一种用于光伏牵引供电系统的一体化变换装置及控制方法与流程

本发明属于牵引供电技术领域，特别是涉及一种用于光伏牵引供电系统的一体化变换装置及控制方法。

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。

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，这就为光伏发电的单相接入提供了可能。

但是，现有的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。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提出了一种用于光伏牵引供电系统的一体化变换装置及控制方法，在保证牵引供电系统正常运行的同时，由电网消纳多余电能；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，能够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。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种用于光伏牵引供电系统的一体化变换装置，包括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、单相变压器Ⅱ和检测电路；

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的直流侧共同并联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DC/DC变换器的输出端并联连接，DC/DC变换器的输入端连接光伏发电系统。

进一步的是，一体化变换装置包括五个外端口，分别为端口A、端口B、端口G、端口C和端口D；其中，端口A和端口B分别接牵引供电系统的两个供电臂的母线，端口G与钢轨同时接地网，端口C和端口D分别接光伏发电系统。采用五端口的优点在于，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。

进一步的是，端口A和端口B在与牵引供电系统的两个供电臂的母线的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；实现余电上网功能。

进一步的是，所述牵引变压器为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；构成三相-两相牵引供电系统，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。

进一步的是，所述DC/DC变换器为具有MPPT功能的光伏变换器。以保证光伏阵列能够尽可能多地输出电能；DC/DC变换器的拓扑结构可结合电压、容量、成本等因素综合考虑。

进一步的是，所述光伏发电系统包括多个光伏组件相互串并联；光伏发电系统中光伏组件的串联数和并联数可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等因素综合考虑。

另一方面，本发明还提供了一种用于光伏牵引供电系统的一体化变换装置的控制方法，包括步骤：

S100，通过检测电路和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，以及光伏系统的实时输出功率；

S200，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，得到变量参数。

S300，将光伏系统的实时输出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；

S400，根据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的移相信号、变量参数以及光伏系统的实时输出功率，确定两台四象限变换器的电流跟随给定值；

S500，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，实现牵引供电系统中的无功、负序综合补偿。

采用本技术方案的有益效果：

可实现自发自用、余电上网的发电形式，在保证牵引供电系统正常运行的同时，由电网消纳多余电能。

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；且采用单相接入，使两条供电臂的电流能够被相对独立地调节，保证电能质量合格，从而使光伏通过牵引供电系统接入电网的时候满足电能质量要求。

同时该装置适合于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各种类型；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为本发明的一种用于光伏牵引供电系统的一体化变换装置的结构示意图；

图2为本发明实施例中一种用于光伏牵引供电系统的一体化变换装置的应用连接图；

图3为本发明实施例中一种用于光伏牵引供电系统的一体化变换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DC/DC变换器，17为光伏发电系统；21为电力网络，22为牵引变压器，23、24分别为牵引供电系统两个供电臂的母线；25为钢轨；26为一体化变换装置。

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，本发明提出了一种用于光伏牵引供电系统的一体化变换装置，包括DC/DC变换器16、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、单相变压器Ⅱ12和检测电路；

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的直流侧共同并联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DC/DC变换器16的输出端并联连接，DC/DC变换器16的输入端连接光伏发电系统17。

作为上述实施例的优化方案，如图2所示，一体化变换装置26包括五个外端口，分别为端口A、端口B、端口G、端口C和端口D；其中，端口A和端口B分别接牵引供电系统的两个供电臂的母线，端口G与钢轨25同时接地网，端口C和端口D分别接光伏发电系统17。采用五端口的优点在于，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。

端口A和端口B在与牵引供电系统的两个供电臂的母线的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；实现余电上网功能。

作为上述实施例的优化方案，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；构成三相-两相牵引供电系统，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，所述DC/DC变换器16为具有MPPT功能的光伏变换器。以保证光伏阵列能够尽可能多地输出电能；DC/DC变换器16的拓扑结构可结合电压、容量、成本等因素综合考虑。

所述光伏发电系统17包括多个光伏组件相互串并联；光伏发电系统17中光伏组件的串联数和并联数可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等因素综合考虑。

为配合本发明方法的实现，基于相同的发明构思，本发明还提供了一种用于光伏牵引供电系统的一体化变换装置的控制方法，如图3所示，包括步骤：

S100，通过检测电路和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，以及光伏系统的实时输出功率P_pv；

S200，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，得到变量参数I_LP满足：

S300，将光伏系统的实时输出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；

S400，根据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的移相信号、变量参数以及光伏系统的实时输出功率，确定两台四象限变换器的电流跟随给定值I_αC、I_βC；

公式如下所示：

S500，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和I_βC，实现牵引供电系统中的无功、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。