分布式光伏發電技術在電氣化鐵路中的應用

摘要：分布式光伏發電技術在電氣化鐵路沿線的應用能夠提高能源利用效率，降低運營成本，促進綠色能源普及，具有顯著的經濟效益。通過對鐵路沿線空閑用地資源的有效利用，建設分布式光伏發電系統，旨在促進綠色低碳發展，實現節能減排目標。基于此，首先分析分布式光伏發電技術的特點，其次研究電氣化鐵路沿線光伏發電系統的設計與并網方案，最后通過實例分析該技術的應用效果。

關鍵詞：分布式光伏發電；電氣化鐵路；綠色低碳；節能減排

中圖分類號：TM615 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）12-0-0346

Application of Distributed Photovoltaic Power Generation Technology in Electrified Railways

CHU Yanting1，2

（1. College of Railway Power Supply and Electrical Engineering， Hunan Vocational College of Railway Technology;

2. Hunan High speed Railway Operation Safety Guarantee Engineering Technology Research Center， Zhuzhou 412000， China）

Abstract： The application of distributed photovoltaic power generation technology along electrified railways can improve energy utilization efficiency， reduce operating costs， promote the popularization of green energy， and have significant economic benefits. By effectively utilizing idle land resources along the railway line and constructing a distributed photovoltaic power generation system， the aim is to promote green and low-carbon development and achieve energy-saving and emission reduction goals. Based on this， first analyze the characteristics of distributed photovoltaic power generation technology， then study the design and grid connection scheme of photovoltaic power generation systems along electrified railways， and finally analyze the application effect of this technology through examples.

Keywords： distributed photovoltaic power generation; electrified railway; green low-carbon; energy saving and emission reduction

分布式光伏發電技術是一種在用戶場地附近建設的發電系統，以用戶側自發自用、多余電量上網為運行方式，具有輸出功率相對較小、環境污染小、環保效益突出等特點[1]。這種技術能夠直接接入配電網，實現發電用電并存，減少輸電損耗，且由于靠近負荷中心，對電網的影響較小[2]。分布式光伏發電設施能夠節約土地資源，降低開發成本，維護簡單，并且由于運行壽命長、無須燃料成本，投資回報率較高[3]。隨著光伏技術的進步和成本的降低，分布式光伏發電得到政策的大力支持，成為推動可再生能源發展的重要力量[4]。

1 電氣化鐵路沿線分布式光伏發電系統設計

從以下3個方面探討電氣化鐵路沿線分布式光伏發電系統的設計流程。

1.1 基于三相光伏逆變器的電氣化鐵路光伏發電系統

1.1.1 構建基于三相光伏逆變器的新型拓撲結構

三相光伏逆變器作為電壓源型變流器的一種，其設計旨在與穩定的三相電網電壓協同工作，以確保設備正常運行。這種逆變器在轉換太陽能電池板產生的直流電為交流電并輸送至電網中扮演著關鍵角色[5]。然而，由于電力系統一般都是兩相運行方式，因此常規的三相光伏逆變器并不能很好地適應這類系統。

為了解決這個問題，提出一種利用牽引變壓器將電網中三相電壓變換成牽引側二相電壓的方法。該系統采用反向二相到三相轉換的方式，為光伏逆變器供電。在該結構中，建立一個新的拓撲，如圖1所示。它是以原V/v接線牽引變壓器為基礎，采用一種降壓變壓器，將變壓器的低壓端接到逆變器的三相終端，將高壓端與α和β相的牽引母線相連，并將其共同端接于地。這種拓撲結構允許光伏逆變器直接向牽引供電系統供電，從而提高系統的能效和可靠性。當光伏發電系統產生的電能超過即時需求時，多余的電能通過逆變器回饋至電力系統，當光伏系統產生的電能不足以滿足需求時，電力系統可以補充所需的電能。

1.1.2 搭建基于三相光伏逆變器的光伏發電系統仿真模型

采用MATLAB/Simulink軟件構建一個基于三相光伏逆變器的光伏發電系統仿真模型。該模型包括光伏陣列模擬、最大功率點跟蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT）、直流-直流轉換器、三相逆變器、兩相-三相變換器、濾波器設計以及并網控制策略。該模型模擬光伏陣列在不同環境條件下的輸出特性，并采用擾動觀察法進行MPPT控制，以確保光伏陣列能夠在不同輻照和溫度條件下輸出最大功率。此外，設計一個直流-直流轉換器來適配逆變器的輸入電壓要求，并實現基于空間矢量脈寬調制（Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM）的三相逆變器控制策略，以及一個定制的兩相-三相變換器，以適應鐵路牽引供電系統的兩相電壓需求。

仿真結果表明，該光伏發電系統能夠有效地與鐵路牽引供電系統協同工作。MPPT控制器能夠在不同環境條件下跟蹤到最大功率點，確保光伏陣列輸出最大功率。逆變器輸出的三相交流電壓與電網電壓同步，且總諧波畸變率（Total Harmonic Distortion，THD）滿足電能質量標準。兩相-三相變換器的輸出波形穩定，滿足牽引供電系統的要求。濾波器能有效減少逆變器輸出電壓的諧波含量，提高電能質量。并網控制策略能夠保證系統與電網同步，并在仿真時間內穩定運行，電壓或頻率沒有出現異常波動。

1.2 基于單相背靠背拓撲的電氣化鐵路光伏發電系統

1.2.1 構建電氣化鐵路背靠背光伏發電系統拓撲

為了適應牽引供電系統的特殊需求，提升光伏發電系統的運行效率與電能消納能力，構建基于背靠背拓撲的電氣化鐵路光伏發電系統，如圖2所示。該系統通過兩臺單相降壓變壓器連接于兩條供電臂，降壓變壓器的一次側分別接入牽引供電系統的α相和β相牽引母線，二次側則分別與光伏發電系統的α相逆變器和β相逆變器相連。2臺逆變器共用一個直流電容，形成背靠背拓撲結構，實現了電能在直流與交流之間的高效轉換。光伏陣列通過直流-直流變換器接入系統，該變換器不僅負責光伏電能的升壓，還通過MPPT優化輸出功率，并將光伏電能匯流至背靠背逆變器的直流電容。利用2臺逆變器的協調控制，系統實現了光伏電能從直流到交流的高效變換，為牽引供電系統提供了穩定的新能源支持。

1.2.2 背靠背光伏逆變器控制方法

為實現電氣化鐵路光伏發電系統中背靠背逆變器的高效控制，采用一種電流正方向定義為從光伏發電系統向供電臂流動的控制策略，并以電力系統側的UA為基準相量。系統由2臺逆變器分別控制α相和β相的輸出電流，其中Iαcp和Iβcp表示兩相逆變器輸出電流的幅值參考值，如圖3所示。控制方法基于電壓-電流雙閉環結構，首先通過調節電壓環獲得兩側逆變器的輸出電流幅值參考Iαcp和Iβcp，并將電壓環輸出作為兩側逆變器的共同參考，以保證有功功率在α相與β相逆變器之間的平均分配。為抑制電壓環中可能出現的二次諧波影響，在電壓環與電流環之間加入低通濾波器（Low Pass Filter，LPF），從而削減比例-積分（Proportion Integral，PI）控制器輸出中的脈動分量。二次諧波電壓的存在會導致電流參考值Iαcp≠Iβcp，使光伏電能無法在兩側供電臂間均勻分配，還會使輸出電流出現諧波分量。

2 應用實例與效益分析

某電氣化鐵路沿線采用了分布式光伏發電系統，每百千米可建設的分布式光伏發電系統裝機容量約為20 MW。假設光伏發電系統的轉換效率為15%，電氣化鐵路沿線地區年平均日照小時數為1 200 h。光伏發電系統的建設成本為5元/W，維護成本為0.05元/（W·a）。電價按照工業電價計算，為0.8元/（kW·h）。

2.1 計算年發電量

年發電量的計算公式為

W=C×H×η（1）

式中：W表示年發電量；C表示裝機容量，取值為20 000 kW；H表示日照小時數，取值為1 200 h；η表示轉換效率，取值為0.15。

2.2 計算每年可減少碳排放量

假設1 kW·h電能的碳排放量為0.6 kg，每年可減少的碳排放量為

E=W×k（2）

式中：E表示每年可減少的碳排放量；k表示碳排放系數，取值為0.6 kg/（kW·h）。

2.3 計算每年可減少電費支出

假設80%的電能自發自用，20%的電能余電上網，每年可減少電費支出為

S=（W×0.8×p）+（W×0.2×p）（3）

式中：S表示每年可減少的電費支出；p表示電價，取值為0.8元/（kW·h）。

綜上所述，每百千米可建設的分布式光伏發電系統裝機容量約20 MW，年發電量可達3 600×107 kW·h，每年可減少碳排放量21 600 t。同時，按照80%自發自用，20%余電上網計算，每年可減少電費支出約2 880萬元。

3 結論

分布式光伏發電技術在電氣化鐵路沿線的應用具有廣闊的前景和重要的現實意義。通過合理利用鐵路沿線的空閑用地資源，建設分布式光伏發電系統，不僅有助于降低鐵路系統的運營成本，提高經濟效益，還能有效減少碳排放，推動綠色低碳發展。

參考文獻

1 鄧文麗，戴朝華，張涵博，等.復雜電氣化鐵路牽引用光伏發電系統綜合優化控制方法研究[J].中國電機工程學報，2020（18）：5849-5865.

2 王 璇.光伏接入牽引供電系統適應性分析與優化控制研究[D].成都：西南交通大學，2020.

3 鄒 翎.西部鐵路光伏發電系統的應用及設計[J].太陽能，2004（2）：29-31.

4 楊全亮.新能源和可再生能源在鐵路應用現狀及展望[J].鐵路節能環保與安全衛生，2015（3）：106-108.

5 鄧文麗，戴朝華，陳維榮.光伏接入牽引供電系統的多元制約因素初探[J].太陽能學報，2020（8）：192-203.

基金項目：湖南省自然科學基金資助項目（2022JJ50097）；湖南省教育廳科學研究優秀青年基金資助項目（23B1021）。

作者簡介：褚衍廷（1989—），男，山東濟寧人，碩士，副教授。研究方向：電力系統自動化、新能源發電、職業教育。