一种电气化铁路三相光伏储能系统的控制方法与流程

本发明属于牵引供电系统技术领域，特别是涉及一种电气化铁路三相光伏储能系统的控制方法。

背景技术：

铁路和光伏发电是我国目前正在大力发展的两大领域。截至2015年底，我国铁路营业里程达到了12.1万公里，根据国家发改委印发的《中长期铁路网规划》，我国的铁路网将在2020年达到15万公里，覆盖80％以上的大城市，2025年铁路网规模达到17.5万公里。根据2007年我国制定的《可再生能源中长期发展规划》，到2020年我国的太阳能发电总容量将达到180万kWp，而随着今年来光伏发电技术的快速发展，这一数字有望达到10万MWp。

铁路和光伏的快速发展，为将光伏应用于铁路领域提供了契机，不仅有利于提高我国消耗能源中新能源的占比，同时有助于铁路领域的节能减排和可再生能源利用，具有良好的经济价值和社会价值。

现有研究对光伏发电接入电气化铁路牵引供电系统的接入形式进行了初步探索，其中光伏发电三相接入的方式因三相光伏逆变器、三相储能变流器的高适应性、大容量而具有一定的优势。但光伏发电三相接入后，会对牵引供电系统产生一定的负面影响：牵引负荷是一种不对称性较强的负荷，而三相光伏逆变器的输出电流三相对称，这就容易引起运行过程中电力系统与牵引供电系统的连接点处三相潮流不同向的问题，对电能计量、电力系统调度造成了困难，甚至危害电力系统的安全稳定运行。

技术实现要素：

为了解决上述问题，提高光伏发电接入牵引供电系统的适应性，本发明提出了一种电气化铁路三相光伏储能系统的控制方法，通过实时检测牵引供电系统与光伏发电系统的运行状态，动态分配储能系统的充放电功率，对光伏电能进行“削峰填谷”，实现了光伏电能的“自发自用”；极端情况下对光伏系统进行弃光限电，避免光伏接入后牵引供电系统向电力系统反送功率，从而使光伏的接入不影响牵引供电系统本身的安全稳定运行。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种电气化铁路三相光伏储能系统的控制方法，通过实时检测牵引供电系统、光伏发电系统和储能系统的运行状态，从而控制储能系统的充放电功率以及光伏发电系统的运行状态，包括步骤：

S100，实时检测牵引供电系统两条供电臂的电压和电流的幅值及相位，得到两条供电臂的电压相量U_α和U_β，以及得到两条供电臂的电流相量I_α和I_β；实时检测牵引供电系统高压侧三相电压的幅值和相位，得到高压侧的三相电压相量U_p、U_q和U_r；实时检测光伏发电系统的输出功率P_PV；以及实时检测储能系统的荷电状态SOC；

S200，利用两条供电臂的电压相量U_α和U_β与电流相量I_α和I_β，计算牵引负荷的实时用电功率，即有功功率P_α和P_β以及无功功率Q_α和Q_β；

S300，利用两条供电臂的电压相量U_α和U_β与电流相量I_α和I_β，高压侧的三相电压相量U_p、U_q和U_r，和牵引负荷的实时用电功率；计算牵引负荷在高压侧对于三相电力系统的实时用电功率，即有功功率P_p、P_q和P_r以及无功功率Q_p、Q_q和Q_r；

S400，根据三相电力系统的实时用电功率、光伏发电系统的输出功率和储能系统的荷电状态进行判断，从而控制储能系统的充放电功率动态分配以及光伏发电系统的运行状态。

进一步的是，步骤S200中，计算牵引负荷的实时用电功率，具体公式为：

其中，I_α^*、I_β^*分别表示牵引供电系统两条供电臂电流相量的共轭复数。

进一步的是，步骤S300中，计算牵引负荷在高压侧对于三相电力系统的实时用电功率，具体公式为：

其中，P_p、P_q、P_r分别表示牵引负荷在高压侧的三相有功功率，Q_p、Q_q、Q_r分别表示牵引负荷在高压侧的三相无功功率，K表示牵引变压器的变比，I_α*、I_β*分别表示牵引供电系统两条供电臂电流相量的共轭复数。

进一步的是，所述步骤S400，包括步骤：

设定储能系统允许的最低荷电状态SOC_min和最高荷电状态SOC_max，设定储能系统的最大放电功率P_fmax和最大充电功率P_cmax；

取三相电力系统的实时用电功率中的有功功率最小值min[P_p,P_q,P_r]；

为了实现光伏电能的“削峰填谷”，并且避免向电力系统反送电能，对储能系统的充放电功率动态分配以及光伏发电系统的运行策略遵循下述规则进行判断：

1)当min[P_p,P_q,P_r]≥P_PV/3和SOC≤SOC_min均成立时，控制储能系统停止工作；

2)当min[P_p,P_q,P_r]≥P_PV/3成立，但SOC≤SOC_min不成立时；判断P_PV+P_fmax≥P_α+P_β是否成立；若成立，则令储能系统以P_α+P_β-P_PV的功率放电；若不成立，则令储能系统以P_fmax的功率放电；

3)当min[P_p,P_q,P_r]≥P_PV/3不成立，但SOC≥SOC_max成立时；则令光伏发电系统输出功率为3×min[P_p,P_q,P_r]，剩余的P_PV-3×min[P_p,P_q,P_r]光伏电能作弃光限电处理；

4)当min[P_p,P_q,P_r]≥P_PV/3不成立，且SOC≥SOC_max也不成立时；判断P_α+P_β-P_PV≥P_cmax是否成立；若成立，则令储能系统以P_cmax的功率充电，剩余的P_PV-P_cmax光伏电能作弃光限电处理；若不成立，则令储能系统以P_cmax的功率充电，储能系统可消纳全部光伏电能。

其中，由于三相光伏逆变器的输出电流对称，因此各有三分之一的光伏功率分摊在三相电力系统的各相中。

另一方面，本发明还提供了一种电气化铁路三相光伏储能系统，包括牵引供电系统、光伏发电系统和储能系统；

所述光伏发电系统包括光伏列阵和三相光伏逆变器，所述光伏列阵输出端连接至三相光伏逆变器的直流侧；所述储能系统包括储能装置和三相储能变流器，储能装置连接至三相储能变流器的直流侧；

在所述牵引供电系统两条供电臂上连接两相-三相降压变压器的两相侧，两相-三相降压变压器两相侧的第三端口连接至钢轨，两相-三相降压变压器的三相侧与三相光伏逆变器的交流侧和三相储能变流器的交流侧共同连接；牵引供电系统的两条供电臂通过三相-两相牵引变压器连接至三相电力系统。

进一步的是，系统中还包括中控器，所述三相光伏逆变器、三相储能变流器、两相-三相降压变压器和三相-两相牵引变压器的控制端口分别连接至中控器；通过中控器，实现系统的全面自动化控制，实现能量的自动分配。

进一步的是，在所述牵引供电系统两条供电臂上设置有电压检测器和电流检测器；在所述三相光伏逆变器中设置有功率检测电路，在所述三相储能变流器中设置有SOC检测电路；所述电压检测器、电流检测器、功率检测电路和SOC检测电路的信号输出端均连接至中控器；实现系统所有参数的实时检测。

进一步的是，所述储能装置为缩空气储能、飞轮储能、蓄电池储能、超导储能或超级电容储能；能够适用于各种储能装置。

采用本技术方案的有益效果：

1)光伏发电系统与储能系统配合使用，显著提高对光伏电能的消纳能力；

2)合理控制储能系统的充放电，极端情况下对光伏发电系统进行弃光限电，避免牵引供电系统向电力系统反送功率，从根本上解决了无储能系统时可能出现的三相潮流不同向问题；

3)在本技术方案的基础上，通过优化配置储能系统的容量，可进一步提高牵引供电系统的经济性。

附图说明

图1为本发明的一种电气化铁路三相光伏储能系统的控制方法流程示意图；

图2为本发明优化实施例中一种电气化铁路三相光伏储能系统的控制方法流程示意图；

图3为本发明的一种电气化铁路三相光伏储能系统的结构示意图；

其中，11为电力系统，12为三相-两相牵引变压器，13为牵引供电系统α供电臂，14为牵引供电系统β供电臂，15为钢轨；21为两相-三相降压变压器，22为光伏阵列，23为三相光伏逆变器，24为储能装置，25为三相储能变流器。

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。

如图1所示，本发明提出了一种电气化铁路三相光伏储能系统的控制方法，通过实时检测牵引供电系统、光伏发电系统和储能系统的运行状态，从而控制储能系统的充放电功率以及光伏发电系统的运行状态，包括步骤：

S100，实时检测牵引供电系统两条供电臂的电压和电流的幅值及相位，得到两条供电臂的电压相量U_α和U_β，以及得到两条供电臂的电流相量I_α和I_β；实时检测牵引供电系统高压侧三相电压的幅值和相位，得到高压侧的三相电压相量U_p、U_q和U_r；实时检测光伏发电系统的输出功率P_PV；以及实时检测储能系统的荷电状态SOC；

S200，利用两条供电臂的电压相量U_α和U_β与电流相量I_α和I_β，计算牵引负荷的实时用电功率，即有功功率P_α和P_β以及无功功率Q_α和Q_β；

S300，利用两条供电臂的电压相量U_α和U_β与电流相量I_α和I_β，高压侧的三相电压相量U_p、U_q和U_r，和牵引负荷的实时用电功率；计算牵引负荷在高压侧对于三相电力系统11的实时用电功率，即有功功率P_p、P_q和P_r以及无功功率Q_p、Q_q和Q_r；

S400，根据三相电力系统11的实时用电功率、光伏发电系统的输出功率和储能系统的荷电状态进行判断，从而控制储能系统的充放电功率动态分配以及光伏发电系统的运行状态。

在优化实施例中，参见图2所示，记两供电臂为α13、β14，电力系统11三相为A、B、C，以α相向A相取电、β相向A相取电为例进一步说明该控制方法。

实时检测牵引供电系统两条供电臂的电压、电流的幅值、相位，以及牵引供电系统高压侧三相电压的幅值、相位。相量U_α、U_β表示两条供电臂的电压，相量I_α、I_β表示两条供电臂的电流，相量U_A、U_B、U_C表示高压侧的三相电压。

计算牵引负荷的实时用电功率：

其中P、Q分别表示有功功率和无功功率，I_α*、I_β*表示供电臂电流相量的共轭复数。

计算牵引负荷在高压侧对于三相电力系统11而言的实时用电功率：

其中K表示牵引变压器的变比。

同时实时检测光伏发电系统的输出功率，记为P_PV。由于三相光伏逆变器23的输出电流对称，因此各有三分之一的光伏功率分摊在三相电力系统11的各相中。为了实现光伏电能的“削峰填谷”，并且避免向电力系统11反送电能，对储能系统的充放电功率动态分配以及光伏发电系统的运行策略遵循下述规则，其中min[P_A,P_B,P_C]表示三相电力系统11有功功率的最小值，SOC为储能系统的荷电状态，SOC_min、SOC_max为储能系统允许的最低、最高荷电状态，P_fmax为储能系统的最大放电功率，P_cmax为储能系统的最大充电功率。

1)当min[P_A,P_B,P_C]≥P_PV/3和SOC≤SOC_min均成立时，储能系统不工作；

2)当min[P_A,P_B,P_C]≥P_PV/3成立，但SOC≤SOC_min不成立时，判断P_PV+P_fmax≥P_α+P_β是否成立，若是，则储能系统以P_α+P_β-P_PV的功率放电，若否，则储能系统以P_fmax的功率放电；

3)当min[P_A,P_B,P_C]≥P_PV/3不成立，但SOC≥SOC_max成立时，光伏电能无法被全额消纳，令光伏发电系统输出功率为3×min[P_A,P_B,P_C]，其余P_PV-3×min[P_A,P_B,P_C]光伏电能作弃光限电处理；

4)当min[P_A,P_B,P_C]≥P_PV/3不成立，且SOC≥SOC_max也不成立时，判断P_α+P_β-P_PV≥P_cmax是否成立，若是，储能系统无法消纳全部光伏电能，则储能系统以P_cmax的功率充电，其余P_PV-P_cmax光伏电能作弃光限电处理，若否，储能系统可消纳全部光伏电能，则储能系统以P_cmax的功率充电。

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电气化铁路三相光伏储能系统，包括牵引供电系统、光伏发电系统和储能系统；

所述光伏发电系统包括光伏阵列22和三相光伏逆变器23，所述光伏阵列22输出端连接至三相光伏逆变器23的直流侧；所述储能系统包括储能装置24和三相储能变流器25，储能装置24连接至三相储能变流器25的直流侧；

在所述牵引供电系统两条供电臂上连接两相-三相降压变压器21的两相侧，两相-三相降压变压器21两相侧的第三端口连接至钢轨15，两相-三相降压变压器21的三相侧与三相光伏逆变器23的交流侧和三相储能变流器25的交流侧共同连接；牵引供电系统的两条供电臂通过三相-两相牵引变压器12连接至三相电力系统11。

三相-两相牵引变压器12将三相电力系统11的三相电压变换为两相电压向电气化铁路供电，三相-两相牵引变压器12的二次侧三个端口分别连接牵引供电系统α供电臂13、牵引供电系统β供电臂14和钢轨15。

在电气化铁路三相光伏储能系统中，两相-三相降压变压器21将牵引供电系统的两相电压变换为对称的三相电压，以向三相光伏逆变器23、三相储能变流器25提供合适的电压，使其正常工作。

光伏组件通过串并联组成光伏阵列22；三相光伏逆变器23实现光伏电能的升压、最大功率跟踪和逆变。

储能装置24是能够实现电能的储存与释放功能的一类设备，其典型的形式包含但不仅限于压缩空气储能、飞轮储能、蓄电池储能、超导储能、超级电容储能等。

三相储能变流器25能够根据指令控制储能装置24的充电或放电。三相光伏逆变器23和三相储能变流器25的交流侧为并联连接，从而实现储能系统对光伏发电系统的“削峰填谷”。

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。