光伏發(fā)電技術在鐵路區(qū)間配電系統(tǒng)的應用

李　營

(廣州鐵路職業(yè)技術學院，廣州　510430)

光伏發(fā)電技術在鐵路區(qū)間配電系統(tǒng)的應用

李營

(廣州鐵路職業(yè)技術學院，廣州510430)

摘要：提出了一種基于光伏輔助電源的鐵路區(qū)間設備配電方案，將光伏發(fā)電系統(tǒng)與鐵路區(qū)間設備原有配電線路通過“H型”接入構成雙供電系統(tǒng)，當配電網(wǎng)絡發(fā)生故障時，可切換到光伏系統(tǒng)單獨供電，實現(xiàn)設備電力供應的雙重保護。提出了該配電方案的系統(tǒng)框架與模塊設計，并對各模塊技術要求進行了分析。

關鍵詞：光伏；輔助電源；區(qū)間設備；“H型”供電；設計

鐵路的供電網(wǎng)絡由動力牽引供電和信號輔助系統(tǒng)供電兩部分構成，分別稱為供電系統(tǒng)和配電系統(tǒng)，供電系統(tǒng)為機車行駛提供動力電源，配電系統(tǒng)為鐵路區(qū)間閉塞設備(簡稱區(qū)間設備)和其他輔助設備等供電，兩套系統(tǒng)相對獨立，一般由相互隔離的線路分別輸送。區(qū)間設備多為雙路獨立電源供電，包含主配電和備用配電兩個部分，通過電氣控制線路進行切換。傳統(tǒng)的配電形式對電網(wǎng)可靠性依賴較大，如遇到配電電網(wǎng)故障時，會造成區(qū)間設備失效。2008年因冰災造成了京廣線部分區(qū)域電網(wǎng)供電中斷，主配電與輔助配電均失效，導致區(qū)間設備停止工作，行車信號、道岔等需要通過人工操作完成，造成華南地區(qū)春運期間大量旅客滯留。因此，為鐵路區(qū)間設備建立獨立、可靠的輔助電源，解決因配電網(wǎng)故障造成信號系統(tǒng)癱瘓問題成為鐵路安全運輸不得不考慮的問題。

1鐵路配電系統(tǒng)的主要形式

1.1相關概念

所謂“區(qū)間”，是指兩個車站或者兩個鐵路變電所之間的線路。兩個相鄰車站間的區(qū)間稱為站間區(qū)間；相鄰變電所之間的區(qū)間稱為所間區(qū)間。

所謂“閉塞”，是指為保證行車安全，通過電氣控制將列車運行的線路區(qū)間進行全封閉或者分段封閉，防止同區(qū)段內(nèi)的對向列車和同向列車因時序安排不當而造成對撞或追尾等事故。

所謂“H型”供電，是指主電源與備用電源并列供電。《鐵路信號維護規(guī)則》第12.2.1條規(guī)定，鐵路信號設備輸入電源供電方式有一主一備和兩路同時供電2種方式，其中兩路同時供電方式即為“H型”供電，這種情況下由主副兩路電源并列運行，當一路電源關閉或發(fā)生故障時，自動切換至另一路電源。

1.2區(qū)間設備的主要供電形式

目前，國內(nèi)鐵路基本上都實現(xiàn)了自動閉塞，并配置了較完善的區(qū)間設備及配電系統(tǒng)，供電形式從宏觀上劃分可分為集中式和分散式兩種。為了避免單一供電產(chǎn)生故障造成的供電失效問題，一般多由兩路獨立的供電線路構成主附電源，通過電力互供的方式保障區(qū)間設備供電的可靠性。常采用的互供形式包含單回路供電和雙回路供電兩種，其中單回路供電又包含三點三線式、三點兩線式、點集式等供電形式，各種供電方式原理及特點如表1所示。

表1　區(qū)間設備供電形式比較表

2區(qū)間設備供電存在的主要問題

(1)電源配置對牽引變電所提供電源依賴性強

從區(qū)間設備各種配電形式來看，配電電源一般引自牽引供電電源，當牽引電源出現(xiàn)故障時，區(qū)間設備配電系統(tǒng)將一同失效。因此，在發(fā)生自然災害、供電網(wǎng)失效或不穩(wěn)定時，會造成區(qū)間設備停止工作，為鐵路的安全運行帶來隱患。

(2)配電技術發(fā)展緩慢，自動化程度低

相對于牽引變電技術的發(fā)展，區(qū)間設備的配電技術發(fā)展緩慢，自動化程度不高。考慮到安全、成本等因素，配電技術的技術革新較為謹慎，國內(nèi)仍有部分鐵路配電沿用20世紀80、90年代的技術，自動化程度低，線路老化，出現(xiàn)故障時較難找到故障和及時排除，增加了維修的成本和難度。

(3)缺乏帶有儲能功能的獨立監(jiān)控電源，斷電后沒有數(shù)據(jù)的現(xiàn)場保護

監(jiān)測系統(tǒng)應是一個獨立的輔助系統(tǒng)，其工作電源一般取自信號電源系統(tǒng)的直流輸出，當配電系統(tǒng)斷電時，監(jiān)控子系統(tǒng)同時掉電，無法繼續(xù)監(jiān)測及對故障情況進行現(xiàn)場保護，造成設備故障分析困難。如能在電源屏上增加具有儲能的輔助電源模塊，在兩路電都斷電時為監(jiān)控子系統(tǒng)補充供電，可有效避免此類問題的發(fā)生。

3光伏發(fā)電在我國鐵路領域的應用現(xiàn)狀與趨勢

在1975年，光伏發(fā)電技術就在鐵路系統(tǒng)進行試用并逐漸拓展，1984年鐵道部編制了《硅太陽能電源光電參數(shù)及容量選擇》。通過多年的試用和技術發(fā)展，光伏發(fā)電在鐵路信號與通信設備上應用逐漸增多，并在測試、施工、維護等方面形成了一定經(jīng)驗與標準。隨著電氣化鐵道技術的發(fā)展，鐵路對供配電系統(tǒng)的可靠性、功率等要求越來越高，而此時國家電力行業(yè)發(fā)展迅猛，電力行業(yè)走向市場化，電網(wǎng)覆蓋區(qū)域逐漸增大，可靠性和穩(wěn)定性不斷提升，帶動了鐵路供配電網(wǎng)絡建設。因此，光伏發(fā)電技術在鐵路領域的應用受到了限制，其成本高、容量低等缺點逐漸顯現(xiàn)，早年推廣的鐵路光伏設備也逐漸被傳統(tǒng)供電網(wǎng)取代，改由貫通電線路或自閉電線路供電[1]。

從未來發(fā)展來看，傳統(tǒng)能源的緊缺成為全世界面臨的問題，各國都在可再生能源利用上加大扶持力度，為太陽能在鐵路行業(yè)的廣泛利用帶來政策環(huán)境。同時，鐵道部為配合西部大開發(fā)戰(zhàn)略，正在或計劃修建數(shù)條西部鐵路線，而西北地區(qū)地廣人稀，常規(guī)供電網(wǎng)建設存在不足，為太陽能資源的利用帶來廣闊前景。更重要的是現(xiàn)有鐵路配電系統(tǒng)過分依賴牽引變電所提供外部電源，在發(fā)生自然災害、供電系統(tǒng)故障或不穩(wěn)定時會產(chǎn)生信號系統(tǒng)終端癱瘓、監(jiān)測記錄缺失等隱患，增加具有獨立、儲能特點的光伏系統(tǒng)輔助供電系統(tǒng)，可有效解決應急條件下的輔助供電問題。

4基于光伏輔助電源的鐵路區(qū)間設備“H型”供電系統(tǒng)框架

基于光伏發(fā)電的諸多優(yōu)點，探索將光伏發(fā)電技術應用于鐵路區(qū)間設備的輔助供電，建立基于光伏輔助電源的鐵路區(qū)間設備“H型”供電系統(tǒng)。該系統(tǒng)由原配電網(wǎng)電源模塊、光伏輔助電源模塊和監(jiān)控系統(tǒng)模塊這3部分組成，通過合理的接入控制，形成光伏供電與常規(guī)供電相互補充的區(qū)間設備供電系統(tǒng)，系統(tǒng)框架圖如圖1所示。其中，光伏輔助電源模塊由光伏太陽能板組件、雙軸太陽自動跟蹤子系統(tǒng)、主控系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)、防護裝置等組成。

圖1　基于光伏輔助電源的鐵路區(qū)間設備“H型”供電系統(tǒng)框架圖

5基于光伏輔助電源的鐵路區(qū)間設備供電系統(tǒng)模塊設計

5.1光伏輔助電源模塊設計分析

(1)系統(tǒng)選型分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)既具有獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)獨立、儲能的特點，又能夠與電網(wǎng)供電相互補充，構成供電系統(tǒng)的雙重保護，對供電可靠性要求高的場合，可以作為輔助應急電源，解決因電網(wǎng)供電中斷或不穩(wěn)定造成的電源中斷問題。鐵路區(qū)間閉塞設備具有點多線長，數(shù)量大、布局分散等特點，所以本項目光伏輔助電源系統(tǒng)的接入形式采用分布式系統(tǒng)，在每一個區(qū)間設備點設置一臺獨立的光伏發(fā)電系統(tǒng)，經(jīng)過并網(wǎng)逆變后供給單點負載，在配電網(wǎng)出現(xiàn)故障時也可以靠光伏系統(tǒng)及儲能設備獨立對單點設備供電。

(2)系統(tǒng)優(yōu)化設計為了提升光伏系統(tǒng)的的效率和輔助電源穩(wěn)定性，設計中應考慮以下問題：一是構建由信號輸入，計算單元，控制模塊和通訊模塊等部分組成的太陽雙軸全追蹤系統(tǒng)，提升光伏系統(tǒng)的光電轉換效率；二是進行鋼結構支撐的輕便牢固性優(yōu)化設計，保證系統(tǒng)在惡劣環(huán)境的穩(wěn)定性；

三是采用合理的MPPT算法，提升光伏發(fā)電的可靠性；四是系統(tǒng)防護設計，設置安全工作模式，風雨天氣和夜晚能夠自動回復安全模式。

5.2配電網(wǎng)及光伏系統(tǒng)“H型”接入分析

鐵路區(qū)間設備供電多已采取了主輔供電模式，為了降低改造成本，在加入光伏輔助電源時可不改變原有配電線路，僅通過光伏發(fā)電與原有配電網(wǎng)絡進行“H型”接入進行電氣控制切換。當原有配電網(wǎng)絡正常運行時，可由原網(wǎng)絡為區(qū)間設備供電，當原有主輔配電網(wǎng)絡均出現(xiàn)故障時可自動切換至光伏系統(tǒng)及儲能裝置供電。根據(jù)鐵路信號系統(tǒng)的要求，區(qū)間信號供電中斷時間不能超過0.15s，因此光伏電源與配電網(wǎng)絡電源切換時間應滿足其安全要求。

(3)監(jiān)控系統(tǒng)模塊設計

為滿足鐵路區(qū)間設備供電高可靠性的要求，監(jiān)測模塊包含對雙供電電源的監(jiān)控和對“H型”接入控制的監(jiān)控，實時反饋系統(tǒng)的運行狀態(tài)，保障供電系統(tǒng)的可靠性；輔助電源在原有配電網(wǎng)出現(xiàn)故障時應起到獨立供電的作用，因此其應具有儲能裝置，且應具有較足夠的能量儲備。將儲能裝置其作為監(jiān)測模塊的備用供電，可實現(xiàn)故障狀態(tài)的記憶保護，即使在配電網(wǎng)和光伏系統(tǒng)均出現(xiàn)故障的情況下，依然可以通過備用電源完成故障記憶功能，實現(xiàn)鐵路區(qū)間設備供電的智能監(jiān)測。

6結語

基于光伏輔助電源的鐵路區(qū)間設備供電系統(tǒng)具有獨立的輔助電源，不受配電電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響，可以在配電電網(wǎng)出現(xiàn)故障時通過良好的“H型”接入控制保障區(qū)間設備的有效運行，對改進區(qū)間設備配電可靠性具有良好的作用。因光伏系統(tǒng)成本高、轉換效率低、技術改造難度大等原因，基于光伏輔助電源的鐵路區(qū)間設備供電方案尚未得到廣泛使用，還需通過效率提升研究、成本控制研究等措施，進一步改進系統(tǒng)性能，加強系統(tǒng)方案的普及和推廣。

參考文獻：

[1]陳暉.光伏發(fā)電系統(tǒng)在鐵路應用的探討[J].鐵路通信信號設計，2012(3):23-26.

(本文編輯：趙艷粉)

Application of PV Power Generation Technology in Railway Section Distribution System

LI Ying

(GuangzhouRailwayPolytechnic,Guangzhou510430,China)

Abstract:A power distribution scheme of the railway section equipment based on photovoltaic auxiliary power supply is presented in this paper. For this method, double power supply system was set up through the "H-type" access of the PV power generation system and the original power distribution line. The railway section equipment can be independently powered by the PV system in the event of the power distribution network failures, and dual protection of power supply has been formed. System framework and module design are proposed, and the technical requirements of each module are analyzed.

Key words:PV; auxiliary power supply; section equipment; H-type power supply; design

DOI：10.11973/dlyny201601018

基金項目：廣州市教育系統(tǒng)創(chuàng)新團隊項目——面向軌道裝備的減摩抗磨及修復技術研究與應用創(chuàng)新學術團隊(13C16)

作者簡介：李營(1980)，男，碩士，講師，主要研究方向為機電系統(tǒng)控制技術、機電一體化技術。

中圖分類號：U223.5

文獻標志碼：A

文章編號：2095-1256(2016)01-0083-03

收稿日期：2015-10-22