基于光伏發電系統的高鐵AT 所配電技術研究

李 昂，金 鈞，趙雨生，柳 宇，王 聰

0 引言

在國外，近年來太陽能光伏電源已開始由補充能源向替代能源過渡，并從偏遠無電地區中小功率的獨立發電系統向并網發電系統的方向發展[1]，而把太陽能發電應用在鐵路牽引網系統的研究還比較少，本文探討的設計方案具有創新意義。為AT所增設太陽能光伏發電系統作備用電源，可以有效減少因配電線路故障造成的經濟損失，很大程度上提高了AT 所配電的安全性和穩定性，保證機車的正常運行。同時，利用綠色能源發電，可以減少污染，在節約用電成本的同時創造經濟效益，最終實現可持續發展。

1 高鐵AT 所配電系統

AT 供電方式是牽引網的重要組成部分。將AT所自耦變壓器（AT）按一定間隔距離跨接在牽引網的接觸網、正饋線和鋼軌間，起著支撐2×27.5 kV 饋電系統的作用。

如圖1 所示，牽引網AT 變電所（簡稱AT 所）里的主要設備有自耦變壓器、斷路器、檢測裝置、母線排、開關設備和空調機等，保證這些設備的供電是保證AT 所正常工作的基礎，是電力機車從接觸網獲得電能從而正常運行的根本。AT 所由10 kV線路（三相工頻交流電）輸配電通過變壓器T1 變換為0.4 kV 工頻交流電為所內設備供電，當10 kV線路出現故障時，則選擇接觸網線路（單相工頻）經過所內變壓器T0 變換得到0.4 kV 工頻交流電。

圖1 AT 所結構示意圖

由于AT 所地處野外地區，平時維護不便，周圍地勢空曠，有足夠的空間來放置設備。這就使得可再生能源發電系統給AT 所配電成為可能，具有代表性的就是太陽能光伏發電系統。

2 太陽能光伏發電系統

2.1 太陽能光伏發電系統組成

太陽能光伏發電系統主要由太陽能電池組件、并網變流器、系統控制器和繼電器保護裝置組成。太陽能電池組件由多塊太陽能電池板串并聯組成，在陽光的照射下將光能轉化為電能，是太陽能光伏發電系統的核心部件。并網變流器將太陽能電池輸出的直流電轉化為工頻交流電輸入電網，并網變流器有多種拓撲結構可以選擇，不同的拓撲結構在不同的應用場合可以體現出各自的優缺點。系統控制器保證了并網變流器的輸出與電網同頻同相，并實現太陽能電池的最大功率點跟蹤。繼電器保護裝置保證了系統的運行安全，在電網或光伏系統發生故障時切除，保證系統的可靠運行[1]。

2.2 太陽能光伏電池等效電路

圖2 為太陽能電池的等效電路[2]。

圖2 太陽能電池等效電路圖

則太陽能電池的電流-電壓特性可以表示為

式中，I 為輸出電流；Ish為光生電流；U 為端電壓；Rs為太陽能電池串聯等效電阻；Rsh為太陽能電池并聯等效電阻；I0為反向飽和電流；q 為電子電荷，q = 1.6×10-19C；A 為二極管因子，取值為1～2；k為波爾茲曼常數，k = 1.38×10-23J/K；T 為絕對溫度，K。

3 AT 所增設太陽能備用電源的設計方案

3.1 與電網相連接的光伏發電系統

圖3 為基于太陽能光伏發電系統的AT 所配電結構圖。在該系統中，并網逆變器將太陽能電池板產生的直流電能轉化為和電網電壓同頻、同相的交流電能，同時還可以給蓄電池組充電，當光伏發電系統所產生的交流電能超過負載所需時，多余的部分將送往電網。當10 kV 線路出現故障時，接觸網線路投放使用并通過所內變壓器T0 變換為0.4 kV電壓等級的電能為AT 所內設備供電，而當變壓器T0 出現故障或者接觸網線路出現故障時，則選用太陽能光伏電池組件帶蓄電池組為所內設備提供電能，這樣做理論上提高了AT 所配電的安全性和穩定性。

圖3 基于太陽能光伏發電系統的AT 所配電結構圖

用太陽能光伏發電系統作AT 所的備用電源的優勢在于太陽能是可再生資源，取之不盡，而且無污染。太陽能光伏發電系統具有免維護性，并且可以通過計算機進行遠程監控，大大提高了用電的安全性和穩定性。

3.2 以Z 源阻抗網絡為核心的光伏發電系統

圖4 為基于Z 源逆變器的光伏發電系統結構圖。太陽能電池發出不穩定、不規則的直流電通過Z 源阻抗網絡送入三相橋式逆變電路，最后經過LC 濾波電路送入電網（或負載）。實現將不穩定的直流電轉換為穩定、規則的交流電。

Z 源阻抗網絡（Z 源網絡）由大小相等的2 個電感L1、L2和2 個電容C1、C2組成，并連接成形，將變換器和負載藕合在一起[3]。相對于傳統的變換器，Z 源阻抗網絡有以下優點：由于Z 源網絡中沒有開關元件，所以嚴格意義上不算一級網絡，系統的效率必定提高；Z 源網絡的升壓功能是由逆變橋的貫穿短路實現的，其升壓比為1～∞，逆變器的調制比為0～1，所以系統的電壓轉換比可達到0～∞；Z 源網絡中的電容不起支撐電壓的作用，所以電容的耐壓和容量都可以減小，其結構組成兩級LC 濾波，所以電感電容值都相應減小，這不但使系統的體積成本降低，同時也降低了由電解電容帶來的系統可靠性問題；Z 源變換器中的LC 網絡可以起到濾波的作用，改善輸出波形；由于Z 源變換器的存在，使后級逆變器的開關管只承受電網電壓，所以開關管的耐壓只需按網壓選取，避免了由于光伏陣列輸出電壓太高對開關元件耐壓造成的嚴苛要求；Z 源網絡利用負載續流的時間升壓，所以逆變橋的貫穿短路對系統沒有損害，降低了對開關管控制信號的要求，使系統的可靠性提高。

圖4 基于Z 源逆變器的光伏發電系統結構圖

3.3 并網控制策略

太陽能電池板輸出的是直流電，而電網則是50 Hz 的交流電，其中逆變器是整個系統最主要的環節，采用SPWM 控制技術，即正弦波脈寬調制逆變技術。根據電力系統準周期并列的條件，實現并網工作時，為使并網裝置在并網工作時產生的沖擊減少，逆變器必須同時滿足以下條件：

（1）并網逆變器輸出電壓應和電網電壓保持同相，通常情況下相位差應小于10°。

（2）逆變器輸出電壓應和電網電壓接近相等，壓差一般應控制在10%以內。

（3）逆變器輸出頻率應和電網電壓頻率接近，頻差一般應控制在0.4 Hz 以下。

太陽能光伏并網發電系統控制框圖如圖5 所示。該并網系統中包括光伏陣列MPPT 控制、DC/DC 升壓控制、DC/AC 逆變控制、電網電壓鎖相以及各種保護等控制部分[4，5]。

在光伏并網逆變系統中，控制系統的主要工作如下：

（1）采集模擬量（直流、交流電流和電壓等）來監控和控制。

（2）提供頻率、脈寬可實時改變的SPWM 信號給功率器件驅動板。

（3）數字鎖相，檢測電網電壓的相位和頻率。

（4）自動保護，接收功率器件發出的過流、過壓保護信號。

圖5 太陽能光伏并網發電系統控制框圖

4 結語

本文提出了一種以光伏發電系統作高鐵AT 所配電備用電源的設計方案。提高了高鐵AT 所配電的安全性和穩定性，并探討了以Z 源阻抗網絡為核心的光伏發電系統的優點，給出了光伏發電系統的并網方案，從理論上分析研究了并網逆變器控制策略，從而改善了牽引網AT 所配電電能質量。利用綠色能源創造經濟效益，實現節能減排，社會經濟的可持續發展。

[1] 盧婷.太陽能發電并網系統的研究[D].北京：北京交通大學，2008.

[2] 楊金煥，于化從，葛亮.太陽能光伏發電應用技術[M].北京：電子工業出版社，2009.

[3] 王君惠.基于Z 源逆變器的光伏發電系統研究[D].大連：大連理工大學，2010.

[4] Teodorescu，R.等著；周克亮，王政，徐青山譯.光伏與風力發電系統并網變換器[M].北京：機械工業出版社，2012.

[5] 王東嬌.太陽能光伏發電控制技術研究[D].太原：中北大學，2010.