面向電氣化鐵路牽引供電的光伏發電分相電流控制策略

張宇杰

（中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600）

電氣化鐵路儲能系統吸收電力機車再生制動狀態產生的電能，在牽引狀態下釋放出來，可以在減少能量反饋問題的基礎上降低電氣化鐵路的電能水平作為該控制戰略的一部分，電氣化鐵路儲能的能量轉移過程不存在邊際成本(即負荷成本)；另一方面，電氣化鐵路的儲能還有不考慮網上電價、土地租賃成本、稅收和其他好處。在最大碳中和國家發展目標范圍內，在能源密集型鐵路部門開發太陽能光伏系統所代表的綠色可再生能源技術，是該部門實現節能和減少碳排放的主要途徑之一。因此，在電氣化鐵路中引入綠色、高效和低碳的光伏系統也成為鐵路供電的一個新的研究熱點。

1 相關概述

1.1 構成

能量利用裝置大多是經過控制單元、保護單元、變流單元、降壓變壓器（T1，T2，T3）、隔離開關（QS1，QS2，QS3）以及斷路器（QF1，QF1，QF3）等多個結構共同組成，其各自采取并聯的方式與牽引供電體系27.5kV 側a 相和b 相母線，以及電力供電體系10kV 三相母線相互銜接，能量利用裝置主接線拓撲如圖1 所示。

圖1 能量利用裝置主接線拓撲

圖2 系統結構圖

1.2 工作原理

牽引供電體系與電力供電體系的能源耗費狀況應用合理的能源耗費設施進行計算，所以，當能源運用設備檢驗到牽引供電系統向公共電網輸送電能的時候，需要把可用的再生制動能源進一步按照相關需要轉送到電力供電系統內部，進一步減少電力供電體系獲取電量的力度，進一步促進再生制動能源在相關領域的應用和運作，從而節省能源以及開支狀況。

必須引起注意的是，運用電能設備對耗能開展計算的時候，必須通過各單相功率數據和的方式進行相應的檢測和計算，進一步確保數據的科學性以及合理性，即運用供電系統27.5kV 側任一相的再生制動效率和另一同步時間的引導效率在計算層次相互抵消，因此，需要在牽引系統高壓功率較低向公共電網反向輸送電力的時候，進一步通過牽引供電系統向電能供電體系轉送再生制動效能。除此以外，為了避免過度轉送的情況出現，必須采取牽引供電體系數據與電力供電系統承載所必須的最小數據，進一步作為再生制動能量應用設施傳送成效的最高數據。

1.3 高鐵線路光伏發電系統

在高鐵軌道上裝置光伏發電體系，是指運用高速鐵路上層，進一步設置光伏陣列。運用鐵路軌道范圍的接觸支架，對于光伏零件開展支設。光伏零件距離底層最高可達到14m，在接觸網上空，不會對列車電力造成負面作用。依照太陽以及鐵路上層光伏零件的角度差異，光伏零件裝置位置能夠進一步依照路線走向以及各區域光伏零件裝置角度開展確認，獲得太陽能量。

基本作業流程主要為：光伏陣地所產出的電能經過集線匯流設備與逆變器相結合，將直流電流變為交流，少量電力用在光伏零件本身的設施以及鐵路輔助設施的運作，多數經過并網設備以及變壓設備進入鐵路電網中并引導變電設備與鐵路接觸電網相適應。與此同時，結合光伏發電當天的天氣狀況，進一步將光伏電力系統和公共電網開展銜接。光伏發電狀況較為優質的時候，發電量相對用電量較大，多出的電量能夠補充公共電網的不足。發電狀況較差的時候，能夠經過電網獲取少部分電力用在保持光伏發電體系中必要的設施運作。

1.4 貫通供電方式AT 牽引網分段供電方案

同一個電力系統供電的牽引變電中能夠完成的相互聯系的供電模式，為了進一步把問題以及其作用條件進一步縮小，依照線路的現實狀況，經過絕緣零件以及分段絕緣設備對于引導網開展分段工作。

經過設立分段FD+過渡區TA 的單元構造，把AT 引導網進一步分作多種供電模式。國內AT 段長度大約處于13km 左右，國外則相對較長，處于15km 左右，能夠進一步運用線路的自然AT 分段，在周邊引導變電設備的運作。為了保證過渡區域把控合理有效，過渡區域設立長度需高于100m。為了適應AT 引導網分段狀況檢測把控要求，進一步搭建三層兩網的構架，在變電設備和AT 所內設立智能把控設置，完成引導網接觸線以及負饋線電壓等相關數據的選集和儲存。

2 電氣化鐵路儲能經濟性

2.1 儲能系統的工作原理

電氣化鐵路引導供電體系屬于一類兩相差異、波動繁雜的負荷狀況，電力機車和TPSS 的能量轉換是相互之間的。存儲能源系統在電力機車運作進程中不斷吸收反饋的電源，從而促進在牽引狀態下的電源釋放。

2.2 儲能系統的初始投資成本

儲能系統的初始投資成本Cin為：

式中，Qes和Pes分別為儲能系統的額定容量和額定功率；kq,in和kp,in分別為單位容量和單位功率的投資成本。

2.3 儲能系統的運維成本

壽命周期內儲能系統的運維成本Com（x）為：

式中，kp,om為單位功率運維成本；ke,om為單位電量運維成本；Ey（x）為儲能系統一年內累計轉移的電量；x 為壽命周期內充放電次數；n 為儲能系統壽命周期內的最大充放電次數。

2.4 儲能系統的收益

電力化鐵路儲存系統的效益即為電費收入，是指存儲體系在巔峰時期所釋放的能源經過牽引載荷耗費的同時進一步與原先必需開支的成本相抵消后所剩下的收益。進一步結合成本的時間效益，每年的凈收益數值并未精準反映儲能體系的經濟效益。本文運用凈現值方式對于存儲體系的經濟效益開展測評，即將每年的凈收益數據均計算至初始投資時間內。儲能系統的收益凈現值Bes為：

3 面向電氣化鐵路牽引供電的光伏發電分相電流控制策略

3.1 系統結構

系統構造相對較為復雜，其中主要包括相AC/DC 變流器、DC/DC 變流器、Vv 三相-兩相變壓器（MT1）、Vv 兩相-三相變壓器（MT2）、光伏側Yy 降壓變壓器（MT3）等設備。同時，牽引網兩邊饋線通過MT2 以后會進一步向三相10kV（6kV）低壓交流母線位置進行轉移，從而進一步促進光伏發電部門的并聯與公共母線銜接工作順利進行。因為本文的研究重點主要圍繞著光伏發電三相接入策劃的正負序電流特征開展，那么便能夠進一步假設牽引變電所囊括的高壓側三相交流電內并不包括零序分量。

光伏逆變器對電流的控制較為靈活，可通過這一特性使其具備并網發電與負序補償的統一控制功能，進一步促進高壓側三相電流的平衡和穩定。同時，光伏逆變設備相電流以及鐵路載荷電流之間相互關聯，經過相電流調整能夠進一步縮減橋臂牽引載荷電流的供給壓力。

3.2 控制策略

（1）控制設計。在光伏逆變器的并網發電以及負順序補充的一致把控下，光伏設施正序電流經由捕獲功率之后，用于光伏功率的并網傳送，負序電流經由電力化鐵路的載荷進一步與逆變設備相融合。用在補充經過單相電力機車所造成的負序電流。

（2）電流限幅。在實際的應用進程中，由于光伏逆變設備容量限制，較難有效對牽引載荷所發生的負序電流開展補給，所以，本文搭建光伏逆變器電流限制把控決策，能夠在確保光伏效率的有效輸送的基礎上，從而應用光伏逆變器的剩余容量，對高壓側負序電流進行補給。需要注意的是，由于負序電流的產生，會對光伏逆變器傳輸三相電流的數據造成一定的干擾影響，進一步致使信息差異狀況的產生，其數值最高的相電流會促進逆變器數據提升，此時進行電流限制工作，會進一步導致光伏逆變器傳輸電流出現約束狀況。

隨著光伏逆變器輸送效率的不斷提升，可以引用的電流數據也在不斷地減縮，進一步致使能夠傳輸的負序電流也在不斷縮減，況且高壓電網側負序電流的不斷增強，也會進一步造成相應的影響。在牽引載荷低于光伏逆變器有關容量的狀況下，光伏逆變設備可以進一步按照實際需要進一步對負序電流進行輸送，對于單相引導載荷需求開展補給，從而保證高壓電網測三相電流對稱的情況。當單相牽引載荷與光伏逆變設備相比可剩余容量相對較大的時候，光伏逆變設備對于單相牽引載荷需求的補給相對較為單薄，高壓電網量發生三相電流不對稱的情況。上述幾種情況，光伏逆變設備所剩余的容量會進一步用作對于單相載荷所必需的負序電流的補給，進一步保證輸送電流不斷增大，這時光伏逆變器能夠供應的負序電流數值與容量相關。

3 結語

結合以上所述，面對電氣化鐵路引導供電運用光伏發電分相把控體系，運用潛力和節能潛力很大。綜合體系所產生的電量能夠進一步降低二氧化碳的排放，達到綠色環保的最終目的。光伏零件的構造穩固性質和相應需求適應，列車運作進程中的活塞風影響不會對于光伏零件造成損壞，進一步確保高速列車的運作穩定性。光伏發電在電氣化鐵路中的運用，需要與現實的線路狀況相適應，相互差異的路線的載荷也相互差異，但是能夠運用和本文相同的配置方式以及相關模型開展工作。