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(1.國網(wǎng)吐魯番供電公司，新疆 吐魯番 838000； 2.國網(wǎng)新疆電力公司，新疆 烏魯木齊 830002)

0 引 言

隨著世界能源危機(jī)和全球氣候變暖等問題的日益突出，發(fā)展可再生能源已成迫切需要，其中太陽能光伏發(fā)電是再生能源利用的重要形式之一[2]?，F(xiàn)今光伏發(fā)電技術(shù)取得迅速發(fā)展，許多大規(guī)模光伏電站并網(wǎng)運(yùn)行，其接入到電力系統(tǒng)的位置多與太陽能資源有關(guān)。在光伏電站周圍也伴隨有鐵路的穿越，鐵路的快速發(fā)展，得到電網(wǎng)的不斷支持，電氣化鐵路得到了迅速的應(yīng)用和推廣。電網(wǎng)企業(yè)往往根據(jù)電網(wǎng)情況，在合適的地點(diǎn)接入了光伏電站，又同時接入了電氣化鐵路牽引站。目前，在太陽能資源豐富的新疆，隨著大規(guī)模光伏電站的建成投運(yùn)和蘭新電氣化鐵路的改造建設(shè)，部分地區(qū)出現(xiàn)了光伏電站與電氣化鐵路集中接入電網(wǎng)的情況。光伏電站是一種不穩(wěn)定電源，其出力的間隙性、波動性和不可控性對電網(wǎng)有較大影響。同時電鐵牽引負(fù)荷具有非線性、單相、沖擊特性，在電力機(jī)車的運(yùn)行過程中，也同樣對電網(wǎng)產(chǎn)生較大的影響[7]。當(dāng)光伏電站與電鐵牽引負(fù)荷集中接入地區(qū)電網(wǎng)后，它們在運(yùn)行過程中既能相互影響，又會共同影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 光伏發(fā)電系統(tǒng)[2，4]

基于換流器并網(wǎng)的三相光伏發(fā)電系統(tǒng)由光伏陣列、逆變器及交流電路組成。其中, 交流電路由濾波器和變壓器組成。系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 三相光伏發(fā)電系統(tǒng)組成

1.1 光伏陣列模型

光伏陣列由大量光伏組件組成，其輸出電流為

(1)

式中，V、Ip為光伏陣列輸出電壓和電流；k為波爾茲曼常數(shù)；q為電荷常數(shù)；I1為單位光伏組件產(chǎn)生的光電流；I0為二極管反向飽和電流；A為光伏組件的理想因子；Rs、Rsh為單位光伏組件的串聯(lián)合并聯(lián)阻抗；N為光伏組件串的串聯(lián)數(shù)；M為光伏組件串的并聯(lián)數(shù)；Tp為電池表面溫度。

1.2 逆變器模型

采用基于電壓源逆變器的光伏并網(wǎng)系統(tǒng), 根據(jù)圖1由KCL和KVL得到一組方程。

(2)

θ=ωt-δ

(3)

u=Uc/2

(4)

式中，ua、ub、uc為交流母線電壓基波分量；ia、ib、ic為逆變器三相輸出電流；r、l為電阻、電抗；ω為系統(tǒng)基波角速度；Uc為逆變器輸出電壓的基波分量；δ為u和Uc之間的相角差。

1.3 光伏發(fā)電系統(tǒng)控制模型

光伏發(fā)電系統(tǒng)控制方框圖如圖2所示。三相光伏發(fā)電系統(tǒng)采用電流和電壓協(xié)調(diào)控制結(jié)構(gòu),電壓控制單元(AVR)利用光伏陣列電壓與參考值的差值為輸入信號, 確定電流控制單元電流輸入信號。電流控制單元(ACR)實現(xiàn)逆變器與系統(tǒng)電流的跟蹤控制。鎖相環(huán)節(jié)PLL實現(xiàn)電網(wǎng)電壓相位的跟蹤, 為逆變器提供控制信號。最大功率跟蹤(MPPT)負(fù)責(zé)最大功率點(diǎn)的確定, 完成PWM調(diào)制以控制逆變器。

2 電氣化鐵路供電系統(tǒng)

牽引供電系統(tǒng)[5]主要由牽引變電所、分區(qū)亭及牽引電網(wǎng)組成。牽引網(wǎng)額定電壓為25 kV單相，最高運(yùn)行電壓為27.5 kV。牽引變電所高壓側(cè)一般接于110 kV或220 kV電力系統(tǒng)。牽引變電所主變壓器低壓側(cè)一相接地，另外兩相為兩側(cè)單相供電臂的電源。為了減輕高壓側(cè)三相不平衡度，鐵路全線所有牽引變電所主變壓器低壓側(cè)輪換接地，牽引供電系統(tǒng)兩個牽引變電所之間的供電臂在中間設(shè)立分區(qū)亭，正常情況下斷開運(yùn)行，事故情況下，合閘后可作為兩所的相互備用電源。

圖2 光伏發(fā)電系統(tǒng)控制方框圖

圖3 典型牽引供電系統(tǒng)間圖

由于220 kV系統(tǒng)的短路容量大于110 kV系統(tǒng)的短路容量，接入高電壓等級時，電鐵沖擊負(fù)荷對接入點(diǎn)的電壓影響要小于接入低電壓等級[9]。新疆電網(wǎng)的蘭新電氣化鐵路牽引站都是通過接入220 kV變電站接入。

3 電鐵負(fù)荷對系統(tǒng)無功需求

在電力機(jī)車準(zhǔn)備進(jìn)入牽引變電站的供電范圍之前，牽引變基本處于空載狀態(tài)；當(dāng)電力機(jī)車滑進(jìn)牽引變的供電臂時，立刻需要牽引變提供與電力機(jī)車匹配的有功和無功功率；而電力機(jī)車離開牽引變的供電范圍時，牽引變又迅速進(jìn)入空載狀態(tài)；對系統(tǒng)無功表現(xiàn)為明顯的階梯狀動態(tài)無功功率需求[9]。圖4所示為典型電氣化鐵路牽引站的無功變化波形。從圖4中可看出電鐵負(fù)荷的無功功率表現(xiàn)為明顯的階梯狀態(tài)。

圖4 典型電氣化鐵路牽引站無功功率波形

4 光伏電站與電鐵集中接入地區(qū)電網(wǎng)仿真分析

“十二五”期間新疆吐魯番鄯善紅山口地區(qū)首座通過220 kV升壓站點(diǎn)對網(wǎng)并網(wǎng)接入光伏發(fā)電電站。9座光伏電站(180 MWp)升壓后，通過LGJ-2×300導(dǎo)線，9.6 km接入新疆主網(wǎng)220 kV柯柯亞變電站，同時蘭新鐵路220 kV巴哥牽引站、連木沁牽引站也接入220 kV柯柯亞變電站，接入系統(tǒng)示意圖如圖5所示。

圖5 光伏電站與牽引站集中接入220 kV柯柯亞變電站示意圖

在電力系統(tǒng)綜合分析程序PSASP中搭建該地區(qū)電網(wǎng)模型。兩座電鐵牽引負(fù)荷共計20 MW，光伏電站出力共計170 MW的情況下進(jìn)行仿真分析。

4.1 光伏電站對電鐵牽引站的影響

光伏電站受烏云、日照擾動，光伏出力的有功、無功會有波動，這樣會造成系統(tǒng)的潮流變化，各節(jié)點(diǎn)電壓波動。當(dāng)光伏電站受到云彩、日照擾動時巴哥牽引站高壓母線電壓波動的仿真曲線如圖6所示。

圖6 不同擾動下220 kV巴哥牽引站高壓母線電壓

由圖6可以看出，光伏電站受不同擾動下，牽引站母線電壓存在不同程度的波動，擾動幅值到2 kV左右。電壓的波動會直接影響電力機(jī)車的運(yùn)行狀態(tài)，造成機(jī)車電力電子器件頻繁受到?jīng)_擊，縮短其使用壽命，加大電力機(jī)車注入電網(wǎng)的負(fù)序電流和諧波[7]。

4.2 電鐵牽引站對光伏電站的影響

電鐵牽引負(fù)荷隨著運(yùn)行狀況的不同會對系統(tǒng)造成不同程度的沖擊，引起光伏電站的出力和匯集站電壓的波動。光伏電站未受擾動而電鐵負(fù)荷運(yùn)行時光伏電站輸出的有功功率和匯集站電壓變化的仿真曲線如圖7和圖8所示。

圖7 電氣機(jī)車運(yùn)行時光伏聯(lián)絡(luò)線

從圖7和圖8中可以看出，電氣機(jī)車運(yùn)行時，光伏電站有功出力減少，而無功出力增加，以補(bǔ)償機(jī)車的部分無功消耗，對電網(wǎng)可起到一定的電壓調(diào)節(jié)作用。

從圖8和圖9中進(jìn)一步可以看出，電氣機(jī)車駛?cè)?，使得光伏匯集站電壓下降，光伏電站自動調(diào)節(jié)無功出力，以提高匯集站母線電壓。光伏電站無功出力波形與匯集站電壓波形，波動曲線幾乎一致，相位相反。

圖8 電氣機(jī)車運(yùn)行時光伏聯(lián)絡(luò)線

圖9 電氣機(jī)車運(yùn)行時光伏匯集站母線電壓波動

4.3 光伏電站與電鐵集中接入對電網(wǎng)的影響

光伏電站出力受運(yùn)行、日照擾動、切機(jī)等影響，不同影響下，光伏電站的輸出功率有所波動，將對系統(tǒng)造成一定的沖擊，如果此時再疊加上電鐵牽引負(fù)荷對系統(tǒng)的沖擊，將進(jìn)一步惡化地區(qū)電網(wǎng)的穩(wěn)定水平。電氣機(jī)車運(yùn)行前后光伏電站受不同擾動時集中接入點(diǎn)電壓波動仿真曲線如圖10至圖12所示。

由圖10至圖12可以看出，電鐵牽引負(fù)荷未接入地區(qū)電網(wǎng)時由于光伏電站受各因素影響，將引起接入點(diǎn)電壓波動；而當(dāng)光伏電站與電氣化鐵路集中接入地區(qū)電網(wǎng)后，在電鐵牽引負(fù)荷運(yùn)行時光伏電站受不同因素擾動將引起集中接入點(diǎn)電壓的大幅波動。

圖10 一陣烏云飄過時集中接入點(diǎn)母線電壓波動

圖11 日照擾動時集中接入點(diǎn)母線電壓波動

圖12 穩(wěn)控動作切除4座光伏電站時集中接入點(diǎn)母線電壓波動

5 結(jié) 論

光伏電站本身就是不穩(wěn)定電源，其運(yùn)行特性受云彩、日照等影響較大，當(dāng)電鐵牽引負(fù)荷接入后，電力機(jī)車在運(yùn)行過程中會造成光伏電站出力的波動，加大光伏配套電力元件故障的概率，從而加劇了對地區(qū)電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響。

為了減小電鐵牽引負(fù)荷運(yùn)行時對光伏電站的影響，一方面應(yīng)在電氣化鐵路牽引站裝設(shè)SVC或者SVG補(bǔ)償濾波裝置，選取阻抗匹配平衡接線的牽引變壓器，采取換相接入的措施來抑制電鐵負(fù)荷的諧波和負(fù)序電流；另一方面應(yīng)對光伏電站PCC點(diǎn)處的諧波進(jìn)行檢測，如果原有的濾波裝置不能有效濾除電鐵牽引負(fù)荷產(chǎn)生的具有獨(dú)特序量規(guī)律的諧波，應(yīng)注意更新濾波裝置。

針對光伏電站出力不穩(wěn)定的問題，現(xiàn)在已經(jīng)有了大量的研究和試驗工作進(jìn)行光功率預(yù)測，目的是為了實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)調(diào)度，確保電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。但在電氣化鐵路接入后，僅僅進(jìn)行光功率的預(yù)測是不夠的。所以在平時電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行過程中，應(yīng)加強(qiáng)光伏電站、電網(wǎng)、鐵路三個部門的相互協(xié)調(diào)與合作，將光功率預(yù)測結(jié)果與電氣化鐵路的列車運(yùn)行圖結(jié)合起來，綜合考慮這兩方面因素對電網(wǎng)進(jìn)行調(diào)度，從而確保電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

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