铁路沿线光伏储能接入牵引网技术研究

Technology of Photovoltaic and Energy Storage Access to Traction Network along Railway Line

摘要

在铁路沿线推广应用光伏储能等绿色能源是响应国家“双碳”政策实现铁路能源转型的有力措施。但光伏储能等低压设备如何接入25 kV牵引供电网仍面临较大挑战。通过比选不同的新能源接入方案，分析其优点与劣势，基于平衡牵引网相邻桥臂负载的考虑，采用背靠背变流器方案，该方案能够实现光伏储能等新能源接入牵引网的功能，也具备对牵引供电系统的无功和负序补偿能力。针对该方案中的背靠背变流器，结合牵引供电网的负荷特性，提出了一种基于dq旋转坐标变换的电压电流双闭环控制方法，可以实现光伏储能接入背靠背变流器直流环节的功能，同时改善牵引网相邻桥臂功率不平衡的程度。通过对两臂重载、两臂不平衡载荷、两臂轻载3种不同工况进行仿真，验证了该方案和控制方法的可行性。

Abstract

Promoting the application of green energy such as photovoltaic and energy storage along the railway line is a powerful measure to realize the railway energy transformation in response to the national "carbon peaking and carbon neutrality" policy. However, how to connect low-voltage equipment of photovoltaic and energy storage to the 25 kV traction power supply network still faces great challenges. By comparing different new energy access schemes, analyzing their advantages and disadvantages, and balancing the load of adjacent bridge arms in the traction network, this paper adopted a back-to-back converter scheme, which could realize the access of photovoltaic and energy storage and other new energy to the traction network, and it could compensate for the reactive power and negative sequence of the traction power supply system. In view of the back-to-back converter in this scheme, the load characteristics of the traction power supply network were considered, and a dual closed-loop control method of voltage and current based on dq rotation coordinate transformation was proposed, which could realize the access of photovoltaic and energy storage to the direct current (DC) link of the back-to-back converter and improve the power imbalance of adjacent bridge arms in the traction network. The feasibility of this scheme and control method was verified through simulation of three different working conditions: heavy load on two arms, unbalanced load on two arms, and light load on two arms.

Graphical abstract

关键词

电气化铁路 / 光伏储能 / 新能源技术 / 牵引供电系统 / 背靠背变流器

Key words

Electrified Railway / Photovoltaic Energy Storage / New Energy Technology / Traction Power Supply System / Back-to-Back Converter

1　概述

面对能源短缺、气候变化、环境污染等日益严峻的问题，电气行业必将沿着绿色、清洁、低碳的方向转变，太阳能、氢能、储能等技术将会越来越多地应用在电气行业不同的领域^[1-3]。在轨道交通领域，电气化铁路是电力系统的一个大规模用户，因此电气化铁路的节能减排和可持续发展受到世界各国越来越广泛的关注。《交通强国建设纲要》明确要求“优化交通能源结构，推进新能源、清洁能源应用”，因此促进电气化铁路与绿色能源融合将会是轨道交通领域的研究重点与发展热点^[4-5]。欧洲各国与日本均统筹考虑了资源分布特点、产业技术基础、现实需求等因素，有明确的出发点和立足点，提出了一系列相关发展方向、目标、路径、模式及政策。

通过构建“网-源-储-车”协同供电系统，将太阳能等可再生能源发电及储能融入电气化铁路供能场景是大势所趋，将促进我国电气化铁路供电系统实现高效能、高弹性。实现电气化铁路沿线可再生能源的高效融入，不仅有利于电气化铁路行业自身绿色可持续发展，同时也能增强光伏储能等清洁能源消纳能力，避免跨区域、跨网传输，有效提高能源综合利用效率。

光伏发电是一种无噪音、易维护的可再生能源发电形式，但光伏发电系统发出的电能具有随机性、波动性和间歇性的特点，其对接入电网的容量和附近调峰资源有较高要求。光伏电站发电常会发生弃光现象，减少太阳能的利用率，这是因为用电系统对光伏的消纳能力不足^[6-7]。而将光伏发电系统接入电气化铁路，则可以通过牵引供电系统的高负载提供消纳能力，实现光伏能量就地就近消纳。由于光伏发电系统光照强度、环境温度等因素存在稳定性问题，发电-负荷之间难以实现动态平衡。因此，在系统中配置一定比例的储能装置，对分布式发电系统来说，是一种合理的解决方案。储能系统的配置可以保证系统持续可靠地输出电能，且可以调节电能质量，使光储发电系统具有可调度性，增加光伏发电系统的灵活性。储能技术可以一定程度地解决弃光、弃风等问题，也是稳定新能源发电必不可少的技术，可以为新能源应用于轨道交通行业的稳定性、安全性起到技术支撑的作用。

电力电子在铁路牵引供电领域的应用与研究验证了通过电力电子设备可实现对电能的控制与转换，对提高铁路系统运行的稳定性、降低能耗、提高转换效率、改善电能质量、牵引性能等方面都具有重要意义。同时，以铁路功率调节器为代表的大功率电力电子功率变换技术正逐步应用于电气化铁路牵引供电系统，不同的电力电子变换拓扑为可再生能源发电及储能提供了灵活的交直流功率接口，为其接入铁路牵引供电系统提供了技术基础。

我国电气化铁路有大部分里程分布在光资源较为丰富的地区，可充分利用铁路沿线地理条件，在空间区域开阔、阳光资源丰富的地方选址，进行光伏能源的开发。通过利用轨道交通自有空间资源实施分布式新能源发电，不仅可以提高轨道交通土地资源的综合利用率，还可以提供部分轨道交通用能。基于以上分析，将光伏等新能源与储能系统接入牵引网，既有光伏、储能、电力电子等技术基础，又有将新能源接入牵引网的需求与条件。

2　光伏储能接入电气化铁路系统方案

在电气化铁路“源-网-车-储”协同供电系统中，“网”为外部公共电网；“源”为铁路沿线的太阳能、风能等综合新能源发电系统；“储”为地面式的多种类型的储能装置；“车”为牵引供电系统中的电力机车牵引负荷；新能源和储能系统的接入需要灵活的交直流功率接口电路。目前，光伏储能接入电气化铁路牵引网有电网三相接入、牵引网单相接入、三相/两相变换接入、背靠背两相接入4种方式。

2.1　电网三相接入

电网三相接入方案如图1所示，光伏储能的直流输出经过AC/DC三相逆变器输出三相交流电，再经三相变压器接入到三相电网中。此方案与电力系统光伏储能并网方案无异，既有牵引供电系统改造工程量小。但是，光伏储能系统无法直接供给铁路牵引供电系统使用，输电线路、牵引变压器等中间环节降低了能源利用效率。

2.2　牵引网单相接入

牵引网单相接入方案如图2所示，光伏系统输出的电能是直流电，需要经过逆变升压转换为27.5 kV单相交流电，供给牵引供电系统。光伏储能的直流输出通过单相DC/AC逆变器转换为交流电，再经过单相变压器接入到牵引供电网中。该方案中，新能源发电经过最短的电气路径为铁路供能，能源利用效率高；可在牵引网沿线任意位置分布式接入，具有较高的灵活性。

2.3　三相/两相变换接入

三相/两相变换接入方案如图3所示，光伏储能输出的电能经过三相逆变器变成三相交流电，再通过V/V变压器变为两相交流电。该技术方案的主要优势在于光伏变流器部分结构相对简单，同时接入点类似于牵引变电站的电气结构，使得该方案容易被整合入现行牵引供电系统中。但该方案需要大容量逆变器和特殊的三相-两相变压器，该变压器相较于传统变压器而言体积和质量较大，且需要特别定制，其成本较高。且此方案无法动态调节两臂输出光伏电量，只能在牵引变电所接入，因而灵活性较低。

2.4　背靠背变流器两相接入

电力机车对牵引供电网而言，是大功率整流负荷，具有非线性的特点；由于铁路行业对于重载的需求日益增加，势必会导致两供电桥臂的负荷不平衡的加重。因而会产生负序和高次谐波电流，影响电网的电能质量^[8-10]。20世纪90年代日本学者就减少电气化铁路非线性负荷对电网的影响，提出了一种对无功、负序和谐波进行综合补偿的铁路功率调节器(railway static power conditioner，RPC)。

RPC背靠背变流器接入方案如图4所示，直流母线分别连接α相和β相变流器，两个变流器网侧接入变压器后与两供电臂相连，构成背靠背的并网系统^[11-13]。该方案可以在实现牵引接触网接入光伏储能等新能源功能的基础上，充分利用变流器的容量对牵引供电系统实现一定的负序和无功补偿的功能。

光伏储能系统在牵引侧由“背靠背单相变流器”方式接入，其在负载效果不平衡情况下，可以单独控制两侧变流器，调节光伏功率的分配，改善电气化牵引系统无功和负序电流问题，背靠背变流器接入拓扑结构如图5所示。α相与β相均采用单相变流器，直流侧接于直流支撑电容上，交流侧各接入滤波电感，通过单相变压器，分别与α相供电臂与β相供电臂相接。通过这种背靠背的模式，可以完成α相与β相供电臂之间的能量转移，也可以完成对电能质量的优化。

3　变流器控制方法

3.1　变流器单条桥臂控制方法

背靠背变流器并网控制策略的核心是光储直流母线与两相桥臂之间的能量分配与控制。单条桥臂采用非隔离型单相DC/AC并网变流器。单相DC/AC变流器的控制方法采用双闭环控制，单相DC/AC并网变流器电压外环如图6所示。

图6中，U_α 为供电臂的交流电压；U_dc与U_dc^* 为变流器直流侧电容电压实际值与给定值；I_cp^* 为交流侧电流幅值的参考值；I_c^* 为变流器交流侧电流的瞬时值的参考值。电压外环采用PI控制，通过负反馈控制U_dc。PLL为锁相环，其作用是测量牵引网电压U_α 相位，以得到与牵引网电压同相位的参考电流。

对于电压源型变流器，以电压环作为外环控制，是因为稳定的直流侧电压U_dc 是保证变流器输出功率的基础。将电压差值输入到PI调节器，可以得到电流参考信号I_cp^*。

基于dq分解的电流内环如图7所示，其中I_c 表示变流器交流侧电流的瞬时值。I_d^*与I_d 表示电流d轴分量的参考值与实际值，I_q^*与I_q 表示电流q轴分量的参考值与实际值。

为实现单相变流器的内环电流无静差跟踪，采用基于dq坐标变换的方式对电流内环进行控制^[14-15]。该控制方法的原理是在同步参考坐标系下，将交流电流分解成d轴电流和q轴电流，可以分别采用PI控制器对其进行无静差的跟踪。由于进行dq轴解耦，必须使用两相以上信号，可以将电流信号作为α轴信号，并假定一个β轴虚拟信号，令它与电流信号正交，且滞后于电流信号90°。其dq坐标变换公式如下。

\left[\begin{array}{c}{I}_d\\ I_q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\begin{array}{c}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\omega t\\ -\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\omega t\end{array}& \begin{array}{c}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\omega t\\ \mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\omega t\end{array}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{I}_{re}\\ I_{img}\end{array}\right]⑴

式中：I_re 表示实际电流，A；I_img 表示虚拟β轴电流，A；\omega t为交流侧电压的相位，°。

将PI控制器输出的两相信号进行反变换，此时的α轴为主控轴。将α轴信号通过PWM信号发生器，再接入变流器开关器件。由此，可以完成对单条桥臂的控制。

3.2　变流器双桥臂控制方法

结合上述单相变流器的控制原理，构建双桥臂同时控制的方法，背靠背变流器控制方法如图8所示。其中，I_αcp^* 和I_βcp^*分别表示α相变流器和β相变流器的输出电流的幅值参考值；I_αc^* 和I_βc^* 表示α相变流器、β相变流器的输出电流的参考值；I_αc 和I_βc 表示α相变流器、β相变流器的输出电流实际值；LPF为低通滤波器。

（1）分别构建两相变流器的电压电流双闭环控制。由于其存在共同的电压外环控制环节，可以将公共部分合并。

（2）在进行交流侧电压的锁相环节时，要对α相供电臂电压和β相供电臂电压进行锁相控制，V/V变压器两相电压之间的相位差为60°，通过锁相环与相应的相位关系，将α相与β相电流幅值参考值转换为输出电流参考值。

（3）对于单相DC/AC变流器而言，直流侧电压存在二倍频电压分量。二倍频电压分量经过电压外环PI控制器放大后，会造成交流侧输出电流参考值I_αcp^*和I_βcp^*不稳定，从而使得交流侧输出电流产生大量谐波，会使得电流畸变严重。因此，在控制系统中使用截止频率小于100 Hz的低通滤波器滤除直流侧电压谐波。

（4）当牵引供电系统的一条桥臂重载，另一条桥臂轻载情况发生，可以通过降低轻载桥臂光伏电能的输出，从而剩余更多的有功功率供给重载桥臂。为了实现上述控制，可以通过设置不同桥臂的增益环节K_α，K_β 实现合理的功率分配。在两相参考电流后加入限幅器，该限幅器的值可以根据负载功率的值实时改变，保证变流器向每一条桥臂输出的光伏储能功率都足够被消纳。

其中增益环节、功率限制器计算公式如下。

\left\{\begin{array}{l}{K}_{\alpha }=\frac{P_{\alpha }}{P_{\alpha }+P_{\beta }}\\ K_{\beta }=\frac{P_{\beta }}{P_{\alpha }+P_{\beta }}\end{array}\right.⑵

\left\{\begin{array}{c}{I^{\mathrm{*}}}_{\mathrm{\alpha }\mathrm{c}\mathrm{p}\_\mathrm{l}\mathrm{i}\mathrm{m}}=\sqrt[]{\mathrm{2}}\frac{P_{\mathrm{\alpha }}}{U_{\mathrm{\alpha }}}\\ {I^{\mathrm{*}}}_{\mathrm{\beta }\mathrm{c}\mathrm{p}\_\mathrm{l}\mathrm{i}\mathrm{m}}=\sqrt[]{\mathrm{2}}\frac{P_{\mathrm{\beta }}}{U_{\mathrm{\beta }}}\end{array}\right.⑶

式中：K_α 为α轴增益；K_β 为β轴增益；I^*_{αcp_lim}为α轴限幅值，A；I^*_{βcp_lim}为β轴限幅值，A；P_α 为α轴有功功率，W；P_β 为β轴有功功率，W；U_α为α轴电压有效值，V；U_β为β轴电压有效值，V。

至此，可以通过上述控制方式实现背靠背变流器向α供电臂和β供电臂合理分配光伏储能功率的功能。

4　背靠背变流器的仿真验证

在Simulink仿真平台下搭建了模型，并对上述系统进行仿真。仿真参数如表1所示。

按照表1中参数设置，对光伏储能背靠背接入铁路牵引系统进行仿真，模拟了两臂重载、一臂轻载一臂重载、两臂轻载3种典型情况，不同负载工况切换情况如表2所示。

仿真数据如下，光伏发电系统输出功率波形如图9所示。由图9可知，在扰动观测算法控制的作用下，光储发电系统的输出功率能够在0.1 s内跟踪到最大功率，并随后保持稳定719.2 kW的功率输出。

背靠背变流器直流侧电压如图10所示，其稳态的电压为1 650 V，纹波较小，保持在3%以内。

背靠背变流器交流侧电流如图11所示，其中α相电流与β相电流都保持稳定的正弦输出。电流的控制效果验证了在直流侧LC滤波器与电压环低通滤波器的共同作用下，谐波的滤除效果较好，确保了变流器两桥臂功率的高功率因数的输出。

两臂系统输出有功功率如图12所示。在0.2~0.8 s时，牵引系统对光伏储能系统的消纳能力足够，变流器控制环节中的电流限幅器不起作用。背靠背变流器此时向α相、β相输出的有功功率为发电功率的一半，大小为358 kW，结果与理论相符。

在0.8~1.6 s时，由于两相负载功率不平衡，背靠背变流器向α相输出功率受到限制，剩余更多有功功率输出给β相供电臂。此时测得背靠背光伏储能变流器向α相输出的有功功率为203 kW，向β相输出的有功功率为513 kW，与理论相符。

在1.6~2 s时，由于光伏储能系统功率小于负载总功率，变流器向两相输出功率应为发电功率的一半。测得背靠背变流器向α相与β相输出的有功功率均为358 kW，与理论相符。

5　结束语

通过对铁路沿线光伏储能接入电气化铁路牵引供电的电网三相接入、牵引网单相接入、三相/两相变换接入、RPC背靠背变流器接入4种系统方案进行调研比选，采用了RPC背靠背变流器两相接入方案，以实现光伏储能接入牵引网。基于该方案，提出了一种变流器双桥臂控制方法，可以实现光储能源的合理分配。通过对两臂重载、一臂轻载一臂重载、两臂轻载3种典型工况的仿真，验证了接入方案与控制方法的合理性，该方法不仅解决了光伏储能的接入问题，也可以改善牵引系统相邻桥臂功率不平衡问题对电网的影响。下一步将基于实际示范工程项目，针对前期的理论仿真研究，展开对光储系统接入接触网不同的拓扑方式、不同类型的储能元件、不同特性的铁路负载等场景进行试验论证与工程探索。

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基金资助

中国铁道科学研究院集团有限公司科研项目(2251ZHM401)