城轨柔性直流牵引供电系统光伏发电并入方式研究

胡剑强，康崇皓，朱宏润，肖金花，郑子璇，刘建华

(1. 常州市轨道交通发展有限公司，江苏 常州213000；2.苏州大学 轨道交通学院，江苏 苏州 215131；3.中国矿业大学 徐海学院，江苏 徐州 221008)

当前，我国城市轨道交通发展迅速，多个城市已经开通或正在建设轨道交通线路.由于城轨负荷功率大，是城市电网的用电大户，如何降低城轨供电对城市电网的影响并综合利用新型清洁能源尤为重要.光伏发电作为一种可再生能源，近些年来已经取得长足发展，其应用场景和应用领域也在不断扩大.同时，光伏发电功率与城轨负荷需求功率在时间上锲合度高，如果能够将光伏发电系统就近、合理、有效地并入城轨供电系统，将对城市电网运行优化和轨道交通供电系统的节能降耗带来有益效果[1-2].

近些年，相关学者已经针对光伏发电并入城市电网的方式开展了理论、试验及工程应用研究.文献[3]针对大容量光伏发电集中并网方式进行了建模和仿真分析，并改进了最大功率追踪方法.文献[4-5]分析了分布式光伏并入低压电网运行方式及控制方法.针对光伏在轨道交通停车场、车辆段的应用，文献[6-7]分析了轨道交通车辆段光伏发电方案及应用案例，研究了光伏发电并入城轨供电系统交流侧的方式.在理论研究或工程应用中，光伏发电功率接入城轨供电系统的主要形式包括接入系统35 kV中压环网或400 V低压侧.城轨供电系统直流牵引网电压等级为1 500 V DC或750 V DC，光伏发电输出的电能是直流电，由此文献[1]讨论了光伏发电功率经过DC/DC变换器并入城轨直流牵引网的可行性.但由于当前城轨直流牵引供电系统采用不控整流机组配合再生能耗装置的方式，系统直流侧潮流控制能力有限，网压波动大，列车牵引功率跨区间转移明显，为光伏并入城轨直流牵引网带来困难[8-9].随着当前电力电子变流技术的发展及城轨牵引供电系统潮流控制需求的提升，基于双向变流器的柔性直流牵引供电系统已在城市轨道交通线路开展单站及多站试验，有效提升了直流牵引供电系统的潮流控制能力及系统供电安全[10-11].虽然城轨柔性直流牵引供电系统已经得到了工程应用，但光伏发电功率并入城轨柔性直流牵引供电系统的方式还未开展相应的分析，并入系统后对系统潮流的影响尚待开展相应的研究.

针对光伏接入城轨供电系统的问题，本文作者提出光伏发电功率并入城轨柔性直流牵引供电系统的方式，分析该接入方式的系统结构，并建立多列车动态运行过程中系统仿真模型进行仿真研究，阐明光伏发电功率接入柔性直流牵引供电系统的影响，为该接入方式提供基础理论支撑.

1 城轨牵引供电系统光伏并入方式

城市轨道交通普遍采用直流牵引供电、走行轨回流的供电方式为列车提供牵引功率，其系统结构如图1所示.由图1可知，中压网络35 kV交流电经整流变压器降压并为整流机组供电.当前，牵引供电系统采用不控整流机组将交流系统电能变换至直流侧，并通过接触网将能量输送至列车位置.列车运行时存在牵引加速、惰行、再生制动等不同运行工况，在牵引加速时列车从接触网上吸收能量，在再生制动时列车向接触网回馈能量，其功率P(t)和位置S(t)随时间t动态改变.为减少列车再生制动能量的浪费，系统一般设置再生制动回馈装置将剩余的再生制动能量回馈至交流侧.虽然不控整流机组+再生能馈装置供电方式也可以满足列车供电需求，但其潮流可控性差，对系统供电的安全性和经济性影响较大.而基于PWM双向变流机组的柔性直流牵引供电系统具有控制方式灵活、潮流完全可控等优点，成为城轨供电方式的应用趋势.当前，光伏接入城轨牵引供电系统的方式主要为接入低压交流400 V(接入方式2)、经变压器接入35 kV中压环网(接入方式3).光伏接入低压400 V交流网时，受电能质量参数限制影响，光伏并网功率有限.光伏接入中压环网35 kV时，可提升光伏并网功率，但需要利用升压变压器和隔离变压器进行并网接入.接入交流电网的方式需要将光伏产生的直流电逆变为交流电，同时存在无功、负序等电能质量问题.而城轨直流牵引供电系统是直流供电方式，光伏发出的功率经过变换升压后可直接接入直流牵引供电系统的接触网中，避免了无功、负序等电能质量问题，具有较高的电能质量，同时，光伏发电功率并入直流侧可优先为附近列车使用，降低城轨供电系统从电网吸收的功率，若附近列车无法消纳，双向变流机组可再将剩余能量回馈至系统交流侧.因此，针对光伏发电功率接入柔性直流牵引供电系统(接入方式1)的研究亟待开展.

图1 直流牵引供电系统结构图Fig.1 Structure diagram of DC traction power system

当前牵引供电方式及柔性直流牵引供电方式中牵引变电所的输出特性如图2所示.

图2 牵引变电所输出特性Fig.2 Output characteristics of traction substation

图2中，Ud0为不控整流机组理想空载电压，IdN为不控整流机组额定电流，Ud0_min为不控整流机组最小空载电压，Ud0_max为不控整流机组最大空载电压，Ilim为牵引变电所吸收或者逆变回馈电流的最大值，Umax为牵引变电所网压最大值.由图2可知，由于不控整流装置输出特性不可控，随着交流侧网压波动，不控整流机组直流侧空载网压也会跟随交流侧网压在Ud0_min和Ud0_max之间波动.在该情况下，再生能馈装置的启动阈值可设置范围有限，这导致系统越区供电现象明显，再生制动列车回馈至接触网的能量可能向远距离加速列车供电，使系统供电网损增大，钢轨电位与杂散电流异常升高明显[12].而双向变流机组控制特性可根据系统控制需求进行设定，能够有效避免系统功率越区远距离供电情况，并提升城轨直流牵引供电系统安全性与经济性.同时，系统直流侧电压稳定，利于光伏并网功率的接入.为此，需建立对应的仿真模型，研究柔性直流牵引供电系统光伏发电接入后对系统经济性及潮流参数的影响.

2 计及光伏并入的系统动态仿真

根据柔性直流牵引供电系统结构及光伏接入直流侧的方式，建立计及光伏发电并入的柔性直流牵引供电系统动态仿真模型，如图3所示.其中，x1～xN为线路上列车及牵引变电所切面的位置；zun、zdn、zrn分别表示切面n(1≤n

为对光伏发电功率并入柔性直流牵引供电系统进行仿真分析，需根据系统模型建立各节点的电压方程，全线列车、牵引变电所的位置形成N个切面，针对每个切面，均可对接触网、走行轨的节点建立节点电压方程.以第n个切面为例，上行接触网、下行接触网、走行轨节点电压方程分别满足

(1)

(2)

(3)

式中：Iun、Idn、Irn分别为上、下行接触网和走行轨节点的注入电流.如果该切面为变电所切面，则上下行接触网相互连通，ywn=1×105S；如果该切面为列车切面，则上下行接触网相互独立，ywn=0 S.在节点电压方程中zun、zdn、zrn分别根据切面之间区段长度及导体的单位长度电阻值计算获得.

图3 计及光伏功率并入的系统动态仿真模型Fig.3 Dynamic simulation model of the power system considering photovoltaic power integration

图4 光伏发电站全天功率波动情况Fig.4 Power fluctuation of photovoltaic power generation station in a day

当牵引变电所处于逆变回馈工况时，变电所两端电压稳定在牵引网压最大值Umax，此时，变电所等效电导ysn与节点电压、电流满足

(Udn-Urn)ysn=Idn

(4)

针对每个切面分别建立节点电压方程，形成节点电压方程组为

GU=I

(5)

式中：G为节点导纳矩阵；U为节点电压矩阵；I为节点电流矩阵.

在系统静态潮流计算迭代过程中，首先设置初始电压矩阵U(1)中各牵引变电所处于空载状态，并由此得到各列车的牵引电流，形成电流矩阵初始值I(1)以及导纳矩阵初始值G(1).此时，根据式(5)可求得U(2).由此时的U(2)可确定第二次迭代过程中的矩阵G(2)、I(2).在第i次迭代过程中，当U(i)-U(i-1)所得到的每个电压均小于电压收敛精度ε1，且系统不平衡功率ΔP(i)小于功率收敛精度ε2时，迭代结束，否则继续进行迭代过程.

在列车切面，节点注入电流与列车该时刻功率及当前迭代牵引网压幅值相关.当列车位于上行线时，节点注入电流满足

(6)

当列车位于下行线时，节点注入电流满足

(7)

在光伏功率接入位置，由于光伏发电模块以功率源模型参与柔性直流牵引供电系统的潮流计算，则该节点潮流参数的更新方法与列车所在切面的潮流参数更新方法一致.

通过静态潮流计算可以得到某一固定时刻柔性直流牵引供电系统潮流分布，在不同时刻下分别进行各个时刻静态潮流计算迭代过程，可求得列车动态运行各时刻系统的电压、电流等参数.

3 仿真分析

为分析光伏发电功率并入城轨柔性直流牵引供电系统的运行规律，基于某实际轨道交通线路及供电系统参数进行仿真分析，该线路的车站及牵引所位置设置如图5所示，其中车站1、车站3、车站5、车站7、车站10分别设置有牵引变电所S1、S2、S3、S4、S5.仿真过程中系统参数设置如表1所示.

在多列车运行过程中，设置每个列车在车站停站30 s，发车间隔为3 min，列车运行图如图6所示.

图5 车站及牵引所位置情况Fig.5 Locations of the stations and traction stations

表1 系统潮流计算仿真参数设置

图6 全线列车运行图Fig.6 Train diagram of the whole line

3.1 柔性直流牵引供电系统运行仿真

仿真中设置再生制动能量回馈装置启动阈值为1 720 V，分别仿真3种情况下系统的牵引网压波动情况及钢轨电位变化情况：不控整流机组输出电压波动率δ为0，即空载输出电压为1 593 V时；不控整流机组输出电压波动率δ为-7%，即空载输出电压为1 482 V时；不控整流机组输出电压波动率δ为+7%，即空载输出电压为1 705 V时.3种情况下系统S3网压波动情况如图7所示，图中δ为+7%时牵引S3网压波动幅度最小，δ为-7%时牵引S3网压波动幅度最大.由图可知，由于系统交流侧电压波动，不控整流机组输出电压波动率δ在-7%至+7%变化，会导致系统网压出现较大波动.

图7 系统牵引网压对比Fig.7 Comparison of the system traction voltage

不控整流机组输出电压波动率δ为分别为-7%、0、+7% 3种情况下系统钢轨电位动态分布如图8所示.由图可知，由于不控整流机组空载电压存在波动的可能，钢轨电位幅值变化明显.当空载输出电压为1 482 V时，全线钢轨电位幅值最大值可达148.9 V；空载输出电压为1 593 V时，全线钢轨电位幅值最大可达106.8 V；空载输出电压为1 705 V，全线钢轨电位幅值最大可达66.2 V.根据仿真结果分析可知，在系统采用不控整流机组供电时，系统钢轨电位会出现较大幅值.

图8 钢轨电位动态分布Fig.8 Dynamic distribution of the rail potential

设置双向变流机组整流工况输出电压1 705 V，逆变工况输出电压1 720 V，此时，系统参数仿真结果如图9所示.由图9可知，在柔性直流牵引供电系统特性设置下，牵引网压稳定，同时相比传统不控整流机组供电方式，钢轨电位幅值也大大降低，全线钢轨电位正向最大值为51.0 V，全线钢轨电位负向最大值为-59.3 V.仿真结果表明，柔性直流牵引供电系统对钢轨电位有较好的抑制效果.

3.2 光伏并入城轨供电系统仿真

光伏发电功率波动比多列车功率波动平缓，在进行短时间仿真时，将光伏发电功率设置为固定值.仿真中设置光伏发电功率为2 MW，并入柔性直流牵引供电系统14 043 m位置，分析光伏发电并网前后系统参数的变化情况.在0～360 s的初始时间段和1 100～1 280 列车循环运行时间段，光伏发电并网前后牵引变电所S5的牵引电流变化见图10.由图10(a)可知，在光伏发电功率并入之前，当线路中列车加速时，S5牵引变电所为S4～S5供电区间中运行的列车提供牵引电流，当列车再生制动回馈至接触网的能量无法被附近列车完全吸收时，双向变流机组将剩余能量逆变回馈至交流电网.在光伏发电功率并入后，当线路上列车需要提供牵引功率时，光伏发电并入功率将被优先利用，降低双向变流机组从交流电网吸收的功率；当线路上的功率无法被完全利用时，再将剩余功率回馈至交流侧.在线路上无列车运行时，光伏发电功率直接通过双向变流器逆变回馈至交流电网.由图10(b)可知，在1 100～1 280 s列车循环运行时间段，光伏发电功率的接入同样也会降低双向变流机组从交流电网吸收的功率.

在0～360 s的初始时间段和1 100～1 280 s列车循环运行时间段，光伏发电并网前后牵引变电所S4的牵引电流变化如图11所示.由图11可知，由于柔性直流牵引供电系统输出特性可设置，系统潮流可控，光伏发电功率并入S5牵引变电所前后，相邻S4牵引变电所的潮流参数基本不发生变化.因此，光伏接入柔性直流牵引供电系统后，会对接入位置附近的双向变流机组牵引电流及容量产生一定影响，其他位置的双向变流机组牵引电流及容量基本不产生影响.

图10 牵引变电所S5电流变化Fig.10 Variation of traction current at S5 traction substation

图12 牵引变电所S3电流变化Fig.12 Variation of traction current at S3 traction substation

仿真中设置2 MW的光伏发电功率并入S3牵引变电所，光伏并网前后S3牵引变电所的牵引电流变化见图12.由图12知，在光伏发电功率并入系统后，发电功率将优先被附近列车吸收，降低双向变流机组从交流电网吸收的功率；当牵引网上功率有剩余时，剩余能量将被双向变流机组逆变回馈至交流电网.相邻S4牵引变电所的潮流参数基本不发生变化.光伏并网前后S3牵引变电所牵引电流降低情况见图13.

图13 S3牵引变电所牵引电流降低值Fig.13 Reduced value of traction current atS3 traction substation

由图13知，在系统动态运行过程中，光伏功率接入后S3牵引变电所牵引电流降低明显，最大降低幅值为1 172 A.1 100～1 280 s时间段牵引变电所S3从电网吸收的牵引能量由69.0 kW·h降低至38.0 kW·h，节能效果明显.

4 结论

1)柔性直流牵引供电系统直流侧牵引网压稳定，同时相比传统不控整流机组供电方式，系统钢轨电位幅值也大大降低，柔性直流牵引供电系统直流侧可作为光伏发电的一种接入位置.

2)光伏发电功率并入柔性直流牵引供电系统后，当线路上列车需要提供牵引功率时，光伏发电并入功率将被优先利用，降低双向变流机组从交流电网吸收的功率；当线路上的功率无法被完全利用时，将剩余的功率回馈至交流侧.

3)在系统动态运行仿真过程中，光伏功率接入后S3牵引变电所牵引电流最大降低幅值为1 172 A.1 100～1 280 s时间段牵引变电所S3从系统吸收的牵引能量由69.0 kW·h降低至38.0 kW·h，节能效果明显.