基于光伏发电系统的高铁AT 所配电技术研究

李 昂，金 钧，赵雨生，柳 宇，王 聪

0 引言

在国外，近年来太阳能光伏电源已开始由补充能源向替代能源过渡，并从偏远无电地区中小功率的独立发电系统向并网发电系统的方向发展[1]，而把太阳能发电应用在铁路牵引网系统的研究还比较少，本文探讨的设计方案具有创新意义。为AT所增设太阳能光伏发电系统作备用电源，可以有效减少因配电线路故障造成的经济损失，很大程度上提高了AT 所配电的安全性和稳定性，保证机车的正常运行。同时，利用绿色能源发电，可以减少污染，在节约用电成本的同时创造经济效益，最终实现可持续发展。

1 高铁AT 所配电系统

AT 供电方式是牵引网的重要组成部分。将AT所自耦变压器（AT）按一定间隔距离跨接在牵引网的接触网、正馈线和钢轨间，起着支撑2×27.5 kV 馈电系统的作用。

如图1 所示，牵引网AT 变电所（简称AT 所）里的主要设备有自耦变压器、断路器、检测装置、母线排、开关设备和空调机等，保证这些设备的供电是保证AT 所正常工作的基础，是电力机车从接触网获得电能从而正常运行的根本。AT 所由10 kV线路（三相工频交流电）输配电通过变压器T1 变换为0.4 kV 工频交流电为所内设备供电，当10 kV线路出现故障时，则选择接触网线路（单相工频）经过所内变压器T0 变换得到0.4 kV 工频交流电。

图1 AT 所结构示意图

由于AT 所地处野外地区，平时维护不便，周围地势空旷，有足够的空间来放置设备。这就使得可再生能源发电系统给AT 所配电成为可能，具有代表性的就是太阳能光伏发电系统。

2 太阳能光伏发电系统

2.1 太阳能光伏发电系统组成

太阳能光伏发电系统主要由太阳能电池组件、并网变流器、系统控制器和继电器保护装置组成。太阳能电池组件由多块太阳能电池板串并联组成，在阳光的照射下将光能转化为电能，是太阳能光伏发电系统的核心部件。并网变流器将太阳能电池输出的直流电转化为工频交流电输入电网，并网变流器有多种拓扑结构可以选择，不同的拓扑结构在不同的应用场合可以体现出各自的优缺点。系统控制器保证了并网变流器的输出与电网同频同相，并实现太阳能电池的最大功率点跟踪。继电器保护装置保证了系统的运行安全，在电网或光伏系统发生故障时切除，保证系统的可靠运行[1]。

2.2 太阳能光伏电池等效电路

图2 为太阳能电池的等效电路[2]。

图2 太阳能电池等效电路图

则太阳能电池的电流-电压特性可以表示为

式中，I 为输出电流；Ish为光生电流；U 为端电压；Rs为太阳能电池串联等效电阻；Rsh为太阳能电池并联等效电阻；I0为反向饱和电流；q 为电子电荷，q = 1.6×10-19C；A 为二极管因子，取值为1～2；k为波尔兹曼常数，k = 1.38×10-23J/K；T 为绝对温度，K。

3 AT 所增设太阳能备用电源的设计方案

3.1 与电网相连接的光伏发电系统

图3 为基于太阳能光伏发电系统的AT 所配电结构图。在该系统中，并网逆变器将太阳能电池板产生的直流电能转化为和电网电压同频、同相的交流电能，同时还可以给蓄电池组充电，当光伏发电系统所产生的交流电能超过负载所需时，多余的部分将送往电网。当10 kV 线路出现故障时，接触网线路投放使用并通过所内变压器T0 变换为0.4 kV电压等级的电能为AT 所内设备供电，而当变压器T0 出现故障或者接触网线路出现故障时，则选用太阳能光伏电池组件带蓄电池组为所内设备提供电能，这样做理论上提高了AT 所配电的安全性和稳定性。

图3 基于太阳能光伏发电系统的AT 所配电结构图

用太阳能光伏发电系统作AT 所的备用电源的优势在于太阳能是可再生资源，取之不尽，而且无污染。太阳能光伏发电系统具有免维护性，并且可以通过计算机进行远程监控，大大提高了用电的安全性和稳定性。

3.2 以Z 源阻抗网络为核心的光伏发电系统

图4 为基于Z 源逆变器的光伏发电系统结构图。太阳能电池发出不稳定、不规则的直流电通过Z 源阻抗网络送入三相桥式逆变电路，最后经过LC 滤波电路送入电网（或负载）。实现将不稳定的直流电转换为稳定、规则的交流电。

Z 源阻抗网络（Z 源网络）由大小相等的2 个电感L1、L2和2 个电容C1、C2组成，并连接成形，将变换器和负载藕合在一起[3]。相对于传统的变换器，Z 源阻抗网络有以下优点：由于Z 源网络中没有开关元件，所以严格意义上不算一级网络，系统的效率必定提高；Z 源网络的升压功能是由逆变桥的贯穿短路实现的，其升压比为1～∞，逆变器的调制比为0～1，所以系统的电压转换比可达到0～∞；Z 源网络中的电容不起支撑电压的作用，所以电容的耐压和容量都可以减小，其结构组成两级LC 滤波，所以电感电容值都相应减小，这不但使系统的体积成本降低，同时也降低了由电解电容带来的系统可靠性问题；Z 源变换器中的LC 网络可以起到滤波的作用，改善输出波形；由于Z 源变换器的存在，使后级逆变器的开关管只承受电网电压，所以开关管的耐压只需按网压选取，避免了由于光伏阵列输出电压太高对开关元件耐压造成的严苛要求；Z 源网络利用负载续流的时间升压，所以逆变桥的贯穿短路对系统没有损害，降低了对开关管控制信号的要求，使系统的可靠性提高。

图4 基于Z 源逆变器的光伏发电系统结构图

3.3 并网控制策略

太阳能电池板输出的是直流电，而电网则是50 Hz 的交流电，其中逆变器是整个系统最主要的环节，采用SPWM 控制技术，即正弦波脉宽调制逆变技术。根据电力系统准周期并列的条件，实现并网工作时，为使并网装置在并网工作时产生的冲击减少，逆变器必须同时满足以下条件：

（1）并网逆变器输出电压应和电网电压保持同相，通常情况下相位差应小于10°。

（2）逆变器输出电压应和电网电压接近相等，压差一般应控制在10%以内。

（3）逆变器输出频率应和电网电压频率接近，频差一般应控制在0.4 Hz 以下。

太阳能光伏并网发电系统控制框图如图5 所示。该并网系统中包括光伏阵列MPPT 控制、DC/DC 升压控制、DC/AC 逆变控制、电网电压锁相以及各种保护等控制部分[4，5]。

在光伏并网逆变系统中，控制系统的主要工作如下：

（1）采集模拟量（直流、交流电流和电压等）来监控和控制。

（2）提供频率、脉宽可实时改变的SPWM 信号给功率器件驱动板。

（3）数字锁相，检测电网电压的相位和频率。

（4）自动保护，接收功率器件发出的过流、过压保护信号。

图5 太阳能光伏并网发电系统控制框图

4 结语

本文提出了一种以光伏发电系统作高铁AT 所配电备用电源的设计方案。提高了高铁AT 所配电的安全性和稳定性，并探讨了以Z 源阻抗网络为核心的光伏发电系统的优点，给出了光伏发电系统的并网方案，从理论上分析研究了并网逆变器控制策略，从而改善了牵引网AT 所配电电能质量。利用绿色能源创造经济效益，实现节能减排，社会经济的可持续发展。

[1] 卢婷.太阳能发电并网系统的研究[D].北京：北京交通大学，2008.

[2] 杨金焕，于化从，葛亮.太阳能光伏发电应用技术[M].北京：电子工业出版社，2009.

[3] 王君惠.基于Z 源逆变器的光伏发电系统研究[D].大连：大连理工大学，2010.

[4] Teodorescu，R.等著；周克亮，王政，徐青山译.光伏与风力发电系统并网变换器[M].北京：机械工业出版社，2012.

[5] 王东娇.太阳能光伏发电控制技术研究[D].太原：中北大学，2010.