本發(fā)明涉及牽引供電技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種分布式光伏電源的高速鐵路牽引供電系統(tǒng)及控制方法。

背景技術(shù)：

鐵路和光伏發(fā)電是我國目前正在大力發(fā)展的兩大領(lǐng)域。截至2015年底，我國鐵路營業(yè)里程達到了12.1萬公里，其中高速鐵路達到了1.9萬公里。根據(jù)國家發(fā)改委印發(fā)的《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》，我國的鐵路網(wǎng)將在2020年達到15萬公里，覆蓋80％以上的大城市，其中高速鐵路3萬公里；2025年鐵路網(wǎng)規(guī)模達到17.5萬公里，其中高速鐵路3.8萬公里。根據(jù)2007年我國制定的《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃》，到2020年我國的太陽能發(fā)電總?cè)萘繉⑦_到180萬kWp，而隨著今年來光伏發(fā)電技術(shù)的快速發(fā)展，這一數(shù)字有望達到10萬MWp。

鐵路和光伏的快速發(fā)展，為將光伏應(yīng)用于鐵路領(lǐng)域提供了契機，不僅有利于提高我國消耗能源中新能源的占比，同時有助于鐵路領(lǐng)域的節(jié)能減排和可再生能源利用，具有良好的經(jīng)濟價值和社會價值。

我國的鐵路有普速鐵路和高速鐵路之分，其中高速鐵路有運行速度高、運輸能力大、能耗低、污染小、經(jīng)濟效益好的優(yōu)勢，是未來發(fā)展的主流。我國的高速鐵路牽引供電系統(tǒng)采用AT供電的方式，有利于提高接觸網(wǎng)的輸電距離、降低牽引供電系統(tǒng)的電壓電能損失、減少電分相。

在我國現(xiàn)有的高速鐵路牽引供電系統(tǒng)中，牽引變壓器常采用V/x接線形式；但是現(xiàn)有的將光伏發(fā)電引入高速鐵路牽引供電中的系統(tǒng)，由于光伏發(fā)電的引入，對原有牽引供電系統(tǒng)影響較大，使原有系統(tǒng)無法正常工作；此外，高速鐵路行車密度大，現(xiàn)有的系統(tǒng)無法解決光伏電能的消納問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為使光伏發(fā)電系統(tǒng)適應(yīng)高速鐵路牽引供電系統(tǒng)，本發(fā)明提出了一種分布式光伏電源的高速鐵路牽引供電系統(tǒng)及控制方法，適用于牽引變壓器為V/x接線的既有線路改造以及新建線路修建，通用性能強；在實現(xiàn)光伏并網(wǎng)的同時不影響原有牽引供電系統(tǒng)的正常運行；解決了光伏電能的消納問題。

為達到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一種分布式光伏電源的高速鐵路牽引供電系統(tǒng)，包括相互連接的高速鐵路牽引供電系統(tǒng)和分布式光伏電源；

所述高速鐵路牽引供電系統(tǒng)包括V/x接線牽引變壓器、接觸網(wǎng)、鋼軌、正饋線和自耦變壓器；所述V/x接線牽引變壓器的高壓側(cè)與電力系統(tǒng)三相連接，V/x接線牽引變壓器低壓側(cè)分別連接接觸網(wǎng)和正饋線，V/x接線牽引變壓器中點引出并通過鋼軌連接至地網(wǎng)；自耦變壓器的兩個端口分別與接觸網(wǎng)和正饋線相連，自耦變壓器中點引出通過鋼軌連接至地網(wǎng)；

所述分布式光伏電源包括光伏陣列、單相光伏逆變器和光伏升壓變壓器；光伏陣列的正負端口與單相光伏逆變器輸入端的正負端口連接，單相光伏逆變器的輸出端與光伏升壓變壓器的低壓側(cè)連接，光伏升壓變壓器的高壓側(cè)分別與自耦變壓器在接觸網(wǎng)側(cè)的輸出端口以及中點端口相連。

進一步的是，所述V/x接線牽引變壓器的高壓側(cè)與電力系統(tǒng)三相連接，低壓側(cè)額定電壓為55kV；所述V/x接線牽引變壓器低壓側(cè)兩端口分別連接接觸網(wǎng)和正饋線，同時將所述V/x接線牽引變壓器中點引出，與鋼軌連接，同時鋼軌連接地網(wǎng)，電力機車由接觸網(wǎng)和鋼軌之間的額定電壓為27.5kV的電壓供電，并通過鋼軌和正饋線回流。

進一步的是，所述自耦變壓器布置于相鄰的兩個牽引變電站之間接觸網(wǎng)的供電臂區(qū)間內(nèi)，采用至少一臺自耦變壓器，每臺自耦變壓器之間相互間隔；所述自耦變壓器的額定電壓為55kV。

進一步的是，所述光伏陣列由多個光伏組件通過串并聯(lián)構(gòu)成；

所述光伏陣列是系統(tǒng)中能夠提供電能的電源，由容量較小的光伏組件通過串并聯(lián)組成，光伏陣列中光伏組件的串聯(lián)數(shù)和并聯(lián)數(shù)應(yīng)結(jié)合光伏組件的功率、光伏逆變器的容量、光伏發(fā)電系統(tǒng)的裝機規(guī)模、支架成本和直流線纜成本等因素綜合考慮。

進一步的是，所述單相光伏逆變器具有最大功率跟蹤和逆變的基本功能，同時兼具無功補償和諧波補償?shù)墓δ?，以提高高速鐵路牽引供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量；

所述單相光伏逆變器是一種將光伏組件所產(chǎn)生的直流電能變換為交流電能的電力電子裝置，其應(yīng)具有的基本功能包括最大功率跟蹤(MPPT)和逆變。最大功率跟蹤功能的作用在于保證光伏陣列能夠盡可能多地輸出電能，同時實現(xiàn)光伏電能的升壓；逆變功能的作用在于通過控制逆變器開關(guān)器件的通斷，將直流的光伏電能以交流電流的形式輸出，從而實現(xiàn)光伏電能的并網(wǎng)；

所述單相光伏逆變器可具有無功補償、諧波補償?shù)墓δ埽谳敵龉夥娔艿耐瑫r，對牽引負荷電流進行完全或部分的無功補償、諧波補償，有助于降低供電臂中的電壓電能損失，改善高速鐵路牽引供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量。

進一步的是，所述光伏升壓變壓器將光伏逆變器輸出的電壓等級較低的交流電能升壓至符合牽引供電系統(tǒng)電壓等級的電能；光伏升壓變壓器高壓側(cè)的額定電壓為牽引供電系統(tǒng)電壓等級，低壓側(cè)的額定電壓為單相光伏逆變器的額定輸出電壓

另一方面，由于光伏的接入使牽引供電系統(tǒng)的電流發(fā)生了改變，為了降低光伏接入對牽引供電系統(tǒng)的影響，本發(fā)明提出一種分布式光伏電源的高速鐵路牽引供電系統(tǒng)的控制方法，包括步驟：

S100，對接觸網(wǎng)兩供電臂的電壓有效值設(shè)置一個上閥值與一個下閥值；

S200，實時檢測分布式光伏電源接入處的供電臂電壓；

S300，當分布式光伏電源處于投入狀態(tài)，若供電臂電壓有效值超過上閥值，將分布式光伏電源切出；當分布式光伏電源處于切出狀態(tài)，若供電臂電壓有效值低于下閥值，將分布式光伏電源投入。

采用本技術(shù)方案具有下述有益效果：

1、適用于牽引變壓器為V/x接線的既有線路改造以及新建線路修建，通用性能強；高速鐵路沿線的分布式光伏電源經(jīng)過最大功率跟蹤、逆變、升壓后，通過自耦變壓器接入系統(tǒng)，在實現(xiàn)光伏并網(wǎng)的同時不影響原有牽引供電系統(tǒng)的正常運行；

2、利用自耦變壓器實現(xiàn)光伏電能并網(wǎng)，并網(wǎng)點不局限于牽引變電所，充分利用高速鐵路牽引供電系統(tǒng)沿線的土地資源；

3、分布式光伏電源采用自發(fā)自用、余電上網(wǎng)的發(fā)電形式，即光伏電能首先滿足電力機車負荷的需求，當光伏輸出功率大于電力機車負荷時，多余的光伏電能經(jīng)過牽引變壓器向電力系統(tǒng)反送，不影響牽引供電系統(tǒng)本身的工作；

4、光伏電能能夠直接向電力機車負荷提供有功功率，降低了高速鐵路牽引供電系統(tǒng)對外電系統(tǒng)的依賴程度；減小了供電臂的饋線電流，有助于改善供電臂的電壓水平，同時降低電能損失；當單相光伏逆變器兼具無功、諧波補償功能時，對電能質(zhì)量的改善作用更佳；

5、采用單相光伏并網(wǎng)技術(shù)，有效避免光伏電源三相接入時引起的電能質(zhì)量問題；

6、高速鐵路行車密度大，且其運營時間區(qū)間與分布式光伏電源的發(fā)電高峰時間區(qū)間吻合度較高，解決了光伏電能的消納問題。

附圖說明

圖1為本發(fā)明提供的一種分布式光伏電源的高速鐵路牽引供電系統(tǒng)外部拓撲結(jié)構(gòu)；

圖2為本發(fā)明實施例中分布式光伏電源通過自耦變壓器接入系統(tǒng)的局部拓撲結(jié)構(gòu)；

圖3為本發(fā)明提供的一種分布式光伏電源的高速鐵路牽引供電系統(tǒng)的控制方法的流程圖；

其中，11為電力系統(tǒng)，12為V/x接線牽引變壓器，13為接觸網(wǎng)，14為鋼軌，15為正饋線，16為自耦變壓器，17為電力機車，18為分布式光伏電源；21為光伏升壓變壓器，22為單相光伏逆變器，23為光伏陣列。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步闡述。

在本實施例中，參見圖1和圖2，本發(fā)明提出的一種分布式光伏電源的高速鐵路牽引供電系統(tǒng)，包括相互連接的高速鐵路牽引供電系統(tǒng)和分布式光伏電源17。

所述高速鐵路牽引供電系統(tǒng)包括V/x接線牽引變壓器12、接觸網(wǎng)13、鋼軌14、正饋線15和自耦變壓器16。

所述V/x接線牽引變壓器12的高壓側(cè)額定電壓為電力系統(tǒng)11的電壓，與電力系統(tǒng)11三相連接，通過三相-兩相變換將電力系統(tǒng)11的三相電壓變換為兩相電壓。所述V/x接線牽引變壓器12的低壓側(cè)的額定電壓為55kV，分別向兩個方向的供電區(qū)間供電，其低壓側(cè)的兩個端口分別與接觸網(wǎng)13和正饋線15連接，同時將中點引出，與鋼軌14連接，鋼軌14連接地網(wǎng)；所述電力機車17由接觸網(wǎng)13和鋼軌14之間的額定電壓為27.5kV的電壓供電，并通過鋼軌14和正饋線15回流。

所述自耦變壓器16布置于相鄰的兩個牽引變電站之間的供電臂區(qū)間內(nèi)，其數(shù)量不固定，兩臺自耦變壓器16之間相隔一定的距離。所述自耦變壓器16與所述V/x接線牽引變壓器12類似，額定電壓為55kV，兩個端口分別與接觸網(wǎng)13和正饋線15相連，并將中點引出接至鋼軌14。

所述分布式光伏電源17通過沿線的自耦變壓器16實現(xiàn)并網(wǎng)，其局部拓撲結(jié)構(gòu)參見圖2。

所述光伏陣列23是系統(tǒng)中能夠提供電能的電源，由容量較小的光伏組件通過串并聯(lián)組成，光伏陣列23中光伏組件的串聯(lián)數(shù)、并聯(lián)數(shù)應(yīng)結(jié)合光伏組件的功率、光伏逆變器的容量、光伏發(fā)電系統(tǒng)的裝機規(guī)模、支架成本和直流線纜成本等因素綜合考慮。

所述單相光伏逆變器22是一種將光伏陣列23所產(chǎn)生的直流電能變換為交流電能的電力電子裝置，其應(yīng)具有的基本功能包括最大功率跟蹤(MPPT)和逆變。最大功率跟蹤功能的作用在于保證光伏陣列23能夠盡可能多地輸出電能，同時實現(xiàn)光伏電能的升壓；逆變功能的作用在于通過控制內(nèi)部開關(guān)器件的通斷，將直流的光伏電能以交流電流的形式輸出，從而實現(xiàn)光伏電能的并網(wǎng)。

其中，所述單相光伏逆變器22可具有無功補償、諧波補償?shù)墓δ?，在輸出光伏電能的同時，對牽引負荷電流進行完全或部分的無功補償、諧波補償，有助于降低供電臂中的電壓電能損失，改善高速鐵路牽引供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量。

所述光伏升壓變壓器21的高壓側(cè)額定電壓為27.5kV，與自耦變壓器16的接觸網(wǎng)13輸出端口以及中點相連，可視為掛接于接觸網(wǎng)13和鋼軌14之間，但為了高速鐵路列車運行的安全性，不直接在接觸網(wǎng)13和鋼軌14上。所述光伏升壓變壓器21的低壓側(cè)額定電壓為單相光伏逆變器22的輸出電壓，與單相光伏逆變器22的輸出端相連。

基于同樣的發(fā)明原理，由于光伏的接入使牽引供電系統(tǒng)的電流發(fā)生了改變，為了降低光伏接入對牽引供電系統(tǒng)的影響，如圖3所示，本發(fā)明提出一種分布式光伏電源的高速鐵路牽引供電系統(tǒng)的控制方法，包括步驟：

S100，對接觸網(wǎng)的兩供電臂的電壓有效值設(shè)置一個上閥值U_up與一個下閥值U_down；

S200，實時檢測分布式光伏電源接入處的供電臂電壓，記其有效值為U_x(x＝αorβ)；

S300，當分布式光伏電源處于投入狀態(tài)，若供電臂電壓有效值超過上閥值，即U_x(x＝αorβ)≥U_up，將分布式光伏電源切出；

當分布式光伏電源處于切出狀態(tài)，若供電臂電壓有效值低于下閥值，即U_x(x＝αorβ)≤U_down，將分布式光伏電源投入。

以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理和主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。