本發(fā)明屬于牽引供電技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種基于光伏發(fā)電的鐵路牽引供電系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

光伏發(fā)電作為一種以太陽(yáng)能為能量來(lái)源的新型發(fā)電方式，具有清潔、無(wú)污染、無(wú)噪聲、規(guī)?？蓸?gòu)等特點(diǎn)，是21世紀(jì)替代傳統(tǒng)化石能源發(fā)電的最佳選擇之一。我國(guó)的太陽(yáng)能資源儲(chǔ)量豐富，太陽(yáng)能年總輻射量大于1050kW·h/m2的地區(qū)占國(guó)土面積的96％以上，因此光伏發(fā)電在我國(guó)具有良好的發(fā)展前景，光伏發(fā)電的發(fā)展受國(guó)家政策的大力支持。

鐵路運(yùn)輸企業(yè)規(guī)模龐大，具有點(diǎn)多線長(zhǎng)的基本特征，擁有大量的站舍、庫(kù)房、地產(chǎn)等，如果把這些設(shè)施最大程度地利用起來(lái)，大力開(kāi)發(fā)分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目，即可節(jié)省大量的用電成本，又可拿到國(guó)家給予的發(fā)電補(bǔ)貼。將光伏電站接入鐵路牽引供電系統(tǒng)具有一次投入、長(zhǎng)期受益、節(jié)能環(huán)保的特點(diǎn)，具有良好的發(fā)展前景。

鐵路牽引供電系統(tǒng)是一種將電力系統(tǒng)送來(lái)的電能轉(zhuǎn)變?yōu)檫m用于電力牽引的電能，然后分別輸送至沿鐵路線上空架設(shè)的接觸網(wǎng)，為電力機(jī)車負(fù)荷提供所需電能的供電系統(tǒng)。我國(guó)的鐵路牽引供電系統(tǒng)采用單相工頻25kV或55kV交流制，主要的供電方式有直接供電、帶回流線的直接供電、BT供電、AT供電和同軸電力電纜供電等。

在所檢國(guó)內(nèi)外公開(kāi)文獻(xiàn)的范圍內(nèi)，光伏發(fā)電技術(shù)雖是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)，但其研究主要集中在交流并網(wǎng)方面，鮮有文獻(xiàn)報(bào)道光伏電站接入鐵路牽引供電系統(tǒng)。目前現(xiàn)有的此類供電方案，需要數(shù)量較多的逆變器、變壓器，同時(shí)光伏發(fā)電直接接入接觸網(wǎng)可能對(duì)牽引供電系統(tǒng)的保護(hù)產(chǎn)生不利影響；并且，需要較大的光伏電站容量和較多的一次設(shè)備投資；在此類系統(tǒng)中，常采用蓄電池實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)電功能，但蓄電池存在充放電功率有限、循環(huán)壽命短的問(wèn)題，面對(duì)鐵路牽引負(fù)荷大功率、間歇性的特點(diǎn)，經(jīng)濟(jì)性不高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種基于光伏發(fā)電的鐵路牽引供電系統(tǒng)，采用自發(fā)自用、余電上網(wǎng)的發(fā)電形式，在保證牽引供電系統(tǒng)的正常運(yùn)行的同時(shí)，由電網(wǎng)消費(fèi)剩余電量，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，投資成本低。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一種基于光伏發(fā)電的鐵路牽引供電系統(tǒng)，包括光伏發(fā)電裝置、光伏逆變器、升壓變壓器、牽引變壓器和牽引供電系統(tǒng)；

所述光伏發(fā)電裝置電能輸出端經(jīng)過(guò)光伏逆變器連接至升壓變壓器的一次側(cè)端口，所述升壓變壓器的二次側(cè)端口連接至牽引供電系統(tǒng)，所述牽引供電系統(tǒng)上還連接有連接至電網(wǎng)輸電線路的牽引變壓器；

其中，所述升壓變壓器采用V/V接線升壓變壓器，以使三相交流電能的電壓等級(jí)達(dá)到鐵路牽引供電系統(tǒng)所需的電壓等級(jí)。V/V接線升壓變壓器接線形式簡(jiǎn)單，制造容易，兩相容量可根據(jù)需要進(jìn)行不同配置，容量利用率高，運(yùn)營(yíng)費(fèi)用少，三相Vv接線比單相Vv接線易實(shí)現(xiàn)固定備用，對(duì)電力系統(tǒng)的負(fù)序影響相對(duì)較小。

光伏發(fā)電裝置中由容量較小的單個(gè)光伏組件通過(guò)串并聯(lián)組成光伏列陣，光伏陣列中的光伏組件的串聯(lián)數(shù)和并聯(lián)數(shù)可結(jié)合單個(gè)光伏組件的功率、光伏逆變器的容量、光伏發(fā)電裝置的裝機(jī)容量、支架成本和直流線纜成本等因素綜合考慮。

所述光伏逆變器應(yīng)具有最大功率跟蹤(MPPT)功能，以保證光伏陣列能夠盡可能多地輸出電能。對(duì)所述光伏逆變器的選擇，可結(jié)合設(shè)備成本、線纜成本、施工成本等因素綜合考慮。

進(jìn)一步的是，所述牽引變壓器包括1號(hào)牽引變壓器和2號(hào)牽引變壓器。兩臺(tái)牽引變壓器互為備用，正常工作時(shí)，光伏發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)電能通過(guò)主用牽引變壓器接入系統(tǒng)。

進(jìn)一步的是，所述V/V接線升壓變壓器的一次側(cè)與光伏逆變器三相連接，V/V接線升壓變壓器的二次側(cè)中的兩相分別與牽引供電系統(tǒng)中的兩條供電臂相連，V/V接線升壓變壓器的第三相與1號(hào)牽引變壓器、2號(hào)牽引變壓器相連，且V/V接線升壓變壓器的第三相同時(shí)與鋼軌連接，所述鋼軌接地網(wǎng)；所述1號(hào)牽引變壓器和2號(hào)牽引變壓器二次側(cè)的兩相分別與牽引供電系統(tǒng)中的兩條供電臂相連，1號(hào)牽引變壓器和2號(hào)牽引變壓器的一次側(cè)與電網(wǎng)輸電線路相連；形成三相交流供電網(wǎng)絡(luò)，以配合牽引供電系統(tǒng)使用。

進(jìn)一步的是，所述升壓變壓器的一次側(cè)額定電壓為光伏逆變器的額定輸出電壓，二次側(cè)額定電壓為27.5kV或55kV，根據(jù)牽引供電要求所設(shè)定。

進(jìn)一步的是，所述牽引變壓器以V/V接線形式并入牽引供電系統(tǒng)。

進(jìn)一步的是，所述牽引變壓器采用V/V接線形式；所述牽引變壓器的一次側(cè)額定電壓為110kV或220kV，牽引變壓器的二次側(cè)額定電壓為27.5kV或55kV；所述牽引變壓器的一次側(cè)與電網(wǎng)輸電線路三相連接，牽引變壓器二次側(cè)的兩相分別與牽引供電系統(tǒng)的兩條供電臂相連，牽引變壓器二次側(cè)的第三相同時(shí)與鋼軌和升壓變壓器相連，所述鋼軌接地網(wǎng)；根據(jù)牽引供電系統(tǒng)和電網(wǎng)輸電線路的電壓等級(jí)需求而設(shè)定，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)輸電線路和牽引供電系統(tǒng)之間的電能交互。

進(jìn)一步的是，系統(tǒng)中還包括電能計(jì)量器，所述電能計(jì)量器分別位于牽引變壓器的高壓側(cè)與電網(wǎng)輸電線路相連的線路上；用以計(jì)算牽引供電系統(tǒng)所用電能以及計(jì)算光伏電站的余電上網(wǎng)量，從而與電力系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)算。

另一方面，本發(fā)明還提出一種基于光伏發(fā)電的鐵路牽引供電系統(tǒng)的電能管理方法，包括步驟：

S01，監(jiān)測(cè)牽引供電系統(tǒng)的牽引負(fù)荷狀態(tài)；

S02，判斷牽引供電系統(tǒng)是否有牽引負(fù)荷需求，若無(wú)需求則光伏發(fā)電裝置產(chǎn)生的電能通向電網(wǎng)輸電線路，若有需求則進(jìn)行下一步；

S03，判斷是否滿足光伏發(fā)電裝置的輸出功率大于牽引負(fù)荷所需功率，若不滿足則由電網(wǎng)輸電線路向牽引供電系統(tǒng)提供電能；若滿足則進(jìn)行下一步；

S04，由光伏發(fā)電裝置先向牽引供電系統(tǒng)提供電能，剩余電能向電網(wǎng)輸電線路輸送。

進(jìn)一步的是，所述光伏發(fā)電裝置產(chǎn)生的電能經(jīng)過(guò)逆變和升壓至牽引供電系統(tǒng)所需電壓等級(jí)；先滿足牽引負(fù)荷的需求；當(dāng)有多余電能時(shí)，光伏發(fā)電裝置所產(chǎn)生的電能經(jīng)過(guò)牽引變壓器饋送至電網(wǎng)輸電線路。

采用本技術(shù)方案的有益效果：

1.采用自發(fā)自用、余電上網(wǎng)的發(fā)電形式，即光伏電站所發(fā)電能首先滿足牽引負(fù)荷的需求，當(dāng)有多余電能時(shí)，光伏電站所發(fā)電能經(jīng)過(guò)牽引變壓器饋送至高壓輸電系統(tǒng)。

2.光伏組件以光伏電站的形式布置于牽引變電所的附近，不需要另行架設(shè)天棚，使輸電線路更加整齊，降低了因各種原因?qū)е录茉O(shè)天棚損壞帶來(lái)的危險(xiǎn)。

3.光伏組件產(chǎn)生的電能經(jīng)集中逆變、升壓后并入牽引變電所兩條供電臂的交流母線上，一個(gè)光伏電站只需一臺(tái)升壓變壓器即可接入牽引供電系統(tǒng)，能夠有效防止將光伏發(fā)電直接接入接觸網(wǎng)對(duì)牽引供電系統(tǒng)的保護(hù)產(chǎn)生的影響。

4.本發(fā)明對(duì)于光伏電站的容量要求無(wú)限制，且一次設(shè)備投資較少。

5.V/V接線升壓變壓器接線形式簡(jiǎn)單，只需要2個(gè)繞組，可以通過(guò)將兩臺(tái)單相變壓器組合在一起使用，也可以將兩臺(tái)單相變壓器安裝在同一油箱內(nèi)使用，所需成本較低。V/V接線升壓變壓器能夠使光伏發(fā)電、電網(wǎng)以及牽引供電達(dá)到最優(yōu)匹配；能夠完成光伏發(fā)電裝置的電壓等級(jí)到鐵路牽引供電系統(tǒng)所需的電壓等級(jí)的變換；且采用V/V接線形式能夠有效減小對(duì)電力系統(tǒng)的負(fù)序影響，保證了并網(wǎng)安全。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的一種基于光伏發(fā)電的鐵路牽引供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例中一種基于光伏發(fā)電的鐵路牽引供電系統(tǒng)的具體接線圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例中一種基于光伏發(fā)電的鐵路牽引供電系統(tǒng)的電能管理方法的流程圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例中當(dāng)牽引變電站的供電范圍內(nèi)有牽引負(fù)荷且光伏電站出力大于牽引負(fù)荷時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)的電流流向圖；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例中當(dāng)牽引變電站的供電范圍內(nèi)有牽引負(fù)荷且光伏電站出力小于牽引負(fù)荷時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)的電流流向圖；

圖6為本發(fā)明實(shí)施例中當(dāng)牽引變電站的供電范圍內(nèi)無(wú)牽引負(fù)荷時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)的電流流向圖；

其中，11為光伏組件，12為光伏發(fā)電裝置，13為光伏逆變器，14為升壓變壓器，15為1號(hào)牽引變壓器，16為2號(hào)牽引變壓器，17為牽引供電系統(tǒng)，18為牽引負(fù)荷，19為電能計(jì)量器，20為電網(wǎng)輸電線路。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步闡述。

在本實(shí)施例中，參見(jiàn)圖1所示，本發(fā)明提出了一種基于光伏發(fā)電的鐵路牽引供電系統(tǒng)，包括光伏發(fā)電裝置12、光伏逆變器13、升壓變壓器14、牽引變壓器和牽引供電系統(tǒng)17；

所述光伏發(fā)電裝置12電能輸出端經(jīng)過(guò)光伏逆變器13連接至升壓變壓器14的一次側(cè)端口，所述升壓變壓器14的二次側(cè)端口連接至牽引供電系統(tǒng)17，所述牽引供電系統(tǒng)17上還連接有連接至電網(wǎng)輸電線路20的牽引變壓器；

其中，所述升壓變壓器14采用V/V接線升壓變壓器；以使三相交流電能的電壓等級(jí)達(dá)到鐵路牽引供電系統(tǒng)17所需的電壓等級(jí)。

光伏發(fā)電裝置12中由容量較小的單個(gè)光伏組件11通過(guò)串并聯(lián)組成光伏列陣，光伏陣列中的光伏組件11的串聯(lián)數(shù)和并聯(lián)數(shù)可結(jié)合單個(gè)光伏組件11的功率、光伏逆變器13的容量、光伏發(fā)電裝置12的裝機(jī)容量、支架成本和直流線纜成本等因素綜合考慮。

所述光伏逆變器13應(yīng)具有最大功率跟蹤MPPT功能，以保證光伏陣列能夠盡可能多地輸出電能。對(duì)所述光伏逆變器13的選擇，可結(jié)合設(shè)備成本、線纜成本、施工成本等因素綜合考慮。

作為上述實(shí)施例的優(yōu)化方案，所述牽引變壓器包括1號(hào)牽引變壓器15和2號(hào)牽引變壓器16。兩臺(tái)牽引變壓器互為備用，正常工作時(shí)，光伏發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)電能通過(guò)主用牽引變壓器接入系統(tǒng)。

所述V/V接線升壓變壓器的一次側(cè)與光伏逆變器13三相連接，V/V接線升壓變壓器的二次側(cè)中的兩相分別與牽引供電系統(tǒng)17中的兩條供電臂相連，V/V接線升壓變壓器的第三相與1號(hào)牽引變壓器15、2號(hào)牽引變壓器16相連，且V/V接線升壓變壓器的第三相同時(shí)與鋼軌連接，所述鋼軌接地網(wǎng)；形成三相交流供電網(wǎng)絡(luò)，以配合牽引供電系統(tǒng)17使用。

所述升壓變壓器14的一次側(cè)額定電壓為光伏逆變器13的額定輸出電壓，二次側(cè)額定電壓為27.5kV或55kV，根據(jù)牽引供電要求所設(shè)定。

所述牽引變壓器以V/V接線形式并入牽引供電系統(tǒng)17。

其中，所述牽引變壓器采用V/V接線形式；所述牽引變壓器的一次側(cè)額定電壓為110kV或220kV，牽引變壓器的二次側(cè)額定電壓為27.5kV或55kV；所述牽引變壓器的一次側(cè)與電網(wǎng)輸電線路20三相連接，牽引變壓器二次側(cè)的兩相分別與牽引供電系統(tǒng)17的兩條供電臂相連，牽引變壓器二次側(cè)的第三相同時(shí)與鋼軌和升壓變壓器14相連，所述鋼軌接地網(wǎng)；根據(jù)牽引供電系統(tǒng)17和電網(wǎng)輸電線路20的電壓等級(jí)需求而設(shè)定，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)輸電線路20和牽引供電系統(tǒng)17之間的電能交互。

具體實(shí)施時(shí)：接入光伏電站的牽引供電系統(tǒng)17，含有1號(hào)牽引變壓器15和2號(hào)牽引變壓器16，兩臺(tái)牽引變壓器互為備用，且均采用V/V接線；所述牽引變壓器的一次側(cè)額定電壓為110kV或220kV，視牽引變電站所取電的電力系統(tǒng)的電壓等級(jí)而定，其二次側(cè)額定電壓為27.5kV或55kV；所述牽引變壓器的一次側(cè)與高壓輸電系統(tǒng)三相連接，其二次側(cè)的兩相分別與牽引變電站供電區(qū)間的兩條供電臂相連，第三相與V/V接線升壓變壓器14相連，同時(shí)與鋼軌連接以接地網(wǎng)。

作為上述實(shí)施例的優(yōu)化方案，系統(tǒng)中還包括電能計(jì)量器19，所述電能計(jì)量器19分別位于牽引變壓器的高壓側(cè)與電網(wǎng)輸電線路20相連的線路上；用以計(jì)算牽引供電系統(tǒng)17所用電能以及計(jì)算光伏電站的余電上網(wǎng)量，從而與電力系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)算。

具體實(shí)施時(shí)：接入光伏電站的牽引供電系統(tǒng)17，含有兩處電能計(jì)量點(diǎn)，電能計(jì)量點(diǎn)的作用是計(jì)算牽引供電系統(tǒng)17所用電能以及計(jì)算光伏電站的余電上網(wǎng)量，從而與電力系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)算。所述電能計(jì)量點(diǎn)位于光伏電站并網(wǎng)點(diǎn)之前，即電能計(jì)量點(diǎn)位于兩臺(tái)牽引變壓器的高壓側(cè)110kV或220kV與電力系統(tǒng)相連。

本發(fā)明實(shí)施例中的具體接線形式，如圖2所示，高壓輸電線路與牽引變壓器三相連接，牽引變壓器采用V/V接線形式，其二次側(cè)的兩相分別與牽引變電站供電區(qū)間的兩條供電臂相連，第三相與鋼軌以及V/V接線升壓變壓器14相連。光伏電站與V/V接線升壓變壓器14同樣是三相連接，V/V接線升壓變壓器14的二次側(cè)中的兩相分別與牽引變電站供電區(qū)間的兩條供電臂相連，第三相與鋼軌以及牽引變壓器相連。牽引供電系統(tǒng)17為機(jī)車負(fù)載提供電能，其中鋼軌接地網(wǎng)。

為配合本發(fā)明方法的實(shí)現(xiàn)，基于相同的發(fā)明構(gòu)思，如圖3所示，本發(fā)明還提供了一種基于光伏發(fā)電的鐵路牽引供電系統(tǒng)的電能管理方法，包括步驟：

S01，監(jiān)測(cè)牽引供電系統(tǒng)17的牽引負(fù)荷18狀態(tài)；

S02，判斷牽引供電系統(tǒng)17是否有牽引負(fù)荷18需求，若無(wú)需求則光伏發(fā)電裝置12產(chǎn)生的電能通向電網(wǎng)輸電線路20，若有需求則進(jìn)行下一步；

S03，判斷是否滿足光伏發(fā)電裝置12的輸出功率大于牽引負(fù)荷18所需功率，若不滿足則由電網(wǎng)輸電線路20向牽引供電系統(tǒng)17提供電能；若滿足則進(jìn)行下一步；

S04，由光伏發(fā)電裝置12先向牽引供電系統(tǒng)17提供電能，剩余電能向電網(wǎng)輸電線路20輸送。

其中，所述光伏發(fā)電裝置12產(chǎn)生的電能經(jīng)過(guò)逆變和升壓至牽引供電系統(tǒng)17所需電壓等級(jí)；先滿足牽引負(fù)荷18的需求；當(dāng)有多余電能時(shí)，光伏發(fā)電裝置12所產(chǎn)生的電能經(jīng)過(guò)牽引變壓器饋送至電網(wǎng)輸電線路20。

本發(fā)明工作原理，如圖4-6所示：

當(dāng)牽引供電系統(tǒng)17的供電范圍內(nèi)有牽引負(fù)荷18時(shí)，光伏發(fā)電裝置12所發(fā)的電能將首先滿足牽引負(fù)荷18的需求，若此時(shí)光伏發(fā)電裝置12的出力大于牽引負(fù)荷18的需求，多余的電能將通過(guò)牽引變壓器饋送至電網(wǎng)輸電線路20，若此時(shí)光伏發(fā)電裝置12的出力小于牽引負(fù)荷18的需求，則不足的電能將通過(guò)牽引變壓器由電網(wǎng)輸電線路20輸送至牽引供電系統(tǒng)17；當(dāng)牽引供電系統(tǒng)17的供電范圍內(nèi)無(wú)牽引負(fù)荷18時(shí)，光伏發(fā)電裝置12所發(fā)的全部電能將通過(guò)牽引變壓器饋送至電網(wǎng)輸電線路20。

以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理和主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說(shuō)明書(shū)中描述的只是說(shuō)明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會(huì)有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書(shū)及其等效物界定。