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提出将光伏系统作为牵引负荷电源之一,与电力系统共同给牵引负荷供电的方案。光伏系统在27.5 kV侧接入牵引供电系统,分析牵引负荷特性和光伏系统输出特性,推导计算光伏系统接入前、后对电力系统侧电能质量的影响;针对不同工况对光伏接入后电能质量的影响进行仿真分析,基于实测负荷数据对光伏系统接入前、后电能质量的影响进行验证。结果表明:所研究的光伏接入方案对电力系统侧三相电压不平衡度不产生影响,对三相谐波畸变率以及功率因数的影响与接入光伏系统的大小有关。
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第 38 卷 第 10 期
2018 年 10 月
电 力 自 动 化 设 备
Electric Power Automation Equipment
Vol.38 No.10
Oct. 2018
光伏接入牵引供电系统对电能质量的影响
解绍锋,方曼琪,夏国华,戴朝华
(西南交通大学 电气工程学院,四川 成都 610031)
摘要:提出将光伏系统作为牵引负荷电源之一,与电力系统共同给牵引负荷供电的方案。 光伏系统在 27.5
kV 侧接入牵引供电系统,分析牵引负荷特性和光伏系统输出特性,推导计算光伏系统接入前、后对电力系统
侧电能质量的影响;针对不同工况对光伏接入后电能质量的影响进行仿真分析,基于实测负荷数据对光伏系
统接入前、后电能质量的影响进行验证。 结果表明:所研究的光伏接入方案对电力系统侧三相电压不平衡度
不产生影响,对三相谐波畸变率以及功率因数的影响与接入光伏系统的大小有关。
关键词:牵引供电系统;电力系统;光伏发电系统;电能质量
中图分类号:U 224.8;TM 615 文献标识码:A DOI:10.16081 / j.issn.1006
-
6047.2018.10.009
收稿日期:2017
-
08
-
04;修回日期:2018
-
07
-
01
基金项目:铁路系统光伏供电项目(2016H01842)
Project supported by the Photovoltaic Power Supply Project of
Railway System(2016H01842)
0 引言
随着社会的不断发展进步,环境污染和能源匮
乏问题也随之凸显,新能源的开发利用已经成为可
持续发展中十分重要的一个环节。 太阳能作为丰富
的可再生能源使得光伏发电成为我国在新能源方面
的重要发展方向
[1]
。 光伏发电是一种绿色能源,具
有无污染、无噪声、易获取等优点,随着技术的进步,
其应用领域在不断扩大
[2]
。 目前,我国高速铁路发
展迅猛
[3]
,是电力系统的能耗大户,铁路网中 60%以
上的耗电量和污染物排放由铁路牵引供电系统造
成
[4]
,为了进一步落实国家节能环保政策,我国铁路
部门高度重视新能源的应用技术科研投入,制订了
多项具有针对性的政策措施
[5]
。 开展铁路领域的节
能减排和可再生能源利用工作具有广阔的前景和良
好的经济性、社会价值。
将光伏系统接入牵引供电系统向牵引负荷供
电,可在一定程度上降低电气化铁路对电力系统的
供电需求,有利于充分利用电力系统的供电资源。
若在接入光伏系统的基础上增加储能装置,可提高
光伏能量的利用率,降低牵引负荷剧烈波动对电力
系统的影响,减少牵引负荷产生的负序,改善电能质
量指标,因此其在实现电气化铁路的节能和环保方
面具有重大意义。
目前,将光伏系统接入牵引供电系统的相关研
究较少,文献[6] 介绍了德国铁路系统将光伏发电
直接接入牵引供电系统的技术,即将光伏组件于铁
路沿线布置,这种方法的不足是光伏组件性能容易
受到列车运行状态的影响。 为此本文提出了将光伏
组件集中布置,在铁路沿线以光伏电站的形式接入
牵引供电系统的方案。
本文重点研究光伏系统接入后对电力系统电能
质量指标的影响,通过对光伏系统接入牵引供电系
统的方案进行理论分析和建模,搭建仿真模型进行
验证,以 2 MV·A 的光伏系统在牵引变电所的 27.5
kV 侧接入为例进行仿真分析,研究光伏系统接入
前、后对电力系统侧电能质量的影响,进一步论证该
方案的可行性。
1 接入方案
光伏发电系统是利用太阳能光伏板进行发电,
通过升压和逆变 2 级转换后变为交流量
[7⁃8]
。 其可
作为电源接入牵引变电所的 110 kV 侧或 27.5 kV
侧,与电网同时向牵引供电系统供电。 若利用牵引
变电站的 110 kV 进线侧作为光伏并网接入点,则与
常规光伏并网无异,但利用铁路用地的光伏发电系
统容量较小,在经济性方面无突出优势,即使光伏发
电系统以额定输出且无牵引负荷,当光伏发电系统
的输出功率全部进入电力系统时,在 110 kV 侧的电
流仍然很小,110 kV 侧电流互感器设备的计量精度
难以满足要求。 若在牵引变电站的 27.5 kV 侧接入
光伏发电系统,因为电压等级低,能够直接为牵引负
荷供电。 因此,本文着重分析光伏系统在 27. 5 kV
侧接入牵引供电系统的方案。
光伏系统产生 27.5 kV 的三相交流电,在牵引
变电站的 27.5 kV 公共母线处接入系统后,分别接
入 1 号牵引变压器和 2 号牵引变压器,正常发电时,
通过主用牵引变压器接入系统,接入方案示意图如
图 1 所示。
在接入点前设置计量点,用于计算光伏发电量。
利用牵引变电站的 27.5 kV 公共母线作为光伏并网
接入点,可以实现同时向两侧母线供电。 但是,需论
证接入光伏发电系统后对电能质量的影响,特别是
不同牵引负荷下电压不平衡度是否满足相关标准要
求,确保可以顺利接入电网。
电 力 自 动 化 设 备
第 38 卷
图 1 27.5 kV 侧接入光伏发电系统示意图
Fig.1 Schematic diagram of PV generation system
accessing at 27.5 kV side
2 理论分析
2.1 光伏牵引特性
我国的电气化铁路牵引供电系统采用工频单相
交流制,牵引负荷是一种单相交流非线性负荷
[9]
。
牵引供电系统大量采用 V 型接线牵引变压器,这种
接线方式简单、容量利用率高。 本文以光伏系统采
用 V 型接线变压器为例分析光伏牵引特性。 方案示
意图如图 2 所示。
图 2 光伏系统采用 V 型变压器接入牵引供电系统示意图
Fig.2 Schematic diagram of PV generation system accessing
to traction power supply system through V⁃type transformer
设光伏系统升压变压器和牵引变压器的变比分
别为 k
1
和 k
2
。
光伏系统升压变压器原次边电流关系为:
I′
a
=
I′
ab
=
k
1
I″
ab
=
k
1
I″
a
I′
c
= -
I′
bc
= -
k
1
I″
bc
=
k
1
I″
c
I′
b
= -
I′
a
-
I′
c
=
k
1
(
-
I″
a
-
I″
c
)
=
k
1
I″
b
ì
î
í
ï
ï
ï
ï
(1)
光伏系统输出的三相电流 I″
a
、I″
b
、I″
c
对称,可得
光伏系统注入牵引供电系统的三相电流 I′
a
、I′
b
、I′
c
对称。
分析式(1)可以得到光伏系统在电力系统侧产
生的三相电流分量为:
I
A1
=
1
k
2
I
a1
= -
1
k
2
I′
a
= -
k
1
k
2
I″
a
I
B1
=
1
k
2
I
b1
= -
1
k
2
I′
b
= -
k
1
k
2
I″
b
I
C1
=
1
k
2
I
c1
= -
1
k
2
I′
c
= -
k
1
k
2
I″
c
ì
î
í
ï
ï
ï
ï
ï
ï
ï
ï
(2)
分析式(2)可得光伏系统产生的三相电流注入
电力系统是对称的。
按照规格化定向规则,2 个牵引端口的负荷电
流分别为 I
ab
和 I
bc
,牵引变压器副边电流与两牵引端
口电流关系为
[7]
:
I
a
=
I
ab
I
b
= -
I
ab
+
I
bc
I
c
= -
I
bc
ì
î
í
ï
ï
ï
ï
(3)
牵引 负 荷 在 电 力 系 统 侧 产 生 的 三 相 电 流 分
量为:
I
A2
=
1
k
2
I
a2
=
1
k
2
I
ab
I
B2
=
1
k
2
I
b2
= -
1
k
2
I
ab
+
1
k
2
I
bc
I
C2
=
1
k
2
I
c2
= -
1
k
2
I
bc
ì
î
í
ï
ï
ï
ï
ï
ï
ï
ï
(4)
由式(4) 可知,牵引负荷电流反映到三相电力
系统是不对称的。
当牵引负荷功率远大于光伏系统功率,且牵引
负荷功率因数和光伏系统功率因数均为 1 时,两者
在三相电力系统中产生的电流相量图如图 3 所示。
图 3 三相电力系统侧电流相量图
Fig.3 Current phasor of three⁃phase power system
由以上分析可知,光伏系统采用 Vv 接线方式可
将光伏能量注入三相电力系统。
2.2 电能质量影响理论分析
将光伏系统看作电力系统负载,分别考虑光伏
系统和牵引负荷对电力系统产生的影响,对式(2)
和式 ( 4) 应 用 叠 加 原 理 可 得 电 力 系 统 侧 三 相 电
流为:
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