倪卫标沈小军赵时旻张 翼

（1.上海铁路局供电检测所，200071，上海；2.同济大学电气工程系，200092，上海；3.上海申通地铁集团有限公司，201103，上海∥第一作者，工程师）

光伏发电系统接入城市轨道交通供电系统模式研究*

倪卫标1沈小军2赵时旻3张 翼2

（1.上海铁路局供电检测所，200071，上海；2.同济大学电气工程系，200092，上海；3.上海申通地铁集团有限公司，201103，上海∥第一作者，工程师）

城市轨道交通具有应用分布式光伏发电系统的广阔空间。以上海城市轨道交通为例，开展了光伏发电接入城轨交通供电系统的可行性与并网方式研究。理论计算及仿真分析结果表明，光伏发电接入城轨交通供电系统是可行的。光伏发电系统接入城市轨道交通供电系统具有交流并网和直流并网2种模式。交流并网模式具有控制策略简单成熟的优点；直流侧并网模式通过控制策略优化补偿牵引网电压减少接触网损耗，具有提高城轨交通牵引供电质量和节能的双重作用。

城市轨道交通；光伏发电；交流并网；直流并网；节能

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

随着城市轨道交通（以下简称“城轨”）的快速发展，城轨已成为城市的主要耗能大户，其节能减排问题日益突出。光伏发电作为一种清洁能源，具有无污染、无噪声的特点，随着技术的进步，其应用领域在不断扩大。德国、荷兰、奥地利等国家已经开展了沿高速公路沿线安装光伏声屏障，并就地利用的研究［1］。城轨沿线所建的停车场、车辆段以及高架线路，其场地上的优势为光伏发电系统在城轨中的应用提供了广阔的前景［2-3］。实现光伏的终端利用对城轨和整个社会的节能减排，均具有重要的意义，因此有必要开展光伏发电系统在城轨供电系统中的相关应用研究。

1 光伏发电应用可行性分析

城轨沿线所建的地面停车场、车辆段，以及高架线路两侧、建筑物屋顶，其场地上的优势可以作为分布式光伏发电应用的新兴平台［4-5］。以上海轨道交通3号线高架线路为例，典型牵引变电站间距离3 km，设置光伏电池与法线夹角α=27°，参照图1中所示的尺寸及安装方式，单侧可安装面积为8 417.4 m2，上下行双侧可安装面积为16 834.8 m2。

图1 光伏电池板安装示意图

按每平米太阳能电池板的安装容量100 W，面积利用率50%计算，则两站间高架路段装机直流容量可达841.7 kW。上海地处中国长江三角洲前缘，位于北纬31度14分，东经121度29分，平均气温16℃左右，年日照时数1 665.3 h，年平均日辐射量12 317.8 kJ/m2［6］。根据热功当量1 k Wh= 3 600 kJ，将日辐射量换算为标准光强（1 000 W/m2）下的平均日辐射时数为3.4 h，那么一个典型牵引变电站间隔年平均发电量为1 044 599.3 k Wh。不仅实现了可再生能源的就地利用，还能有效降低电能传输损耗。

据统计：每节约1 k Wh电，就相应节约了0.4 kg标准煤，减少0.272 kg碳粉尘、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，节约用水40 L［3］。特别是随着技术的不断进步，太阳能光伏电池的发电成本已达到或接近常规发电成本价格［7］，因此，实现光伏的终端利用对城轨和整个社会的节能减排，均具有重要的意义，将产生巨大的社会效益和经济效益。

2 光伏发电系统并网模式及能量管理策略

2.1 城轨供电系统简介

上海城轨供电系统一般包括电源系统、动力照明系统和牵引供电线系统3部分［8］，如图2所示。

图2 上海城轨供电系统结构示意图

电源系统由外部电网和主变电站构成，实现AC 110 k V到AC 33 k V的转换。动力照明系统主要包括降压变电站和负荷，实现AC 33 k V到AC 400 V的转换，供给车站照明、空调、电梯、商业等用电。牵引供电系统主要由牵引变电站、接触网（第三轨）、车辆以及走行轨等组成，实现AC 33 k V转换为列车牵引所需要DC 1 500 V，并供给车辆。

2.2 光伏发电系统并网方式

城轨供电系统具有交流负载，又有大直流负载，因此光伏发电系统可能的并网点如图3所示。

图3 光伏发电系统可能的并网点

2.2.1 交流侧并网拓扑及能量管理策略

光伏阵列产生的直流电经过并网逆变器转换为符合要求的交流电之后接入交流网络［9-10］，如图4所示。根据城轨供电系统拓扑结构，交流侧存在33/35 k V和400 V 2个并网点。对于采用集中供电式的城轨供电系统，光伏所发电力均未直接接入市电网络，无须与供电部门联络，灵活便利。对于分散式供电方式，接入33/35 k V则会受到较多限制。

图4 交流侧并网拓扑图

一般而言，城轨交流用电负荷远大于光伏发电系统发电能力。光伏发电系统交流并网方式下，只要产生电能，且满足并网条件就可以输出到电网中去，故能量管理策略相对简单，相关领域已有的研究成果可直接采用。采用光伏发电系统与市电并联形式向用电负荷供电，原则是优先使用光伏发电系统产生的电能。

该方式无需安装储能装置，但需要专用的并网逆变器，以保证输出的电力满足电气设备对电压、频率等指标的要求［10］。光伏发电经过逆变器接入车辆段和停车场的低压变电所，供场内部分交流负荷使用。该方式已在上海城轨川沙停车场得到了应用。

2.2.2 直流侧并网拓扑及能量管理策略

理论上光伏发电系统通过DC/DC变换器即可接入城轨直流接触网，具有电能质量高、谐波污染问题不突出、运行中不占用牵引变电站整流装置的容量等优点。城轨牵引供电系统是一个复杂的车、网动态交互系统，列车运行中频繁地在起动、加速、惰行、制动等工况间转换，直流接触网电压波动十分剧烈。典型工况下的直流接触网电气特性如图5所示。

图5 城轨车、网典型动态电气特性示意图

在列车牵引阶段，功率需求非常大，系统内阻的存在会导致接触网电压低于系统空载电压。在列车再生制动阶段，会引起局部接触网电压上升，当超过设定的阈值时，将触发车载制动电阻以发热的形式消耗掉制动电能。所谓再生制动是指牵引电机在外力作用下减速、反转时以发电机状态运行。车辆母线电压升高，实现能量反馈直流馈电系统，供车辆所在供电区段上的其他车辆和本车辅助系统使用，实现节能运行。实际工况中，再生制动能量时常“馈-用”不匹配，再生制动电能得不到充分利用。

可见，直流侧并网只有适应城轨的牵引网负荷运行特点，才能充分利用光伏系统所发电力。一种直流侧并网拓扑结构及能量管理策略如图6所示。

图6 直流侧并网拓扑图及能量管理策略示意图

采用该拓扑进行并网，通过制定合理的能量管理策略，能够充分发挥光伏发电系统在节能和保障电能供电质量两方面的功能。比如早晚客流高峰时处于全天光照密度较弱阶段，并且由于运行高峰，运营车辆多，牵引阶段功率需求大，会造成网压产生较大的跌落；此时段光伏电池只向储能设备充电，与外网断开，通过储能设备向电网提供短时大功率，以达到填谷，发挥其保障牵引网电压安全的作用。白天处于运行非高峰时段时，阳光光能密度较高，牵引网电压相对较低阶段（对应车辆等效牵引），光伏电池直接通过DC/DC变换器向电网输电，不通过储能设备，减少损耗；牵引网电压处于相对较高阶段（对应车辆等效再生制动），光伏系统向储能设备充电，并在牵引网电压下降到一定值时予与释放，实现更好的能量利用率。以上任何阶段或夜间，储能系统还可参与制动能量回收。

3 交、直流并网模式节能特性仿真

为了对比交、直流并网模式下节约常规电能的效果，借鉴相关成果［11-12］，基于EMTDC/PSCAD软件进行了仿真，并引入节能倍率参数k进行考核。所谓节能倍率是指光伏发电系统接入前后原系统消耗常规电能差与光伏发电系统发出电能的比值。

即：

式中：

W0——光伏发电系统未接入前系统消耗常规电能；

W1——光伏发电系统接入后系统消耗常规电能；

Wpv——光伏发电系统发出的电能。

显然，k越大说明节约常规电能的效果越好。仿真中设光伏发电系统功率为180 k W，以恒功率持续工作96 s。

3.1 交流侧并网模式节能特性

光伏发电系统交流侧并网模式，无论是33 k V或400 V并网，并网电压均是稳定不变的。采用前述的交流侧并网能量管理策略，则在忽略上端和400 V传输环节损耗的情况下，系统节约消耗常规电能等于光伏发电系统发出的电能。由系统仿真条件可知，系统节约消耗常规能源4.79 k Wh，光伏发电系统节能倍率为1。

3.2 直流并网模式节能特性

光伏发电系统直流并网模式仿真模型如图7所示。仿真中列车控制包括一个完整起动惰行制动停站加一个起动工况（对应96 s的仿真时间），由牵引站I向牵引站Ⅱ行驶，仿真参数如表1所示。

图7 直流并网仿真模型

表1 仿真参数

光伏发电系统在运行过程中持续工作，接触网电压低于1 500 V时直接向接触网提供能量，高于1 500 V后向储能装置充电（对应车辆再生制动），当接触网电压再次低于1 500 V时（对应车辆再次牵引），储能装置与光伏发电系统同时向接触网馈电。

为了单纯比较光伏发电系统交、直并网模式下对系统节能的贡献，仿真中储能系统不参与城轨车辆制动能量回收；根据光伏发电系统接入和未接入2种情况分别进行了仿真，仿真中记录列车受电弓处的网压及两个牵引变电站输出的总能量。仿真结果如表2和图8所示。

表2 直流并网模式下的牵引系统耗能数据

图8 列车受电弓处的电压值

表2仿真数据表明，相比较于原有系统，直流侧并网模式下系统消耗常规电能5.7 k Wh，大于光伏发电系统发电量4.79 k Wh，实现增益节能0.89 k Wh，节能倍率为1.2。

研究者认为，直流侧并网模式实现常规电能的节能倍增效益，是由于城轨直流接触网电压允许有较大的范围内波动［13］，以及车辆牵引阶段的等效特性为功率源共同引起的。由图8可知，光伏发电系统的接入对接触网电压进行了有效抬升，降低了牵引电流，减少了直流接触网网损，所减少的网损即是仿真算例中对应的节能倍增效益。

4 结语

城轨供电系统及其负荷的特殊性，使得光伏发电系统接入具有交流并网和直流并网两种模式。研究结果表明，交流侧并网技术具有控制策略相对简单成熟，无需装设储能装置，投资小的特点，能够较快推广应用。直流侧并网具有提高城轨牵引供电质量和节能的双重作用，但需要安装储能装置，并需结合城轨的牵引网负荷运行特点，控制技术复杂，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）

*国家自然科学基金资助项目（E07/51347005）；中央高校基本科研业务费专项资金（0800219260）