基于微电网的高铁AT所配电设备新型供电方法

贾志博，田铭兴，张子麒，马长立，王田戈

(1.兰州交通大学自动化与电气工程学院，兰州 730070；2.甘肃省轨道交通电气自动化工程实验室(兰州交通大学)，兰州 730070)

微电网是由微电源、电力用户、储能环节、调控与监测部分等构成的微型发配电系统[1-2]。它能够容纳可再生的分布式电源、向重要负荷不间断供电、提高系统的可靠性[3]、配合大电网安全稳定运行等多方面优点，发展前景非常广阔。

由于高速铁路具有众多优势，近年来得到迅猛发展。高铁AT所配电设备正常工作是保证高铁正常运行的前提。正常运行时，AT所内配电设备从铁路沿线的10 kV贯通线路取电，经过变压器降为0.4 kV工频交流电向所内配电设备供电。当10 kV线路出现故障时，则切换至其备用电源的单相27.5 kV接触网线路取电，经变压器降压后为设备配电[4]。因此会带来一系列问题与隐患，接触网为其供电时会影响电能质量，如果高峰期时可能引起线路的过载导致供电瘫痪。因此，为高铁AT所配电设备增设新能源发电系统，引入微电网作为优先电源，改进铁路供电的缺陷，提高稳定性，为电力机车的安全稳定运行提供保障。

现有关于微电网在高铁AT所应用的研究主要在理论上综述供电缺陷和改进措施。文献[5]首次分析了高铁AT所配电存在的缺陷，提出用风电为AT所供电。文献[6]针对高铁AT所提出了Z源逆变器的太阳能发电装置，阐述了控制方法满足的要求和工作流程。文献[7]研究了为高铁AT所引入光伏、风力和燃料电池发电解决缺陷，提出了供电方案和控制策略，但未通过仿真或实验验证控制策略。文献[8]提出了微电网为高铁AT所配电的方案并通过仿真验证可行性，但发电系统是微型燃气轮机，未考虑高铁AT所特点，没有利用就地的多种新能源发电，存在缺陷。

因此，将高铁AT所及其负荷的特点与新能源发电的优点相结合，首次提出了应用多种新能源联合发电的微电网，为高铁AT所配电系统供电的构想并阐述了该方案的可行性和必要性。同时，详细研究了适用于高铁AT所配电系统的微电网的系统结构并给出其控制策略和供电方案，提出基于下垂控制的对等控制的高铁AT所微电网，应用Matlab/Simulink仿真验明所提方案的正确性与可行性。

1 高铁AT所及其应用微电网可行性

1.1 高铁AT所及其配电系统结构

近年来，我国高速铁路的大力建设与投入，对牵引供电的技术水平有着更高要求。其中，运用自耦变压器进行配电的形式即AT供电，它相对别的供电形式具有各方面的优势。这种供电方式利用低阻抗自耦变压器，可提升电能质量，降低通信线路的干扰，改善接触网运营条件。还可减少电分相数目，利于火车的高速运行，现在已是我国高速铁路重要的供电形式[9]。

AT供电形式的重要组成部分是自耦变压器所(AT所)。如图1所示[6]，即为铁路中的AT所结构。所内配电设备主要包括照明系统、空调设备、远程监控设备、远动通信设备、直流蓄电设备、断路器等，保证向所内设备供电是AT所正常运行的基础。高铁AT所配电设备的容量约为10 kVA，全天中负载波动较小，其功率近似为恒定状态。

图1 AT所结构示意

1.2 微电网为高铁AT所配电设备供电的可行性与必要性

为将隐患降到最低，提高供电可靠性，保障铁路的安全稳定运行，将微电网引入高铁AT所为所内配电设备提供电能，解决现有供电的问题与缺陷，有一定的必要性。

因为AT所地处郊区野外，周围地区空旷，具有充足的地方来安放新能源设备。这也为把新能源发电的微电网应用在高铁AT所配电设备上提供条件。同时新能源发电具有一次建设、永久使用的特点，维护费用少，大多可实现无人值守。这也与高铁 AT所的自动运行、远程监控和无人值守的特点相吻合。还能保护环境，减少污染，有利于可持续发展，符合国家发展所倡导的政策。

因此，将微电网应用在高铁AT所配电设备上为其供电，具备充足的可行性和良好的先决条件，符合实际情况。同时，可将接触网供电隐患降到最低，提高供电可靠性，保障铁路的安全稳定运行，在实际运用中具有一定的必要性和重要性。

2 微电网为高铁AT所设备供电方案

2.1 微电网结构的设计

高铁AT所中的微电网系统如图2所示。主要包括分布式电源、变流器、滤波器、负荷和变压器。其中，分布式电源中的光伏发电和风力发电具有良好的互补性，且能量充足，分布广泛，因此可将光伏与风力发电作为主体，提供主要电能。同时并入燃料电池作为补充，弥补风光系统发电量与实际负荷的差额，稳定电压和功率的平衡。重要负荷为高铁AT所内重要的一级配电设备，如断路器，监控和远动通信设备等；可控负荷为高铁AT所内可短时关断的可控负荷，如空调，室外照明设备等。高铁AT所配电设备容量约为10 kVA，拟采用的方案是在高铁AT所两侧安装两个容量相等，各为6 kVA的联合发电系统，恰好构成对等控制的微电网中两个对等的电源，满足负荷的最大用电需求，同时占地面积偏小，满足实际要求。

图2 微电网向高铁AT所配电设备供电示意

2.2 微电网为高铁AT所配电设备供电方案

图2即为基于微电网的高铁AT所设备供电图。高铁AT所内配电设备供电的运行过程是：正常情况时，所内设备的微电网与铁路接触网断开，与电力贯通线路连接。此时微电网处于并网模式，与其配合向高铁AT所内设备供电。当微电网提供功率较低时，差额功率由电力贯通线路提供；如果微电网发出的功率比AT所配电设施功率多时，把剩余电量馈送至电力贯通线路。

当10 kV电力贯通线路出现故障存在问题，微电网功率大于负载功率时，QF2应立即切断，断路器QF1的状态不变，微电网仍与接触网处于断开状态。此时微电网为孤岛模式，独立地为配电负载提供电能，多余电能送至直流蓄电设备中或经由微电网计算调控后断开部分发电设备，保证了孤岛模式时系统可靠安全工作。

当电力贯通线出现故障而微电网功率不足以维持负载要求时，电能质量满足要求时可将微电网与接触网相连，配合为高铁AT所内设备供电；当电能质量不满足要求时可切断分布式电源，由接触网独立进行供电。

2.3 高铁AT所配电设备微电网的控制方法

分布式电源的并网逆变器的多种控制方法中，对等控制由于具有各方面优点受到普遍关注和应用。因此选用对等控制的微电网向高铁AT所所内设备供电。在这种微电网中，新能源的逆变器普遍采取下垂(Droop)控制。基于Droop控制的逆变电源，通过采样电压、频率数值单独地调控，实现负载变化时功率的自动分配及电压、频率的自动调节，而且不管是并网还是孤岛工作，微电源逆变环节的调控方法不用改变，利于微电网孤岛与并网的无缝切换。

Droop控制主要应用在对等控制的微电网中，对并联的逆变器调控。在微电网中，因为线路上电阻很小，阻抗呈感性，所以Droop控制的逆变电源并联等效电路如图3所示[10]。各并联单元即各微电源对应的逆变器。

图3 对等控制的逆变电源并联模型

由图3可以看出，各并联单元输出复功率为

(1)

(2)

(3)

根据式(3)可知，各个逆变电源的有功和无功功率与其电压的相位和幅值满足相应的线性关系[11]。而相位是由逆变环节发出的角频率或频率调控。所以调控系统的频率和幅值只需调节有功功率、无功功率。这就出现了下垂控制，可以表示为

(4)

式(4)即为微电网下垂控制的公式。其中，带n角标的为额定值，不带角标的为实际输出值；mn、nn为下垂系数。

3 仿真分析

为检验本文所提的高铁AT所配电设备微电网的正确性，采用Matlab/Simulink建立高铁AT所配电系统的微电网对等控制仿真，如图4所示。为模拟光伏，风力和燃料电池构成的互补式电源的稳定输出及其发电的直流特征，本文采用直流电压源对两个微电源DG进行简化替代，并网环节的逆变器采用下垂控制对微电网进行调控。负载1、负载2为高铁AT所内的重要负荷；负荷3为高铁AT所内的可控负荷。负荷的总体容量取高铁AT所配电设备的常用容量10 kVA进行仿真。

图4 高铁AT所内对等控制的微电网模型

3.1 仿真参数

微电源DG1、DG2直流侧电源Udc=800 V，滤波参数Rf=0.01 Ω，Lf=0.6 mH，Cf=1 500 μF，逆变器的额定参数为U0=311 V，Pn=5 kW，fn=50 Hz。微电源DG2的参数与微电源DG1相同。高铁AT所内重要负荷1的额定功率P1=5 kW，Q1=1 kVar；重要负荷2的参数与重要负荷1相同；高铁AT所可控负荷功率P3=2 kW，Q3=2 kVar，DG1、DG2下垂系数均为m=1×10-5，n=3×10-4。

3.2 孤岛运行仿真

铁路10 kV电力贯通线故障时，微电网与其断开，孤岛运行，此时两个微电源负责给各自的重要负荷及公共母线上的可控负荷供电。仿真的时长设为1 s、0.3 s时刻将K3切断，切除母线上的可控负荷，0.6 s时又将其投入。

仿真结果如图5、图6所示。

图5 各微电源发出的功率

图6 微电网母线频率和电压(孤岛运行)

两个微电源的额定容量和控制参数设定相同，因此其输出的功率一致，波形相同。

仿真的结果表明，微电网孤岛时，微电源DG1和DG2为对应的重要负载供电，同时均分可控负载功率。0.3 s时断开母线上的可控负载3后，各个微电源发出的有功、无功功率均变小，微电网的频率和电压对应的略微升高；0.6 s再次投入可控负载后，各个微电源发出的有功、无功功率均增大，微电网频率和电压相应的减小并还原到断开负载前的情况。

由仿真可知，Droop控制的微电源满足P-f、Q-U特性，实现负载改变时功率的快速调节。

3.3 运行方式切换仿真

本文的微电网运行模式切换的仿真过程为：(1)0～0.3 s，微电网工作在孤岛下，当微电网稳定后，符合并网要求时，0.3 s时将开关K闭合，微电网与10 kV电力贯通线连接，向并网状态过渡；(2)并网工作0.3 s后即0.6 s时候，微电网重新与铁路贯通线路断开进入孤岛模式。

仿真结果如图7、图8所示。

图7 各微电源发出的功率

两个微电源的额定容量和控制参数设定相同，因此其输出的功率一致，波形相同。

由仿真波形图可以看出。

(1)0～0.3 s孤岛运行时，两个微电源给各自的重要负荷供电，一起为母线上的可控负载提供电能，0.3 s微电网并网时，母线上的可控负载的有功功率由配电网提供，同时微电网向铁路贯通线传送少量无功功率。因此，并网后两个微电源发出的有功变小而发出的无功增多。此时如图8所示，频率升高，电压幅值减小(电压幅值较大，其变化不明显)，由配电网来支撑整个系统的频率和电压并弥补功率不足。

图8 微电网母线频率和电压(运行模式切换)

(2)0.3～0.6 s并网工作时，微电网从电力贯通线路接收有功功率，因此0.6 s切换至孤岛状态后，两个微电源的有功功率均增多，因而频率减小，表示Droop控制模型符合P-f特征；并网工作时微电网向电力贯通线路传送无功功率，进入孤岛状态后两个微电源的无功功率均减少，电压幅值相应地升高，因而Droop控制模型符合Q-U特性。

在整个仿真中，电压幅值的波动没有超过5%，系统频率的波动没有超过1%，微电网系统过渡平稳，满足稳定性要求。

由以上仿真可得，基于对等控制的微电网在孤岛和并网工作时，下垂控制的微电源能实现电压和频率的调控，并在孤岛模式下单独工作，并网时与电力贯通线路配合，保证微电网的平稳运行；同时微电源控制方法在孤岛和并网切换时不用改变，可以实现两种运行方式的快速过渡和无缝切换。通过上述仿真可知，本文构建的高铁AT所内微电网的可行性和正确性。

4 微电网配电与传统配电方案比较

高铁AT所配电设备功率通常为10 kW，拟采用的方案为光伏电池、风机、燃料电池的安装容量分别是10、10、2 kW。以设计年限20年计算，光伏电池、风机的初始投资分别为22 000、16 600元/kW；燃料电池的投资与运行维护费用为45 300元/kW。增设新能源发电设备的征地建设投资约为30 000元。因此计算可知总投资约为476 600元，年平均投资为23 830元。若不考虑微电网向铁路贯通线馈送的电能，高铁AT所内配电设备工作1年的用电量约为87 600 kW·h，电费为52 560元(电费按0.6元/kW·h计)。因此微电网配电每年可节省资金28 730元。同时微电网建设周期短，使用时间长，可靠性高，大多可实现无人值守，因此无需增加额外的运营维护人员。节能减排方面，每年可节省标准煤29.22 t，减少CO2排放80.10 t。

因此与传统配电方案相比，微电网供电在提高供电可靠性的同时，无需增加运营维护费用，还能节省投资，节能减排。

5 结论

(1)针对高铁AT所配电设备供电隐患，提出了因地制宜，利用新能源与微电网解决问题的构想，分析了将两者结合的可行性、必要性及重要性。

(2)结合高铁AT所的特点，提出了微电网向高铁AT所配电设备供电的方案，给出了微电网的结构，控制策略。运用Matlab/Simulink证明了控制策略与供电方案的可行性，为今后微电网与铁路结合提供了重要的参照价值与理论依据。

(3)解决问题与隐患的同时，有效利用了新能源发电，节能减排。此外，减小非牵引负荷自身的安装容量，降低投资，还减少了电力贯通线与接触网线路损耗和供电负担。如若发电量剩余可馈送至配电网，这些都是常规供电无法比拟的优势，有着巨大的优势与发展前景。

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