光伏電站與電氣化鐵路集中接入地區電網穩定性研究

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(1.國網吐魯番供電公司，新疆 吐魯番 838000； 2.國網新疆電力公司，新疆 烏魯木齊 830002)

0 引 言

隨著世界能源危機和全球氣候變暖等問題的日益突出，發展可再生能源已成迫切需要，其中太陽能光伏發電是再生能源利用的重要形式之一[2]。現今光伏發電技術取得迅速發展，許多大規模光伏電站并網運行，其接入到電力系統的位置多與太陽能資源有關。在光伏電站周圍也伴隨有鐵路的穿越，鐵路的快速發展，得到電網的不斷支持，電氣化鐵路得到了迅速的應用和推廣。電網企業往往根據電網情況，在合適的地點接入了光伏電站，又同時接入了電氣化鐵路牽引站。目前，在太陽能資源豐富的新疆，隨著大規模光伏電站的建成投運和蘭新電氣化鐵路的改造建設，部分地區出現了光伏電站與電氣化鐵路集中接入電網的情況。光伏電站是一種不穩定電源，其出力的間隙性、波動性和不可控性對電網有較大影響。同時電鐵牽引負荷具有非線性、單相、沖擊特性，在電力機車的運行過程中，也同樣對電網產生較大的影響[7]。當光伏電站與電鐵牽引負荷集中接入地區電網后，它們在運行過程中既能相互影響，又會共同影響電網安全穩定運行。

1 光伏發電系統[2，4]

基于換流器并網的三相光伏發電系統由光伏陣列、逆變器及交流電路組成。其中, 交流電路由濾波器和變壓器組成。系統組成結構如圖1所示。

圖1 三相光伏發電系統組成

1.1 光伏陣列模型

光伏陣列由大量光伏組件組成，其輸出電流為

(1)

式中，V、Ip為光伏陣列輸出電壓和電流；k為波爾茲曼常數；q為電荷常數；I1為單位光伏組件產生的光電流；I0為二極管反向飽和電流；A為光伏組件的理想因子；Rs、Rsh為單位光伏組件的串聯合并聯阻抗；N為光伏組件串的串聯數；M為光伏組件串的并聯數；Tp為電池表面溫度。

1.2 逆變器模型

采用基于電壓源逆變器的光伏并網系統, 根據圖1由KCL和KVL得到一組方程。

(2)

θ=ωt-δ

(3)

u=Uc/2

(4)

式中，ua、ub、uc為交流母線電壓基波分量；ia、ib、ic為逆變器三相輸出電流；r、l為電阻、電抗；ω為系統基波角速度；Uc為逆變器輸出電壓的基波分量；δ為u和Uc之間的相角差。

1.3 光伏發電系統控制模型

光伏發電系統控制方框圖如圖2所示。三相光伏發電系統采用電流和電壓協調控制結構,電壓控制單元(AVR)利用光伏陣列電壓與參考值的差值為輸入信號, 確定電流控制單元電流輸入信號。電流控制單元(ACR)實現逆變器與系統電流的跟蹤控制。鎖相環節PLL實現電網電壓相位的跟蹤, 為逆變器提供控制信號。最大功率跟蹤(MPPT)負責最大功率點的確定, 完成PWM調制以控制逆變器。

2 電氣化鐵路供電系統

牽引供電系統[5]主要由牽引變電所、分區亭及牽引電網組成。牽引網額定電壓為25 kV單相，最高運行電壓為27.5 kV。牽引變電所高壓側一般接于110 kV或220 kV電力系統。牽引變電所主變壓器低壓側一相接地，另外兩相為兩側單相供電臂的電源。為了減輕高壓側三相不平衡度，鐵路全線所有牽引變電所主變壓器低壓側輪換接地，牽引供電系統兩個牽引變電所之間的供電臂在中間設立分區亭，正常情況下斷開運行，事故情況下，合閘后可作為兩所的相互備用電源。

圖2 光伏發電系統控制方框圖

圖3 典型牽引供電系統間圖

由于220 kV系統的短路容量大于110 kV系統的短路容量，接入高電壓等級時，電鐵沖擊負荷對接入點的電壓影響要小于接入低電壓等級[9]。新疆電網的蘭新電氣化鐵路牽引站都是通過接入220 kV變電站接入。

3 電鐵負荷對系統無功需求

在電力機車準備進入牽引變電站的供電范圍之前，牽引變基本處于空載狀態；當電力機車滑進牽引變的供電臂時，立刻需要牽引變提供與電力機車匹配的有功和無功功率；而電力機車離開牽引變的供電范圍時，牽引變又迅速進入空載狀態；對系統無功表現為明顯的階梯狀動態無功功率需求[9]。圖4所示為典型電氣化鐵路牽引站的無功變化波形。從圖4中可看出電鐵負荷的無功功率表現為明顯的階梯狀態。

圖4 典型電氣化鐵路牽引站無功功率波形

4 光伏電站與電鐵集中接入地區電網仿真分析

“十二五”期間新疆吐魯番鄯善紅山口地區首座通過220 kV升壓站點對網并網接入光伏發電電站。9座光伏電站(180 MWp)升壓后，通過LGJ-2×300導線，9.6 km接入新疆主網220 kV柯柯亞變電站，同時蘭新鐵路220 kV巴哥牽引站、連木沁牽引站也接入220 kV柯柯亞變電站，接入系統示意圖如圖5所示。

圖5 光伏電站與牽引站集中接入220 kV柯柯亞變電站示意圖

在電力系統綜合分析程序PSASP中搭建該地區電網模型。兩座電鐵牽引負荷共計20 MW，光伏電站出力共計170 MW的情況下進行仿真分析。

4.1 光伏電站對電鐵牽引站的影響

光伏電站受烏云、日照擾動，光伏出力的有功、無功會有波動，這樣會造成系統的潮流變化，各節點電壓波動。當光伏電站受到云彩、日照擾動時巴哥牽引站高壓母線電壓波動的仿真曲線如圖6所示。

圖6 不同擾動下220 kV巴哥牽引站高壓母線電壓

由圖6可以看出，光伏電站受不同擾動下，牽引站母線電壓存在不同程度的波動，擾動幅值到2 kV左右。電壓的波動會直接影響電力機車的運行狀態，造成機車電力電子器件頻繁受到沖擊，縮短其使用壽命，加大電力機車注入電網的負序電流和諧波[7]。

4.2 電鐵牽引站對光伏電站的影響

電鐵牽引負荷隨著運行狀況的不同會對系統造成不同程度的沖擊，引起光伏電站的出力和匯集站電壓的波動。光伏電站未受擾動而電鐵負荷運行時光伏電站輸出的有功功率和匯集站電壓變化的仿真曲線如圖7和圖8所示。

圖7 電氣機車運行時光伏聯絡線

從圖7和圖8中可以看出，電氣機車運行時，光伏電站有功出力減少，而無功出力增加，以補償機車的部分無功消耗，對電網可起到一定的電壓調節作用。

從圖8和圖9中進一步可以看出，電氣機車駛入，使得光伏匯集站電壓下降，光伏電站自動調節無功出力，以提高匯集站母線電壓。光伏電站無功出力波形與匯集站電壓波形，波動曲線幾乎一致，相位相反。

圖8 電氣機車運行時光伏聯絡線

圖9 電氣機車運行時光伏匯集站母線電壓波動

4.3 光伏電站與電鐵集中接入對電網的影響

光伏電站出力受運行、日照擾動、切機等影響，不同影響下，光伏電站的輸出功率有所波動，將對系統造成一定的沖擊，如果此時再疊加上電鐵牽引負荷對系統的沖擊，將進一步惡化地區電網的穩定水平。電氣機車運行前后光伏電站受不同擾動時集中接入點電壓波動仿真曲線如圖10至圖12所示。

由圖10至圖12可以看出，電鐵牽引負荷未接入地區電網時由于光伏電站受各因素影響，將引起接入點電壓波動；而當光伏電站與電氣化鐵路集中接入地區電網后，在電鐵牽引負荷運行時光伏電站受不同因素擾動將引起集中接入點電壓的大幅波動。

圖10 一陣烏云飄過時集中接入點母線電壓波動

圖11 日照擾動時集中接入點母線電壓波動

圖12 穩控動作切除4座光伏電站時集中接入點母線電壓波動

5 結 論

光伏電站本身就是不穩定電源，其運行特性受云彩、日照等影響較大，當電鐵牽引負荷接入后，電力機車在運行過程中會造成光伏電站出力的波動，加大光伏配套電力元件故障的概率，從而加劇了對地區電網穩定性的影響。

為了減小電鐵牽引負荷運行時對光伏電站的影響，一方面應在電氣化鐵路牽引站裝設SVC或者SVG補償濾波裝置，選取阻抗匹配平衡接線的牽引變壓器，采取換相接入的措施來抑制電鐵負荷的諧波和負序電流；另一方面應對光伏電站PCC點處的諧波進行檢測，如果原有的濾波裝置不能有效濾除電鐵牽引負荷產生的具有獨特序量規律的諧波，應注意更新濾波裝置。

針對光伏電站出力不穩定的問題，現在已經有了大量的研究和試驗工作進行光功率預測，目的是為了實現經濟調度，確保電網的安全穩定運行。但在電氣化鐵路接入后，僅僅進行光功率的預測是不夠的。所以在平時電網調度運行過程中，應加強光伏電站、電網、鐵路三個部門的相互協調與合作，將光功率預測結果與電氣化鐵路的列車運行圖結合起來，綜合考慮這兩方面因素對電網進行調度，從而確保電網的安全穩定運行。

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