賈志博，田銘興，張子麒，馬長立，王田戈

(1.蘭州交通大學(xué)自動化與電氣工程學(xué)院，蘭州 730070；2.甘肅省軌道交通電氣自動化工程實驗室(蘭州交通大學(xué))，蘭州 730070)

微電網(wǎng)是由微電源、電力用戶、儲能環(huán)節(jié)、調(diào)控與監(jiān)測部分等構(gòu)成的微型發(fā)配電系統(tǒng)[1-2]。它能夠容納可再生的分布式電源、向重要負荷不間斷供電、提高系統(tǒng)的可靠性[3]、配合大電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行等多方面優(yōu)點，發(fā)展前景非常廣闊。

由于高速鐵路具有眾多優(yōu)勢，近年來得到迅猛發(fā)展。高鐵AT所配電設(shè)備正常工作是保證高鐵正常運行的前提。正常運行時，AT所內(nèi)配電設(shè)備從鐵路沿線的10 kV貫通線路取電，經(jīng)過變壓器降為0.4 kV工頻交流電向所內(nèi)配電設(shè)備供電。當(dāng)10 kV線路出現(xiàn)故障時，則切換至其備用電源的單相27.5 kV接觸網(wǎng)線路取電，經(jīng)變壓器降壓后為設(shè)備配電[4]。因此會帶來一系列問題與隱患，接觸網(wǎng)為其供電時會影響電能質(zhì)量，如果高峰期時可能引起線路的過載導(dǎo)致供電癱瘓。因此，為高鐵AT所配電設(shè)備增設(shè)新能源發(fā)電系統(tǒng)，引入微電網(wǎng)作為優(yōu)先電源，改進鐵路供電的缺陷，提高穩(wěn)定性，為電力機車的安全穩(wěn)定運行提供保障。

現(xiàn)有關(guān)于微電網(wǎng)在高鐵AT所應(yīng)用的研究主要在理論上綜述供電缺陷和改進措施。文獻[5]首次分析了高鐵AT所配電存在的缺陷，提出用風(fēng)電為AT所供電。文獻[6]針對高鐵AT所提出了Z源逆變器的太陽能發(fā)電裝置，闡述了控制方法滿足的要求和工作流程。文獻[7]研究了為高鐵AT所引入光伏、風(fēng)力和燃料電池發(fā)電解決缺陷，提出了供電方案和控制策略，但未通過仿真或?qū)嶒烌炞C控制策略。文獻[8]提出了微電網(wǎng)為高鐵AT所配電的方案并通過仿真驗證可行性，但發(fā)電系統(tǒng)是微型燃氣輪機，未考慮高鐵AT所特點，沒有利用就地的多種新能源發(fā)電，存在缺陷。

因此，將高鐵AT所及其負荷的特點與新能源發(fā)電的優(yōu)點相結(jié)合，首次提出了應(yīng)用多種新能源聯(lián)合發(fā)電的微電網(wǎng)，為高鐵AT所配電系統(tǒng)供電的構(gòu)想并闡述了該方案的可行性和必要性。同時，詳細研究了適用于高鐵AT所配電系統(tǒng)的微電網(wǎng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)并給出其控制策略和供電方案，提出基于下垂控制的對等控制的高鐵AT所微電網(wǎng)，應(yīng)用Matlab/Simulink仿真驗明所提方案的正確性與可行性。

1 高鐵AT所及其應(yīng)用微電網(wǎng)可行性

1.1 高鐵AT所及其配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

近年來，我國高速鐵路的大力建設(shè)與投入，對牽引供電的技術(shù)水平有著更高要求。其中，運用自耦變壓器進行配電的形式即AT供電，它相對別的供電形式具有各方面的優(yōu)勢。這種供電方式利用低阻抗自耦變壓器，可提升電能質(zhì)量，降低通信線路的干擾，改善接觸網(wǎng)運營條件。還可減少電分相數(shù)目，利于火車的高速運行，現(xiàn)在已是我國高速鐵路重要的供電形式[9]。

AT供電形式的重要組成部分是自耦變壓器所(AT所)。如圖1所示[6]，即為鐵路中的AT所結(jié)構(gòu)。所內(nèi)配電設(shè)備主要包括照明系統(tǒng)、空調(diào)設(shè)備、遠程監(jiān)控設(shè)備、遠動通信設(shè)備、直流蓄電設(shè)備、斷路器等，保證向所內(nèi)設(shè)備供電是AT所正常運行的基礎(chǔ)。高鐵AT所配電設(shè)備的容量約為10 kVA，全天中負載波動較小，其功率近似為恒定狀態(tài)。

圖1 AT所結(jié)構(gòu)示意

1.2 微電網(wǎng)為高鐵AT所配電設(shè)備供電的可行性與必要性

為將隱患降到最低，提高供電可靠性，保障鐵路的安全穩(wěn)定運行，將微電網(wǎng)引入高鐵AT所為所內(nèi)配電設(shè)備提供電能，解決現(xiàn)有供電的問題與缺陷，有一定的必要性。

因為AT所地處郊區(qū)野外，周圍地區(qū)空曠，具有充足的地方來安放新能源設(shè)備。這也為把新能源發(fā)電的微電網(wǎng)應(yīng)用在高鐵AT所配電設(shè)備上提供條件。同時新能源發(fā)電具有一次建設(shè)、永久使用的特點，維護費用少，大多可實現(xiàn)無人值守。這也與高鐵 AT所的自動運行、遠程監(jiān)控和無人值守的特點相吻合。還能保護環(huán)境，減少污染，有利于可持續(xù)發(fā)展，符合國家發(fā)展所倡導(dǎo)的政策。

因此，將微電網(wǎng)應(yīng)用在高鐵AT所配電設(shè)備上為其供電，具備充足的可行性和良好的先決條件，符合實際情況。同時，可將接觸網(wǎng)供電隱患降到最低，提高供電可靠性，保障鐵路的安全穩(wěn)定運行，在實際運用中具有一定的必要性和重要性。

2 微電網(wǎng)為高鐵AT所設(shè)備供電方案

2.1 微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計

高鐵AT所中的微電網(wǎng)系統(tǒng)如圖2所示。主要包括分布式電源、變流器、濾波器、負荷和變壓器。其中，分布式電源中的光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電具有良好的互補性，且能量充足，分布廣泛，因此可將光伏與風(fēng)力發(fā)電作為主體，提供主要電能。同時并入燃料電池作為補充，彌補風(fēng)光系統(tǒng)發(fā)電量與實際負荷的差額，穩(wěn)定電壓和功率的平衡。重要負荷為高鐵AT所內(nèi)重要的一級配電設(shè)備，如斷路器，監(jiān)控和遠動通信設(shè)備等；可控負荷為高鐵AT所內(nèi)可短時關(guān)斷的可控負荷，如空調(diào)，室外照明設(shè)備等。高鐵AT所配電設(shè)備容量約為10 kVA，擬采用的方案是在高鐵AT所兩側(cè)安裝兩個容量相等，各為6 kVA的聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，恰好構(gòu)成對等控制的微電網(wǎng)中兩個對等的電源，滿足負荷的最大用電需求，同時占地面積偏小，滿足實際要求。

圖2 微電網(wǎng)向高鐵AT所配電設(shè)備供電示意

2.2 微電網(wǎng)為高鐵AT所配電設(shè)備供電方案

圖2即為基于微電網(wǎng)的高鐵AT所設(shè)備供電圖。高鐵AT所內(nèi)配電設(shè)備供電的運行過程是：正常情況時，所內(nèi)設(shè)備的微電網(wǎng)與鐵路接觸網(wǎng)斷開，與電力貫通線路連接。此時微電網(wǎng)處于并網(wǎng)模式，與其配合向高鐵AT所內(nèi)設(shè)備供電。當(dāng)微電網(wǎng)提供功率較低時，差額功率由電力貫通線路提供；如果微電網(wǎng)發(fā)出的功率比AT所配電設(shè)施功率多時，把剩余電量饋送至電力貫通線路。

當(dāng)10 kV電力貫通線路出現(xiàn)故障存在問題，微電網(wǎng)功率大于負載功率時，QF2應(yīng)立即切斷，斷路器QF1的狀態(tài)不變，微電網(wǎng)仍與接觸網(wǎng)處于斷開狀態(tài)。此時微電網(wǎng)為孤島模式，獨立地為配電負載提供電能，多余電能送至直流蓄電設(shè)備中或經(jīng)由微電網(wǎng)計算調(diào)控后斷開部分發(fā)電設(shè)備，保證了孤島模式時系統(tǒng)可靠安全工作。

當(dāng)電力貫通線出現(xiàn)故障而微電網(wǎng)功率不足以維持負載要求時，電能質(zhì)量滿足要求時可將微電網(wǎng)與接觸網(wǎng)相連，配合為高鐵AT所內(nèi)設(shè)備供電；當(dāng)電能質(zhì)量不滿足要求時可切斷分布式電源，由接觸網(wǎng)獨立進行供電。

2.3 高鐵AT所配電設(shè)備微電網(wǎng)的控制方法

分布式電源的并網(wǎng)逆變器的多種控制方法中，對等控制由于具有各方面優(yōu)點受到普遍關(guān)注和應(yīng)用。因此選用對等控制的微電網(wǎng)向高鐵AT所所內(nèi)設(shè)備供電。在這種微電網(wǎng)中，新能源的逆變器普遍采取下垂(Droop)控制?；贒roop控制的逆變電源，通過采樣電壓、頻率數(shù)值單獨地調(diào)控，實現(xiàn)負載變化時功率的自動分配及電壓、頻率的自動調(diào)節(jié)，而且不管是并網(wǎng)還是孤島工作，微電源逆變環(huán)節(jié)的調(diào)控方法不用改變，利于微電網(wǎng)孤島與并網(wǎng)的無縫切換。

Droop控制主要應(yīng)用在對等控制的微電網(wǎng)中，對并聯(lián)的逆變器調(diào)控。在微電網(wǎng)中，因為線路上電阻很小，阻抗呈感性，所以Droop控制的逆變電源并聯(lián)等效電路如圖3所示[10]。各并聯(lián)單元即各微電源對應(yīng)的逆變器。

圖3 對等控制的逆變電源并聯(lián)模型

由圖3可以看出，各并聯(lián)單元輸出復(fù)功率為

(1)

(2)

(3)

根據(jù)式(3)可知，各個逆變電源的有功和無功功率與其電壓的相位和幅值滿足相應(yīng)的線性關(guān)系[11]。而相位是由逆變環(huán)節(jié)發(fā)出的角頻率或頻率調(diào)控。所以調(diào)控系統(tǒng)的頻率和幅值只需調(diào)節(jié)有功功率、無功功率。這就出現(xiàn)了下垂控制，可以表示為

(4)

式(4)即為微電網(wǎng)下垂控制的公式。其中，帶n角標(biāo)的為額定值，不帶角標(biāo)的為實際輸出值；mn、nn為下垂系數(shù)。

3 仿真分析

為檢驗本文所提的高鐵AT所配電設(shè)備微電網(wǎng)的正確性，采用Matlab/Simulink建立高鐵AT所配電系統(tǒng)的微電網(wǎng)對等控制仿真，如圖4所示。為模擬光伏，風(fēng)力和燃料電池構(gòu)成的互補式電源的穩(wěn)定輸出及其發(fā)電的直流特征，本文采用直流電壓源對兩個微電源DG進行簡化替代，并網(wǎng)環(huán)節(jié)的逆變器采用下垂控制對微電網(wǎng)進行調(diào)控。負載1、負載2為高鐵AT所內(nèi)的重要負荷；負荷3為高鐵AT所內(nèi)的可控負荷。負荷的總體容量取高鐵AT所配電設(shè)備的常用容量10 kVA進行仿真。

圖4 高鐵AT所內(nèi)對等控制的微電網(wǎng)模型

3.1 仿真參數(shù)

微電源DG1、DG2直流側(cè)電源Udc=800 V，濾波參數(shù)Rf=0.01 Ω，Lf=0.6 mH，Cf=1 500 μF，逆變器的額定參數(shù)為U0=311 V，Pn=5 kW，fn=50 Hz。微電源DG2的參數(shù)與微電源DG1相同。高鐵AT所內(nèi)重要負荷1的額定功率P1=5 kW，Q1=1 kVar；重要負荷2的參數(shù)與重要負荷1相同；高鐵AT所可控負荷功率P3=2 kW，Q3=2 kVar，DG1、DG2下垂系數(shù)均為m=1×10-5，n=3×10-4。

3.2 孤島運行仿真

鐵路10 kV電力貫通線故障時，微電網(wǎng)與其斷開，孤島運行，此時兩個微電源負責(zé)給各自的重要負荷及公共母線上的可控負荷供電。仿真的時長設(shè)為1 s、0.3 s時刻將K3切斷，切除母線上的可控負荷，0.6 s時又將其投入。

仿真結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 各微電源發(fā)出的功率

圖6 微電網(wǎng)母線頻率和電壓(孤島運行)

兩個微電源的額定容量和控制參數(shù)設(shè)定相同，因此其輸出的功率一致，波形相同。

仿真的結(jié)果表明，微電網(wǎng)孤島時，微電源DG1和DG2為對應(yīng)的重要負載供電，同時均分可控負載功率。0.3 s時斷開母線上的可控負載3后，各個微電源發(fā)出的有功、無功功率均變小，微電網(wǎng)的頻率和電壓對應(yīng)的略微升高；0.6 s再次投入可控負載后，各個微電源發(fā)出的有功、無功功率均增大，微電網(wǎng)頻率和電壓相應(yīng)的減小并還原到斷開負載前的情況。

由仿真可知，Droop控制的微電源滿足P-f、Q-U特性，實現(xiàn)負載改變時功率的快速調(diào)節(jié)。

3.3 運行方式切換仿真

本文的微電網(wǎng)運行模式切換的仿真過程為：(1)0～0.3 s，微電網(wǎng)工作在孤島下，當(dāng)微電網(wǎng)穩(wěn)定后，符合并網(wǎng)要求時，0.3 s時將開關(guān)K閉合，微電網(wǎng)與10 kV電力貫通線連接，向并網(wǎng)狀態(tài)過渡；(2)并網(wǎng)工作0.3 s后即0.6 s時候，微電網(wǎng)重新與鐵路貫通線路斷開進入孤島模式。

仿真結(jié)果如圖7、圖8所示。

圖7 各微電源發(fā)出的功率

兩個微電源的額定容量和控制參數(shù)設(shè)定相同，因此其輸出的功率一致，波形相同。

由仿真波形圖可以看出。

(1)0～0.3 s孤島運行時，兩個微電源給各自的重要負荷供電，一起為母線上的可控負載提供電能，0.3 s微電網(wǎng)并網(wǎng)時，母線上的可控負載的有功功率由配電網(wǎng)提供，同時微電網(wǎng)向鐵路貫通線傳送少量無功功率。因此，并網(wǎng)后兩個微電源發(fā)出的有功變小而發(fā)出的無功增多。此時如圖8所示，頻率升高，電壓幅值減小(電壓幅值較大，其變化不明顯)，由配電網(wǎng)來支撐整個系統(tǒng)的頻率和電壓并彌補功率不足。

圖8 微電網(wǎng)母線頻率和電壓(運行模式切換)

(2)0.3～0.6 s并網(wǎng)工作時，微電網(wǎng)從電力貫通線路接收有功功率，因此0.6 s切換至孤島狀態(tài)后，兩個微電源的有功功率均增多，因而頻率減小，表示Droop控制模型符合P-f特征；并網(wǎng)工作時微電網(wǎng)向電力貫通線路傳送無功功率，進入孤島狀態(tài)后兩個微電源的無功功率均減少，電壓幅值相應(yīng)地升高，因而Droop控制模型符合Q-U特性。

在整個仿真中，電壓幅值的波動沒有超過5%，系統(tǒng)頻率的波動沒有超過1%，微電網(wǎng)系統(tǒng)過渡平穩(wěn)，滿足穩(wěn)定性要求。

由以上仿真可得，基于對等控制的微電網(wǎng)在孤島和并網(wǎng)工作時，下垂控制的微電源能實現(xiàn)電壓和頻率的調(diào)控，并在孤島模式下單獨工作，并網(wǎng)時與電力貫通線路配合，保證微電網(wǎng)的平穩(wěn)運行；同時微電源控制方法在孤島和并網(wǎng)切換時不用改變，可以實現(xiàn)兩種運行方式的快速過渡和無縫切換。通過上述仿真可知，本文構(gòu)建的高鐵AT所內(nèi)微電網(wǎng)的可行性和正確性。

4 微電網(wǎng)配電與傳統(tǒng)配電方案比較

高鐵AT所配電設(shè)備功率通常為10 kW，擬采用的方案為光伏電池、風(fēng)機、燃料電池的安裝容量分別是10、10、2 kW。以設(shè)計年限20年計算，光伏電池、風(fēng)機的初始投資分別為22 000、16 600元/kW；燃料電池的投資與運行維護費用為45 300元/kW。增設(shè)新能源發(fā)電設(shè)備的征地建設(shè)投資約為30 000元。因此計算可知總投資約為476 600元，年平均投資為23 830元。若不考慮微電網(wǎng)向鐵路貫通線饋送的電能，高鐵AT所內(nèi)配電設(shè)備工作1年的用電量約為87 600 kW·h，電費為52 560元(電費按0.6元/kW·h計)。因此微電網(wǎng)配電每年可節(jié)省資金28 730元。同時微電網(wǎng)建設(shè)周期短，使用時間長，可靠性高，大多可實現(xiàn)無人值守，因此無需增加額外的運營維護人員。節(jié)能減排方面，每年可節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)煤29.22 t，減少CO2排放80.10 t。

因此與傳統(tǒng)配電方案相比，微電網(wǎng)供電在提高供電可靠性的同時，無需增加運營維護費用，還能節(jié)省投資，節(jié)能減排。

5 結(jié)論

(1)針對高鐵AT所配電設(shè)備供電隱患，提出了因地制宜，利用新能源與微電網(wǎng)解決問題的構(gòu)想，分析了將兩者結(jié)合的可行性、必要性及重要性。

(2)結(jié)合高鐵AT所的特點，提出了微電網(wǎng)向高鐵AT所配電設(shè)備供電的方案，給出了微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，控制策略。運用Matlab/Simulink證明了控制策略與供電方案的可行性，為今后微電網(wǎng)與鐵路結(jié)合提供了重要的參照價值與理論依據(jù)。

(3)解決問題與隱患的同時，有效利用了新能源發(fā)電，節(jié)能減排。此外，減小非牽引負荷自身的安裝容量，降低投資，還減少了電力貫通線與接觸網(wǎng)線路損耗和供電負擔(dān)。如若發(fā)電量剩余可饋送至配電網(wǎng)，這些都是常規(guī)供電無法比擬的優(yōu)勢，有著巨大的優(yōu)勢與發(fā)展前景。

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