一种用于牵引供电的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，特别是涉及一种用于牵引供电的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。

在目前我国的新能源市场中，三相变流器因其适应性强、容量大而占据了主导地位，其中包括三相光伏逆变器以及三相储能变流器。牵引供电系统对于电力系统来说是一种不平衡的负荷，一般的牵引供电系统均会通过三相-两相变压器来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。对于三相的光伏储能系统来说，也可以通过匹配的两相-三相变压器接入到牵引供电系统中。

目前我国牵引供电系统中，常用的三相-两相变压器包括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，其中V型接线牵引变压器和YNd11接线牵引变压器的二次侧两相电压呈60°夹角，Scott接线牵引变压器和阻抗匹配平衡变压器的二次侧两相电压呈90°夹角。对应的两相-三相变压器包括V型接线变压器、YNd11接线变压器、Dyn11接线变压器、逆斯科特接线变压器等，其中V型接线变压器、YNd11接线变压器和Dyn11接线变压器的一次侧两相电压呈60°夹角，逆斯科特接线变压器的一次侧两相电压呈90°夹角。

但是，由于牵引负荷对于电力系统来说是一种波动性的、不对称的两相负荷，而光伏系统三相接入后输出的电流始终是对称的，若只有光伏系统三相接入牵引供电系统，易使整个牵引供电系统对于电力系统而言不对称性加剧、功率因数下降，甚至在电力系统侧出现不同相别之间潮流相反的情况。在这种情况下，可能出现两种结果：一，电力系统无法接纳牵引供电系统的反送的不合格电能，造成光伏系统投资者的经济损失；二，电力系统接纳不合格电能，但由于不对称电流增大、功率因数下降，可能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，本发明提出了一种用于牵引供电的光伏储能并网装置及控制方法，光伏系统输出功率可以直接供应给牵引负荷，也可以反送回电力系统来获得收益，储能系统能够根据指令进行充放电，通过合理安排储能系统的充放电，可大大减轻光伏系统的接入对牵引供电系统和对电力系统的影响，加强了牵引供电系统和电力系统的稳定性。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种用于牵引供电的光伏储能并网装置，包括光伏阵列、三相光伏逆变器、储能装置、三相储能变流器、两相-三相降压变压器；

两相-三相降压变压器高压侧的三个端口与外部连接；其中，两个端口分别连接至牵引供电系统两个供电臂的母线，另一个端口连接至牵引供电系统的钢轨，钢轨连接地网；

所述三相光伏逆变器和三相储能变流器的交流侧并联连接，且共同连接至两相-三相降压变压器的低压侧；

所述三相光伏逆变器的直流侧连接光伏阵列；所述三相储能变流器的直流侧连接储能装置。

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、三相光伏逆变器的容量、牵引供电系统的功率需求、支架成本和直流线缆成本来确定；通用性能强。

进一步的是，所述三相光伏逆变器是一种将光伏阵列产生的直流电能变换为交流电能的装置，且选择具有最大功率跟踪功能的三相光伏逆变器，以保证光伏阵列能够尽可能多地输出电能。

进一步的是，所述储能装置是实现电能储存与释放功能的设备，包括压缩空气储能、飞轮储能、蓄电池储能、超导储能和/或超级电容储能。

进一步的是，所述三相储能变流器将储能装置产生的直流电能转换为交流电能，根据控制指令完成电能的双向流动，以实现储能装置的充放电。

进一步的是，所述两相-三相降压变压器为V型接线变压器、YNd11接线变压器、Dyn11接线变压器或逆斯科特接线变压器；适用于现有通用的牵引变压器。

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。

进一步的是，所述两相-三相降压变压器的选择根据牵引变压器的结构来确定。

进一步的是，当牵引变压器为V型接线牵引变压器或YNd11接线牵引变压器时，所述两相-三相降压变压器为V型接线变压器、YNd11接线变压器或Dyn11接线变压器；当牵引变压器为Scott接线牵引变压器或阻抗匹配平衡变压器时，所述两相-三相降压变压器为逆斯科特接线变压器。

另一方面，本发明还提供了一种用于牵引供电的光伏储能并网控制方法，其特征在于，包括步骤：

实时检测光伏列阵的输出功率和牵引负荷的需求功率；

当无牵引负荷或牵引负荷较小时，光伏列阵输出电能供牵引供电系统使用，且剩余的电能通向电力网络，储能装置根据荷电状态确定放电功率；

当牵引负荷较大时，光伏列阵输出的电能同时供给牵引供电系统或储存在储能系统中，若储能装置荷电状态达到上限且光伏出力大于牵引负荷，则光伏列阵退出供电。

采用本技术方案的有益效果：

一种基于三相变流器的牵引供电系统光伏储能并网装置，光伏系统与储能系统为并联连接，通过合理安排储能系统的充放电，可大大减轻光伏系统的接入对牵引供电系统、对电力系统的影响，并保证光伏系统反送回电力系统的电能满足并网电能质量要求。

光伏系统输出功率可以直接供应给牵引负荷，也可以反送回电力系统来获得收益，储能系统能够根据指令进行充放电，通过合理安排储能系统的充放电，可大大减轻光伏系统的接入对牵引供电系统和对电力系统的影响，加强了牵引供电系统和电力系统的稳定性。

根据应用场地的实际工况设定阈值并制定工作模式的切换策略，避免因牵引负荷的强波动性造成光伏储能系统的工作模式频繁切换。

附图说明

图1为本发明的一种用于牵引供电的光伏储能并网装置的拓扑结构示意图；

图2为本发明实施例中一种用于牵引供电的光伏储能并网装置与牵引供电系统的外部接线形式示意图；

图3为本发明实施例中一种用于牵引供电的光伏储能并网控制方法流程图；

其中，11为电力网络，12为牵引变压器，13和14分别为牵引供电系统两个供电臂的母线，15为钢轨，16为一种用于牵引供电的光伏储能并网装置；

21为两相-三相降压变压器，22为光伏储能系统；221为光伏阵列，222为三相光伏逆变器，223为三相储能变流器，224为储能装置。

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牵引供电的光伏储能并网装置，包括光伏阵列221、三相光伏逆变器222、储能装置224、三相储能变流器223、两相-三相降压变压器21；

两相-三相降压变压器21高压侧的三个端口与外部连接；其中，两个端口分别连接至牵引供电系统两个供电臂的母线13,14，另一个端口连接至牵引供电系统的钢轨15，钢轨15连接地网；

所述三相光伏逆变器222和三相储能变流器223的交流侧并联连接，且共同连接至两相-三相降压变压器21的低压侧；

所述三相光伏逆变器222的直流侧连接光伏阵列221；所述三相储能变流器223的直流侧连接储能装置224。

作为上述是实施例的优化方案，所述光伏阵列221通过光伏组件的串并联来构成，光伏阵列221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、三相光伏逆变器222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来确定；通用性能强。

所述三相光伏逆变器222是一种将光伏阵列221产生的直流电能变换为交流电能的装置，且选择具有最大功率跟踪功能的三相光伏逆变器222，以保证光伏阵列221能够尽可能多地输出电能。

作为上述是实施例的优化方案，所述储能装置224是实现电能储存与释放功能的设备，包括压缩空气储能、飞轮储能、蓄电池储能、超导储能和/或超级电容储能。

所述三相储能变流器223将储能装置224产生的直流电能转换为交流电能，根据控制指令完成电能的双向流动，以实现储能装置224的充放电。

作为上述是实施例的优化方案，所述两相-三相降压变压器21为V型接线变压器、YNd11接线变压器、Dyn11接线变压器或逆斯科特接线变压器；适用于现有通用的牵引变压器12。

作为上述是实施例的优化方案，如图2所示，在并网装置16与牵引供电系统两个供电臂的母线13,14连接处，还并联连接牵引变压器12的一次侧，所述牵引变压器12的二次侧连接至电力网络11。

所述两相-三相降压变压器21的选择根据牵引变压器12的结构来确定。

当牵引变压器12为V型接线牵引变压器或YNd11接线牵引变压器时，所述两相-三相降压变压器21为V型接线变压器、YNd11接线变压器或Dyn11接线变压器；当牵引变压器12为Scott接线牵引变压器或阻抗匹配平衡变压器时，所述两相-三相降压变压器21为逆斯科特接线变压器。

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用于牵引供电的光伏储能并网控制方法。

实时检测光伏列阵的输出功率和牵引负荷的需求功率。

(1)工作模式1，当无牵引负荷或牵引负荷较小时，光伏列阵输出电能供牵引供电系统使用，且剩余的电能通向电力网络，储能装置根据荷电状态确定放电功率；

此时电力网络侧的三相电流中光伏储能系统输出电流反映出的分量起主导作用，而光伏储能系统的输出电流是平衡的且能够保持较高的功率因数，即使存在较小的牵引负荷，电力系统侧的不对称性、功率因数也能够维持在电力网络所能承受的范围之内。

对于工作模式1，储能系统的放电功率应根据储能装置的SOC来确定：当储能装置SOC较大时，可以以较大功率进行放电，但放电功率不能超过储能装置的最大放电功率以及三相储能变流器的最大输出功率；当储能装置SOC较小时，可以以较小功率进行放电，同时需要保证储能装置的SOC不低于最低限值。

(2)工作模式2，当牵引负荷较大时，光伏列阵输出的电能同时供给牵引供电系统或储存在储能系统中，若储能装置荷电状态达到上限且光伏出力大于牵引负荷，则光伏列阵退出供电；

此时电力系统侧的三相电流中牵引负荷反映出的分量起主导作用，如果仍保持光伏储能系统的大功率输出，可能导致上述的在电力系统侧三相不对称性加剧、功率因数降低甚至不同相别之间潮流相反的情况，为了避免这种情况的出现，应控制光伏储能系统不向外输出电能。

对于工作模式2，光伏列阵输出电能由储能系统全额吸收，但储能系统的充电功率不能大于储能装置的最大充电功率以及三相储能变流器的最大输入功率，因此需要结合应用场所的具体气象条件对光伏系统和储能系统的参数进行匹配计算。

具体的是，定义系数k₁、k₂为牵引负荷与光伏列阵输出功率的比值，如下式所示：

S_α＝k₁·P_pv

S_β＝k₂·P_pv

其中S_α、S_β分别为牵引供电系统两条供电臂牵引负荷所需的功率，P_pv为光伏列阵的输出功率。

由于本发明应用场所为牵引供电系统，而牵引负荷具有较强的波动性，为了避免因牵引负荷波动造成光伏储能系统工作模式的频繁切换，根据应用场地实际的线路条件、机车类型、行车密度等工况来制定k₁、k₂的阈值以及光伏储能系统的工作模式切换策略，根据k₁、k₂与阈值的大小关系以及切换策略来确定光伏储能系统的工作模式。

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。