电气化铁路如何接入光伏新能源？

川藏铁路不仅是国家战略层面的重大工程，亦是迄今建设难度最大、风险最高的铁路工程。从牵引供电角度考虑，西藏地区电网结构依然较为薄弱，如何克服铁路沿线电网覆盖面小、供电方式单一等问题是推进铁路建设的一大挑战。而在国家政策支持下西藏地区光伏产业发展迅速，但能源消纳是制约其发展的一项技术瓶颈。因此，研究光伏接入牵引供电系统，即可缓解电网供电压力，又能促进新能源就近消纳。

此类复杂铁路中薄弱的外部电网和高比例的长大坡道等会使牵引供电系统面临正反向潮流冲击、电能质量恶化、再生制动能量回收难等严峻挑战。为充分利用铁路沿线太阳能资源、减轻外部电网压力、改善牵引侧电能质量及回收再生制动能量，提出了一种适应复杂电气化铁路的牵引用光伏发电系统及其综合优化控制方法。所提系统及方法能够达到有效消纳光伏电能、实现相间制动能量合理优化利用、改善牵引侧无功负序等多重功能；在提高变流器容量利用率的同时，实现牵引用光伏设备多功能集约一体化的目的。

(1) 牵引用光伏发电系统主拓扑及其控制系统结构

牵引用光伏发电系统主拓扑如图1所示，光伏阵列通过DC/DC变换器并行接至公用直流电容，DC/DC配合实现最大功率点跟踪功能；所示背靠背变流器采用两组单相四象限变流器，直流侧共同接于公用电容，交流侧经滤波降压后分别跨接于两侧27.5kV牵引馈线上。控制单元依据实时运行工况对各变流器进行协调控制，一方面实现光伏电能在相间的动态分配，保证光伏电能的精准消纳；另一方面，通过控制相间有功（制动能量、不对称牵引功率）合理转移及进行适当地无功响应行为，兼具一定电能质量综合补偿功能。

图1  牵引用光伏发电系统主拓扑及其控制系统结构图

(2) 考虑相间制动能量转移的综合能量管理策略

光伏有效出力时段下的四种典型能量控制模式如图2所示。概括如下，

模式1：两臂均为牵引态时，光伏侧进行实时动态分配，主动向载荷较大的电臂分配更多的光伏电能；

模式2：单臂制动单臂牵引，且整体呈牵引态时，制动电能经背靠背变流器优先转移至牵引相为牵引态负荷供能，缺额部分再由光伏发电单元配合补给；

模式3：单臂制动单臂牵引，且整体呈制动态时，同模式2制动能量进行优先转移，但光伏单元不再向牵引侧供能，能量进行内部平衡；

模式4：两臂均为制动态时，光伏单元不再向牵引侧供能，制动电能较高相进行部分能量转移。对应地，在光伏不出力时段（夜间和凌晨），仅由背靠背变流器参与控制两臂不对称牵引功率的合理转移，以减小相间负荷不平衡度，其能量传输模式可类比于铁路功率调节器。不同的是，本文还结合川藏线路制动能量高的特点，增加考虑了相间制动能量直接转移利用的情况。

图2  光伏有效出力时段系统能量控制模式

(3) 含电能质量指标约束的背靠背变流器补偿模型及PSO优化计算

本文提及的背靠背变流器非单纯的电能质量补偿装置，其作用在于实现光伏电能有效消纳的同时，辅助改善牵引侧电能质量，故从变流器补偿容量考虑，并不要求其具备完全补偿能力。为此，在确保光伏单元正常供电前提下，其优化目标为使光伏接入后系统侧的功率因数尽量大，负序电流尽量小；通过分析相关电能质量指标参数与α/β相变流器补偿功率间的联系，建立其关系函数；再结合系统多种等式及不等式约束条件，构建出背靠背变流器的多维非线性优化补偿模型；最后采用PSO优化算法来准确快速地求取其补偿功率及电流参考值，如图3所示。

图3  背靠背变流器补偿功率参考值PSO优化计算流程

(4) 不同方案下的实测算例对比

为考察光伏接入后全系统运行特性及所提控制策略长时间尺度下的有效性，牵引侧选取某复杂铁路牵引变电所典型日实测负荷数据，光伏侧选取该地夏季某日气象数据进行不同方案下的典型算例分析。图4为控制方法改进前后系统综合能源实时利用功率分布，易知改进前系统能够利用的能源仅为光伏电能，主要分布于图中06:25—19:59时段；而改进后，除了光伏电能还增加了相间直接转移的制动电能，叠加后的可利用能源在典型日内均有分布。

图4  综合能源实时利用功率分布

进一步考察长时间尺度下对牵引侧电能质量的改善效果，由图5易知，改进前系统瞬时功率因数相对于PV接入前仅在光伏发电单元有效出力时段t2有所提高；而改进后，在整个典型日内瞬时功率因数均有提高。由图6易知，改进前系统负序电流相对于PV接入前仍仅在光伏有效出力时段有所降低；而改进后，在整个典型日内负序电流均有下降。

图5  改进前后系统瞬时功率因数变化

图6  改进前后系统负序电流变化

本文结合川藏铁路建设背景提出并验证了一种适应复杂电气化铁路的牵引用光伏发电系统及其综合优化控制方法，能够在不改变原始牵引供电系统自然结构的基础上，同时实现常规微网型光伏发电系统、地面式制动能量回收装置、电能质量补偿装置所具备的各项功能，实现了牵引用光伏设备多功能集约一体化的目的，具体来说可达到：

1）通过合理的综合能量管理策略，光伏系统除了能够消纳光伏电能还可兼具对相间制动能量进行合理地优化利用，综合能源利用率更高。

2）通过背靠背变流器优化补偿模型，光伏系统能够在全时间段内有效提高系统平均功率因数、降低其负序电流，达到在长时间尺度下改善牵引侧电能质量的目的，且利用PSO优化算法求解补偿功率的实时性更高。

3）从系统长期运行角度考虑，所提方法能够减小背靠背变流器闲置时间，提高其容量利用率，通过避免核心设备容量浪费来换取更高的综合效益，更利于实现系统的高效运行。

综上可知，所提系统及方法能够更好的契合复杂电气化铁路应用环境，尤其是对于某些外部电网薄弱、内含大量长大坡道的复杂线路，具备更高的适应性及更优的运行效果。