电气化铁路牵引供电系统及其光伏发电分相电流控制方法

电气化铁路牵引供电系统及其光伏发电分相电流控制方法
【技术领域】
1.本发明涉及电流控制领域，尤其涉及一种电气化铁路牵引供电系统及其光伏发电分相电流控制方法。


背景技术：

2.电气化铁路牵引负荷通常为单相负荷，会在高压电网中引起负序电流，导致高压电网电流三相不平衡，不利于电网运行。为了解决该技术问题，研究人员通常以瞬时功率理论为基础，在不平衡电压场景下，提出了可实现并网电流对称、有功/无功波动抑制等目标的正、负序电流指令配置方案。进一步地，为实现上述控制目标的灵活折中与兼顾，研究人员提出了一种可实现上述多控制目标平滑切换的双序电流控制策略，但双序电流输出下易出现过电流现象，进而造成变流器设备损坏。为了避免出现过电流现象，还有研究人员提出了基于电流幅值实测值和计算值的限流方式，这种方式主要通过与最大允许电流的比较，对等降低变流器输出的正负序电流，从而实现变流器输出电流低于最大允许电流值的电流限幅控制。
3.然而，现有的控制策略都是以满足某种并网功率特性为目标对正、负序电流指令进行配置，而很少考虑光伏功率优先与实际负荷特性，难以匹配光伏发电向电气化铁路牵引负荷供电需求。
4.鉴于此，实有必要提供一种新型的电气化铁路牵引供电系统及其光伏发电分相电流控制方法以克服上述缺陷。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种电气化铁路牵引供电系统及其光伏发电分相电流控制方法，实现了光伏并网发电与负序补偿的统一控制，能够起到降低高压侧的负序电流、提高电能质量的作用。
6.为实现上述目的，第一方面，本发明提供一种电气化铁路牵引供电系统，包括若干个光伏发电系统、低压交流母线、第一变压器及第二变压器，每个所述光伏发电系统包括依次连接的光伏、光伏逆变器及第三变压器；所述第三变压器连接所述低压交流母线，所述低压交流母线连接所述第二变压器，所述第二变压器连接所述第一变压器，所述第一变压器用于连接高压交流电网，所述第一变压器与所述第二变压器之间分别引出两个牵引臂，所述牵引臂用于连接牵引负荷；所述高压交流电网通过所述第一变压器为所述牵引负荷供电；所述光伏通过所述光伏逆变器、第三变压器、低压交流母线及第二变压器输出有功功率至所述牵引负荷，且所述光伏逆变器通过其电流裕量补偿由所述牵引负荷引起的所述高压交流电网的负序电流。
7.第二方面，本发明还提供一种用于电气化铁路牵引供电系统的光伏发电分相电流控制方法，所述电气化铁路牵引供电系统包括若干个光伏发电系统、低压交流母线、第一变压器及第二变压器，每个所述光伏发电系统包括依次连接的光伏、光伏逆变器及第三变压
器；所述第三变压器连接所述低压交流母线，所述低压交流母线连接所述第二变压器，所述第二变压器连接所述第一变压器，所述第一变压器用于连接高压交流电网，所述第一变压器与所述第二变压器之间分别引出两个牵引臂，所述牵引臂用于连接牵引负荷；所述高压交流电网通过所述第一变压器为所述牵引负荷供电；
8.所述方法包括如下步骤：获取所述光伏逆变器输出的有功功率；基于所述有功功率计算所述光伏逆变器的正序电流参考值；基于所述牵引负荷的负荷功率计算所述光伏逆变器的负序电流参考值；控制所述光伏逆变器的输出电流针对所述正序电流参考值及负序电流参考值无差跟踪，以实现光伏通过所述光伏逆变器、第三变压器、低压交流母线及第二变压器输出有功功率至牵引负荷，且所述光伏逆变器通过其电流裕量补偿由所述牵引负荷引起的高压交流电网的负序电流。
9.相比于现有技术，本发明提供的电气化铁路牵引供电系统及其光伏发电分相电流控制方法，可在无需相序分离的条件下实现对正、负序电流的控制，同时可在保障光伏有功功率优先的条件下，利用变流器裕量，补偿单相牵引负荷产生的负序电流，实现了光伏并网发电与负序补偿的统一控制，能够起到降低高压侧的负序电流、提高电能质量的作用。
10.为使发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举本发明较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
【附图说明】
11.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
12.图1为本发明提供的电气化铁路牵引供电系统的原理框图；
13.图2为本发明提供的用于电气化铁路牵引供电系统的光伏发电分相电流控制方法的流程图；
14.图3为两臂牵引负荷运行在不同工况下的电流空间矢量图；
15.图4为本发明提供的用于电气化铁路牵引供电系统的光伏发电分相电流控制方法的原理图；
16.图5a-图5d为牵引负荷变化工况的实验结果图；
17.图6a-图6d为光伏输出功率变化工况的实验结果图。
【具体实施方式】
18.下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
19.请参阅图1，本发明提供一种电气化铁路牵引供电系统，包括若干个光伏发电系
统、低压交流母线、第一变压器mt1及第二变压器mt2，每个所述光伏发电系统包括依次连接的光伏、光伏逆变器及第三变压器mt3。
20.所述第三变压器mt3连接所述低压交流母线，所述低压交流母线连接所述第二变压器mt2，所述第二变压器mt2连接所述第一变压器mt1，所述第一变压器mt1用于连接高压交流电网，所述第一变压器mt1与所述第二变压器mt2之间分别引出两个牵引臂(图1中α、β)，所述牵引臂用于连接牵引负荷。具体的，所述高压交流电网通过所述第一变压器mt1为所述牵引负荷供电；所述光伏通过所述光伏逆变器、第三变压器mt3、低压交流母线及第二变压器mt2输出有功功率至所述牵引负荷，且所述光伏逆变器通过其电流裕量补偿由所述牵引负荷引起的所述高压交流电网的负序电流。
21.本实施方式中，所述牵引负荷为单相负荷，所述光伏逆变器为三相逆变器，所述第二变压器为逆v/v牵引变压器，所述第三变压器为y/y变压器，所述高压交流电网为110kv高压交流电网。可以理解地，v/v牵引变压器通常由两台单相变压器联接而成，两个原边短接点引出一个端子，原边绕组的两端及中点接入三相电网，副边两个绕组可供给两个牵引供电网。
22.本发明提供的电气化铁路牵引供电系统，将若干个光伏发电系统接入牵引网，这种接入方案由于三相低压交流母线的存在，可直接采用商用化程度高、装备技术成熟的三相光伏逆变器，而无需采用大容量dc/dc或单相ac/dc变流器。光伏发电系统中的光伏逆变器可借鉴多功能逆变器，充分利用光伏逆变器剩余裕量提供补偿由单相牵引负荷所产生的负序电流，实现并网发电与负序补偿的统一控制，降低高压侧三相电网电流不平衡度，增强系统运行友好性。
23.请参阅图2，本发明还提供一种用于图1所示的电气化铁路牵引供电系统的光伏发电分相电流控制方法，所述方法包括如下步骤：
24.步骤s10：获取所述光伏逆变器输出的有功功率；
25.步骤s20：基于所述有功功率计算所述光伏逆变器的正序电流参考值；
26.步骤s30：基于所述牵引负荷的负荷功率计算所述光伏逆变器的负序电流参考值；
27.步骤s40：控制所述光伏逆变器的输出电流针对所述正序电流参考值及负序电流参考值无差跟踪，以实现光伏通过所述光伏逆变器、第三变压器、低压交流母线及第二变压器输出有功功率至牵引负荷，且所述光伏逆变器通过其电流裕量补偿由所述牵引负荷引起的高压交流电网的负序电流。
28.进一步地，步骤s20包括如下步骤：
29.基于所述有功功率计算所述光伏逆变器的正序电流参考值的幅值；
30.获取所述光伏逆变器的正序电流参考值的相位；
31.结合所述幅值及相位表示所述光伏逆变器的正序电流参考值。
32.具体的，所述结合所述幅值及相位表示所述光伏逆变器的正序电流参考值的步骤中：
33.所述光伏逆变器正序电流参考值的表示公式为：
[0034][0035]
其中，为光伏逆变器正序电流参考值，p
ref
为光伏逆变器有功功率参考值，其等于有功功率平均值，u
cm
为光伏逆变器相电压幅值，《》表示相位角，u
ca
、u
cb
、u
cc
为光伏逆变器的三相电压。
[0036]
进一步地，步骤s30包括如下步骤：
[0037]
基于所述牵引负荷的负荷功率获取高压交流电网的负序电流；
[0038]
基于所述负序电流计算所述光伏逆变器的完全补偿的负序电流参考值；
[0039]
基于所述光伏逆变器的电流裕量和所述高压交流电网的负序电流的补偿需求的比值定义限幅比k，构造关于k的函数f(k)，其表达式如下：
[0040][0041]
结合所述完全补偿的负序电流参考值及所述函数f(k)得出所述光伏逆变器的最终的负序电流参考值。
[0042]
具体的，所述光伏逆变器的最终的负序电流参考值的计算公式为：
[0043][0044]
其中，假设引出的两个牵引臂分别为α臂、β臂，p
lα
为α臂负荷功率，p
lβ
为β臂负荷功率，u
cm
为光伏逆变器相电压幅值，《》表示相位角，u
ca
、u
cb
、u
cc
为光伏逆变器的三相电压。
[0045]
本发明提出的基于光伏三相接入电气化铁路牵引供电系统结构，所提光伏发电分相控制方法能够实现在保证光伏有功功率输出的情况下，利用逆变器裕量，对各种工况下牵引负载引起的电网负序电流进行补偿，以保证高压电网的电流平衡，该方法实现了光伏并网发电与负序补偿的统一控制。
[0046]
下面结合图1及图2对本发明提供的用于电气化铁路牵引供电系统的光伏发电分相电流控制方法进行详细阐述。
[0047]
根据图1，结合第一变压器mt1、第二变压器mt2和第三变压器mt3端口电压变换矩阵，光伏逆变器与高压侧电网的三相电压关系可表示为：
[0048][0049]
在这种模式下，电气化铁路牵引负荷由外部高压电网和光伏发电两部分电源供电，根据图1所示电流正方向，牵引负荷电流可表示为，
[0050][0051]
为便于描述高压侧电流特征，结合mt1、mt2和mt3变压器端口电流变换矩阵，高压侧电网电流可表示为：
[0052][0053]
在本发明提供的光伏逆变器的并网发电与负序补偿的统一控制模式下，光伏逆变器正序电流由捕获功率决定，用于光伏功率的并网馈送，而其负序电流则由电气化铁路负荷与逆变器裕量共同决定，用于补偿由单相电力机车产生的负序电流。因此，光伏逆变器的相电流参考值可表示为，
[0054][0055]
式(4)中，i
caref
、i
cbref
、i
ccref
为逆变器三相电流指令，为逆变器正序电流分量指令(即正序电流参考值)，为逆变器负序电流分量指令(即负序电流参考值)。
[0056]
可以理解地，为完成光伏功率的并网馈送，根据图1所示电流正方向，光伏逆变器输出的正序电流与其相电压相位相反，有功功率才可向牵引网输出。则光伏逆变器正序电流指令相位可表示为：
[0057][0058]
式(5)中，《》表示相位角。
[0059]
进一步地，光伏发电单元传输的平均有功功率为：
[0060][0061]
式(6)中，u
cm
为光伏逆变器相电压幅值，i
cm
为光伏逆变器相电流幅值。
[0062]
可以理解地，为了保持直流电压恒定，光伏输出有功功率平均值应等于其有功功率参考值p
ref
，即：
[0063]
[0064]
则根据式(6)和(7)，光伏逆变器正序电流幅值可表示为：
[0065][0066]
再结合式(5)和(8)，光伏逆变器正序电流参考值可表示为：
[0067][0068]
根据前述分析，能够通过控制光伏逆变器使之补偿牵引负荷产生的负序电流，从而确保高压电网侧三相电流平衡。因此，经过变压器折算后，光伏逆变器输出负序电流幅值与高压电网侧负序电流幅值相同，而负序电流的相位相反。
[0069]
对于控制光伏逆变器进行负序电流的补偿，下面分工况进行阐述。
[0070]
当牵引负荷位于α牵引臂时，根据图1，该牵引负荷由高压电网a相和c相供电，并且b相电流为零。在该工况下，以a相电压为基准，设ua＝u
m sin《ua》，则α牵引臂电压为：
[0071][0072]
式(10)中，um为高压电网侧相电压幅值。
[0073]
由于现代电力机车多采用基于全控器件的四象限整流器，通常运行于单位功率因数模式，因此可认为牵引负荷为纯阻性负荷，即牵引臂电流和电压相位相同，但其幅值由牵引负荷决定，则α牵引臂电流可表示为：
[0074][0075]
式(11)中，p
lα
为α臂负荷功率，p
lα
＞0表示列车处于牵引状态，p
lα
＜0表示列车处于再生制动状态。
[0076]
则根据式(3)和(11)可知，高压侧电网三相电流可表示为：
[0077][0078]
可以理解地，根据瞬时对称分量理论，在该工况下，高压电网侧负序电流为：
[0079][0080]
其中，a＝e
j120
°
为旋转因子。
[0081]
此时，高压侧负序电流幅值为：
[0082][0083]
进一步地，在不考虑光伏逆变器容量限制时，假定光伏逆变器完全补偿牵引负荷产生的负序电流，即保证高压侧三相电流对称。因此，在该模式下，光伏逆变器负序电流相位与高压电网侧负序电流相位相同，而二者负序电流幅值由于变压器嵌入而存在比例关系，则光伏逆变器负序电流参考值分别表示为：
[0084][0085]
根据上述分析可知，当牵引负荷位于β牵引臂时，该牵引负荷由高压电网b相和c相供电，a相电流为零，此时高压侧负序电流幅值供电，a相电流为零，此时高压侧负序电流幅值为：
[0086][0087]
该工况下逆变器负序电流指令可表示为：
[0088][0089]
式(17)中，p
lβ
为β臂负荷功率，p
lβ
＞0表示列车处于牵引状态，p
lβ
＜0表示列车处于再生制动状态。
[0090]
当两臂均有牵引负荷时，两臂负荷均会导致电网产生负序电流，因此逆变器负序电流指令为两臂单独有负载时的负序电流指令之和。若不考虑光伏变压器的容量，完全补偿负序电流的情况下，光伏逆变器的负序电流指令为：
[0091][0092]
图3给出了两臂牵引负荷运行在不同工况下的电流空间矢量图。其中，为α臂负荷产生的电网负序电流，i、i、i为β臂负荷产生的电网负序电流，θa、θb、θc为各相正、负序电流指令相位差。
[0093]
由图3a及图3b所示，当两臂同时牵引或制动时，两臂负序电流合成夹角为60
°
，此时的电网负序电流幅值为：
[0094]
[0095]
由图3c及图3d所示，当一臂牵引一臂制动时，两臂负序电流合成夹角为120
°
，此时的电网负序电流幅值为：
[0096][0097]
根据图1所设定的正方向，当桥臂负荷处于牵引状态下，p
lα
＞0，p
lβ
＞0；当桥臂负荷处于制动状态下，p
lα
＜0，p
lβ
＜0，当桥臂无负荷或惰行时，p
lα
＝0，p
lβ
＝0。因此，所有情况下的电网负序电流幅值表达式可统一写为：
[0098][0099]
进一步地，在实际应用中，由于光伏逆变器容量的限制，通常难以全部补偿由牵引负荷产生的负序电流，因此，需要构造光伏逆变器电流限幅控制策略，可在保证光伏功率的全额外送前提下，充分利用光伏逆变器剩余容量，补偿高压侧负序电流。
[0100]
可以理解地，由于负序电流的存在，将会导致光伏逆变器输出三相电流的幅值大小不等，其幅值最大的相电流将会率先达到逆变器电流最大允许值，则在此时触发电流限幅控制，从而确保光伏逆变器输出电流不越限，在后续分析中，以光伏逆变器额定电流作为其最大允许电流。
[0101]
由图3可知，随着两臂牵引负荷变化，其引起的负序电流幅值和相位均会改变。逆变器的负序电流指令相位也会随负荷变化，θa、θb、θc也会随之变化。当负序电流指令和正序电流指令同相位，即θ＝0时，逆变器电流裕量最小，为i
margin.min
，其大小为：
[0102][0103]
具体的，将逆变器负序电流指令的幅值控制在最小电流裕量内，即可实现光伏逆变器电流限幅控制。因此，两臂均有负荷时，考虑逆变器电流裕量的情况下，光伏逆变器可输出的最大负序电流幅值表示为：
[0104][0105]
式(23)中，为光伏逆变器可输出的最大负序电流指令幅值，sc为光伏逆变器额定容量。
[0106]
同时，为确保高压电网侧三相电流对称，光伏逆变器输出的最大负序电流幅值不能超过由牵引负荷产生的负序电流幅值。因此，光伏逆变器输出的负序电流幅值将由其电流裕量和高压侧负序电流补偿需求的共同决定，为表征两者关系，定义限幅比k，表示逆变器电流裕量和电网负序电流补偿需求的比值，其表达式为：
[0107]
[0108]
式(24)中，为折算到光伏侧的电网负序电流补偿需求量。
[0109]
构造关于k的函数f(k)，其表达式如下：
[0110][0111]
当光伏逆变器可用电流裕量小于负序电流补偿需求时，k＜1，光伏逆变器可用电流裕量可以充分利用，故f(k)＝k；当光伏逆变器可用电流裕量大于负序电流补偿需求时，k＞1，而光伏逆变器可用电流裕量无需全部利用，只需满足负序电流补偿需求即可，故f(k)＝1。因此，考虑双重限制，根据式(18)和(25)，光伏逆变器负序电流指令应表示为：
[0112][0113]
综上所述，请参阅图4，其为本发明提供的用于电气化铁路牵引供电系统的光伏发电分相电流控制方法的原理图，该控制方法首先通过直流电压控制(direct voltage control,dvc)环节，获取光伏逆变器输出的有功功率；而后结合式(9)和(26)，生成相电流参考值(current reference generation,crg)；最后，采用基于比例谐振(proportional-resonant,pr)的电流控制(current control,cc)环节，完成光伏逆变器输出电流对其参考目标值的无差跟踪控制，最终实现光伏通过光伏逆变器、第三变压器mt3、低压交流母线及第二变压器mt2输出有功功率至牵引负荷，且光伏逆变器通过其电流裕量补偿由牵引负荷引起的高压交流电网的负序电流。
[0114]
本发明所提出的分相电流控制方法，通过在三相静止坐标系中对光伏逆变器相电流的独立控制，可在无需相序分离的条件下实现正、负序电流的统一控制。同时，在保证捕获光伏功率全额外送的前提下，在牵引网机车负载负荷工作在一臂牵引/制动、两臂同时牵引/制动和一臂牵引一臂制动工况下，光伏逆变器均可以利用剩余的电流容量补偿由牵引负荷引起的高压电网负序电流，降低高压电网电流三相不平衡度。
[0115]
为评估本发明提供的用于电气化铁路牵引供电系统的光伏发电分相电流控制方法的性能，本发明基于rtlab实验平台，搭建了主电路如图1的硬件在环实验测试平台，采用恒功率源模拟完成最大功率追踪控制的前端dc/dc变流器。
[0116]
请参阅图5a-图5d，其为牵引负荷变化工况的实验结果图，图5给出了α臂列车负荷经历加速、匀速、惰行、再生制动，β臂牵引负荷为1.5mw不变时，光伏接入铁路牵引系统的硬件在环实验结果。
[0117]
在本实验中，光伏逆变器有功功率设定为1.5mw，则根据式(23)，其可用负序电流补偿裕量为9.2ka。0-0.1秒，α臂列车处于加速状态，其牵引负荷从0mw增加到5.0mw；在0.076秒时，负荷增长到3.8mw，电网负序电流补偿需求量为9.2ka。因此，在0-0.076秒，光伏逆变器裕量足够大，可完全补偿负荷产生的电网负序电流，逆变器电流幅值小于最大允许值；0.076-0.1秒，光伏逆变器可用负序电流补偿裕量小于负序电流补偿需求，则单相牵引负荷所产生的负序电流不能被完全补偿，高压电网侧负序电流幅值逐渐增大，光伏逆变器电流幅值达最大允许值。0.1-0.2秒列车处于匀速运行状态，α臂牵引负荷固定为5.0mw；此
时高压侧电网负序电流补偿需求量为11.4ka，大于光伏逆变器电流裕量，则光伏逆变器输出电流达到最大值。0.2-0.3秒列车处于惰行状态，α臂负荷为0mw，高压侧三相电网负序电流补偿量由β臂决定，其幅值为7.9ka，小于光伏逆逆变器可用负序电流裕量，则光伏逆变器可完全补偿负序电流。0.3-0.4秒列车处于再生制动状态，α臂制动功率从-3.0mw变化至0mw；高压侧三相电网负序电流补偿量从11.7ka降低到7.9ka，在0.37s时补偿单相列车负荷所需负序电流与光伏逆变器可用负序电流补偿裕量相等，也就是说，在0.3-0.37s时光伏逆变器电流达到最大值，无法完全补偿由单相牵引负荷所产生的负序电流，在0.37s后光伏逆变器可实现单相列车负荷所需负序电流的完全补偿。
[0118]
请参阅图6a-图6d，其为光伏输出功率变化工况的实验结果图，图6给出了两臂列车处于再生制动状态下光伏接入铁路牵引系统的硬件在环实验结果。其中，光伏mppt功率初始设定为1.5mw，则其可用于负序电流补偿裕量为9.2ka，当0.3s时，光伏mppt功率达到5.0mw，此时无负序电流补偿裕量。在0-0.1s内，两列车处于惰行状态，无牵引功率，则光伏逆变器以三相对称电流输出其mppt功率。在0.1-0.2s内，α臂列车处于再生制动状态，而β臂列车运行状态不变。随着列车行驶速度的下降其由再生制动所产生的负序电流幅值，将从7.9ka下降为5.3ka，低于其可用负序电流补偿裕量，则光伏逆变器可实现高压侧电网三相负序电流的完全补偿。在0.2s时，β臂列车进入再生制动状态，则此时由两列车制动所产生的负序电流幅值为7.0ka，并随着列车速度下降在0.4s时下降为0。然而，由于在0.3s时，光伏mppt变为5.0mw，光伏逆变器容量全部用于输出有功功率，无负序电流补偿裕量。
[0119]
综上，本发明提供的电气化铁路牵引供电系统及其光伏发电分相电流控制方法，可在无需相序分离的条件下实现对正、负序电流的控制，同时可在保障光伏有功功率优先的条件下，利用变流器裕量，补偿单相牵引负荷产生的负序电流，实现光伏并网发电与负序补偿的统一控制，能够起到降低高压侧的负序电流、提高电能质量的作用。
[0120]
以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。