本发明属于电气化铁路技术领域，特别是涉及一种制动能量回收的牵引光伏发电系统及控制方法。
背景技术：
近年来，为实现铁路系统的节能减排，国内部分学者及相关部门对我国铁路利用新能源及可再生能源的发展潜力及当前应用形式进行了分析，指出在铁路行业推进新能源和可再生能源的利用，不仅可促进铁路系统的低碳化运营，甚至可能在局部地区率先实现无碳化运输，而实现这一目标的关键在于铁路牵引用能上。在众多的能源形式中，光伏发电因其无噪声、无污染、不受地域限制、易于分散布局等优点备受青睐。然而，在大规模开发的同时，受系统调峰能力、电源装机、送出通道等因素限制，全国各地弃光现象频发，能源消纳问题成为制约其发展的一项技术瓶颈。因此，将光伏接入牵引供电系统不仅有利于铁路系统的绿色发展，同时可促进光伏电能的就近消纳。
由于现行牵引供电系统大多采用三相-两相分相供电制，这种特殊性迫使光伏发电系统难以通过主流的单相、三相并网逆变器直接接入，加之牵引负荷不同于传统意义上的负荷，目前大量投入使用的crh型、hxd型交流传动型机车在制动过程中将产生兆瓦级再生制动电能，这部分能量除了供同一电臂内处于牵引状态的列车使用外，多余部分将直接通过牵引变压器返送回电力系统，但是电力部门现行政策采用的是“返送正计”的惩罚性收费方法，并不能产生直接的经济收益。除此之外，实际运行中两供电臂上的牵引负荷会表现出强烈的波动性及不对称，光伏发电系统在某些时刻，如供电臂上空载或轻载工况下，可能出现输出过剩的现象，而目前尚无相关政策支持光伏发电系统通过牵引变电站向电力系统返送电能。因此，亟需探讨并研究能够适用于这种特殊应用环境的光伏发电系统拓扑及其控制方法，使其在维持系统安全稳定运行的同时，有效回收这部分返送的制动能量及无法完全消纳的光伏电能，以提高能源利用率，实现三方利益最大化。
现有技术中，虽已有光伏采用背靠背结构变流器直接接入电气化铁路牵引供电系统的方案，但尚未见有类似结构可用于回收利用机车的再生制动电能及无法消纳的光伏电能的技术方案；其次，虽已有单独利用储能装置、级连型回馈装置、能耗型装置等回收机车制动电能的方案，但是尚未见将此类装置与铁路牵引用光伏发电系统相融合的技术方案；现有的技术方案无法实现光伏电能就近消纳，无法充分回收机车再生制动电能及无法消纳的光伏电能。
技术实现要素：
为了解决上述问题，本发明提出了一种制动能量回收的牵引光伏发电系统及控制方法，能够应用于单相交流牵引供电系统，在实现光伏电能就近消纳及铁路系统绿色发展的同时，充分回收机车再生制动电能及无法消纳的光伏电能，以提高能源综合利用率，增加系统经济效益。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种制动能量回收的牵引光伏发电系统的控制方法，包括步骤：
s100，铁路牵引用光伏发电系统投入运行；控制单元实时检测两供电臂的输出电压uα和uβ，两供电臂的输出电流iα和iβ，光伏电池所接受的总辐射光照强度sref和表面温度tref，以及光伏阵列输出电压upv和电流ipv；并计算两供电臂等效负荷功率sα和sβ，计算光伏输出功率为ppv；其中，sα＝uα·iα*＝pα+jqα，sβ＝uβ·iβ*＝pβ+jqβ；
s200，控制单元依据计算结果判断两供电臂的α相和β相牵引负荷处于何种运行工况：若两供电臂上均不存在制动工况，进入步骤s210的模式1；若仅单臂存在制动工况，进入步骤s220的模式2；若两供电臂均为制动工况，进入步骤s230的模式3；从而实现系统各部分之间的协调控制，完成牵引负荷各类工况下的能量交换；
s210，控制单元依据牵引负荷实时运行状态控制光伏发电单元向两供电臂动态分配光伏电能，未消纳的光伏电能由能量回馈单元进行回收；
s220，控制单元控制背靠背变流器优先将制动能量由制动相转移至牵引相，功率缺额部分由光伏发电单元参与动态调节，未完全转移的制动能量及未消纳的光伏电能由能量回馈单元进行回收；
s230，光伏发电单元不向两供电臂分配电能，制动电能及光伏电能全部由能量回馈单元进行回收；
s300，判断是否达到结束条件：若是，结束运行，反之，跳转至步骤s100。
进一步的是，所述步骤s210的模式1，包括步骤：
s211，控制单元控制光伏发电单元利用背靠背变流器向两供电臂动态分配光伏电能，设定α相四象限变流器最大输出电流幅值
s212，控制单元判断供电臂上牵引功率总量∑p牵<ppv是否成立；
若是，则控制单元控制光伏发电单元向背靠背变流器方向输出功率ppvout＝∑p牵，背靠背变流器再依据预设的限幅值对光伏电能进行动态分配；控制单元还将控制能量回馈单元转移未完全消纳的光伏电能punuse＝ppv-∑p牵至10kv电力贯通线路；为车站及铁路沿线设备供能，以提高能源综合利用率；
若否，则光伏电能被牵引负荷完全消纳，即ppvout＝ppv且punuse＝0。
进一步的是，所述步骤s220的模式2，包括步骤：
s221，控制单元控制背靠背变流器优先将制动相电能转移至牵引相；
s222，控制单元判断供电臂上制动功率|p制|>牵引功率p牵是否成立；
若是，则控制单元控制光伏发电单元停止向背靠背变流器侧输送电能，即ppvout＝0，光伏电能及多余的制动电能由能量回馈单元进行回收，即punuse＝ppv+(|p制|-p牵)；
若否，则控制单元控制光伏发电单元向牵引相供电臂分配电能，设定相四象限变流器最大输出电流幅值
进一步的是，所述步骤s230的模式3为：控制单元控制光伏发电单元不再通过背靠背变流器向两供电臂输送电能，光伏电能全部由能量回馈单元转移；同时，两供电臂上的制动能量依次经背靠背变流器和能量回馈单元转移至10kv电力贯通线路，即ppvout＝0且punuse＝ppv+|∑p制|。
另一方面，本发明还提供了一种制动能量回收的牵引光伏发电系统，包括：三相牵引供电网、铁路牵引用光伏发电系统、10kv电力贯通线路、牵引变压器、α相供电臂、β相供电臂、牵引负荷和钢轨，所述牵引变压器原边从三相牵引供电网取电，所述牵引变压器副边分别与α相供电臂和β相供电臂连接为牵引负荷提供电能；所述铁路牵引用光伏发电系统跨接于α相供电臂、β相供电臂与钢轨之间，且铁路牵引用光伏发电系统连接至10kv电力贯通线路，在实现并网的同时不影响原有牵引供电系统的正常运行；
所述铁路牵引用光伏发电系统包括α相降压变压器、β相降压变压器、背靠背变流器、光伏发电单元、10kv能量回馈单元和控制单元；所述α相降压变压器的原边跨接在α相供电臂和钢轨之间，所述β相降压变压器的原边跨接在β相供电臂和钢轨之间，背靠背变流器分别连接α相降压变压器、β相降压变压器、光伏发电单元和能量回馈单元，所述10kv能量回馈单元连接至10kv电力贯通线路，所述控制单元分别连接至背靠背变流器、光伏发电单元和能量回馈单元。
进一步的是，所述光伏发电单元包括光伏阵列和dc/dc变流器，所述能量回馈单元包括三相ac/dc变流器和三相升压变压器，所述背靠背变流器包括α相单相四象限变流器、β相单相四象限变流器和直流支撑电容；
所述光伏阵列输出端与dc/dc变流器输入端相连，dc/dc变流器实现升压及最大功率点跟踪功能；所述三相ac/dc变流器直流端与dc/dc变流器输出端相并联，且共同连接于所述直流支撑电容两端；所述三相ac/dc变流器交流输出端与三相升压变压器原边相连，所述三相升压变压器副边并入10kv电力贯通线路，以回收无法完全消纳的光伏电能及机车再生制动电能；所述α相单相四象限变流器和β相单相四象限变流器的直流侧均连接至所述直流支撑电容的两端，共同维持直流电压的稳定；所述α相单相四象限变流器的交流侧与α相降压变压器副边连接，β相单相四象限变流器的交流侧与β相降压变压器副边连接。
进一步的是，所述控制单元实时检测两供电臂及光伏发电单元的电压电流数据，并计算负荷功率和光伏输出功率，再根据计算结果进行综合判断；从而使所述控制单元依据判断结果对背靠背变流器、光伏发电单元和10kv能量回馈单元进行协调控制，依据不同运行工况选择控制模式，实现所述铁路牵引用光伏发电系统与两供电臂及10kv电力贯通线路之间的能量交换。达到在消纳光伏电能的同时，有效回收机车产生的制动电能及无法完全消纳的光伏电能，从而提高能源综合利用率。
采用本技术方案的有益效果：
本发明能够用于单相交流牵引供电系统，有利于实现光伏电能的就近消纳及铁路系统的绿色发展；
本发明能够实时检测光伏发电系统、两供电臂牵引负荷运行状态，并依据计算结果控制α相、β相逆变器输出电流有效跟踪负荷变动，实现光伏电能动态分配；对电力系统来说，相当于减小了两供电臂的负荷不平衡度，即在一定程度上能够实现牵引供电系统的负序补偿；
本发明能够有效回收机车再生制动电能及无法消纳的光伏电能，有利于提高能源综合利用率，增加系统经济效益。
附图说明
图1为本发明的一种制动能量回收的牵引光伏发电系统的控制方法的流程示意图；
图2为本发明实施例中模式1的流程示意图；
图3为本发明实施例中模式2的流程示意图；
图4为本发明实施例中模式3的流程示意图；
图5为本发明实施例中一种制动能量回收的牵引光伏发电系统的结构示意图；
其中，1是三相牵引供电网，2是铁路牵引用光伏发电系统，3是10kv电力贯通线路，4是牵引变压器，5是α相供电臂，6是β相供电臂，7是牵引负荷，8是钢轨；
21是α相降压变压器，22是β相降压变压器，23是背靠背变流器，24是光伏发电单元，25是能量回馈单元，26是控制单元；
231α相单相四象限变流器，232是β相单相四象限变流器，233是直流支撑电容；241是dc/dc变流器，242是光伏阵列；251是三相ac/dc变流器，252是三相升压变压器。
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。
在本实施例中，参见图1所示，本发明提出了一种制动能量回收的牵引光伏发电系统的控制方法，包括步骤：
s100，铁路牵引用光伏发电系统2投入运行；控制单元26实时检测两供电臂的输出电压uα和uβ，两供电臂的输出电流iα和iβ，光伏电池所接受的总辐射光照强度sref和表面温度tref，以及光伏阵列242输出电压upv和电流ipv，计算光伏输出功率为ppv；并计算两供电臂等效负荷功率sα和sβ；其中，sα＝uα·iα*＝pα+jqα，sβ＝uβ·iβ*＝pβ+jqβ；
s200，控制单元26依据计算结果判断两供电臂的α相和β相的牵引负荷7处于何种运行工况：若两供电臂上均不存在制动工况，进入步骤s210的模式1；若仅单臂存在制动工况，进入步骤s220的模式2；若两供电臂均为制动工况，进入步骤s230的模式3；从而实现系统各部分之间的协调控制，完成牵引负荷7各类工况下的能量交换；
s210，控制单元26依据牵引负荷7实时运行状态控制光伏发电单元24向两供电臂动态分配光伏电能，未消纳的光伏电能由能量回馈单元25进行回收；
s220，控制单元26控制背靠背变流器23优先将制动能量由制动相转移至牵引相，功率缺额部分由光伏发电单元24参与动态调节，未完全转移的制动能量及未消纳的光伏电能由能量回馈单元25进行回收；
s230，光伏发电单元24不向两供电臂分配电能，制动电能及光伏电能全部由能量回馈单元25进行回收；
s300，判断是否达到结束条件：若是，结束运行，反之，跳转至步骤s100。
作为上述实施例的优化方案，如图2所示，所述步骤s210的模式1，包括步骤：
s211，控制单元26控制光伏发电单元24利用背靠背变流器23向两供电臂动态分配光伏电能，设定α相四象限变流器最大输出电流幅值
s212，控制单元26判断供电臂上牵引功率总量∑p牵<ppv是否成立；
若是，则控制单元26控制光伏发电单元24向背靠背变流器23方向输出功率ppvout＝∑p牵，背靠背变流器23再依据预设的限幅值对光伏电能进行动态分配；控制单元26还将控制能量回馈单元25转移未完全消纳的光伏电能punuse＝ppv-∑p牵至10kv电力贯通线路3；为车站及铁路沿线设备供能，以提高能源综合利用率；
若否，则光伏电能被牵引负荷7完全消纳，即ppvout＝ppv且punuse＝0。
作为上述实施例的优化方案，如图3所示，所述步骤s220的模式2，包括步骤：
s221，控制单元26控制背靠背变流器23优先将制动相电能转移至牵引相；
s222，控制单元26判断供电臂上制动功率|p制|>牵引功率p牵是否成立；
若是，则控制单元26控制光伏发电单元24停止向背靠背变流器23侧输送电能，即ppvout＝0，光伏电能及多余的制动电能由能量回馈单元25进行回收，即punuse＝ppv+(|p制|-p牵)；
若否，则控制单元26控制光伏发电单元24向牵引相供电臂分配电能，设定相四象限变流器最大输出电流幅值
作为上述实施例的优化方案，如图4所示，所述步骤s230的模式3为：控制单元26控制光伏发电单元24不再通过背靠背变流器23向两供电臂输送电能，光伏电能全部由能量回馈单元25转移；同时，两供电臂上的制动能量依次经背靠背变流器23和能量回馈单元25转移至10kv电力贯通线路3，即ppvout＝0且punuse＝ppv+|∑p制|。
为配合本发明方法的实现，基于相同的发明构思，如图5所示，本发明还提供了一种制动能量回收的牵引光伏发电系统，包括：三相牵引供电网1、铁路牵引用光伏发电系统2、10kv电力贯通线路3、牵引变压器4、α相供电臂5、β相供电臂6、牵引负荷7和钢轨8，所述牵引变压器4原边从三相牵引供电网1取电，所述牵引变压器4副边分别与α相供电臂5和β相供电臂6连接为牵引负荷7提供电能；所述铁路牵引用光伏发电系统2跨接于α相供电臂5、β相供电臂6与钢轨8之间，且铁路牵引用光伏发电系统2连接至10kv电力贯通线路3，在实现并网的同时不影响原有牵引供电系统的正常运行；
所述铁路牵引用光伏发电系统2包括α相降压变压器21、β相降压变压器22、背靠背变流器23、光伏发电单元24、10kv能量回馈单元25和控制单元26；所述α相降压变压器21的原边跨接在α相供电臂5和钢轨8之间，所述β相降压变压器22的原边跨接在β相供电臂6和钢轨8之间，背靠背变流器23分别连接α相降压变压器21、β相降压变压器22、光伏发电单元24和能量回馈单元25，所述10kv能量回馈单元25连接至10kv电力贯通线路3，所述控制单元26分别连接至背靠背变流器23、光伏发电单元24和能量回馈单元25。
作为上述实施例的优化方案，所述光伏发电单元24包括光伏阵列242和dc/dc变流器241，所述能量回馈单元25包括三相ac/dc变流器251和三相升压变压器252，所述背靠背变流器23包括α相单相四象限变流器231、β相单相四象限变流器232和直流支撑电容233；
所述光伏阵列242输出端与dc/dc变流器241输入端相连，dc/dc变流器241实现升压及最大功率点跟踪功能；所述三相ac/dc变流器251直流端与dc/dc变流器241输出端相并联，且共同连接于所述直流支撑电容233两端；所述三相ac/dc变流器251交流输出端与三相升压变压器252原边相连，所述三相升压变压器252副边并入10kv电力贯通线路3，以回收无法完全消纳的光伏电能及机车再生制动电能；所述α相单相四象限变流器231和β相单相四象限变流器232的直流侧均连接至所述直流支撑电容233的两端，共同维持直流电压的稳定；所述α相单相四象限变流器231的交流侧与α相降压变压器21副边连接，β相单相四象限变流器的交流侧与β相降压变压器22副边连接。
作为上述实施例的优化方案，所述控制单元26实时检测两供电臂及光伏发电单元24的电压电流数据，并计算负荷功率和光伏输出功率，再根据计算结果进行综合判断；从而使所述控制单元26依据判断结果对背靠背变流器23、光伏发电单元24和10kv能量回馈单元25进行协调控制，依据不同运行工况选择控制模式，实现所述铁路牵引用光伏发电系统2与两供电臂及10kv电力贯通线路3之间的能量交换。达到在消纳光伏电能的同时，有效回收机车产生的制动电能及无法完全消纳的光伏电能，从而提高能源综合利用率。
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。