一种牵引供电系统光伏储能并网装置及控制方法与流程

本发明属于牵引供电技术领域，特别是涉及一种牵引供电系统光伏储能并网装置及控制方法。

背景技术：

截至2015年度，我国铁路运营里程12.1万公里，至2020年，铁路网规模将达到15万公里，全行业年用电量将达400亿千瓦时，相当于每年消耗160亿公斤标准煤，二氧化碳排放约400亿公斤，二氧化硫排放约12亿公斤，氮氧化物排放约6亿公斤；其中，60％以上的耗电量和污染物排放由铁路牵引供电系统造成。

由以煤炭等化石能源为主的能源消费结构引发的大气污染和能源安全问题，已经广泛地影响到环境质量和经济社会的可持续发展。因此，太阳能发电、风力发电和水力发电等可再生能源接入铁路牵引供电系统，对我国铁路系统节能减排和可持续发展具有重要意义。

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。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。

光伏发电系统的能量来源是太阳能，而光照强度随时间呈现随机变化的趋势，这就造成了光伏发电系统的输出功率具有不确定性。因此，光伏发电系统往往与储能系统结合使用，储能系统的作用在于对光伏发电系统随机波动的输出功率进行“削峰填谷”，从而平抑整个系统的吸收或输出的功率，避免系统出现不稳定的情况。

在牵引供电系统中，常用的牵引变压器有单相牵引变压器、V型接线牵引变压器、YNd11接线牵引变压器、Scott接线牵引变压器和阻抗匹配平衡变压器等。在上述牵引变压器中，除第一种外，其余四种均是将电力系统中的三相电压转换为两相电压来向两个供电臂上的单相负荷进行供电的，这就为光伏储能系统单相接入牵引供电系统提供了可能。

但是现有的光伏牵引供电系统中的功率变换器，无法实现牵引供电系统的无功、负序综合补偿；从而无法满足当光伏发电系统通过牵引供电系统接入电网的时候对于电能质量的要求；并且现有的光伏牵引供电系统无法平抑光伏系统输出功率，从而对牵引供电系统造成不稳定影响；且牵引供电系统的经济性能差。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提出了一种牵引供电系统光伏储能并网装置及控制方法，实现牵引供电系统的无功、负序综合补偿，能够满足对电能质量的要求；储能系统能够根据指令储存或释放能量，以达到平抑光伏系统输出功率的目的，避免对牵引供电系统造成不稳定影响；同时，通过合理安排储能系统的充放电，能够在电力系统重负荷(电价高)时放电，在电力系统轻负荷(电价低)时适当充电，起到缓解电力系统压力的作用，并且一定程度上提高了牵引供电系统的经济性。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种牵引供电系统光伏储能并网装置，包括光伏阵列、光伏系统DC/DC变换器、储能装置、储能系统双向DC/DC变换器、直流支撑电容、单相四象限变换器Ⅰ、单相四象限变换器Ⅱ、单相变压器Ⅰ和单相变压器Ⅱ；

单相变压器Ⅰ和单相变压器Ⅱ的一次侧中各有一端分别与牵引供电系统两个供电臂的母线连接，并在单相变压器Ⅰ和单相变压器Ⅱ与两个供电臂的母线的连接端设置检测电路；单相变压器Ⅰ和单相变压器Ⅱ一次侧中的另一端相互连接，并同时连接至牵引供电系统的钢轨，钢轨接地网；

单相四象限变换器Ⅰ的交流侧与单相变压器Ⅰ的二次侧连接，单相四象限变换器Ⅱ的交流侧与单相变压器Ⅱ的二次侧连接；单相四象限变换器Ⅰ和单相四象限变换器Ⅱ的直流侧共同连接至一个公用的直流支撑电容上，形成背靠背结构；

直流支撑电容同时还与光伏系统DC/DC变换器的输出端和储能系统双向DC/DC变换器的输出端相互并联，光伏系统DC/DC变换器的输入端连接光伏阵列，储能系统双向DC/DC变换器的输入端连接储能装置。

进一步的是，所述光伏系统DC/DC变换器具有最大功率跟踪功能，以保证光伏阵列能够尽可能多地输出电能。

进一步的是，所述储能系统双向DC/DC变换器，优选的采用隔离型或非隔离型拓扑结构，能够根据指令实现对储能系统的充放电控制。

进一步的是，所述光伏阵列通过光伏组件的串并联来构成，光伏阵列中光伏组件的串联数和并联数结合单个光伏组件的标称功率、单相逆变器的容量、牵引供电系统的功率需求、支架成本和直流线缆成本因素来确定。

进一步的是，所述储能装置为压缩空气储能、飞轮储能、蓄电池储能、超导储能或超级电容储能，实现电能的储存与释放功能。

进一步的是，在并网装置与牵引供电系统两个供电臂的母线连接处，还并联连接牵引变压器的一次侧，所述牵引变压器的二次侧连接至电力网络；实现余电上网。

进一步的是，所述牵引变压器Ⅱ为V型接线牵引变压器、YNd11接线牵引变压器、Scott接线牵引变压器或阻抗匹配平衡变压器；通用性强，无需进行原始线路的改造。

进一步的是，所述检测电路包括电压检测电路和电流检测电路；用于检测牵引供电系统的母线电压、馈线电流等运行状态；优选的，电压检测电路为霍尔电压传感器，电流检测电路为霍尔电流传感器。

另一方面，本发明还提供了一种牵引供电系统光伏储能并网装置的控制方法，包括步骤：

S100，通过检测电路、光伏系统DC/DC变换器和储能系统双向DC/DC变换器采集牵引供电系统中的各项运行状态，包括两条供电臂的母线电压有效值、两条供电臂的母线电压同步信号、两条供电臂馈线电流的相量形式、两条供电臂负荷的有功功率、光伏阵列的实时输出功率和储能装置的实时充放电功率；

S200，将两条供电臂负荷的有功功率相加之后与光伏阵列的实时输出功率相减，得到储能装置不工作时牵引供电系统对于电力网络的等效负荷；将等效负荷进行均值滤波处理后，得到储能装置工作时牵引供电系统对于电力网络的等效负荷期望值；定义储能装置放电为正，充电为负，则储能装置充放电功率的给定值为等效负荷等和效负荷期望值的差值；

S300，将两条供电臂馈线电流的相量形式与各自相的同步信号相乘，经过低通滤波之后得两馈线电流中的有功分量，从而得到变量参数；

S400，将光伏阵列的实时输出功率和储能装置的实时充放电功率平均分配在两条供电臂中，将两个供电臂的母线电压同步信号作移相处理，从而确定两台四象限变换器的电流给定值；

S500，将储能装置充放电功率的给定值输入储能系统双向DC/DC变换器，储能系统双向DC/DC变换器控制储能装置的充放电功率实时跟随充放电功率的给定值；

将两台四象限变换器的电流给定值输入对应的四象限变换器，采用直接电流控制方法，使四象限变换器的电流跟随电流给定值，实现光伏列阵和储能装置的并网，以及牵引供电系统中的无功和负序综合补偿。

采用本技术方案的有益效果：

所述一种牵引供电系统光伏储能并网装置中仅有一个直流支撑电容，即两台单相四象限变换器共用了一个直流母线，所述直流支撑电容的作用在于维持直流侧的电压，以使得单相四象限变换器能够输出稳定、正弦性良好的单相电流。

两台单相四象限变换器之间可以存在有功功率、无功功率交换。通过检测牵引供电系统中两条供电臂的母线电压、馈线电流等信息，经过实时计算，控制两台单相四象限变换器输出电流的幅值和相位，实现牵引供电系统的无功、负序综合补偿；利用四象限变换器能够四象限输出、吸收电能的特性，通过合理分配两台四象限变换器与牵引供电系统之间的有功功率、无功功率交换，达到牵引供电系统的无功和负序综合补偿，实现铁路功率调节器的功能；单相四象限变换器可以控制其与交流系统之间的有功功率和无功功率交换，从而使其对于交流系统来说呈现不同的负荷特性。

本发明提供的一种牵引供电系统光伏储能并网装置及控制方法，通过实时检测光伏系统的输出功率、牵引负荷的需求功率、电力系统的运行状况，合理安排整个光伏储能系统的输出、吸收功率，在平抑光伏系统输出功率的同时，缓解电力系统的运行压力，一定程度上提高牵引供电系统的经济性。

同时，该装置适用于多种牵引供电系统接线形式，且结构简单、投资成本低。

附图说明

图1为本发明的一种牵引供电系统光伏储能并网装置的结构示意图；

图2为本发明实施例中一种牵引供电系统光伏储能并网装置的应用连接图；

图3为本发明的一种牵引供电系统光伏储能并网装置控制方法的流程图；

其中：11为单相变压器Ⅰ，12为单相变压器Ⅱ，13为单相四象限变换器Ⅰ，14为单相四象限变换器Ⅱ，15为直流支撑电容，16为光伏阵列，17为光伏系统DC/DC变换器，18为储能系统双向DC/DC变换器，19为储能装置；21为电力网络，22为牵引变压器；23、24为牵引供电系统两个供电臂的母线，25为钢轨。

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所示，本发明提出了一种牵引供电系统光伏储能并网装置，包括光伏阵列16、光伏系统DC/DC变换器17、储能装置19、储能系统双向DC/DC变换器18、直流支撑电容15、单相四象限变换器Ⅰ13、单相四象限变换器Ⅱ14、单相变压器Ⅰ11和单相变压器Ⅱ12；

单相变压器Ⅰ11和单相变压器Ⅱ12的一次侧中各有一端分别与牵引供电系统两个供电臂的母线23、24连接，并在单相变压器Ⅰ11和单相变压器Ⅱ12与两个供电臂的母线的连接端设置检测电路；单相变压器Ⅰ11和单相变压器Ⅱ12一次侧中的另一端相互连接，并同时连接至牵引供电系统的钢轨25，钢轨25接地网；

单相四象限变换器Ⅰ13的交流侧与单相变压器Ⅰ11的二次侧连接，单相四象限变换器Ⅱ14的交流侧与单相变压器Ⅱ12的二次侧连接；单相四象限变换器Ⅰ13和单相四象限变换器Ⅱ14的直流侧共同连接至一个公用的直流支撑电容15上，形成背靠背结构；

直流支撑电容15同时还与光伏系统DC/DC变换器17的输出端和储能系统双向DC/DC变换器18的输出端相互并联，光伏系统DC/DC变换器17的输入端连接光伏阵列16，储能系统双向DC/DC变换器18的输入端连接储能装置19。

作为上述实施例的优化方案，所述光伏系统DC/DC变换器17具有最大功率跟踪功能，以保证光伏阵列16能够尽可能多地输出电能。

所述储能系统双向DC/DC变换器18采用隔离型或非隔离型拓扑结构，能够根据指令实现对储能系统的充放电控制。

作为上述实施例的优化方案，所述光伏阵列16通过光伏组件的串并联来构成，光伏阵列16中光伏组件的串联数和并联数结合单个光伏组件的标称功率、单相逆变器的容量、牵引供电系统的功率需求、支架成本和直流线缆成本因素来确定。

所述储能装置19为压缩空气储能、飞轮储能、蓄电池储能、超导储能或超级电容储能，实现电能的储存与释放功能。

作为上述实施例的优化方案，在并网装置与牵引供电系统两个供电臂的母线23、24连接处，还并联连接牵引变压器22的一次侧，所述牵引变压器22的二次侧连接至电力网络21；实现余电上网。

所述牵引变压器22为V型接线牵引变压器、YNd11接线牵引变压器、Scott接线牵引变压器或阻抗匹配平衡变压器；通用性强，无需进行原始线路的改造。

作为上述实施例的优化方案，所述检测电路包括电压检测电路和电流检测电路；用于检测牵引供电系统的母线电压、馈线电流等运行状态；优选的，电压检测电路为霍尔电压传感器，电流检测电路为霍尔电流传感器。

作为上述实施例的优化方案，参见图2，本发明实施例中一种牵引供电系统光伏储能并网装置的外部连接中共有三个端口，端口A和端口B分别连接牵引供电系统两条供电臂的母线，端口G与钢轨25同时连接地网，使用过程中仅需将该装置安装于牵引变电站内，各端口与对应的设备连接后即可运行，安装简便，通用性强。

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，本发明还提供了一种牵引供电系统光伏储能并网装置的控制方法，包括：

S100，、光伏系统DC/DC变换器和储能系统双向DC/DC变换器采集牵引供电系统中的各项运行状态，包括两条供电臂的母线电压有效值U_α、U_β，两条供电臂的母线电压同步信号e_α＝sin(ωt-30°)、e_β＝sin(ωt-90°)，两条供电臂馈线电流的相量形式I_αL、I_βL，两条供电臂负荷的有功功率P_αL、PβL，光伏阵列的实时输出功率Ppv，以及储能装置的实时充放电功率Pes。

S200，将两条供电臂负荷的有功功率相加之后与光伏阵列的实时输出功率相减，得到储能装置不工作时牵引供电系统对于电力网络而言的等效负荷P_ss；将P_ss进行均值滤波处理(时间常数视实际工况中牵引负荷和光伏出力的波动情况而定)，作为储能装置工作时牵引供电系统对于电力网络而言的等效负荷期望值P_ref；定义储能装置放电为正，充电为负，则储能装置充放电功率的给定值P_es^*满足

P_es^*＝P_ss-P_ref。

S300，将I_αL、I_βL与各自相的同步信号相乘，经过低通滤波之后得两馈线电流中的有功分量I_αP、I_βP，变量参数I_LP满足:

S400，将光伏阵列的实时输出功率和储能装置的实时充放电功率平均分配在两条供电臂中，将两个供电臂的母线电压同步信号作移相处理，根据下式确定两台四象限变换器的电流给定值I_αC^*、I_βC^*:

S500，将储能装置充放电功率的给定值P_es^*输入储能系统双向DC/DC变换器，储能系统双向DC/DC变换器控制储能装置的充放电功率实时跟随给定值P_es^*；

将两台四象限变换器的电流给定值I_αC^*、I_βC^*输入对应的四象限变换器，采用直接电流控制方法，使四象限变换器的电流跟随给定值I_αC^*、I_βC^*，实现光伏列阵和储能装置的并网，以及牵引供电系统中的无功和负序综合补偿。

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。