地鐵車輛段分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)功率控制方法研究

摘要：為解決傳統(tǒng)方法存在的控制精度低的問題，文章提出了一種地鐵車輛段分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)功率控制方法。通過對地鐵車輛段的能耗分析和需求預(yù)測，計算得到了地鐵車輛段的能源需求。基于能耗需求，計算并設(shè)計了地鐵車輛段分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)功率。通過遺傳算法等智能優(yōu)化方法，對發(fā)電功率進行控制，以確保發(fā)電系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定運行。通過實驗驗證，地鐵車輛段分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)功率控制方法具有良好的性能和效果。與傳統(tǒng)方法相比，該方法具有更高的控制精度，能夠更準(zhǔn)確地滿足地鐵車輛段的能源需求，且具有良好的經(jīng)濟性和可靠性。

關(guān)鍵詞：地鐵車輛段；分布式光伏發(fā)電；并網(wǎng)功率控制

中圖分類號：TN72.2 文獻標(biāo)志碼：A

0引言

地鐵作為一種重要的城市公共交通工具，車輛段是其能耗較大的部分之一。因此，將分布式光伏發(fā)電與地鐵車輛段相結(jié)合并實現(xiàn)并網(wǎng)運行，不僅可以提供清潔的電能，減少對傳統(tǒng)能源的依賴，還有助于降低能耗和減少碳排放。然而，地鐵車輛段分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)功率控制面臨諸多挑戰(zhàn)。由于電力系統(tǒng)的復(fù)雜性和對可靠性、穩(wěn)定性的要求，研究如何合理地控制光伏發(fā)電系統(tǒng)的功率輸出成為一項緊迫的課題。需要尋找一種高精度的控制策略，以確保光伏發(fā)電系統(tǒng)能夠根據(jù)車輛段的負荷需求靈活調(diào)整輸出功率，同時保持穩(wěn)定的運行狀態(tài)［1-2］。

1地鐵車輛段分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)功率控制方法研究

地鐵車輛段是地鐵運行和維護的重要場所，需要大量電力供應(yīng)。能耗分析旨在量化地鐵車輛段的能耗水平，為后續(xù)的發(fā)電需求和功率控制提供基礎(chǔ)：（1）需要獲取能源消耗數(shù)據(jù)，包括每個設(shè)施的用電量和峰谷差異等信息；（2）對能源消耗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和分析，識別能耗高峰期和低負荷期；（3）進一步分析能源消耗結(jié)構(gòu)，確定主要能耗設(shè)備或區(qū)域。分析要考慮到地鐵車輛段的運營模式和工作規(guī)律，如平日和節(jié)假日的能耗差異、早晚高峰期的能耗壓力等。通過綜合分析，可以了解地鐵車輛段的能源需求和用電特點，為光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計和功率控制提供依據(jù)，以實現(xiàn)更高效的能源利用和減少環(huán)境污染。

1.1地鐵車輛段分布光伏發(fā)電系統(tǒng)建設(shè)

光伏發(fā)電系統(tǒng)在地鐵車輛段的建設(shè)是實現(xiàn)清潔能源供給和可持續(xù)發(fā)展的重要舉措。（1）為了確定適合地鐵車輛段的光伏發(fā)電系統(tǒng)方案，對目標(biāo)地鐵車輛段進行了詳細勘察和評估。通過測量屋頂面積、日照條件等因素，確定了光伏組件的布置方案和逆變器的選型。考慮到車輛段的用電負荷和空間限制，決定選擇高效的多晶硅太陽能電池板和智能控制功能的逆變器。（2）在光伏發(fā)電系統(tǒng)的建設(shè)過程中，注重優(yōu)化系統(tǒng)的各個組成部分。在光伏組件的安裝中，按照最佳的角度和朝向進行布置，以獲得最大的日照收集效率。逆變器的選擇考慮了系統(tǒng)的容量和穩(wěn)定性，以確保系統(tǒng)的運行性能［3］。具體的分布光伏發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)架如圖1所示。

并網(wǎng)方案是實現(xiàn)地鐵車輛段分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)與電力系統(tǒng)相連接的重要環(huán)節(jié)。通過合適的接入點選擇、電流調(diào)節(jié)裝置配置、并網(wǎng)保護裝置配置以及運行監(jiān)測與管理系統(tǒng)的應(yīng)用，可以確保分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)與地鐵車輛段電力系統(tǒng)之間的安全、穩(wěn)定運行，并實現(xiàn)清潔電能的供給。這樣的方案有助于推動可再生能源在地鐵領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展，減少能耗和環(huán)境影響［4］。

1.2地鐵車輛段能耗分析及需求預(yù)測

地鐵車輛段的能耗分析和需求預(yù)測是為了全面了解該場所的用電特點和未來能源需求，從而采取相應(yīng)的措施進行能源管理和規(guī)劃。以下是進行能耗分析和需求預(yù)測的一般步驟。

（1）收集能耗數(shù)據(jù)：收集地鐵車輛段歷史期間的能耗數(shù)據(jù)，包括每個設(shè)施的用電量以及運行時間等信息。這些數(shù)據(jù)可以從智能電表或其他能源監(jiān)測系統(tǒng)中獲取［5］。

（2）數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析：基于收集到的數(shù)據(jù)，對地鐵車輛段的能耗進行統(tǒng)計和分析。計算出總能耗、平均能耗和能耗水平的變化趨勢等指標(biāo)，可了解用電特點和能耗結(jié)構(gòu)。

（3）能耗模式分析：根據(jù)歷史能耗數(shù)據(jù)，識別出能耗的周期性模式和季節(jié)性變化。例如，平日和節(jié)假日之間的能耗差異、早晚高峰時段的能耗壓力等。這有助于預(yù)測未來能源需求和優(yōu)化能源利用策略。

（4）建立預(yù)測模型：基于歷史數(shù)據(jù)和能耗模式，建立適合地鐵車輛段的能源需求預(yù)測模型。常用的方法包括時間序列分析、回歸分析和機器學(xué)習(xí)等。通過訓(xùn)練模型，可以預(yù)測未來的能耗量，并提供參考依據(jù)［6］。

（5）預(yù)測結(jié)果評估和調(diào)整：針對建立的預(yù)測模型，對其預(yù)測結(jié)果進行評估，與實際能耗數(shù)據(jù)進行對比分析，檢驗?zāi)Ｐ偷臏?zhǔn)確性和可靠性。如果發(fā)現(xiàn)預(yù)測偏差較大，需要進行調(diào)整和改進模型。

通過能耗分析和需求預(yù)測，地鐵車輛段能夠更好地了解用電特點和未來的能源需求，從而制定合理的能源管理策略和規(guī)劃。這有助于優(yōu)化能源利用，提高能效，減少資源浪費，并為可持續(xù)發(fā)展提供支持。

能耗分析是通過對地鐵車輛段歷史能耗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計和分析來了解用電特點和能源需求的過程。首先需要使用式（1）來計算地鐵車輛段的能耗水平。

E=∑ni=1Pi·ti（1）

式（1）中：E為能耗量（單位為kW·h或MW·h）；Pi 為第i 個設(shè)施的平均功率消耗（單位為kW或MW）；ti為該設(shè)施的運行時間（單位為h）。通過對所有設(shè)施的功率消耗乘以運行時間的累加，即可得到地鐵車輛段的總能耗。

在需求預(yù)測方面，可以利用歷史能耗數(shù)據(jù)和構(gòu)建ARIMA模型（自回歸綜合移動平均模型）來預(yù)測未來的能源需求。根據(jù)歷史能耗數(shù)據(jù)建立數(shù)學(xué)模型，并進行未來時間段的能源需求預(yù)測：

E^t+1=f（Et，Et-1，...，Et-n）（2）

式（2）中：E^t+1為時間t+1時的預(yù)測能耗量；（Et，Et-1，...，Et-n）表示過去n個時間段的實際能耗量。通過運用預(yù)測模型，可以獲得對未來能源需求的預(yù)測值。

能耗分析和需求預(yù)測是了解地鐵車輛段用電特點和未來能源需求的重要手段。通過統(tǒng)計方法和建模技術(shù)，可以分析歷史能耗數(shù)據(jù)并預(yù)測未來能源需求，從而為地鐵車輛段的并網(wǎng)功率控制提供基礎(chǔ)。

1.3實現(xiàn)電并網(wǎng)功率控制

當(dāng)實現(xiàn)地鐵車輛段的光伏發(fā)電系統(tǒng)的電并網(wǎng)功率控制時，可以采用功率控制策略來確保系統(tǒng)運行穩(wěn)定性和可靠性。為實現(xiàn)地鐵車輛段光伏發(fā)電系統(tǒng)的電并網(wǎng)功率控制，首先需要根據(jù)電網(wǎng)容量和地鐵車輛段的最大能源需求來設(shè)定功率限制。該功率限制Plimit為：

Plimit=K×E^t+1×V2max（3）

式（3）中：Vmax為地鐵車輛段光伏發(fā)電系統(tǒng)的額定電壓，即系統(tǒng)設(shè)計時的最大電壓；K為用于調(diào)整光伏發(fā)電系統(tǒng)連接到電網(wǎng)時的實際輸出功率。

在電并網(wǎng)過程中，為實現(xiàn)平穩(wěn)的功率調(diào)控，可以采取以下措施：

（1）通過功率預(yù)測Pforecast來實時控制光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率Pforecast，過程如下：

Pforecast=Pforecast-Poutput（4）

式（4）中，Pforecast為需要調(diào)整的功率差值。通過不斷根據(jù)實際需求和預(yù)測功率進行調(diào)整，使得光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率能夠盡可能接近預(yù)測功率，以滿足電網(wǎng)的需求，并避免出現(xiàn)功率過高或過低的情況。

（2）使用儲能設(shè)備進行功率控制：當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率超過地鐵車輛段的實際需求時，可以通過將多余的電能存儲到儲能設(shè)備中，以便在需要時釋放。同樣，當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率不足以滿足地鐵車輛段的需求時，可以從儲能設(shè)備中釋放存儲的電能來彌補缺口。

通過以上控制措施，可以實現(xiàn)地鐵車輛段光伏發(fā)電系統(tǒng)的電并網(wǎng)功率控制，確保其與電網(wǎng)的穩(wěn)定連接，并滿足地鐵車輛段的實際能源需求。

（3）根據(jù)光照條件的變化動態(tài)控制光伏發(fā)電功率。假設(shè)光照強度為I（t）（單位為W/m2），光伏發(fā)電系統(tǒng)的效率為η，并且光伏組件的額定功率為Pmax，則光伏系統(tǒng)的輸出功率P（t）為：

P（t）=ηPmaxI（t）（5）

（4）根據(jù)地鐵車輛段的負荷曲線控制光伏發(fā)電功率。假設(shè)車輛段的負荷需求為L（t）（單位W）， 光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率為P（t），則光伏系統(tǒng)的功率調(diào)節(jié)值ΔP（t）為：

ΔP（t）=L（t）-P（t）（6）

根據(jù)ΔP（t）的正負值可以判斷光伏發(fā)電系統(tǒng)是否需要調(diào)整功率：如果ΔP（t）為正，則意味著光伏系統(tǒng)應(yīng)該提供額外的功率以滿足車輛段的負荷需求；如果ΔP（t）為負，則意味著光伏系統(tǒng)的功率超過了車輛段的負荷需求，可以通過儲能裝置將多余的功率存儲起來供給其他時間段使用。

綜合以上4種調(diào)整策略，通過綜合控制使得光伏發(fā)電系統(tǒng)在考慮光照條件和車輛段負荷需求的情況下能夠穩(wěn)定、高效地運行，并最大限度地利用光伏發(fā)電潛力。根據(jù)實際情況，可以進一步優(yōu)化公式和參數(shù)，以適應(yīng)具體的地鐵車輛段分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)功率控制需求。

2實驗與結(jié)果分析

為了進一步驗證本文方法的可靠性，選取某市的地鐵為研究對象。以控制準(zhǔn)確率為實驗指標(biāo)，分別采用文獻［1］和文獻［2］方法以及本文方法進行對比實驗，實驗結(jié)果如圖2所示。

分析圖2可知，3種方法的地鐵車輛段分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)功率控制精度都隨著采集次數(shù)的增加而有不同程度的波動，但本文設(shè)計的方法控制精度明顯高于其他兩種方法。因此，所提方法的地鐵車輛段分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)功率控制精度更高。

為了進一步驗證本文方法的高效性，以完成控制時間為實驗指標(biāo)，分別采用文獻［1］、文獻［2］方法以及本文方法進行對比實驗，實驗結(jié)果如表1所示。

分析表1的實驗結(jié)果可知，本文方法在地鐵車輛段分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)功率控制時，完成時間與其他兩種方法相比有了很大程度上的縮短，由原來的60 s以上縮短至15 s以下。因此，本文方法在進行地鐵車輛段分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)功率控制時具有高效性。

3結(jié)論

經(jīng)過對地鐵車輛段分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)功率控制方法的研究和實驗驗證，得出以下結(jié)論：

（1）地鐵車輛段作為一個能耗巨大的場所，利用分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)進行發(fā)電可以有效降低能耗和碳排放。

（2）通過對發(fā)電功率的控制，可以確保光伏發(fā)電系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定運行，提高系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟性。

（3）基于改進遺傳算法的功率調(diào)度策略可以有效優(yōu)化光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電潛力，最大限度地利用可再生能源，提高發(fā)電效率。

（4）模擬實驗和案例分析結(jié)果表明，地鐵車輛段分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)功率控制方法具有良好的效果和可行性，實際應(yīng)用中能夠提供清潔、可靠的電能供給。

綜上所述，地鐵車輛段分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)功率控制方法是一種有效的解決方案，可以實現(xiàn)可再生能源在地鐵領(lǐng)域的應(yīng)用和推廣，為減少能源消耗和環(huán)境污染做出積極貢獻。

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（編輯李春燕編輯）

Research on power control method for distributed photovoltaic power generation grid connection in subway depot

Min "Jie

（China Design Group Co.， Ltd.， Nanjing 210014， China）

Abstract： To solve the problem of low control accuracy in traditional methods， this article proposes a distributed photovoltaic power generation grid connected power control method for subway vehicle depots. By analyzing the energy consumption and predicting the demand of subway vehicle depots， the energy demand of subway vehicle depots was calculated. Based on energy consumption requirements， the grid connected power of the distributed photovoltaic power generation system in the subway vehicle depot was calculated and designed. By using intelligent optimization methods such as genetic algorithms， the power generation is controlled to ensure the safe and stable operation of the power generation system. Through experimental verification， the distributed photovoltaic power generation grid connected power control method in subway vehicle depots has good performance and effectiveness. Compared with traditional methods， this method has higher control accuracy， can more accurately meet the energy needs of subway vehicle depots， and has good economy and reliability.

Key words： metro depot; distributed photovoltaic power generation; grid connected power control

作者簡介：閔杰（1988-），男，工程師，碩士研究生；研究方向：軌道交通電氣設(shè)計。