牵引供电系统中光伏逆变器两相SVC优化控制方法与流程

本发明属于牵引供电技术领域，特别是涉及牵引供电系统中光伏逆变器两相SVC优化控制方法。

背景技术：

光伏发电具有清洁、无污染、无噪声、规模可构等特点，是解决能源危机的最佳选择之一。目前光伏发电的发展正受国家政策的大力支持，光伏发电技术的快速发展为其在铁路领域的推广应用提供了契机。铁路运输企业规模庞大，拥有大量的站舍、库房、地产等，如果把这些设施最大程度地利用起来，大力开发分布式光伏发电项目，即可节省大量的用电成本，又可拿到国家给予的发电补贴，前景可观。

在牵引供电系统中，无功、谐波、负序是几个需要解决的电能质量问题。电力机车根据传动系统的不同可分为交直传动型和交直交传动型。交直传动型电力机车采用整流桥相控调压，使得其功率因数较低，在cosφ＝0.8左右；交直交传动型电力机车使用了四象限变换器进行整流/逆变，因此其功率因数较高，接近单位功率因数。由于牵引供电系统接线角的影响，牵引负荷的功率因数对于电力系统来说会有进一步的改变。无论是交直传动型还是交直交传动型电力机车，都是牵引供电系统中的谐波源，交直传动型电力机车的电流畸变率较大，交直传动型电力机车的电流畸变率较小，两者的特征谐波都是所有奇数次谐波，并且谐波含有率随谐波次数的增大快速衰减，同时谐波的初相角分布广泛，幅值随机波动剧烈。牵引供电系统的负序问题来源于牵引供电系统的接线角以及两条供电臂上的不平衡负荷，由于两臂的机车数量、机车类型和机车工况不同，两臂的负荷电流往往是不相等的，再加上牵引供电系统接线角的影响，即使经过一定的补偿后，仍会产生大量的负序电流。

为解决牵引供电系统的电能质量问题，往往需要在牵引变电站安装动态补偿装置；而当光伏发电接入牵引供电系统后，牵引供电系统中电流的幅值和相位都会发生改变。

在实际工作中，光伏逆变器具有一定的无功调节能力，并非始终保持单位功率因数输出；在此条件下，会造成牵引供电系统所需的补偿电流以及所产生的负序电流均与原运行方式有所不同，使得牵引供电系统的功率因数较低、负序电流较大，对于牵引供电系统的电能质量有较大的影响。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提出了牵引供电系统中光伏逆变器两相SVC优化控制方法，使得在加入光伏发电系统的牵引供电系统的功率因数尽可能高、负序电流尽可能小，从而提高了系统的电能质量，确保系统供电安全可靠。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：牵引供电系统中光伏逆变器两相SVC优化控制方法，包括步骤：

S100，由检测装置实时检测牵引供电系统两条供电臂上a和b相的电压和电流信息，检测电力系统A相的电压信息，以及检测光伏发电系统的实时输出功率；

S200，根据牵引供电系统a和b相供电臂上设置的SVC的安装容量大小以及a和b相的实时电压大小确定a和b相补偿电流的可行值区间；

S300，根据光伏发电系统的实时输出功率、光伏逆变器的最大无功调节性和光伏逆变器的最大输出视在功率，确定光伏逆变器输出相角的可行值区间；

S400，在a相供电臂补偿电流的可行值区间内等距取i个点，在b相供电臂补偿电流的可行值区间内等距取j个点，在光伏逆变器输出相角的可行值区间内等距取k个点，则光伏逆变器和两相SVC的运行状态总共有ijk种组合；

S500，以电力系统A相电压信息为基准，结合牵引供电系统a、b相电压和电流信息，计算在光伏逆变器和两相SVC在ijk种组合的运行状态下的三相功率因数大小和负序电流大小；

S600，将上述计算结果中三相功率因数的结果记为数组PF；将上述计算结果中负序电流的结果以无光伏发电系统和无补偿时系统内的负序电流大小为基准值作归一化处理，记为数组NS；取PF-NS的最大值所对应的工作状态作为光伏逆变器和两相SVC的最佳运行状态；

S700，将所得最佳运行状态中光伏逆变器的输出相角信息送至光伏逆变器中，以控制光伏逆变器的功率因数；将所得最佳运行状态中a和b相补偿电流根据对应SVC的安装容量和a和b相电压的实时值计算两相SVC中TCR的等效电纳，再将等效电纳转换为晶闸管的触发延迟角，送至a和b相的SVC，以控制a和b两相的补偿电流大小。

进一步的是，所述步骤S100中，提取电力系统A相的电压的相位，构成电力系统A相的电压信息；提取牵引供电系统a相和b相电压和电流的幅值和相位，构成牵引供电系统a相和b相电压和电流信息；

通过实时检测系统中电力系统A相电压相位、光伏电站的实时输出功率，以及牵引供电系统a相和b相供电臂电压和电流的幅值、相位信息，计算得到光伏逆变器两相SVC的最佳运行状态，使牵引供电系统对于电力系统来说三相功率因数尽可能大，负序电流尽可能小。

进一步的是，所述步骤S200中，牵引供电系统a相和b相供电臂的补偿电流可行值区间通过a相和b相的SVC安装容量大小以及a、b两相的实时电压大小来确定，具体方法为：

其中I_aq和I_bq为a相和b相的补偿电流大小，Q_Camax和Q_Lamax分别为a相SVC中FC和TCR的安装容量(27.5kV下)，Q_Cbmax和Q_Lbmax分别为b相SVC中FC和TCR的安装容量，U_a和U_b分别为a相和b相的实时电压大小，同时定义容性无功电流为正，感性无功电流为负。

进一步的是，所述步骤S300中，光伏逆变器输出相角的可行值区间通过光伏发电系统的实时输出功率、光伏逆变器的最大无功调节性和光伏逆变器的最大输出视在功率确定，在光伏发电系统输出功率较小时，保证光伏逆变器的最大无功调节性，在光伏发电系统输出功率较大时，保证光伏逆变器的最大有功功率输出，具体方法为：

其中PF_inv为光伏逆变器在最大无功调节时的功率因数，θ_inv为光伏逆变器的输出电流相角，P_pv为光伏发电系统的实时输出功率，S_inv为光伏逆变器最大输出视在功率。

进一步的是，所述步骤S400中，对i、j、k的取值应当结合控制器的运算能力以及系统对于光伏逆变器和两相SVC的运行状态的更新周期综合考虑。

进一步的是，所述步骤S500中，三相功率因数按照以下公式计算：

其中P_A、P_B和P_C分别为电力系统侧三相的有功功率，S_A、S_B和S_C分别为电力系统侧三相的视在功率；

负序电流的大小按照以下公式计算：

其中I^(-)表示负序电流，i_A、i_B和i_C分别表示电力系统侧的三相电流的相量，单位相量算子a＝e^j120°。

进一步的是，所述步骤S600中，由于所述计算结果中功率因数显然是在[0,1]中的实数，而负序电流的数量级不确定，因此为了便于最佳运行状态的选择，将负序电流进行归一化处理，基准值选择为无光伏发电系统和无补偿时系统内的负序电流大小，上述过程可表示为下式所示的优化目标：

max PF-NS。

进一步的是，所述步骤S700中，将所得最佳运行状态中a和b相补偿电流根据对应SVC的安装容量和a和b相电压的实时值计算两相SVC中TCR的等效电纳，具体方法为：

其中B_La和B_La分别为计算得到的a和b相SVC中TCR的等效电纳；再将等效电纳转换为晶闸管的触发延迟角，送至a和b相的SVC，以控制两相的补偿电流大小，由于TCR的触发延迟角与等效电纳表现为非线性的关系，触发延迟角的确定参考下式所示关系：

其中B_L为电抗器等效电纳，δ为TCR的触发延迟角，L为电抗器电感值。

另一方面，本发明提出光伏逆变器两相SVC的牵引供电系统，其特征在于，包括光伏发电系统、牵引供电系统和电力系统，

其中牵引供电系统通过V型接线的牵引变压器与电力系统三相连接，光伏发电系统与牵引供电系统依次通过光伏逆变器和升压变压器相互三相连接，牵引供电系统中两条供电臂之间设置有a相SVC结构和b相SVC结构；a相SVC结构设置在a相供电臂上，b相SVC结构设置在b相供电臂上。

进一步的是，所述a相SVC结构或b相SVC结构包括FC和TCR，其中FC和TCR相互并联。

进一步的是，所述FC为与电容器串联的电抗器，所述TCR为与晶闸管串联的电抗器。

采用本技术方案的有益效果：

本发明提供的牵引供电系统中光伏逆变器两相SVC优化控制方法，其控制系统包含输入、运算、输出三部分；系统实时监测电力系统A相电压、牵引供电系统a、b两相供电臂的电压和电流，以及光伏电站的输出功率。通过基波幅值、相位提取模块，获得电力系统A相电压的相位，以及a、b两相供电臂的电压和电流的幅值和相位信息，与光伏电站的输出功率一同输入，经过计算得到该工况下光伏逆变器两相SVC的最佳运行参数。

本发明提出光伏逆变器两相SVC的结构和优化方法，使得在加入光伏发电系统的牵引供电系统的功率因数尽可能高、负序电流尽可能小，从而提高了系统的电能质量，确保系统供电安全可靠。

附图说明

图1为本发明的牵引供电系统中光伏逆变器两相SVC优化控制方法流程示意图；

图2为本发明牵引供电系统中光伏逆变器两相SVC优化控制方法的原理图；

图3为本发明光伏逆变器两相SVC的牵引供电系统的结构示意图；

其中，1是电力系统，2是牵引变压器，3是a相SVC，4是b相SVC，31和41是FC，32和42是TCR，5是升压变压器，6是光伏发电系统。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步阐述。

在本实施例中，参见图1和图2所示，本发明提出了牵引供电系统中光伏逆变器两相SVC优化控制方法，包括步骤：

S100，由检测装置实时检测牵引供电系统两条供电臂上的a和b相电压和电流信息，检测电力系统A相的电压信息，以及检测光伏发电系统的实时输出功率。

所述步骤S100中，提取电力系统A相的电压的相位，构成电力系统A相的电压信息。提取牵引供电系统a相和b相电压和电流的幅值和相位，构成牵引供电系统a相和b相电压和电流信息。

a、b相电压、电流的幅值和相位信息，记为A_Ua、A_Ub、φ_Ua、φ_Ub、A_Ia、A_Ib、φ_Ia、φ_Ib；电源A相电压的实时相位信息，记为φ_A；光伏发电系统的实时输出功率，记为P_pv。

通过实时检测系统中电力系统A相电压相位、光伏电站的实时输出功率，以及a和b相供电臂电压和电流的幅值、相位信息，计算得到光伏逆变器两相SVC的最佳运行状态，使牵引供电系统对于电力系统来说负序电流尽可能小、三相功率因数尽可能大。

S200，根据牵引供电系统a和b相供电臂上设置的SVC的安装容量大小以及a和b相的实时电压大小确定a和b相补偿电流的可行值区间。

所述步骤S200中，牵引供电系统a和b相供电臂的补偿电流可行值区间通过a和b两相的SVC安装容量大小以及a和b两相的实时电压大小来确定，具体方法为：

其中I_aq和I_bq为a和b两相的补偿电流大小，Q_Camax和Q_Lamax分别为a相SVC中FC和TCR的安装容量(27.5kV下)，Q_Cbmax和Q_Lbmax分别为b相SVC中FC和TCR的安装容量，U_a和U_b分别为a和b两相的实时电压大小，同时定义容性无功电流为正，感性无功电流为负。

S300，根据光伏发电系统的实时输出功率、光伏逆变器的最大无功调节性和光伏逆变器的最大输出视在功率确定光伏逆变器输出相角的可行值区间。

所述步骤S300中，光伏逆变器输出相角的可行值区间通过光伏发电系统的实时输出功率、光伏逆变器的最大无功调节性和光伏逆变器的最大输出视在功率确定，在光伏发电系统输出功率较小时，保证光伏逆变器的最大无功调节性，在光伏发电系统输出功率较大时，保证光伏逆变器的最大有功功率输出，具体方法为：

其中PF_inv为光伏逆变器在最大无功调节时的功率因数，θ_inv为光伏逆变器的输出电流相角，P_pv为光伏发电系统的实时输出功率，S_inv为光伏逆变器最大输出视在功率。

S400，在a相供电臂补偿电流的可行值区间内等距取i个点，在b相供电臂补偿电流的可行值区间内等距取j个点，在光伏逆变器输出相角的可行值区间内等距取k个点，则光伏逆变器和两相SVC的运行状态总共有ijk种组合。

所述步骤S400中，对i、j、k的取值应当结合控制器的运算能力以及系统对于光伏逆变器和两相SVC的运行状态的更新速度综合考虑。

S500，以电力系统A相电压信息为基准，结合牵引供电系统a和b相电压和电流信息，计算在光伏逆变器和两相SVC在ijk种组合的运行状态下的三相功率因数大小和负序电流大小。

所述步骤S500中，三相功率因数按照以下公式计算：

其中P_A、P_B和P_C分别为电力系统侧三相的有功功率，S_A、S_B和S_C分别为电力系统侧三相的视在功率。

负序电流的大小按照以下公式计算：

其中I^(-)表示负序电流，i_A、i_B和i_C分别表示电力系统侧的三相电流的相量，单位相量算子a＝e^j120°。

S600，将上述计算结果中三相功率因数的结果记为数组PF；将上述计算结果中负序电流的结果以无光伏发电系统和无补偿时系统内的负序电流大小为基准值作归一化处理，记为数组NS；取PF-NS的最大值所对应的工作状态作为光伏逆变器和两相SVC的最佳运行状态。

所述步骤S600中，由于所述计算结果中功率因数显然是在[0,1]中的实数，而负序电流的数量级不确定，因此为了便于最佳运行状态的选择，将负序电流进行归一化处理，基准值选择为无光伏发电系统、无补偿时系统内的负序电流大小，上述过程可表示为下式所示的优化目标：

max PF-NS

S700，将所得最佳运行状态中光伏逆变器的输出相角信息送至光伏逆变器中，以控制光伏逆变器的功率因数；将所得最佳运行状态中a和b相补偿电流根据对应SVC的安装容量和a和b相电压的实时值计算两相SVC中TCR的等效电纳，再将等效电纳转换为晶闸管的触发延迟角，送至a和b相的SVC，以控制两相的补偿电流大小。

所述步骤S700中，将所得最佳运行状态中a和b相补偿电流根据对应SVC的安装容量和a和b相电压的实时值计算两相SVC中TCR的等效电纳，具体方法为：

其中B_La和B_La，分别为计算得到的a和b相SVC中TCR的等效电纳。再将等效电纳转换为晶闸管的触发延迟角，送至a和b相的SVC，以控制两相的补偿电流大小，由于TCR的触发延迟角与等效电纳表现为非线性的关系，触发延迟角的确定参考下式所示关系：

其中B_L为电抗器等效电纳，δ为TCR的触发延迟角，L为电抗器电感值。

在实际运行中，按照一定的周期对各变量进行采样，并计算、更新光伏逆变器两相SVC的最佳运行状态。当无功补偿的运行状态改变时，两条供电臂的电压也会随之改变，同时FC输出的无功功率也会改变，因此为了达到最优的运行状态，往往需要数周期的调整。

为配合本发明方法的实现，基于相同的发明构思，如图3所示，本发明还提供了光伏逆变器两相SVC的牵引供电系统，包括光伏发电系统、牵引供电系统和电力系统1，

其中牵引供电系统通过V型接线的牵引变压器2与电力系统1三相连接，光伏发电系统6与牵引供电系统依次通过光伏逆变器和升压变压器5相互三相连接，牵引供电系统中两条供电臂之间设置有a相SVC3结构和b相SVC结构4；a相SVC结构3设置在a相供电臂上，b相SVC结构4设置在b相供电臂上。

其中，所述a相SVC3结构3或b相SVC结构4包括FC31、41和TCR32、42，其中FC31、41和TCR32、42相互并联；实现牵引供电系统的动态补偿。

所述FC31、41为与电容器串联的电抗器，起到输出固定大小无功和滤除特定次数谐波电流的作用。

所述TCR32、42为与晶闸管串联的电抗器，通过控制晶闸管的导通角使得TCR吸收FC输出的多余无功，以提高牵引供电系统的功率因数。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。