劃修建線路總長為211.9 km的7條地鐵線路，屆時地鐵必將成為城市的耗能大戶，為城市供電系統帶來巨大挑戰。與此同時，新疆四周遠離海洋，且具有“三山夾兩盆”的地形特點，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。數據顯示，其太陽能輻射總量為1450～1720 kWh/m2，居全國第2位，年日照時數為2550～3500 h，日照百分率為60%～80%[1-2]。因此，若能充分運用地鐵站地面建筑優勢，引入光伏電站提供牽引供電系統部分電能，就可以充分利用新疆的豐富資源，為“節約能源，綠色出行”貢獻一份具有新疆特色的力量。

目前國內關于光伏電站接入地鐵供電系統的研究較少，文獻[3]提出了通過逆變和整流技術實現光伏發電向3000 V直流牽引供電系統供電的方案。文獻[4]介紹了德國鐵路牽引供電系統中將光伏發電直接接入牽引供電系統的兩種應用形式，運用單相逆變技術，可實現光伏發電在牽引供電系統沿線的任意位置接入系統。

為進一步研究光伏電站接入地鐵供電系統的可行性，基于MATLAB/Simulink構建了1 MW光伏電站接入地鐵牽引供電系統的仿真模型。模型中地鐵負荷采用24脈波整流器接電阻負載形式模擬，光伏電站MPPT控制方法采用擾動觀察法，光伏逆變器輸出采用電壓電流雙閉環控制策略。模型通過觀察光伏電站經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要求，為光伏電站接入地鐵供電系統的可行性提供仿真參考。仿真結果表明，經過逆變器后的光伏發電站輸出的電能諧波滿足并網要求，說明了光伏電站接入地鐵牽引供電系統在理論上的可行性。

1 地鐵牽引供電系統

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、車輛段以及高架線路都可以作為光伏電站的架設地點，這為光伏發電系統在城軌中的應用提供了廣闊的前景。地鐵牽引供電系統拓撲結構如圖1所示。牽引變電站從110 kV電網取電，經過變壓器降壓和整流，變為DC 1500 V供給接觸網。

圖1 地鐵牽引供電系統結構[5]

由于牽引供電系統中采用24脈波整流技術，故將地鐵列車負載部分采用24脈波牽引移相整流器接電阻負載進行模擬，基本結構如圖2所示[6]。24脈波整流機組包括兩臺變壓器，均為雙低壓輸出變壓器。每臺整流機組單獨工作時均可輸出12脈波的直流電，組成各自獨立的12脈波整流系統。為了實現24脈波整流，在高壓側采用延邊三角形移相方法，分別移相7.5°，實現并聯運行時移相15°且輸出24脈波。

圖2 地鐵負載結構

用電阻等效的地鐵車輛不會產生無功功率，但由于變壓器短路阻抗的存在，使系統出現無功功率。

2 光伏電站

2.1 光伏電站MPPT方法

光伏電站采用擾動觀察法作為最大功率點跟蹤(maximum power point tracking，MPPT)方法。擾動觀察法的原理是擾動光伏電池的端口輸出電壓，在原輸出電壓上增加一個小干擾電壓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，則此擾動能夠提高輸出功率，下一次往相同方向擾動。反之，若擾動后輸出功率P減小，則該擾動不利于提高輸出功率，下一次往相反方向擾動，擾動觀察法流程圖3所示[7]。

2.2 光伏電站逆變器控制方法

目前的光伏發電系統逆變器控制中，多采用雙閉環控制其單位功率因數輸出。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、電流內環組成，且均采用比例-積分(PI)調節器。PI控制器用于控制穩態誤差，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時，電網側功率因數可以表示為

圖3 擾動觀察法流程

圖4 逆變器控制策略

(1)

式中：Pload為地鐵負荷的有功功率；Qload為地鐵負荷的無功功率；PPV為光伏電站發出的有功功率。

由式(1)可知，當光伏電站以單位功率因數運行，即僅輸出有功功率，會影響電網側電能質量，降低網側功率因數。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行無功補償。

3 光伏電站接入地鐵牽引供電系統的仿真模型

因為對于采用集中供電式的地鐵牽引供電系統，不論接入點如何選擇，光伏電站產生的電能均未直接接入城市電網，光伏電站電能與電網之間互不影響，加之光伏電站產生的電能是直流電，所以理論上通過 DC/DC 變換器升壓后，光伏電站所發出的電能可以直接接入地鐵直流接觸網，直流牽引供電系統中不存在無功、負序等電能質量問題。這種光伏發電站直接接入直流牽引供電網的并入方式，具有電能質量高、諧波污染問題不突出、運行中不占用牽引變電站整流裝置的容量等優點。

選擇35 kV交流母線作為光伏的并網點，拓撲圖如圖5所示。一般而言，地鐵負荷遠大于光伏電站所產生的能量，所以光伏電站起到了節約市電的作用。

圖5 光伏電站接入地鐵牽引供電系統拓撲圖

4 仿真分析

為了驗證所提方法的有效性，基于圖5在MATLAB/Simulink中搭建了仿真模型。光伏發電模塊采用擾動觀察法產生控制信號控制DC/DC變換器實現最大功率點跟蹤，逆變器采用前面所述帶無功補償功能的雙閉環控制策略。仿真所用主要參數見表1。

表1 仿真主要參數

設定地鐵車輛在正常運行時需要功率為3 MW，設置仿真條件如下：1 MW光伏電站接入上述地鐵牽引供電系統，光照強度1000 W/s2，溫度25℃；0.2 s時光伏電站受到的光照由1000 W/s2突變為800 W/s2，溫度不變，仿真結果見圖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，光伏電站工作在額定工作狀況下，輸出有功功率為1 MW；當0.2 s光照發生突變時，光伏電站輸出有功功率下降，電流變小，此時經過逆變器后的光伏電站輸出的電能諧波較小，符合并網要求。

5 結 語

隨著烏魯木齊市軌道交通行業的迅猛發展，城市的供電系統將會受到一定挑戰，為避免可能到來的能源短缺問題，同時也為了充分利用新疆地區的太陽能資源，對光伏電站接入地鐵牽引供電系統的可行性進行了一定研究。基于MATLAB/Simulink搭建了光伏電站接入地鐵牽引供電系統的仿真模型，將1 MW光伏電站接入35 kV地鐵牽引供電網絡，以實現光伏電能的就近消納。仿真結果表明，經過逆變器后的光伏發電站輸出的電能諧波滿足并網要求，說明光伏電站接入地鐵牽引供電系統在理論上是可行的。

若能將其應用于實際中，將起到節能減排、獲得更大經濟效益的作用。目前國內外對于光伏發電系

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

[1] 何穎, 趙爭鳴. 新疆光伏發電現狀及發展對策[J]. 能源工程, 2004(4):35-37.

[2] 胡仁祥, 王曉斌, 常喜強. 并網光伏發電系統對吐魯番地區配電網影響的研究[J]. 四川電力技術, 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] 倪衛標, 沈小軍, 趙時旻,等. 光伏發電系統接入城市軌道交通供電系統模式研究[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] 張國梁, 李虹, 劉立群,等. 基于改進擾動觀察法的光伏MPPT研究[J]. 電源技術, 2017(1):111-114.