光伏發電系統接入城市軌道交通供電系統模式研究*

倪衛標沈小軍趙時旻張 翼

（1.上海鐵路局供電檢測所，200071，上海；2.同濟大學電氣工程系，200092，上海；3.上海申通地鐵集團有限公司，201103，上海∥第一作者，工程師）

光伏發電系統接入城市軌道交通供電系統模式研究*

倪衛標1沈小軍2趙時旻3張 翼2

（1.上海鐵路局供電檢測所，200071，上海；2.同濟大學電氣工程系，200092，上海；3.上海申通地鐵集團有限公司，201103，上海∥第一作者，工程師）

城市軌道交通具有應用分布式光伏發電系統的廣闊空間。以上海城市軌道交通為例，開展了光伏發電接入城軌交通供電系統的可行性與并網方式研究。理論計算及仿真分析結果表明，光伏發電接入城軌交通供電系統是可行的。光伏發電系統接入城市軌道交通供電系統具有交流并網和直流并網2種模式。交流并網模式具有控制策略簡單成熟的優點；直流側并網模式通過控制策略優化補償牽引網電壓減少接觸網損耗，具有提高城軌交通牽引供電質量和節能的雙重作用。

城市軌道交通；光伏發電；交流并網；直流并網；節能

First-author'saddressElectrical Detection Department of Shanghai Railway Bureau，200071，Shanghai，China

隨著城市軌道交通（以下簡稱“城軌”）的快速發展，城軌已成為城市的主要耗能大戶，其節能減排問題日益突出。光伏發電作為一種清潔能源，具有無污染、無噪聲的特點，隨著技術的進步，其應用領域在不斷擴大。德國、荷蘭、奧地利等國家已經開展了沿高速公路沿線安裝光伏聲屏障，并就地利用的研究［1］。城軌沿線所建的停車場、車輛段以及高架線路，其場地上的優勢為光伏發電系統在城軌中的應用提供了廣闊的前景［2-3］。實現光伏的終端利用對城軌和整個社會的節能減排，均具有重要的意義，因此有必要開展光伏發電系統在城軌供電系統中的相關應用研究。

1 光伏發電應用可行性分析

城軌沿線所建的地面停車場、車輛段，以及高架線路兩側、建筑物屋頂，其場地上的優勢可以作為分布式光伏發電應用的新興平臺［4-5］。以上海軌道交通3號線高架線路為例，典型牽引變電站間距離3 km，設置光伏電池與法線夾角α=27°，參照圖1中所示的尺寸及安裝方式，單側可安裝面積為8 417.4 m2，上下行雙側可安裝面積為16 834.8 m2。

圖1 光伏電池板安裝示意圖

按每平米太陽能電池板的安裝容量100 W，面積利用率50%計算，則兩站間高架路段裝機直流容量可達841.7 kW。上海地處中國長江三角洲前緣，位于北緯31度14分，東經121度29分，平均氣溫16℃左右，年日照時數1 665.3 h，年平均日輻射量12 317.8 kJ/m2［6］。根據熱功當量1 k Wh= 3 600 kJ，將日輻射量換算為標準光強（1 000 W/m2）下的平均日輻射時數為3.4 h，那么一個典型牽引變電站間隔年平均發電量為1 044 599.3 k Wh。不僅實現了可再生能源的就地利用，還能有效降低電能傳輸損耗。

據統計：每節約1 k Wh電，就相應節約了0.4 kg標準煤，減少0.272 kg碳粉塵、0.997 kg二氧化碳（CO2）、0.03 kg二氧化硫（SO2）、0.015 kg氮氧化物的排放，節約用水40 L［3］。特別是隨著技術的不斷進步，太陽能光伏電池的發電成本已達到或接近常規發電成本價格［7］，因此，實現光伏的終端利用對城軌和整個社會的節能減排，均具有重要的意義，將產生巨大的社會效益和經濟效益。

2 光伏發電系統并網模式及能量管理策略

2.1 城軌供電系統簡介

上海城軌供電系統一般包括電源系統、動力照明系統和牽引供電線系統3部分［8］，如圖2所示。

圖2 上海城軌供電系統結構示意圖

電源系統由外部電網和主變電站構成，實現AC 110 k V到AC 33 k V的轉換。動力照明系統主要包括降壓變電站和負荷，實現AC 33 k V到AC 400 V的轉換，供給車站照明、空調、電梯、商業等用電。牽引供電系統主要由牽引變電站、接觸網（第三軌）、車輛以及走行軌等組成，實現AC 33 k V轉換為列車牽引所需要DC 1 500 V，并供給車輛。

2.2 光伏發電系統并網方式

城軌供電系統具有交流負載，又有大直流負載，因此光伏發電系統可能的并網點如圖3所示。

圖3 光伏發電系統可能的并網點

2.2.1 交流側并網拓撲及能量管理策略

光伏陣列產生的直流電經過并網逆變器轉換為符合要求的交流電之后接入交流網絡［9-10］，如圖4所示。根據城軌供電系統拓撲結構，交流側存在33/35 k V和400 V 2個并網點。對于采用集中供電式的城軌供電系統，光伏所發電力均未直接接入市電網絡，無須與供電部門聯絡，靈活便利。對于分散式供電方式，接入33/35 k V則會受到較多限制。

圖4 交流側并網拓撲圖

一般而言，城軌交流用電負荷遠大于光伏發電系統發電能力。光伏發電系統交流并網方式下，只要產生電能，且滿足并網條件就可以輸出到電網中去，故能量管理策略相對簡單，相關領域已有的研究成果可直接采用。采用光伏發電系統與市電并聯形式向用電負荷供電，原則是優先使用光伏發電系統產生的電能。

該方式無需安裝儲能裝置，但需要專用的并網逆變器，以保證輸出的電力滿足電氣設備對電壓、頻率等指標的要求［10］。光伏發電經過逆變器接入車輛段和停車場的低壓變電所，供場內部分交流負荷使用。該方式已在上海城軌川沙停車場得到了應用。

2.2.2 直流側并網拓撲及能量管理策略

理論上光伏發電系統通過DC/DC變換器即可接入城軌直流接觸網，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。城軌牽引供電系統是一個復雜的車、網動態交互系統，列車運行中頻繁地在起動、加速、惰行、制動等工況間轉換，直流接觸網電壓波動十分劇烈。典型工況下的直流接觸網電氣特性如圖5所示。

圖5 城軌車、網典型動態電氣特性示意圖

在列車牽引階段，功率需求非常大，系統內阻的存在會導致接觸網電壓低于系統空載電壓。在列車再生制動階段，會引起局部接觸網電壓上升，當超過設定的閾值時，將觸發車載制動電阻以發熱的形式消耗掉制動電能。所謂再生制動是指牽引電機在外力作用下減速、反轉時以發電機狀態運行。車輛母線電壓升高，實現能量反饋直流饋電系統，供車輛所在供電區段上的其他車輛和本車輔助系統使用，實現節能運行。實際工況中，再生制動能量時常“饋-用”不匹配，再生制動電能得不到充分利用。

可見，直流側并網只有適應城軌的牽引網負荷運行特點，才能充分利用光伏系統所發電力。一種直流側并網拓撲結構及能量管理策略如圖6所示。

圖6 直流側并網拓撲圖及能量管理策略示意圖

采用該拓撲進行并網，通過制定合理的能量管理策略，能夠充分發揮光伏發電系統在節能和保障電能供電質量兩方面的功能。比如早晚客流高峰時處于全天光照密度較弱階段，并且由于運行高峰，運營車輛多，牽引階段功率需求大，會造成網壓產生較大的跌落；此時段光伏電池只向儲能設備充電，與外網斷開，通過儲能設備向電網提供短時大功率，以達到填谷，發揮其保障牽引網電壓安全的作用。白天處于運行非高峰時段時，陽光光能密度較高，牽引網電壓相對較低階段（對應車輛等效牽引），光伏電池直接通過DC/DC變換器向電網輸電，不通過儲能設備，減少損耗；牽引網電壓處于相對較高階段（對應車輛等效再生制動），光伏系統向儲能設備充電，并在牽引網電壓下降到一定值時予與釋放，實現更好的能量利用率。以上任何階段或夜間，儲能系統還可參與制動能量回收。

3 交、直流并網模式節能特性仿真

為了對比交、直流并網模式下節約常規電能的效果，借鑒相關成果［11-12］，基于EMTDC/PSCAD軟件進行了仿真，并引入節能倍率參數k進行考核。所謂節能倍率是指光伏發電系統接入前后原系統消耗常規電能差與光伏發電系統發出電能的比值。

即：

式中：

W0——光伏發電系統未接入前系統消耗常規電能；

W1——光伏發電系統接入后系統消耗常規電能；

Wpv——光伏發電系統發出的電能。

顯然，k越大說明節約常規電能的效果越好。仿真中設光伏發電系統功率為180 k W，以恒功率持續工作96 s。

3.1 交流側并網模式節能特性

光伏發電系統交流側并網模式，無論是33 k V或400 V并網，并網電壓均是穩定不變的。采用前述的交流側并網能量管理策略，則在忽略上端和400 V傳輸環節損耗的情況下，系統節約消耗常規電能等于光伏發電系統發出的電能。由系統仿真條件可知，系統節約消耗常規能源4.79 k Wh，光伏發電系統節能倍率為1。

3.2 直流并網模式節能特性

光伏發電系統直流并網模式仿真模型如圖7所示。仿真中列車控制包括一個完整起動惰行制動停站加一個起動工況（對應96 s的仿真時間），由牽引站I向牽引站Ⅱ行駛，仿真參數如表1所示。

圖7 直流并網仿真模型

表1 仿真參數

光伏發電系統在運行過程中持續工作，接觸網電壓低于1 500 V時直接向接觸網提供能量，高于1 500 V后向儲能裝置充電（對應車輛再生制動），當接觸網電壓再次低于1 500 V時（對應車輛再次牽引），儲能裝置與光伏發電系統同時向接觸網饋電。

為了單純比較光伏發電系統交、直并網模式下對系統節能的貢獻，仿真中儲能系統不參與城軌車輛制動能量回收；根據光伏發電系統接入和未接入2種情況分別進行了仿真，仿真中記錄列車受電弓處的網壓及兩個牽引變電站輸出的總能量。仿真結果如表2和圖8所示。

表2 直流并網模式下的牽引系統耗能數據

圖8 列車受電弓處的電壓值

表2仿真數據表明，相比較于原有系統，直流側并網模式下系統消耗常規電能5.7 k Wh，大于光伏發電系統發電量4.79 k Wh，實現增益節能0.89 k Wh，節能倍率為1.2。

研究者認為，直流側并網模式實現常規電能的節能倍增效益，是由于城軌直流接觸網電壓允許有較大的范圍內波動［13］，以及車輛牽引階段的等效特性為功率源共同引起的。由圖8可知，光伏發電系統的接入對接觸網電壓進行了有效抬升，降低了牽引電流，減少了直流接觸網網損，所減少的網損即是仿真算例中對應的節能倍增效益。

4 結語

城軌供電系統及其負荷的特殊性，使得光伏發電系統接入具有交流并網和直流并網兩種模式。研究結果表明，交流側并網技術具有控制策略相對簡單成熟，無需裝設儲能裝置，投資小的特點，能夠較快推廣應用。直流側并網具有提高城軌牽引供電質量和節能的雙重作用，但需要安裝儲能裝置，并需結合城軌的牽引網負荷運行特點，控制技術復雜，有待深入研究。

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Grid Modes of PV Generation System in Urban Rail Transit Power Supply

Ni Weibiao，Shen Xiaojun，Zhao Shimin，Zhang Yi

Urban rail transit provides a broader space for the application of photovoltaic generation system.In this paper，Shanghai rail transit is taken as an example to study the feasibility and grid mode of PV power generation system in urban rail transit power supply.Theoratical calculation and simulation analysis show that PV generation applied in the energy conservation of urban rail transit is feasible.There are two grid modes：AC grid and DC grid，the former features simple and mature control strategy，while the later can compensate the traction network voltage by optimizing the control strategy to reduce catenary power losses，so it has the dual roles of improvingthe quality of urban rail transit traction power supply and saving the energy.

urban rail transit；photovoltaic（PV）power generation；AC grid；DC grid；energy conservation

U 231.8

2014-05-06）

*國家自然科學基金資助項目（E07/51347005）；中央高校基本科研業務費專項資金（0800219260）