一種電氣化鐵路三相光伏儲能系統的控制方法與流程
2023-05-22 06:13:11
本發明屬於牽引供電系統技術領域，特別是涉及一種電氣化鐵路三相光伏儲能系統的控制方法。
背景技術：
鐵路和光伏發電是我國目前正在大力發展的兩大領域。截至2015年底，我國鐵路營業裡程達到了12.1萬公裡，根據國家發改委印發的《中長期鐵路網規劃》，我國的鐵路網將在2020年達到15萬公裡，覆蓋80％以上的大城市，2025年鐵路網規模達到17.5萬公裡。根據2007年我國制定的《可再生能源中長期發展規劃》，到2020年我國的太陽能發電總容量將達到180萬kWp，而隨著今年來光伏發電技術的快速發展，這一數字有望達到10萬MWp。
鐵路和光伏的快速發展，為將光伏應用於鐵路領域提供了契機，不僅有利於提高我國消耗能源中新能源的佔比，同時有助於鐵路領域的節能減排和可再生能源利用，具有良好的經濟價值和社會價值。
現有研究對光伏發電接入電氣化鐵路牽引供電系統的接入形式進行了初步探索，其中光伏發電三相接入的方式因三相光伏逆變器、三相儲能變流器的高適應性、大容量而具有一定的優勢。但光伏發電三相接入後，會對牽引供電系統產生一定的負面影響：牽引負荷是一種不對稱性較強的負荷，而三相光伏逆變器的輸出電流三相對稱，這就容易引起運行過程中電力系統與牽引供電系統的連接點處三相潮流不同向的問題，對電能計量、電力系統調度造成了困難，甚至危害電力系統的安全穩定運行。
技術實現要素：
為了解決上述問題，提高光伏發電接入牽引供電系統的適應性，本發明提出了一種電氣化鐵路三相光伏儲能系統的控制方法，通過實時檢測牽引供電系統與光伏發電系統的運行狀態，動態分配儲能系統的充放電功率，對光伏電能進行「削峰填谷」，實現了光伏電能的「自發自用」；極端情況下對光伏系統進行棄光限電，避免光伏接入後牽引供電系統向電力系統反送功率，從而使光伏的接入不影響牽引供電系統本身的安全穩定運行。
為達到上述目的，本發明採用的技術方案是：一種電氣化鐵路三相光伏儲能系統的控制方法，通過實時檢測牽引供電系統、光伏發電系統和儲能系統的運行狀態，從而控制儲能系統的充放電功率以及光伏發電系統的運行狀態，包括步驟：
S100，實時檢測牽引供電系統兩條供電臂的電壓和電流的幅值及相位，得到兩條供電臂的電壓相量Uα和Uβ，以及得到兩條供電臂的電流相量Iα和Iβ；實時檢測牽引供電系統高壓側三相電壓的幅值和相位，得到高壓側的三相電壓相量Up、Uq和Ur；實時檢測光伏發電系統的輸出功率PPV；以及實時檢測儲能系統的荷電狀態SOC；
S200，利用兩條供電臂的電壓相量Uα和Uβ與電流相量Iα和Iβ，計算牽引負荷的實時用電功率，即有功功率Pα和Pβ以及無功功率Qα和Qβ；
S300，利用兩條供電臂的電壓相量Uα和Uβ與電流相量Iα和Iβ，高壓側的三相電壓相量Up、Uq和Ur，和牽引負荷的實時用電功率；計算牽引負荷在高壓側對於三相電力系統的實時用電功率，即有功功率Pp、Pq和Pr以及無功功率Qp、Qq和Qr；
S400，根據三相電力系統的實時用電功率、光伏發電系統的輸出功率和儲能系統的荷電狀態進行判斷，從而控制儲能系統的充放電功率動態分配以及光伏發電系統的運行狀態。
進一步的是，步驟S200中，計算牽引負荷的實時用電功率，具體公式為：
其中，Iα*、Iβ*分別表示牽引供電系統兩條供電臂電流相量的共軛複數。
進一步的是，步驟S300中，計算牽引負荷在高壓側對於三相電力系統的實時用電功率，具體公式為：
其中，Pp、Pq、Pr分別表示牽引負荷在高壓側的三相有功功率，Qp、Qq、Qr分別表示牽引負荷在高壓側的三相無功功率，K表示牽引變壓器的變比，Iα*、Iβ*分別表示牽引供電系統兩條供電臂電流相量的共軛複數。
進一步的是，所述步驟S400，包括步驟：
設定儲能系統允許的最低荷電狀態SOCmin和最高荷電狀態SOCmax，設定儲能系統的最大放電功率Pfmax和最大充電功率Pcmax；
取三相電力系統的實時用電功率中的有功功率最小值min[Pp,Pq,Pr]；
為了實現光伏電能的「削峰填谷」，並且避免向電力系統反送電能，對儲能系統的充放電功率動態分配以及光伏發電系統的運行策略遵循下述規則進行判斷：
1)當min[Pp,Pq,Pr]≥PPV/3和SOC≤SOCmin均成立時，控制儲能系統停止工作；
2)當min[Pp,Pq,Pr]≥PPV/3成立，但SOC≤SOCmin不成立時；判斷PPV+Pfmax≥Pα+Pβ是否成立；若成立，則令儲能系統以Pα+Pβ-PPV的功率放電；若不成立，則令儲能系統以Pfmax的功率放電；
3)當min[Pp,Pq,Pr]≥PPV/3不成立，但SOC≥SOCmax成立時；則令光伏發電系統輸出功率為3×min[Pp,Pq,Pr]，剩餘的PPV-3×min[Pp,Pq,Pr]光伏電能作棄光限電處理；
4)當min[Pp,Pq,Pr]≥PPV/3不成立，且SOC≥SOCmax也不成立時；判斷Pα+Pβ-PPV≥Pcmax是否成立；若成立，則令儲能系統以Pcmax的功率充電，剩餘的PPV-Pcmax光伏電能作棄光限電處理；若不成立，則令儲能系統以Pcmax的功率充電，儲能系統可消納全部光伏電能。
其中，由於三相光伏逆變器的輸出電流對稱，因此各有三分之一的光伏功率分攤在三相電力系統的各相中。
另一方面，本發明還提供了一種電氣化鐵路三相光伏儲能系統，包括牽引供電系統、光伏發電系統和儲能系統；
所述光伏發電系統包括光伏列陣和三相光伏逆變器，所述光伏列陣輸出端連接至三相光伏逆變器的直流側；所述儲能系統包括儲能裝置和三相儲能變流器，儲能裝置連接至三相儲能變流器的直流側；
在所述牽引供電系統兩條供電臂上連接兩相-三相降壓變壓器的兩相側，兩相-三相降壓變壓器兩相側的第三埠連接至鋼軌，兩相-三相降壓變壓器的三相側與三相光伏逆變器的交流側和三相儲能變流器的交流側共同連接；牽引供電系統的兩條供電臂通過三相-兩相牽引變壓器連接至三相電力系統。
進一步的是，系統中還包括中控器，所述三相光伏逆變器、三相儲能變流器、兩相-三相降壓變壓器和三相-兩相牽引變壓器的控制埠分別連接至中控器；通過中控器，實現系統的全面自動化控制，實現能量的自動分配。
進一步的是，在所述牽引供電系統兩條供電臂上設置有電壓檢測器和電流檢測器；在所述三相光伏逆變器中設置有功率檢測電路，在所述三相儲能變流器中設置有SOC檢測電路；所述電壓檢測器、電流檢測器、功率檢測電路和SOC檢測電路的信號輸出端均連接至中控器；實現系統所有參數的實時檢測。
進一步的是，所述儲能裝置為縮空氣儲能、飛輪儲能、蓄電池儲能、超導儲能或超級電容儲能；能夠適用於各種儲能裝置。
採用本技術方案的有益效果：
1)光伏發電系統與儲能系統配合使用，顯著提高對光伏電能的消納能力；
2)合理控制儲能系統的充放電，極端情況下對光伏發電系統進行棄光限電，避免牽引供電系統向電力系統反送功率，從根本上解決了無儲能系統時可能出現的三相潮流不同向問題；
3)在本技術方案的基礎上，通過優化配置儲能系統的容量，可進一步提高牽引供電系統的經濟性。
附圖說明
圖1為本發明的一種電氣化鐵路三相光伏儲能系統的控制方法流程示意圖；
圖2為本發明優化實施例中一種電氣化鐵路三相光伏儲能系統的控制方法流程示意圖；
圖3為本發明的一種電氣化鐵路三相光伏儲能系統的結構示意圖；
其中，11為電力系統，12為三相-兩相牽引變壓器，13為牽引供電系統α供電臂，14為牽引供電系統β供電臂，15為鋼軌；21為兩相-三相降壓變壓器，22為光伏陣列，23為三相光伏逆變器，24為儲能裝置，25為三相儲能變流器。
具體實施方式
為了使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面結合附圖對本發明作進一步闡述。
如圖1所示，本發明提出了一種電氣化鐵路三相光伏儲能系統的控制方法，通過實時檢測牽引供電系統、光伏發電系統和儲能系統的運行狀態，從而控制儲能系統的充放電功率以及光伏發電系統的運行狀態，包括步驟：
S100，實時檢測牽引供電系統兩條供電臂的電壓和電流的幅值及相位，得到兩條供電臂的電壓相量Uα和Uβ，以及得到兩條供電臂的電流相量Iα和Iβ；實時檢測牽引供電系統高壓側三相電壓的幅值和相位，得到高壓側的三相電壓相量Up、Uq和Ur；實時檢測光伏發電系統的輸出功率PPV；以及實時檢測儲能系統的荷電狀態SOC；
S200，利用兩條供電臂的電壓相量Uα和Uβ與電流相量Iα和Iβ，計算牽引負荷的實時用電功率，即有功功率Pα和Pβ以及無功功率Qα和Qβ；
S300，利用兩條供電臂的電壓相量Uα和Uβ與電流相量Iα和Iβ，高壓側的三相電壓相量Up、Uq和Ur，和牽引負荷的實時用電功率；計算牽引負荷在高壓側對於三相電力系統11的實時用電功率，即有功功率Pp、Pq和Pr以及無功功率Qp、Qq和Qr；
S400，根據三相電力系統11的實時用電功率、光伏發電系統的輸出功率和儲能系統的荷電狀態進行判斷，從而控制儲能系統的充放電功率動態分配以及光伏發電系統的運行狀態。
在優化實施例中，參見圖2所示，記兩供電臂為α13、β14，電力系統11三相為A、B、C，以α相向A相取電、β相向A相取電為例進一步說明該控制方法。
實時檢測牽引供電系統兩條供電臂的電壓、電流的幅值、相位，以及牽引供電系統高壓側三相電壓的幅值、相位。相量Uα、Uβ表示兩條供電臂的電壓，相量Iα、Iβ表示兩條供電臂的電流，相量UA、UB、UC表示高壓側的三相電壓。
計算牽引負荷的實時用電功率：
其中P、Q分別表示有功功率和無功功率，Iα*、Iβ*表示供電臂電流相量的共軛複數。
計算牽引負荷在高壓側對於三相電力系統11而言的實時用電功率：
其中K表示牽引變壓器的變比。
同時實時檢測光伏發電系統的輸出功率，記為PPV。由於三相光伏逆變器23的輸出電流對稱，因此各有三分之一的光伏功率分攤在三相電力系統11的各相中。為了實現光伏電能的「削峰填谷」，並且避免向電力系統11反送電能，對儲能系統的充放電功率動態分配以及光伏發電系統的運行策略遵循下述規則，其中min[PA,PB,PC]表示三相電力系統11有功功率的最小值，SOC為儲能系統的荷電狀態，SOCmin、SOCmax為儲能系統允許的最低、最高荷電狀態，Pfmax為儲能系統的最大放電功率，Pcmax為儲能系統的最大充電功率。
1)當min[PA,PB,PC]≥PPV/3和SOC≤SOCmin均成立時，儲能系統不工作；
2)當min[PA,PB,PC]≥PPV/3成立，但SOC≤SOCmin不成立時，判斷PPV+Pfmax≥Pα+Pβ是否成立，若是，則儲能系統以Pα+Pβ-PPV的功率放電，若否，則儲能系統以Pfmax的功率放電；
3)當min[PA,PB,PC]≥PPV/3不成立，但SOC≥SOCmax成立時，光伏電能無法被全額消納，令光伏發電系統輸出功率為3×min[PA,PB,PC]，其餘PPV-3×min[PA,PB,PC]光伏電能作棄光限電處理；
4)當min[PA,PB,PC]≥PPV/3不成立，且SOC≥SOCmax也不成立時，判斷Pα+Pβ-PPV≥Pcmax是否成立，若是，儲能系統無法消納全部光伏電能，則儲能系統以Pcmax的功率充電，其餘PPV-Pcmax光伏電能作棄光限電處理，若否，儲能系統可消納全部光伏電能，則儲能系統以Pcmax的功率充電。
發明方法的實現，基於相同的發明構思，如圖3所示，本發明還提供了一種電氣化鐵路三相光伏儲能系統，包括牽引供電系統、光伏發電系統和儲能系統；
所述光伏發電系統包括光伏陣列22和三相光伏逆變器23，所述光伏陣列22輸出端連接至三相光伏逆變器23的直流側；所述儲能系統包括儲能裝置24和三相儲能變流器25，儲能裝置24連接至三相儲能變流器25的直流側；
在所述牽引供電系統兩條供電臂上連接兩相-三相降壓變壓器21的兩相側，兩相-三相降壓變壓器21兩相側的第三埠連接至鋼軌15，兩相-三相降壓變壓器21的三相側與三相光伏逆變器23的交流側和三相儲能變流器25的交流側共同連接；牽引供電系統的兩條供電臂通過三相-兩相牽引變壓器12連接至三相電力系統11。
三相-兩相牽引變壓器12將三相電力系統11的三相電壓變換為兩相電壓向電氣化鐵路供電，三相-兩相牽引變壓器12的二次側三個埠分別連接牽引供電系統α供電臂13、牽引供電系統β供電臂14和鋼軌15。
在電氣化鐵路三相光伏儲能系統中，兩相-三相降壓變壓器21將牽引供電系統的兩相電壓變換為對稱的三相電壓，以向三相光伏逆變器23、三相儲能變流器25提供合適的電壓，使其正常工作。
光伏組件通過串並聯組成光伏陣列22；三相光伏逆變器23實現光伏電能的升壓、最大功率跟蹤和逆變。
儲能裝置24是能夠實現電能的儲存與釋放功能的一類設備，其典型的形式包含但不僅限於壓縮空氣儲能、飛輪儲能、蓄電池儲能、超導儲能、超級電容儲能等。
三相儲能變流器25能夠根據指令控制儲能裝置24的充電或放電。三相光伏逆變器23和三相儲能變流器25的交流側為並聯連接，從而實現儲能系統對光伏發電系統的「削峰填谷」。
以上顯示和描述了本發明的基本原理和主要特徵和本發明的優點。本行業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的原理，在不脫離本發明精神和範圍的前提下，本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明範圍內。本發明要求保護範圍由所附的權利要求書及其等效物界定。