一种基于光伏发电的铁路牵引供电系统的制作方法

本发明属于牵引供电技术领域，特别是涉及一种基于光伏发电的铁路牵引供电系统。

背景技术：

光伏发电作为一种以太阳能为能量来源的新型发电方式，具有清洁、无污染、无噪声、规模可构等特点，是21世纪替代传统化石能源发电的最佳选择之一。我国的太阳能资源储量丰富，太阳能年总辐射量大于1050kW·h/m2的地区占国土面积的96％以上，因此光伏发电在我国具有良好的发展前景，光伏发电的发展受国家政策的大力支持。

铁路运输企业规模庞大，具有点多线长的基本特征，拥有大量的站舍、库房、地产等，如果把这些设施最大程度地利用起来，大力开发分布式光伏发电项目，即可节省大量的用电成本，又可拿到国家给予的发电补贴。将光伏电站接入铁路牵引供电系统具有一次投入、长期受益、节能环保的特点，具有良好的发展前景。

铁路牵引供电系统是一种将电力系统送来的电能转变为适用于电力牵引的电能，然后分别输送至沿铁路线上空架设的接触网，为电力机车负荷提供所需电能的供电系统。我国的铁路牵引供电系统采用单相工频25kV或55kV交流制，主要的供电方式有直接供电、带回流线的直接供电、BT供电、AT供电和同轴电力电缆供电等。

在所检国内外公开文献的范围内，光伏发电技术虽是当前的研究热点，但其研究主要集中在交流并网方面，鲜有文献报道光伏电站接入铁路牵引供电系统。目前现有的此类供电方案，需要数量较多的逆变器、变压器，同时光伏发电直接接入接触网可能对牵引供电系统的保护产生不利影响；并且，需要较大的光伏电站容量和较多的一次设备投资；在此类系统中，常采用蓄电池实现储电功能，但蓄电池存在充放电功率有限、循环寿命短的问题，面对铁路牵引负荷大功率、间歇性的特点，经济性不高。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提出了一种基于光伏发电的铁路牵引供电系统，采用自发自用、余电上网的发电形式，在保证牵引供电系统的正常运行的同时，由电网消费剩余电量，且结构简单，投资成本低。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于光伏发电的铁路牵引供电系统，包括光伏发电装置、光伏逆变器、升压变压器、牵引变压器和牵引供电系统；

所述光伏发电装置电能输出端经过光伏逆变器连接至升压变压器的一次侧端口，所述升压变压器的二次侧端口连接至牵引供电系统，所述牵引供电系统上还连接有连接至电网输电线路的牵引变压器；

其中，所述升压变压器采用V/V接线升压变压器，以使三相交流电能的电压等级达到铁路牵引供电系统所需的电压等级。V/V接线升压变压器接线形式简单，制造容易，两相容量可根据需要进行不同配置，容量利用率高，运营费用少，三相Vv接线比单相Vv接线易实现固定备用，对电力系统的负序影响相对较小。

光伏发电装置中由容量较小的单个光伏组件通过串并联组成光伏列阵，光伏阵列中的光伏组件的串联数和并联数可结合单个光伏组件的功率、光伏逆变器的容量、光伏发电装置的装机容量、支架成本和直流线缆成本等因素综合考虑。

所述光伏逆变器应具有最大功率跟踪(MPPT)功能，以保证光伏阵列能够尽可能多地输出电能。对所述光伏逆变器的选择，可结合设备成本、线缆成本、施工成本等因素综合考虑。

进一步的是，所述牵引变压器包括1号牵引变压器和2号牵引变压器。两台牵引变压器互为备用，正常工作时，光伏发电系统所发电能通过主用牵引变压器接入系统。

进一步的是，所述V/V接线升压变压器的一次侧与光伏逆变器三相连接，V/V接线升压变压器的二次侧中的两相分别与牵引供电系统中的两条供电臂相连，V/V接线升压变压器的第三相与1号牵引变压器、2号牵引变压器相连，且V/V接线升压变压器的第三相同时与钢轨连接，所述钢轨接地网；所述1号牵引变压器和2号牵引变压器二次侧的两相分别与牵引供电系统中的两条供电臂相连，1号牵引变压器和2号牵引变压器的一次侧与电网输电线路相连；形成三相交流供电网络，以配合牵引供电系统使用。

进一步的是，所述升压变压器的一次侧额定电压为光伏逆变器的额定输出电压，二次侧额定电压为27.5kV或55kV，根据牵引供电要求所设定。

进一步的是，所述牵引变压器以V/V接线形式并入牵引供电系统。

进一步的是，所述牵引变压器采用V/V接线形式；所述牵引变压器的一次侧额定电压为110kV或220kV，牵引变压器的二次侧额定电压为27.5kV或55kV；所述牵引变压器的一次侧与电网输电线路三相连接，牵引变压器二次侧的两相分别与牵引供电系统的两条供电臂相连，牵引变压器二次侧的第三相同时与钢轨和升压变压器相连，所述钢轨接地网；根据牵引供电系统和电网输电线路的电压等级需求而设定，实现电网输电线路和牵引供电系统之间的电能交互。

进一步的是，系统中还包括电能计量器，所述电能计量器分别位于牵引变压器的高压侧与电网输电线路相连的线路上；用以计算牵引供电系统所用电能以及计算光伏电站的余电上网量，从而与电力系统进行结算。

另一方面，本发明还提出一种基于光伏发电的铁路牵引供电系统的电能管理方法，包括步骤：

S01，监测牵引供电系统的牵引负荷状态；

S02，判断牵引供电系统是否有牵引负荷需求，若无需求则光伏发电装置产生的电能通向电网输电线路，若有需求则进行下一步；

S03，判断是否满足光伏发电装置的输出功率大于牵引负荷所需功率，若不满足则由电网输电线路向牵引供电系统提供电能；若满足则进行下一步；

S04，由光伏发电装置先向牵引供电系统提供电能，剩余电能向电网输电线路输送。

进一步的是，所述光伏发电装置产生的电能经过逆变和升压至牵引供电系统所需电压等级；先满足牵引负荷的需求；当有多余电能时，光伏发电装置所产生的电能经过牵引变压器馈送至电网输电线路。

采用本技术方案的有益效果：

1.采用自发自用、余电上网的发电形式，即光伏电站所发电能首先满足牵引负荷的需求，当有多余电能时，光伏电站所发电能经过牵引变压器馈送至高压输电系统。

2.光伏组件以光伏电站的形式布置于牵引变电所的附近，不需要另行架设天棚，使输电线路更加整齐，降低了因各种原因导致架设天棚损坏带来的危险。

3.光伏组件产生的电能经集中逆变、升压后并入牵引变电所两条供电臂的交流母线上，一个光伏电站只需一台升压变压器即可接入牵引供电系统，能够有效防止将光伏发电直接接入接触网对牵引供电系统的保护产生的影响。

4.本发明对于光伏电站的容量要求无限制，且一次设备投资较少。

5.V/V接线升压变压器接线形式简单，只需要2个绕组，可以通过将两台单相变压器组合在一起使用，也可以将两台单相变压器安装在同一油箱内使用，所需成本较低。V/V接线升压变压器能够使光伏发电、电网以及牵引供电达到最优匹配；能够完成光伏发电装置的电压等级到铁路牵引供电系统所需的电压等级的变换；且采用V/V接线形式能够有效减小对电力系统的负序影响，保证了并网安全。

附图说明

图1为本发明的一种基于光伏发电的铁路牵引供电系统的结构示意图；

图2为本发明实施例中一种基于光伏发电的铁路牵引供电系统的具体接线图；

图3为本发明实施例中一种基于光伏发电的铁路牵引供电系统的电能管理方法的流程图；

图4为本发明实施例中当牵引变电站的供电范围内有牵引负荷且光伏电站出力大于牵引负荷时，系统内的电流流向图；

图5为本发明实施例中当牵引变电站的供电范围内有牵引负荷且光伏电站出力小于牵引负荷时，系统内的电流流向图；

图6为本发明实施例中当牵引变电站的供电范围内无牵引负荷时，系统内的电流流向图；

其中，11为光伏组件，12为光伏发电装置，13为光伏逆变器，14为升压变压器，15为1号牵引变压器，16为2号牵引变压器，17为牵引供电系统，18为牵引负荷，19为电能计量器，20为电网输电线路。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步阐述。

在本实施例中，参见图1所示，本发明提出了一种基于光伏发电的铁路牵引供电系统，包括光伏发电装置12、光伏逆变器13、升压变压器14、牵引变压器和牵引供电系统17；

所述光伏发电装置12电能输出端经过光伏逆变器13连接至升压变压器14的一次侧端口，所述升压变压器14的二次侧端口连接至牵引供电系统17，所述牵引供电系统17上还连接有连接至电网输电线路20的牵引变压器；

其中，所述升压变压器14采用V/V接线升压变压器；以使三相交流电能的电压等级达到铁路牵引供电系统17所需的电压等级。

光伏发电装置12中由容量较小的单个光伏组件11通过串并联组成光伏列阵，光伏阵列中的光伏组件11的串联数和并联数可结合单个光伏组件11的功率、光伏逆变器13的容量、光伏发电装置12的装机容量、支架成本和直流线缆成本等因素综合考虑。

所述光伏逆变器13应具有最大功率跟踪MPPT功能，以保证光伏阵列能够尽可能多地输出电能。对所述光伏逆变器13的选择，可结合设备成本、线缆成本、施工成本等因素综合考虑。

作为上述实施例的优化方案，所述牵引变压器包括1号牵引变压器15和2号牵引变压器16。两台牵引变压器互为备用，正常工作时，光伏发电系统所发电能通过主用牵引变压器接入系统。

所述V/V接线升压变压器的一次侧与光伏逆变器13三相连接，V/V接线升压变压器的二次侧中的两相分别与牵引供电系统17中的两条供电臂相连，V/V接线升压变压器的第三相与1号牵引变压器15、2号牵引变压器16相连，且V/V接线升压变压器的第三相同时与钢轨连接，所述钢轨接地网；形成三相交流供电网络，以配合牵引供电系统17使用。

所述升压变压器14的一次侧额定电压为光伏逆变器13的额定输出电压，二次侧额定电压为27.5kV或55kV，根据牵引供电要求所设定。

所述牵引变压器以V/V接线形式并入牵引供电系统17。

其中，所述牵引变压器采用V/V接线形式；所述牵引变压器的一次侧额定电压为110kV或220kV，牵引变压器的二次侧额定电压为27.5kV或55kV；所述牵引变压器的一次侧与电网输电线路20三相连接，牵引变压器二次侧的两相分别与牵引供电系统17的两条供电臂相连，牵引变压器二次侧的第三相同时与钢轨和升压变压器14相连，所述钢轨接地网；根据牵引供电系统17和电网输电线路20的电压等级需求而设定，实现电网输电线路20和牵引供电系统17之间的电能交互。

具体实施时：接入光伏电站的牵引供电系统17，含有1号牵引变压器15和2号牵引变压器16，两台牵引变压器互为备用，且均采用V/V接线；所述牵引变压器的一次侧额定电压为110kV或220kV，视牵引变电站所取电的电力系统的电压等级而定，其二次侧额定电压为27.5kV或55kV；所述牵引变压器的一次侧与高压输电系统三相连接，其二次侧的两相分别与牵引变电站供电区间的两条供电臂相连，第三相与V/V接线升压变压器14相连，同时与钢轨连接以接地网。

作为上述实施例的优化方案，系统中还包括电能计量器19，所述电能计量器19分别位于牵引变压器的高压侧与电网输电线路20相连的线路上；用以计算牵引供电系统17所用电能以及计算光伏电站的余电上网量，从而与电力系统进行结算。

具体实施时：接入光伏电站的牵引供电系统17，含有两处电能计量点，电能计量点的作用是计算牵引供电系统17所用电能以及计算光伏电站的余电上网量，从而与电力系统进行结算。所述电能计量点位于光伏电站并网点之前，即电能计量点位于两台牵引变压器的高压侧110kV或220kV与电力系统相连。

本发明实施例中的具体接线形式，如图2所示，高压输电线路与牵引变压器三相连接，牵引变压器采用V/V接线形式，其二次侧的两相分别与牵引变电站供电区间的两条供电臂相连，第三相与钢轨以及V/V接线升压变压器14相连。光伏电站与V/V接线升压变压器14同样是三相连接，V/V接线升压变压器14的二次侧中的两相分别与牵引变电站供电区间的两条供电臂相连，第三相与钢轨以及牵引变压器相连。牵引供电系统17为机车负载提供电能，其中钢轨接地网。

为配合本发明方法的实现，基于相同的发明构思，如图3所示，本发明还提供了一种基于光伏发电的铁路牵引供电系统的电能管理方法，包括步骤：

S01，监测牵引供电系统17的牵引负荷18状态；

S02，判断牵引供电系统17是否有牵引负荷18需求，若无需求则光伏发电装置12产生的电能通向电网输电线路20，若有需求则进行下一步；

S03，判断是否满足光伏发电装置12的输出功率大于牵引负荷18所需功率，若不满足则由电网输电线路20向牵引供电系统17提供电能；若满足则进行下一步；

S04，由光伏发电装置12先向牵引供电系统17提供电能，剩余电能向电网输电线路20输送。

其中，所述光伏发电装置12产生的电能经过逆变和升压至牵引供电系统17所需电压等级；先满足牵引负荷18的需求；当有多余电能时，光伏发电装置12所产生的电能经过牵引变压器馈送至电网输电线路20。

本发明工作原理，如图4-6所示：

当牵引供电系统17的供电范围内有牵引负荷18时，光伏发电装置12所发的电能将首先满足牵引负荷18的需求，若此时光伏发电装置12的出力大于牵引负荷18的需求，多余的电能将通过牵引变压器馈送至电网输电线路20，若此时光伏发电装置12的出力小于牵引负荷18的需求，则不足的电能将通过牵引变压器由电网输电线路20输送至牵引供电系统17；当牵引供电系统17的供电范围内无牵引负荷18时，光伏发电装置12所发的全部电能将通过牵引变压器馈送至电网输电线路20。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。