分布式光伏發(fā)電技術(shù)在電氣化鐵路中的應(yīng)用

摘要：分布式光伏發(fā)電技術(shù)在電氣化鐵路沿線的應(yīng)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(jīng)濟效益。通過對鐵路沿線空閑用地資源的有效利用，建設(shè)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，旨在促進綠色低碳發(fā)展，實現(xiàn)節(jié)能減排目標。基于此，首先分析分布式光伏發(fā)電技術(shù)的特點，其次研究電氣化鐵路沿線光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計與并網(wǎng)方案，最后通過實例分析該技術(shù)的應(yīng)用效果。

關(guān)鍵詞：分布式光伏發(fā)電；電氣化鐵路；綠色低碳；節(jié)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(fā)電技術(shù)是一種在用戶場地附近建設(shè)的發(fā)電系統(tǒng)，以用戶側(cè)自發(fā)自用、多余電量上網(wǎng)為運行方式，具有輸出功率相對較小、環(huán)境污染小、環(huán)保效益突出等特點[1]。這種技術(shù)能夠直接接入配電網(wǎng)，實現(xiàn)發(fā)電用電并存，減少輸電損耗，且由于靠近負荷中心，對電網(wǎng)的影響較小[2]。分布式光伏發(fā)電設(shè)施能夠節(jié)約土地資源，降低開發(fā)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(shù)的進步和成本的降低，分布式光伏發(fā)電得到政策的大力支持，成為推動可再生能源發(fā)展的重要力量[4]。

1 電氣化鐵路沿線分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計

從以下3個方面探討電氣化鐵路沿線分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計流程。

1.1 基于三相光伏逆變器的電氣化鐵路光伏發(fā)電系統(tǒng)

1.1.1 構(gòu)建基于三相光伏逆變器的新型拓撲結(jié)構(gòu)

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

為了解決這個問題，提出一種利用牽引變壓器將電網(wǎng)中三相電壓變換成牽引側(cè)二相電壓的方法。該系統(tǒng)采用反向二相到三相轉(zhuǎn)換的方式，為光伏逆變器供電。在該結(jié)構(gòu)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(chǔ)，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(jié)構(gòu)允許光伏逆變器直接向牽引供電系統(tǒng)供電，從而提高系統(tǒng)的能效和可靠性。當光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)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(tǒng)，當光伏系統(tǒng)產(chǎn)生的電能不足以滿足需求時，電力系統(tǒng)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(fā)電系統(tǒng)仿真模型

采用MATLAB/Simulink軟件構(gòu)建一個基于三相光伏逆變器的光伏發(fā)電系統(tǒng)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(zhuǎn)換器、三相逆變器、兩相-三相變換器、濾波器設(shè)計以及并網(wǎng)控制策略。該模型模擬光伏陣列在不同環(huán)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(shè)計一個直流-直流轉(zhuǎn)換器來適配逆變器的輸入電壓要求，并實現(xiàn)基于空間矢量脈寬調(diào)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(yīng)鐵路牽引供電系統(tǒng)的兩相電壓需求。

仿真結(jié)果表明，該光伏發(fā)電系統(tǒng)能夠有效地與鐵路牽引供電系統(tǒng)協(xié)同工作。MPPT控制器能夠在不同環(huán)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(wǎng)電壓同步，且總諧波畸變率（Total Harmonic Distortion，THD）滿足電能質(zhì)量標準。兩相-三相變換器的輸出波形穩(wěn)定，滿足牽引供電系統(tǒng)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(zhì)量。并網(wǎng)控制策略能夠保證系統(tǒng)與電網(wǎng)同步，并在仿真時間內(nèi)穩(wěn)定運行，電壓或頻率沒有出現(xiàn)異常波動。

1.2 基于單相背靠背拓撲的電氣化鐵路光伏發(fā)電系統(tǒng)

1.2.1 構(gòu)建電氣化鐵路背靠背光伏發(fā)電系統(tǒng)拓撲

為了適應(yīng)牽引供電系統(tǒng)的特殊需求，提升光伏發(fā)電系統(tǒng)的運行效率與電能消納能力，構(gòu)建基于背靠背拓撲的電氣化鐵路光伏發(fā)電系統(tǒng)，如圖2所示。該系統(tǒng)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(cè)分別接入牽引供電系統(tǒng)的α相和β相牽引母線，二次側(cè)則分別與光伏發(fā)電系統(tǒng)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(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了電能在直流與交流之間的高效轉(zhuǎn)換。光伏陣列通過直流-直流變換器接入系統(tǒng)，該變換器不僅負責光伏電能的升壓，還通過MPPT優(yōu)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(xié)調(diào)控制，系統(tǒng)實現(xiàn)了光伏電能從直流到交流的高效變換，為牽引供電系統(tǒng)提供了穩(wěn)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(xiàn)電氣化鐵路光伏發(fā)電系統(tǒng)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(fā)電系統(tǒng)向供電臂流動的控制策略，并以電力系統(tǒng)側(cè)的UA為基準相量。系統(tǒng)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(huán)結(jié)構(gòu)，首先通過調(diào)節(jié)電壓環(huán)獲得兩側(cè)逆變器的輸出電流幅值參考Iαcp和Iβcp，并將電壓環(huán)輸出作為兩側(cè)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(huán)中可能出現(xiàn)的二次諧波影響，在電壓環(huán)與電流環(huán)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(dǎo)致電流參考值Iαcp≠Iβcp，使光伏電能無法在兩側(cè)供電臂間均勻分配，還會使輸出電流出現(xiàn)諧波分量。

2 應(yīng)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(fā)電系統(tǒng)，每百千米可建設(shè)的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)裝機容量約為20 MW。假設(shè)光伏發(fā)電系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率為15%，電氣化鐵路沿線地區(qū)年平均日照小時數(shù)為1 200 h。光伏發(fā)電系統(tǒng)的建設(shè)成本為5元/W，維護成本為0.05元/（W·a）。電價按照工業(yè)電價計算，為0.8元/（kW·h）。

2.1 計算年發(fā)電量

年發(fā)電量的計算公式為

W=C×H×η（1）

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

2.2 計算每年可減少碳排放量

假設(shè)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(shù)，取值為0.6 kg/（kW·h）。

2.3 計算每年可減少電費支出

假設(shè)80%的電能自發(fā)自用，20%的電能余電上網(wǎng)，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(shè)的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)裝機容量約20 MW，年發(fā)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(fā)自用，20%余電上網(wǎng)計算，每年可減少電費支出約2 880萬元。

3 結(jié)論

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

參考文獻

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

2 王 璇.光伏接入牽引供電系統(tǒng)適應(yīng)性分析與優(yōu)化控制研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2020.

3 鄒 翎.西部鐵路光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用及設(shè)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(yīng)用現(xiàn)狀及展望[J].鐵路節(jié)能環(huán)保與安全衛(wèi)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(tǒng)的多元制約因素初探[J].太陽能學(xué)報，2020（8）：192-203.

基金項目：湖南省自然科學(xué)基金資助項目（2022JJ50097）；湖南省教育廳科學(xué)研究優(yōu)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(tǒng)自動化、新能源發(fā)電、職業(yè)教育。