摘要：随着分布式光伏发电技术的发展，将其接入轨道交通供电系统成为一种创新的尝试。然而，这一举措势必会对轨道交通内部供电系统产生一系列影响。为了充分发挥光伏发电的优势并减少其对轨道交通供电系统的不利影响，需要采取相应的技术措施和管理策略进行应对。本文以某地区城际铁路光伏实证案例为研究对象，通过理论分析和实证案例研究的方法，对分布式光伏发电技术在城市轨道交通供电系统中的应用产生的技术兼容性问题（功率因数、电量计量、逆流路径及电能质量四个维度）展开分析，并提出解决方案，减少光伏对电网的稳定性和安全性的威胁，相关成果可以为同类型项目提供一些借鉴。

关键词：供电系统；分布式光伏；电能质量

引言

我国正处于能源结构转型的关键时期，轨道交通行业作为用电大户，其用电需求与光伏发电的时段高度契合。光伏发电的高峰期通常出现在白天，而轨道交通的用电高峰也主要集中在白天运营时段。这种时间上的匹配使得光伏发电能够被轨道交通系统就地消纳，减少电能的长距离传输，从而降低线路损耗，提高能源利用效率。分布式光伏发电与轨道交通的结合优势，就地消纳，通常安装在用户附近，如轨道交通的站点、车辆段、停车场等场所。这种就近发电、就近使用的模式能够有效减少电能的长距离传输，降低传输过程中的能量损耗。分布式光伏发电系统规模相对较小，安装灵活，能够根据轨道交通的用电需求进行灵活配置。例如，可以在车站屋顶、停车场顶棚、甚至轨道沿线安装光伏板，充分利用现有空间资源。通过分布式光伏发电，轨道交通系统可以在一定程度上实现自给自足，减少对传统电网的依赖。这不仅能够提高能源安全性，还能在电网出现故障时提供一定的备用电源。光伏发电是一种清洁能源，使用光伏发电可以减少轨道交通系统的碳排放，助力实现“双碳”目标（碳达峰、碳中和）。随着光伏发电技术的成熟和成本的下降，分布式光伏发电的经济性逐渐显现。轨道交通系统通过自建光伏发电设施，可以降低用电成本，尤其是在电价较高的地区，经济效益更为显著。我国能源结构转型背景下，轨道交通作为高耗能领域，其用电需求与光伏发电特性高度匹配。分布式光伏的“就近发电、就地消纳”模式，可精准对接轨道交通的分散式用电场景，形成“绿色供能-高效用能”闭环，成为城市低碳化发展的典型示范。

1 案例介绍

1.1 某轨道交通供电系统情况

该轨道交通系统采用了牵引变电所与电力变配电所合建共用的设计，其中牵引变电所电压等级为 110kV/27.5kV，用于供给正线及车辆基地列车用电；电力变配电所电压等级为 110kV/20kV，用于供给沿线车站及车辆基地的设备和生活用电。

主所供电系统采用两回独立 110kV 电源进线，110kV 侧采用内桥接线方式，110kV 牵引变压器采用 1 台运行 1 台备用运行方式，110 kV 电力变压器分别采用 2 台分列运行方式，通过两段 20kV 环网给沿线各车站供电。主所供电系统图见图 1。

1.2 光伏接入情况

各车站降压所电压等级为 20kV/0.4kV，光伏并网点位于动力变压器低压侧母线处，接入电压等级为 0.4 kV，采用“自发自用，余电上网”[1]，的消纳方式，与国家电网公共连接点位于主所 110 kV 进线一处。分布式光伏接入轨道交通内部接线图见图 2。

图 2 分布式光伏接入轨道交通内部接线图

1.3 电能表计位置及电量计算情况

主所电量计量方式：主所共有 4 块表计，用于精确计量电量消耗。其中 2 块总表分别位于 110kV 进线一和 110kV 进线二处，它们负责计量 2 条 110kV 电源进线所消耗的电量。另外 2 块子表则位于 110kV 电力变压器高压侧，分别计量 1#电力变压器和 2#电力变压器所消耗的电量。由于列车牵引用电和生活用电的用电分类不同，因此牵引用电量的计算方式为：2 块进线表计电量之和减去 2 块电力表计电量之和。

主所功率因数考核方式：主所功率因数考核点设在主所 110kV 电源进线处。考核方式为将 2 块总表的电量之和作为计算依据，不分开单独计算。

光伏发电量计量与消耗计算：光伏各并网点处均设有专门的计量表，用于准确计量光伏发电量。轨道交通消耗的光伏电量计算方式为：本主所范围内各并网点光伏发出的有功电量之和，减去本主所 110kV 进线一总表的反向有功电量。

2 光伏接入后的影响

2.1 功率因数

分布式光伏并网后导致主所功率因数下降的主要原因是光伏并网点位于电容补偿器CT 采样点之后。

当光伏并网点位于电容补偿器 CT 采样点前时，CT 采样点之前可以视为电源侧，之后视为负载侧。此时，CT 监测到的是真实负载电流，电容补偿器会按照原有的逻辑进行动作，不会导致异常。然而，当光伏并网点位于电容补偿器 CT 采样点之后时，就相当于在 CT 采样点之后增加了一个电源。这种情况下，CT 监测到的电流会小于真实负载电流。特别是在光伏发电功率大于负载功率时，还会出现反向电流。这时，二象限无功补偿器可能会错误地判断有容性无功产生，从而切除电容补偿器，导致功率因数下降。因此，为了避免分布式光伏并网后导致主所功率因数下降，需要合理设计光伏并网点的位置，确保电容补偿器能够正确监测和补偿无功功率。同时，也需要选择功能完善、补偿精度高的无功补偿装置，以适应分布式光伏并网后的电力系统变化。

2.2 电量计量

分布式光伏并网后导致轨道交通消耗光伏电量计量不准确。由于列车到站制动时会产生反向有功电能，若这部分反向有功电量无法被系统内部完全消纳，就会在 110kV 进线一总表处检测到反向有功电量。这种情况在夜间光伏不发电以及光伏余电上网时尤为明显。原本用于计算轨道交通消耗光伏电量的公式是：本主所范围内各并网点光伏发出的有功电量之和减去本主所 110kV 进线一总表的反向有功电量。但这个公式成立的前提是，主所 110kV 进线一总表检测到的反向有功电量全部由光伏产生。然而，实际情况可能并非如此。当主所 110kV 进线一总表处检测到的反向有功电量实际上为光伏发电电量和列车制动产生电量之和时，通过原公式计算出的轨道交通消耗光伏的电量数值就会变小，从而导致电量计量不准确。因此，为了更准确地计量轨道交通消耗的光伏电量，需要考虑列车制动产生的反向有功电量对计量结果的影响，并对计算公式进行相应的修正。

2.3 光伏发电逆流

光伏余电上网在特定情况下需防止返送电量通过其他路径接入国家电网，特别是在轨道交通电力系统中需特别注意

在光伏“自发自用，余电上网”的模式下，当光伏发电量超出用户自用需求时，多余的电力会自动送入公共电网。然而，在轨道交通电力系统中，由于通常采用双电源模式，且车站降压所低压侧采用单母线分段接线方式，存在进线开关和母联开关的电气联锁。当其中一台动力变压器因故退出运行时，母联开关会合闸，由另一台动力变压器承担全部负载。重要的是，由于光伏和国家电网的公共连接点位于主所 110kV 进线一处，当本所 0.4kVⅠ母线因故退出运行或由 0.4kVⅡ母线通过母联开关供电时，如果光伏发电设备未能及时退出，其返送的电量可能会通过主所 110kV 进线二接入国家电网，这可能对电网的稳定性和安全性构成威胁。因此，在轨道交通电力系统中，需要特别注意光伏余电上网的情况，确保在必要时光伏发电设备能够及时退出，以防止返送电量通过其他路径接入国家电网。这通常需要通过合理的电气设计和控制措施来实现，以确保电网的安全稳定运行。

2.4 电能质量

分布式光伏并网后导致轨道交通供电系统电能质量下降。

光伏系统的输出功率受到光照、温度等自然因素的影响，具有不确定性，可能会导致电压和频率的不稳定。同时，光伏并网逆变器在将直流电能转化为交流电能产生大量的谐波，轨道交通线路区间分布式光伏分散多点接入电力供电系统，存在多个谐波源，会导致谐波能量的积累，易造成电力供电系统的谐波污染，谐波污染会引起线损增加、设备被损坏、电能计量不准确等问题。当接入轨道交通供电系统的光伏发电容量合理的情况下，可以在一定程度上改善电压分布，但不合理的接入将改变系统潮流，导致电压质量劣化。不同的光伏接入位置、接入容量和功率因数都会对系统电压质量产生影响。同时，电气化铁路牵引负荷也具有很强的间歇性、冲击性和随机性，负荷和光伏出力的不确定性会造成 PCC 点处的电压幅值频繁、剧烈波动，产生较大的电压偏差。分布式光伏发电接入轨道交通电力供电系统后会提升线路的电压水平，引起电压偏差。传统的集中供电的配电网，一般呈辐射状结构，电能在配电线路上从电源向负载单方向流动。稳态运行状态下，沿着配电线路上功率流动的方向，电压是逐渐降低的。接入分布式电源后，由于配电馈线上的传输功率减小（在负荷侧有了电源，降低了对原来电网中电源的供电要求），以及分布式电源输出的无功功率的支持，使得配电馈线上的各负荷节点处的电压被抬高，导致一些负荷节点产生电压偏差。

3 交通供电系统影响解决策略

3.1 功率因数解决

将光伏并网点改至CT 采样点之前，可以让电容补偿器采样点监测到真实负载电流，从而由电容器提供足够的无功补偿。更换四象限无功补偿控制器。原有的无功补偿控制器无法满足光伏并网后无功补偿控制要求，电容器组不能准确动作，四象限无功补偿控制器能够准确识别系统无功电能的四象限变化，确保在任何情况下都能够准确控制电容器组的投退，从而避免了因电容器组误动作或不动作而导致的无功补偿异常问题[2]。调整光伏逆变器无功功率输出。正常情况下，从经济利益角度考虑，光伏逆变器输出的有功功率占比越大，则光伏发电带来的收益越高。一般光伏逆变器输出的功因数能达到 0.99。然而，从用户角度考虑，除了希望光伏逆变器提供有功电量外，还希望其能提供足够的无功电量。无功电量在电力系统中同样重要，它主要用于维持电网的电压稳定和功率因数。通过降低光伏逆变器的输出功率因数，可以让逆变器提供更多的无功电量，从而减少设备从国家电网获取的无功电量。可以提高整个电力系统的功率因数，增强电网的稳定性和效率。

3.2 电量计量解决

在主所牵引变压器高压侧装设电能计量子表。由于列车制动产生的反向有功电量无法被准确计量，则我们可以在牵引变压器高压侧装设 1 块计量子表，从而能准确得到牵引部分的 电量[3]。 轨道交通消耗光伏电量计算公式就变为本主所范围内各并网点光伏发出的有功电量之和减本主所 110 kV 进线一总表反向有功电量，再减牵引变压器高压侧子表的反向有功电量。

3.3 光伏逆流解决

光伏逆变器具备防孤岛功能且动作时间小于母联断路器动作时间。当0.4kVⅡ母线通过母联开关给0.4kVⅠ母线供电时，如果光伏逆变器未能及时检测到这种供电方式的改变并断开连接，就可能误判为本所供电系统正常工作，继续发电。这将导致光伏系统产生的电能无法被本所消耗，而可能通过本主所 110kV 进线二位置反向注入电网，产生反向有功电量。不可在主所 110 kV 进线二位置加装防逆流装置，因为该位置的反向有功电量会导致防逆流装置误动作。光伏防逆流装置的原理是在关口处采用智能电表或电流互感器实时监测电流的大小和方向。当检测到有电流流向国家电网时，装置会向光伏逆变器发出信号。逆变器接收到信号后，会调整输出功率或停止输出，以确保电流不会逆流回电网，从而实现防逆流的功能。然而，在案例中，主所中的两台牵引变压器采用 1 主 1 备的运行方式。当 2#牵引变压器运行时，110kV 进线二位置可能会产生反向有功电量。这种反向有功电量会被防逆流装置误认为是逆流电流，从而触发保护机制，导致防逆流装置误动作。

3.4 电能质量改善谐波污染问题可通过将有源滤波器并联到逆变器之中，同时通过在逆变器控制中引入谐波补偿策略，保障电压源逆变器输出电流的稳定性，从而解决谐波问题。在太阳光变化剧烈的情况下，并网侧谐波含量较高，影响系统的安全运行，造成供电质量的恶化[4]。光伏逆变器控制参数会导致不同的谐波特性，在光伏系统稳定运行范围内，通过合理选择控制参数可以抵抗电网背景谐波，降低谐波畸变程度。

《GB/T19964-2012 光伏发电站接入电力系统技术规定》中提到，光伏发电站接入后，所接入公共连接点的电压偏差应满足 GB/T12325 的要求。国家标准《GB/T12325-2008 电能质量供电电压偏差》规定：20kV 及以下三项供电电压偏差为标称电压的 +7% ，-7%，故电压的偏差在规定的范围内可不需要治理。加装分布式无功补偿可以分散无功补偿源，提高供电系统的总体电压控制能力。分布式无功补偿可以改善潮流分布，降低线路功率损耗，提高供电系统的整体性能。通过逆变器智能控制技术，根据供电系统电压情况实时调节光伏出力，避免光伏并网引起的电压波动和失稳。

4 结束语

通过实际案例对光伏发电接入后轨道交通供电系统的功率因数、电量计量、逆流以及电能质量四个方面进行了研究和分析，主要结论如下：

光伏并网后会可能导致轨道交通用电功率因数下降。经过合理设计光伏并网点和电容补偿器CT 的位置顺序，确保电容补偿器能够正确监测和补偿无功功率。同时，选择功能完善、补偿精度高的无功补偿装置，以适应分布式光伏并网后的电力系统变化。光伏并网后可能导致轨道交通消耗光伏电量计量不准确，需要考虑列车制动产生的反向有功电量对计量结果的影响，并对计算公式进行相应的修正。光伏余电上网在特定情况下通过其他路径接入国家电网，可能对电网的稳定性和安全性构成威胁。需要合理的电气设计和控制措施来实现，以确保电网的安全稳定运行光伏并网后会造成供电系统电能质量下降，通过将有源滤波器与逆变器并联，加装分布式无功补偿以及逆变器智能控制技术来避免电网的波动和失稳。随着轨道交通行业的快速发展，越来越多的光伏项目接入轨道交通供电系统，光伏与轨道交通的合作模式将有着更广阔的发展前景。

参考文献

[1]邵红星.分布式光伏并网导致功率因数变低的 例分析及解决方案[J].电力电容器与无功补偿，2024，45（4）：47-49

[2]刘昊，李克飞.太阳能光伏发电系统在城市 车 中的应用研究[J].现代城市轨道交通 ，2022（08）：38-41.

[3]靳忠福.光伏发电在城市轨道交通中的应用及其关键技术[J].城市轨道交通研究 ，2020，23（12）：186-188.

[4]倪卫标，沈小军，赵时旻，等.光伏发电系统接入城市轨道交通供电系统模式研究[J].城市轨道交通研究， 2014， 17（11）

作者简介：罗锋，男，汉族，1981.06-，湖北宜城人，硕士研究生，工程师，研究方向：分布式光伏设备安装