一種基於光伏發電的鐵路牽引供電系統的製作方法

2024-03-06 23:54:15

本實用新型屬於牽引供電技術領域，特別是涉及一種基於光伏發電的鐵路牽引供電系統。

背景技術：

光伏發電作為一種以太陽能為能量來源的新型發電方式，具有清潔、無汙染、無噪聲、規模可構等特點，是21世紀替代傳統化石能源發電的最佳選擇之一。我國的太陽能資源儲量豐富，太陽能年總輻射量大於1050kW·h/m2的地區佔國土面積的96％以上，因此光伏發電在我國具有良好的發展前景，光伏發電的發展受國家政策的大力支持。

鐵路運輸企業規模龐大，具有點多線長的基本特徵，擁有大量的站舍、庫房、地產等，如果把這些設施最大程度地利用起來，大力開發分布式光伏發電項目，即可節省大量的用電成本，又可拿到國家給予的發電補貼。將光伏電站接入鐵路牽引供電系統具有一次投入、長期受益、節能環保的特點，具有良好的發展前景。

鐵路牽引供電系統是一種將電力系統送來的電能轉變為適用於電力牽引的電能，然後分別輸送至沿鐵路線上空架設的接觸網，為電力機車負荷提供所需電能的供電系統。我國的鐵路牽引供電系統採用單相工頻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。

在所檢國內外公開文獻的範圍內，光伏發電技術雖是當前的研究熱點，但其研究主要集中在交流併網方面，鮮有文獻報導光伏電站接入鐵路牽引供電系統。目前現有的此類供電方案，需要數量較多的逆變器、變壓器，同時光伏發電直接接入接觸網可能對牽引供電系統的保護產生不利影響；並且，需要較大的光伏電站容量和較多的一次設備投資；在此類系統中，常採用蓄電池實現儲電功能，但蓄電池存在充放電功率有限、循環壽命短的問題，面對鐵路牽引負荷大功率、間歇性的特點，經濟性不高。

技術實現要素：

為了解決上述問題，本實用新型提出了一種基於光伏發電的鐵路牽引供電系統，採用自發自用、餘電上網的發電形式，在保證牽引供電系統的正常運行的同時，由電網消費剩餘電量，且結構簡單，投資成本低。

為達到上述目的，本實用新型採用的技術方案是：

一種基於光伏發電的鐵路牽引供電系統，包括光伏發電裝置、光伏逆變器、升壓變壓器、牽引變壓器和牽引供電系統；

所述光伏發電裝置電能輸出端經過光伏逆變器連接至升壓變壓器的一次側埠，所述升壓變壓器的二次側埠連接至牽引供電系統，所述牽引供電系統上還連接有連接至電網輸電線路的牽引變壓器；

其中，所述升壓變壓器採用V/V接線升壓變壓器，以使三相交流電能的電壓等級達到鐵路牽引供電系統所需的電壓等級。V/V接線升壓變壓器接線形式簡單，製造容易，兩相容量可根據需要進行不同配置，容量利用率高，運營費用少，三相Vv接線比單相Vv接線易實現固定備用，對電力系統的負序影響相對較小。

光伏發電裝置中由容量較小的單個光伏組件通過串並聯組成光伏列陣，光伏陣列中的光伏組件的串聯數和並聯數可結合單個光伏組件的功率、光伏逆變器的容量、光伏發電裝置的裝機容量、支架成本和直流線纜成本等因素綜合考慮。

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

進一步的是，所述牽引變壓器包括1號牽引變壓器和2號牽引變壓器。兩臺牽引變壓器互為備用，正常工作時，光伏發電系統所發電能通過主用牽引變壓器接入系統。

進一步的是，所述V/V接線升壓變壓器的一次側與相光伏逆變器三相連接，V/V接線升壓變壓器的二次側中的兩相分別與牽引供電系統中的兩條供電臂相連，V/V接線升壓變壓器的第三相與1號牽引變壓器、2號牽引變壓器相連，且V/V接線升壓變壓器的第三相同時與鋼軌連接，所述鋼軌接地網；形成三相交流供電網絡，以配合牽引供電系統使用。

進一步的是，所述升壓變壓器的一次側額定電壓為相光伏逆變器的額定輸出電壓，二次側額定電壓為27.5kV或55kV，根據牽引供電要求所設定。

進一步的是，所述牽引變壓器以V/V接線形式併入牽引供電系統。

進一步的是，所述牽引變壓器採用V/V接線形式；所述牽引變壓器的一次側額定電壓為110kV或220kV，牽引變壓器的二次側額定電壓為27.5kV或55kV；所述牽引變壓器的一次側與電網輸電線路三相連接，牽引變壓器二次側的兩相分別與牽引供電系統的兩條供電臂相連，牽引變壓器二次側的第三相同時與鋼軌和升壓變壓器相連，所述鋼軌接地網；根據牽引供電系統和電網輸電線路的電壓等級需求而設定，實現電網輸電線路和牽引供電系統之間的電能交互。

進一步的是，系統中還包括電能計量器，所述電能計量器分別位於牽引變壓器的高壓側與電網輸電線路相連的線路上；用以計算牽引供電系統所用電能以及計算光伏電站的餘電上網量，從而與電力系統進行結算。

採用本技術方案的有益效果：

1.採用自發自用、餘電上網的發電形式，即光伏電站所發電能首先滿足牽引負荷的需求，當有多餘電能時，光伏電站所發電能經過牽引變壓器饋送至高壓輸電系統。

2.光伏組件以光伏電站的形式布置於牽引變電所的附近，不需要另行架設天棚，使輸電線路更加整齊，降低了因各種原因導致架設天棚損壞帶來的危險。

3.光伏組件產生的電能經集中逆變、升壓後併入牽引變電所兩條供電臂的交流母線上，一個光伏電站只需一臺升壓變壓器即可接入牽引供電系統，能夠有效防止將光伏發電直接接入接觸網對牽引供電系統的保護產生的影響。

4.本實用新型對於光伏電站的容量要求無限制，且一次設備投資較少。

5.V/V接線升壓變壓器接線形式簡單，只需要2個繞組，可以通過將兩臺單相變壓器組合在一起使用，也可以將兩臺單相變壓器安裝在同一油箱內使用，所需成本較低。V/V接線升壓變壓器能夠使光伏發電、電網以及牽引供電達到最優匹配；能夠完成光伏發電裝置的電壓等級到鐵路牽引供電系統所需的電壓等級的變換；且採用V/V接線形式能夠有效減小對電力系統的負序影響，保證了併網安全。

附圖說明

圖1為本實用新型的一種基於光伏發電的鐵路牽引供電系統的結構示意圖；

圖2為本實用新型實施例中一種基於光伏發電的鐵路牽引供電系統的具體接線圖；

圖3為本實用新型實施例中當牽引變電站的供電範圍內有牽引負荷且光伏電站出力大於牽引負荷時，系統內的電流流向圖；

圖4為本實用新型實施例中當牽引變電站的供電範圍內有牽引負荷且光伏電站出力小於牽引負荷時，系統內的電流流向圖；

圖5為本實用新型實施例中當牽引變電站的供電範圍內無牽引負荷時，系統內的電流流向圖；

其中，11為光伏組件，12為光伏發電裝置，13為光伏逆變器，14為升壓變壓器，15為1號牽引變壓器，16為2號牽引變壓器，17為牽引供電系統，18為牽引負荷，19為電能計量器，20為電網輸電線路。

具體實施方式

為了使本實用新型的目的、技術方案和優點更加清楚，下面結合附圖對本實用新型作進一步闡述。

在本實施例中，參見圖1所示，本發明提出了一種基於光伏發電的鐵路牽引供電系統，包括光伏發電裝置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17；

所述光伏發電裝置12電能輸出端經過光伏逆變器13連接至升壓變壓器14的一次側埠，所述升壓變壓器14的二次側埠連接至牽引供電系統17，所述牽引供電系統17上還連接有連接至電網輸電線路20的牽引變壓器。

其中，所述升壓變壓器14採用V/V接線升壓變壓器；以使三相交流電能的電壓等級達到鐵路牽引供電系統17所需的電壓等級。

光伏發電裝置12中由容量較小的單個光伏組件11通過串並聯組成光伏列陣，光伏陣列中的光伏組件11的串聯數和並聯數可結合單個光伏組件11的功率、光伏逆變器13的容量、光伏發電裝置12的裝機容量、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應具有最大功率跟蹤MPPT功能，以保證光伏陣列能夠儘可能多地輸出電能。對所述光伏逆變器13的選擇，可結合設備成本、線纜成本、施工成本等因素綜合考慮。

作為上述實施例的優化方案，所述牽引變壓器包括1號牽引變壓器15和2號牽引變壓器16。兩臺牽引變壓器互為備用，正常工作時，光伏發電系統所發電能通過主用牽引變壓器接入系統。

所述V/V接線升壓變壓器的一次側與光伏逆變器13三相連接，V/V接線升壓變壓器的二次側中的兩相分別與牽引供電系統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號牽引變壓器15、2號牽引變壓器16相連，且V/V接線升壓變壓器的第三相同時與鋼軌連接，所述鋼軌接地網；形成三相交流供電網絡，以配合牽引供電系統17使用。

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

所述牽引變壓器以V/V接線形式併入牽引供電系統17。

其中，所述牽引變壓器採用V/V接線形式；所述牽引變壓器的一次側額定電壓為110kV或220kV，牽引變壓器的二次側額定電壓為27.5kV或55kV；所述牽引變壓器的一次側與電網輸電線路20三相連接，牽引變壓器二次側的兩相分別與牽引供電系統17的兩條供電臂相連，牽引變壓器二次側的第三相同時與鋼軌和升壓變壓器14相連，所述鋼軌接地網；根據牽引供電系統17和電網輸電線路20的電壓等級需求而設定，實現電網輸電線路20和牽引供電系統17之間的電能交互。

具體實施時：接入光伏電站的牽引供電系統17，含有1號牽引變壓器15和2號牽引變壓器16，兩臺牽引變壓器互為備用，且均採用V/V接線；所述牽引變壓器的一次側額定電壓為110kV或220kV，視牽引變電站所取電的電力系統的電壓等級而定，其二次側額定電壓為27.5kV或55kV；所述牽引變壓器的一次側與高壓輸電系統三相連接，其二次側的兩相分別與牽引變電站供電區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，同時與鋼軌連接以接地網。

作為上述實施例的優化方案，系統中還包括電能計量器19，所述電能計量器19分別位於牽引變壓器的高壓側與電網輸電線路20相連的線路上；用以計算牽引供電系統17所用電能以及計算光伏電站的餘電上網量，從而與電力系統進行結算。

具體實施時：接入光伏電站的牽引供電系統17，含有兩處電能計量點，電能計量點的作用是計算牽引供電系統17所用電能以及計算光伏電站的餘電上網量，從而與電力系統進行結算。所述電能計量點位於光伏電站併網點之前，即電能計量點位於兩臺牽引變壓器的高壓側110kV或220kV與電力系統相連。

本發明實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，牽引變壓器採用V/V接線形式，其二次側的兩相分別與牽引變電站供電區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的二次側中的兩相分別與牽引變電站供電區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17為機車負載提供電能，其中鋼軌接地網。

本實用新型工作原理，如圖3-5所示：

當牽引供電系統17的供電範圍內有牽引負荷18時，光伏發電裝置12所發的電能將首先滿足牽引負荷18的需求，若此時光伏發電裝置12的出力大於牽引負荷18的需求，多餘的電能將通過牽引變壓器饋送至電網輸電線路20，若此時光伏發電裝置12的出力小於牽引負荷18的需求，則不足的電能將通過牽引變壓器由電網輸電線路20輸送至牽引供電系統17；當光伏發電裝置12的供電範圍內無牽引負荷18時，光伏發電裝置12所發的全部電能將通過牽引變壓器饋送至電網輸電線路20。

以上顯示和描述了本實用新型的基本原理和主要特徵和本實用新型的優點。本行業的技術人員應該了解，本實用新型不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本實用新型的原理，在不脫離本實用新型精神和範圍的前提下，本實用新型還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本實用新型範圍內。本實用新型要求保護範圍由所附的權利要求書及其等效物界定。