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光伏发电在铁路区间设备的应用

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摘要:

提出了一种基于光伏辅助电源的铁路区间设备配电方案,将光伏发电系统与铁路区间设备原有配电线路通过“H型”接入构成双供电系统,当配电网络发生故障时,可切换到光伏系统单独供电,实现设备电力供应的双重保护。提出了该配电方案的系统框架与模块设计,并对各模块技术要求进行了分析。

关键词:

光伏;辅助电源;区间设备;“H型”供电;设计

铁路的供电网络由动力牵引供电和信号辅助系统供电两部分构成,分别称为供电系统和配电系统,供电系统为机车行驶提供动力电源,配电系统为铁路区间闭塞设备(简称区间设备)和其他辅助设备等供电,两套系统相对独立,一般由相互隔离的线路分别输送。区间设备多为双路独立电源供电,包含主配电和备用配电两个部分,通过电气控制线路进行切换。传统的配电形式对电网可靠性依赖较大,如遇到配电电网故障时,会造成区间设备失效。2008年因冰灾造成了京广线部分区域电网供电中断,主配电与辅助配电均失效,导致区间设备停止工作,行车信号、道岔等需要通过人工操作完成,造成华南地区春运期间大量旅客滞留。因此,为铁路区间设备建立独立、可靠的辅助电源,解决因配电网故障造成信号系统瘫痪问题成为铁路安全运输不得不考虑的问题。

1铁路配电系统的主要形式

1.1相关概念所谓“区间”,是指两个车站或者两个铁路变电所之间的线路。两个相邻车站间的区间称为站间区间;相邻变电所之间的区间称为所间区间。所谓“闭塞”,是指为保证行车安全,通过电气控制将列车运行的线路区间进行全封闭或者分段封闭,防止同区段内的对向列车和同向列车因时序安排不当而造成对撞或追尾等事故。所谓“H型”供电,是指主电源与备用电源并列供电。《铁路信号维护规则》第12.2.1条规定,铁路信号设备输入电源供电方式有一主一备和两路同时供电2种方式,其中两路同时供电方式即为“H型”供电,这种情况下由主副两路电源并列运行,当一路电源关闭或发生故障时,自动切换至另一路电源。

1.2区间设备的主要供电形式目前,国内铁路基本上都实现了自动闭塞,并配置了较完善的区间设备及配电系统,供电形式从宏观上划分可分为集中式和分散式两种。为了避免单一供电产生故障造成的供电失效问题,一般多由两路独立的供电线路构成主附电源,通过电力互供的方式保障区间设备供电的可靠性。常采用的互供形式包含单回路供电和双回路供电两种,其中单回路供电又包含三点三线式、三点两线式、点集式等供电形式,各种供电方式原理及特点如表1所示。

2区间设备供电存在的主要问题

(1)电源配置对牵引变电所提供电源依赖性强从区间设备各种配电形式来看,配电电源一般引自牵引供电电源,当牵引电源出现故障时,区间设备配电系统将一同失效。因此,在发生自然灾害、供电网失效或不稳定时,会造成区间设备停止工作,为铁路的安全运行带来隐患。(2)配电技术发展缓慢,自动化程度低相对于牵引变电技术的发展,区间设备的配电技术发展缓慢,自动化程度不高。考虑到安全、成本等因素,配电技术的技术革新较为谨慎,国内仍有部分铁路配电沿用20世纪80、90年代的技术,自动化程度低,线路老化,出现故障时较难找到故障和及时排除,增加了维修的成本和难度。(3)缺乏带有储能功能的独立监控电源,断电后没有数据的现场保护监测系统应是一个独立的辅助系统,其工作电源一般取自信号电源系统的直流输出,当配电系统断电时,监控子系统同时掉电,无法继续监测及对故障情况进行现场保护,造成设备故障分析困难。如能在电源屏上增加具有储能的辅助电源模块,在两路电都断电时为监控子系统补充供电,可有效避免此类问题的发生。

3光伏发电在我国铁路领域的应用现状与趋势

在1975年,光伏发电技术就在铁路系统进行试用并逐渐拓展,1984年铁道部编制了《硅太阳能电源光电参数及容量选择》。通过多年的试用和技术发展,光伏发电在铁路信号与通信设备上应用逐渐增多,并在测试、施工、维护等方面形成了一定经验与标准。随着电气化铁道技术的发展,铁路对供配电系统的可靠性、功率等要求越来越高,而此时国家电力行业发展迅猛,电力行业走向市场化,电网覆盖区域逐渐增大,可靠性和稳定性不断提升,带动了铁路供配电网络建设。因此,光伏发电技术在铁路领域的应用受到了限制,其成本高、容量低等缺点逐渐显现,早年推广的铁路光伏设备也逐渐被传统供电网取代,改由贯通电线路或自闭电线路供电[1]。从未来发展来看,传统能源的紧缺成为全世界面临的问题,各国都在可再生能源利用上加大扶持力度,为太阳能在铁路行业的广泛利用带来政策环境。同时,铁道部为配合西部大开发战略,正在或计划修建数条西部铁路线,而西北地区地广人稀,常规供电网建设存在不足,为太阳能资源的利用带来广阔前景。更重要的是现有铁路配电系统过分依赖牵引变电所提供外部电源,在发生自然灾害、供电系统故障或不稳定时会产生信号系统终端瘫痪、监测记录缺失等隐患,增加具有独立、储能特点的光伏系统辅助供电系统,可有效解决应急条件下的辅助供电问题。

4基于光伏辅助电源的铁路区间设备“H型”供电系统框架

基于光伏发电的诸多优点,探索将光伏发电技术应用于铁路区间设备的辅助供电,建立基于光伏辅助电源的铁路区间设备“H型”供电系统。该系统由原配电网电源模块、光伏辅助电源模块和监控系统模块这3部分组成,通过合理的接入控制,形成光伏供电与常规供电相互补充的区间设备供电系统,系统框架图如图1所示。其中,光伏辅助电源模块由光伏太阳能板组件、双轴太阳自动跟踪子系统、主控系统、储能系统、防护装置等组成。

5基于光伏辅助电源的铁路区间设备供电系统模块设计

5.1光伏辅助电源模块设计分析(1)系统选型分布式光伏发电系统既具有独立光伏发电系统独立、储能的特点,又能够与电网供电相互补充,构成供电系统的双重保护,对供电可靠性要求高的场合,可以作为辅助应急电源,解决因电网供电中断或不稳定造成的电源中断问题。铁路区间闭塞设备具有点多线长,数量大、布局分散等特点,所以本项目光伏辅助电源系统的接入形式采用分布式系统,在每一个区间设备点设置一台独立的光伏发电系统,经过并网逆变后供给单点负载,在配电网出现故障时也可以靠光伏系统及储能设备独立对单点设备供电。(2)系统优化设计为了提升光伏系统的的效率和辅助电源稳定性,设计中应考虑以下问题:一是构建由信号输入,计算单元,控制模块和通讯模块等部分组成的太阳双轴全追踪系统,提升光伏系统的光电转换效率;二是进行钢结构支撑的轻便牢固性优化设计,保证系统在恶劣环境的稳定性;三是采用合理的MPPT算法,提升光伏发电的可靠性;四是系统防护设计,设置安全工作模式,风雨天气和夜晚能够自动回复安全模式。

5.2配电网及光伏系统“H型”接入分析铁路区间设备供电多已采取了主辅供电模式,为了降低改造成本,在加入光伏辅助电源时可不改变原有配电线路,仅通过光伏发电与原有配电网络进行“H型”接入进行电气控制切换。当原有配电网络正常运行时,可由原网络为区间设备供电,当原有主辅配电网络均出现故障时可自动切换至光伏系统及储能装置供电。根据铁路信号系统的要求,区间信号供电中断时间不能超过0.15s,因此光伏电源与配电网络电源切换时间应满足其安全要求。(3)监控系统模块设计为满足铁路区间设备供电高可靠性的要求,监测模块包含对双供电电源的监控和对“H型”接入控制的监控,实时反馈系统的运行状态,保障供电系统的可靠性;辅助电源在原有配电网出现故障时应起到独立供电的作用,因此其应具有储能装置,且应具有较足够的能量储备。将储能装置其作为监测模块的备用供电,可实现故障状态的记忆保护,即使在配电网和光伏系统均出现故障的情况下,依然可以通过备用电源完成故障记忆功能,实现铁路区间设备供电的智能监测。

6结语

基于光伏辅助电源的铁路区间设备供电系统具有独立的辅助电源,不受配电电网稳定性的影响,可以在配电电网出现故障时通过良好的“H型”接入控制保障区间设备的有效运行,对改进区间设备配电可靠性具有良好的作用。因光伏系统成本高、转换效率低、技术改造难度大等原因,基于光伏辅助电源的铁路区间设备供电方案尚未得到广泛使用,还需通过效率提升研究、成本控制研究等措施,进一步改进系统性能,加强系统方案的普及和推广。

作者:李营 单位:广州铁路职业技术学院

光伏发电在铁路区间设备的应用责任编辑:杨雪    阅读:人次