光伏发电系统接入城市轨道交通供电系统的应用研究

王振海，陈 霞，党 敏，韩春白雪，王 蓝，张 丽，戴朝华*

(1.北方国际合作股份有限公司，北京 100040；2.广州地铁设计研究院股份有限公司，广州 510010；3.西南交通大学电气工程学院，成都 610031)

0 引言

随着国民经济水平提高、城市化进程加快，交通拥堵和汽车尾气排放造成的环境污染引起了广泛关注，城市轨道交通(下文简称“城轨”)是解决这2个问题行之有效的措施。目前，城轨在我国大、中型城市已得到普遍发展[1]。然而，发展迅速的城轨建设事业也对城轨供电系统造成了压力，在当前能源短缺的背景下，亟需寻找一种可以与传统能源共同为城轨供电系统提供电力的新能源。

在众多新能源形式中，光伏发电以其清洁、无污染、分布广等特点备受青睐。近年来，光伏发电系统在轨道交通中的应用逐渐兴起，德国、日本等国开展了光伏发电系统接入铁路牵引供电系统中的研究[2-3]，我国也对铁路光伏方面的研究进行了初步探索[4]；在城轨领域，以光伏发电系统接入城轨供电系统的应用形式最为常见，并在近几年取得了良好的经济效益和社会反响[5-7]。实现光伏发电系统在城轨供电系统中的应用不仅拥有节能减排、促进光伏电力消纳的环保效益和降低城轨运营成本的经济效益，还具有改善能源利用形式及满足人们绿色出行愿望的社会效益。

因此，开展光伏发电系统与城轨供电系统相结合的相关应用研究很有必要。本文分析了光伏发电系统与城轨供电系统相结合的优势，基于MATLAB＆Simulink建立了光伏发电系统接入城轨供电系统的仿真模型，并对交流并网模式下光伏发电系统接入后城轨供电系统的适应性进行了理论和仿真分析。

1 可行性分析

1.1 系统结合的优势

由于城市用地紧张，城轨将每条线路的停车场、车辆段和控制中心等都设在离市区较远的郊区，车辆基地周围高层建筑物较少，因此若在此处建设光伏发电系统，光伏组件不易被遮挡，其发电性能能够得到保障，应用条件极佳；加上城轨沿线通常设有高架车站，若车站周围无高大建筑物遮挡，也可作为光伏组件的安装地点[8-9]。因此，车辆基地的建筑屋顶和高架车站的顶棚，均可为安装大规模光伏发电系统提供场所。

与此同时，我国光伏发电装机容量逐年攀升，且光伏发电技术日趋成熟，实现了诸多突破，为光伏发电系统在城轨领域的应用提供了良好的市场和技术条件。由于城轨供电系统的动力照明负荷稳定，特征明显，其负荷曲线与光伏发电曲线基本一致，匹配程度高，因此其能够较好地消纳当地的光伏电力。

1.2 发电量估算

日前，我国国内多个城市已投资建设地铁光伏发电项目工程。以广州市地铁5号线鱼珠车辆段为例，其屋顶可利用总面积约为7.6万m2，考虑到光伏组件之间需留有巡检通道，且受屋顶女儿墙、采光天窗、屋顶设备及屋顶排水沟的影响，屋顶面积的可利用系数为0.7，可布置275 W的多晶硅光伏组件19270块，容量约为5.3 MWp。

由美国航空航天局卫星监测提供的资料显示，广州市的日均太阳辐射量为3.69 kWh/m2/d，年峰值日照小时数为1346.85 h，则广州市地铁5号线鱼珠车辆段光伏发电项目的首年理论发电量为571.0644万kWh；假设多晶硅光伏组件的首年衰减率为3%、25年衰减率不超过20%，经计算，该项目建成后25年的累计发电量为12649.12万kWh，年均发电量为505.96万kWh，年均利用小时数为1193.31 h。

2 光伏发电系统与城轨供电系统相结合

2.1 城轨供电系统

城轨供电系统主要由外部电源(电力系统)、牵引供电系统和动力照明系统构成。牵引供电系统是整个供电系统的核心部分，主要由牵引变电所和牵引网2部分组成[10]，其中，牵引网按照牵引电流制式的不同可分为三相交流牵引网、单相交流牵引网和直流牵引网3种；牵引变电所中普遍采用整流变压器和24脉波整流机组将35 kV中压电进行降压整流后供给电动车组负荷。动力照明系统设置在降压变电所内，降压变电所可与牵引变电所合建成牵引混合变电所，或仅为单独的降压变电所。城轨供电系统结构示意图如图1所示。

图1 城轨供电系统的结构示意图Fig. 1 Schematic diagram of urban rail transit power supply system

其中，城轨供电系统的主要谐波源来自于牵引整流机组和动力照明负荷。当有列车牵引工况取流时，整流机组流入电网侧的谐波电流傅立叶展开式为[11]：

式中，ig(ωt)为谐波电流瞬时值；ω为基波频率；Idm为最大短路电流；t为时间。

整流变压器网侧的谐波电流为：

由于动力照明负荷涉及多个用电系统，如通风空调环控系统、通信系统、电扶梯-屏蔽门系统、信号系统、人防系统、车站隧道照明系统等，因此其谐波特征因负荷的性质不同而不同。

城轨供电系统的无功功率源于主变压器、动力照明负荷、电缆，以及牵引负荷[12]。其中，牵引负荷采用直流供电，功率因数较高，一般能达到0.95以上。由于动力照明负荷中感性负荷较多，是城轨供电系统中无功功率的主要来源，其使功率因数较低，平均功率因数约为0.8。

2.2 光伏发电系统

光伏发电系统的拓扑结构如图2所示。

图2 光伏发电系统的拓扑结构图Fig. 2 Topology diagram of PV power generation system

光伏发电系统采用基于Boost电路、扰动观察算法的最大功率点跟踪(MPPT)技术，使其输出功率始终工作在最大功率点上[13]。Boost电路存在一个最佳占空比D，可实现光伏发电系统的最大功率输出。Boost电路的拓扑结构如图3所示。其中，Ui为电源电压；IL为电感电流；L为电感；Uo为输出电压。

图3 Boost电路的拓扑结构图Fig. 3 Topology diagram of Boost circuit

MPPT的目的是利用扰动观察法的原理找到最佳占空比D。扰动观察法的主要思想是周期性地对Boost电路的占空比进行扰动，观察扰动前、后光伏阵列的输出功率变化ΔP和电压变化ΔV，若ΔP和ΔV均为正或均为负，则对占空比施加负向扰动；反之，施加正向扰动。基于MPPT技术的光伏阵列的输出功率如图4所示。

光伏发电系统在发电过程中会产生一定的谐波分量，并网后光伏发电侧注入供电系统的谐波将与并网前供电系统中的谐波发生叠加[14]。此外，由于经济性的制约，通常光伏发电系统仅输出有功功率，若不进行无功补偿，将会导致供电系统输出的有功功率减少而无功功率不变，在供电系统网侧计量的功率因数则会随之下降[15]。

图4 基于MPPT技术的光伏阵列的输出功率Fig. 4 PV array output power based on MPPT technology

2.3 光伏发电系统与城轨供电系统的结合

城轨供电系统中有3个位置可作为光伏发电系统的接入点，如图1中的①～③所示，分别为AC35 kV侧、AC400 V侧及DC1500 V侧。本文仅针对光伏发电系统接入城轨供电系统AC35 kV侧(接入点如图1中的①所示)进行谐波和功率因数分析，电动车组负荷以固定电阻模拟。

3 仿真分析

基于图1在MATLAB＆Simulink中搭建光伏发电系统接入城轨供电系统的仿真模型，并对光伏发电系统接入城轨供电系统前、后的电能质量进行分析。仿真中，忽略中压配电网电缆带来的无功功率影响。主要仿真参数如表1所示。

表1 主要仿真参数Table 1 Main simulation parameters

以光伏发电系统接入牵引混合变电所AC35 kV侧母线Ⅰ段展开仿真分析。车辆基地内动力照明负荷基于某地铁段场综合楼及牵引混合变电所的负荷数据。牵引混合变电所母线Ⅰ段的动力照明负荷的总有功功率为1017 kW、无功功率为712 kVar；相邻降压变电所母线Ⅱ段的总有功功率为449 kW、无功功率为322 kVar。光伏发电系统接入前、后牵引混合变电所AC35 kV进线侧的功率变化情况如图5所示。

图5 光伏发电系统接入前、后牵引混合变电所AC35 kV进线侧的功率对比Fig. 5 Power comparison of AC35 kV inlet side of traction hybrid substation before and after PV power generation system is connected

由图5可知，光伏发电系统接入后，牵引混合变电所AC35 kV进线侧功率在0.05 s后稳定，之后一直稳定在恒功率状态。光伏发电系统接入后，牵引混合变电所AC35 kV进线侧的有功功率降低，光伏发电系统输出功率主要用于牵引混合变电所的牵引负荷和降压变电所的动力照明负荷。一方面，光伏发电系统的接入减少了城轨供电系统对城市电网的有功功率需求，具有节能效益；但另一方面，光伏发电系统接入后，牵引混合变电所AC35 kV进线侧有功功率的减小使牵引供电系统网侧功率因数降低。

为验证光伏发电系统的接入对牵引供电系统网侧功率因数的具体影响，对光伏发电系统接入前、后牵引混合变电所AC35 kV进线侧的功率因数进行测量，变化情况如图6所示。图中，光伏发电系统接入后在0.30 s时将太阳辐照度由1000 W/m2降低至700 W/m2，温度为25 ℃维持不变。

图6 光伏发电系统接入前、后牵引混合变电所AC35 kV进线侧的功率因数变化Fig. 6 Changes in power factor on the AC35 kV inlet side of traction hybrid substation before and after PV power generation system is connected

由图6可知，随着太阳辐照度减小，光伏发电系统输出功率降低，城轨供电系统在牵引供电系统的有功功率需求增加，而无功功率需求不受光伏发电系统输出功率的影响，因此，牵引混合变电所AC35 kV进线侧的功率因数增加。

测量牵引混合变电所的牵引负荷支路35 kV侧、动力照明负荷支路35 kV侧，以及牵引混合变电所AC35 kV进线侧的功率因数，光伏发电系统接入前、后的平均功率因数如表2所示。

表2 光伏发电系统接入前、后的平均功率因数Table 2 Average power factor before and after PVpower generation system is connected

从表2的测量结果可以看出，光伏发电系统接入后，牵引混合变电所AC35 kV进线侧的平均功率因数从0.938降低至0.931，但未低于国标限定最低值。值得注意的是，随着光伏发电系统容量进一步增大，光伏发电系统输出功率的增加将会导致城轨供电系统功率因数更大程度的降低。按照《功率因数调整电费办法》，当功率因数低于0.9时，将会因调整功率因数而增收电费，因此，为避免由此增收的电费，城轨供电系统接入大容量光伏发电系统后需对现有无功补偿装置的容量进行校验。

针对光伏发电系统接入对城轨供电系统谐波的影响，不考虑背景谐波时，光伏发电系统接入前、后城轨供电系统不同位置的电压谐波总畸变率THDU和电流谐波总畸变率THDI如表3所示。

表3 光伏发电系统接入前、后城轨供电系统不同位置的谐波情况Table 3 Harmonic conditions at different locations of urban rail power supply system before and after PV power generation system is connected

由于光伏发电系统侧的输出本身就带有一定的谐波含量，导致光伏发电系统接入后，城轨供电系统中各处的THDU、THDI都有所增加，主变电所110 kV侧A相、且主变电所35 kV侧A相及牵引混合变电所AC35 kV侧A相的THDI增长明显，但增长后的THDU、THDI均在国标限制范围内。

一般情况下，35 kV并网侧接入的光伏发电系统容量较大，同时由于并网电压等级较高，电能传输损耗较小，光伏发电系统可供一个供电分区内的多个牵引混合变电所和降压变电所的牵引负荷和动力照明负荷使用，因此可不考虑配置储能装置。虽然光伏发电系统的接入会带来一定的无功功率和谐波问题，但尚在安全范围内。

城轨供电系统夜间停运后，大量的中压配电网电缆向城市电网提供容性无功功率，而电力部门采用“无功反送正计”的计费方法，即用电低谷时段出现的容性无功反送现象将被电力部门正计入罚款区间。因此，为提高功率因数，城轨供电系统多采用在主变电所35 kV侧母线安装无功补偿装置(SVG)的无功集中补偿方式，并兼顾滤波功能。因此，光伏发电系统接入城轨供电系统所带来的功率因数和谐波影响可以通过现有SVG综合解决，不用单独配置无功补偿和滤波装置。

4 结论

本文在MATLAB/Simulink中搭建了光伏发电系统接入城市轨道交通供电系统AC35 kV侧的模型，并对光伏发电系统接入前、后的功率因数和谐波变化情况展开了仿真分析。仿真结果显示，接入光伏发电系统具有一定的节能效益，可降低城轨供电系统的供电压力；虽然并网后牵引供电系统网侧功率因数下降，城市供电系统的谐波含量增加，但其影响程度尚在国标规定范围内。光伏发电系统接入城轨供电系统后带来的功率因数问题和谐波问题可通过在主变电所35 kV侧安装SVG综合解决。