一种轨道交通配电用电能路由器的并网功率控制策略

1.本发明属于电力电子设备控制领域，尤其涉及一种轨道交通配电用电能路由器的并网功率控制策略。


背景技术：

2.在轨道交通方面，电气化铁路具有污染小、高效、牵引功率大等优点，同时未来电气化铁路将沿着“大规模、高速度、高密度”的方向持续发展。然而，伴随而来的将是与日俱增的巨大电能需求，于是新能源和清洁能源的应用将成为解决这一问题较为可行的方法。通过电力电子变流设备集成新能源发电系统与储能系统，构建新一代的电气化铁路“网-源-储-车”一体化供电系统，是低碳绿色化、高效能与高弹性发展的需求。
3.电能路由器在并网模式下工作，为实现系统的功率平衡，并网功率会实时变化。并网功率的波动会影响电能路由器系统本身安全与稳定运行，同时为使得用户自用后剩余的电能能够正常输入电网不给大电网带来危害，必须保证并网功率的平滑。
4.对于平抑风光电源的波动，非专利文献1(“电池储能平抑短期风电功率波动运行策略”，娄素华等，电力系统自动化，第38卷第2期，2014年1月25日)利用超前控制策略控制风电功率波动使其平滑，考虑到储能当前和过去的运行状态以及风电在下一个预测周期内的出力，实现了对短期风功率的平抑。非专利文献2(“利用储能系统平滑光伏波动的模糊聚类经验模态分解方法”，杨锡运等，高电压技术，第42卷第7期，2016年7月31日)提出一种基于模糊聚类经验模态分解的功率平抑控制，以是实现功率的平滑。但以上方法均使用了电池储能装置，通过电池的快速充放电来平抑风光电源的波动，其未考虑到蓄电池价格高，安全性低，易发生自燃和爆炸等局限性，且电能路由器家用时长时间工作在并网状态，电池无法发挥不间断电源作用。
5.因此，本领域需要一种控制策略，能够在无电池储能模块时，直接控制风光分布式电源输出，不让其按最大功率跟踪模式随机的波动的输出，而是根据算法求得目标平滑功率，进而求得风光电源出力指令，使其在最大功率能力之下追踪指令功率输出，最终实现并网功率的平滑和系统安全稳定运行。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于针对使用蓄电池储能装置的局限性，考虑到电能路由器工作于并网状态时，分布式电源能够为用户负载提供一部分功率，减轻了从电网购电的经济负担，当其出力有剩余时，还可以通过双向dc-ac变流器流入电网，为用户创造额外收益。但分布式电源出力受天气影响易波动，如果直接将功率送入电网会给电网带来危害，也影响家庭用户的用电质量。由于该电能路由器未设计电池储能模块，故需控制光伏与风机电源的功率，从而本发明提出后端点功率平滑半补偿算法的并网功率平滑策略使得风光电源追踪到指令功率值并稳定输出，抑制并网点功率ps波动，从而得到波动明显减少的并网点平滑功率，不仅实现了系统的安全稳定运行，而且提高了家庭用户的用电质量。
7.本发明的技术方案如下。
8.一种电能路由器的并网功率控制策略，包括如下步骤：
9.步骤s1，并网启动运行；
10.步骤s2，设置分布式电源工作于最大功率跟踪模式(mppt)；
11.步骤s3，采集得到实时功率信息；
12.步骤s4，计算实时并网点功率p
s1
，以及一次滑动平均后功率p
n1
；
13.步骤s5，计算半补偿后并网点功率p
s2
，并再次做滑动平均处理得到滑动平均后功率p
n2
；
14.步骤s6，计算半补偿功率p
s3
并做修正，得到目标平滑功率ps；
15.步骤s7，计算分布式电源功率p
in
＝ps+pw；
16.步骤s8，计算分布式电源功率指令，控制风光联合控制模块工作；
17.步骤s9，控制分布式电源使输出功率跟踪到指令功率值并稳定输出；
18.步骤s10，判断是否到达下一采样时刻；若结果为是，则跳转到步骤s2；若结果为否，则策略结束。
19.优选地，所述分布式电源包括由光伏组成的光伏子系统，以及由风机组成的风电子系统。
20.3优选地，所述步骤s3采集得到的实时功率信息包括最大功率跟踪模式下光伏输出功率p
pvmax
、风机输出功率p
wmax
，以及负载功率p
l
。
21.优选地，所述步骤s4中计算的实时并网点功率为p
s1
＝p
pvmax
+p
wmax-p
l
；所述步骤s4和s5采用后端点功率平滑半补偿算法计算得到滑动平均后功率。
22.优选地，当p
s1
》p
n1
时，所述光伏按p
n1
曲线对应出力输出；当p
s1
《p
n1
时，光伏按照最大功率输出。
23.优选地，所述电能路由器运行与并网状态下的工作模式包括光伏单独运行，在该模式下所述光伏工作于曲线功率跟踪模式(cpct)，限制在最大功率能力之下跟踪功率曲线输出，并网点功率ps＝p
pv-p
l
。
24.优选地，所述电能路由器运行与并网状态下的工作模式包括风机单独运行，在该模式下风电子系统工作于曲线功率跟踪模式，并网点功率为ps＝p
w-p
l
。
25.优选地，所述电能路由器运行与并网状态下的工作模式包括风光联合供电，在该模式下所述风电子系统工作于最大功率跟踪模式，所述光伏子系统工作于曲线功率跟踪模式，并网点功率ps＝p
pv
+p
wmax-p
l
。
26.优选地，所述电能路由器运行与并网状态下的工作模式包括风光都停运，在该模式下，并网点功率为ps＝-p
l
。
27.优选地，所述电能路由器用于轨道交通配电。
28.通过以上技术方案，本发明能够取得如下有益效果。
29.1.本发明考虑到蓄电池价格高，安全性低，易发生自燃和爆炸，且家用时长时间工作在并网状态无需电池提供不间断电源，故未设置电池储能模块，使得电能路由器的设计更加简单，更适用于家庭用户。
30.2.本发明通过控制分布式电源的输出使其不随天气环境的改变而自由波动，而是根据后端点功率平滑半补偿算法求得想要的目标平滑功率进而求出分布式电源的出力指
令，控制分布式电源在最大能力之下跟踪指令功率值稳定输出，实现并网功率平滑的目标，同时还能尽量充分利用分布式电源，降低弃电量。
31.3.本发明提出后端点功率平滑半补偿算法求得目标平滑功率，进而得出风光电源对应的输出功率指令，风光联合控制模块根据指令值控制风光按功率协调控制策略联合运行，使其实际输出功率等于该指令值，实现功率平滑，该求解方法能够使并网功率波动明显降低，且原理简单，可实现实时快速计算。
附图说明
32.图1为无电池储能的电能路由器主电路结构图；
33.图2为电能路由器并网模式下系统功率流向图；
34.图3为窗口为7的后端点功率平滑半补偿算法原理图；
35.图4为电能路由器并网模式下功率控制总体框图；
36.图5为电能路由器运行于并网模式下的整体工作流程图。
具体实施方式
37.图1为无电池储能的电能路由器主电路结构图。电能路由器的各个端口分别连接直流分布式电源光伏、交流分布式电源小型直驱风机、直流负载、交流220v大电网、交流负载。光伏系统通过dc-dc变流器控制光伏输出电压进而控制输出功率，小型风机通过ac-dc变流器控制风机转速进而控制风机输出功率。交直流母线通过双向dc-ac单相变流器连接。开关s4的切合可实现孤网运行模式和并网运行模式的快速切换。
38.图2为电能路由器并网模式下系统功率流向图，其中ps为并网点功率，设流入电网为正。p
pv
光伏输出功率，pw为小型风机输出功率。p
l
为负载功率。则有：ps＝p
pv
+p
w-p
l
。
39.并网运行时保证用户用电的舒适，不干扰用户用电行为，负载功率不可控制。当风光电源都运行在最大功率跟踪模式(mppt)下，此时并网功率ps＝p
pvmax
+p
wmax-p
l
，其中p
pvmax
、p
wmax
分别是mppt模式下光伏输出功率和小型风机输出功率，其受天气环境影响波动较大。为保证并网功率平滑，需要控制光伏和风机在最大能力之下按照指令功率输出。这首先需要求得一个目标平滑功率p
s*
，然后得出所对应需要的分布式电源出力指令。则当光伏单独运行时其功率输出指令p
pv
＝p
s*
+p
l
。同理风机单独运行时其功率输出指令pw＝p
s*
+p
l
。当风光联合运行时，按照风电优先，光电次之的联合控制策略出力，则风机工作于mppt模式，只需求得光伏此时的功率输出指令p
pv
＝p
s*
+p
l-p
wmax
。电能路由器智能控制模块控制风光变流器工作于曲线功率跟踪模式(cpct)，通过控制光伏输出电压和风机转速使输出功率跟踪到指令功率值并稳定输出，使得并网点功率平滑，减少波动。
40.图3为窗口为7的后端点功率平滑半补偿算法原理图，其中绿色窗口为前端点数据，在下一采样时刻将被剔除。红色窗口为后端点数据，在下一采样时刻将补入最新的数据。在采样时间kt时，对窗口里的所有数据作平均可平滑出一个新的数据fk，并使该新的数据代替原来的后端点数据，最后所有新的后端点数据构成一条波动明显减少的平滑曲线。
41.后端点功率平滑半补偿算法受端部效应影响，其初始6个数据需要寻找新的方法补入。本文构造的补入方法如式(1)所示，即每一个数和在它之前的所有数求和并作平均，相当于前六个数据的滑动窗口长度依次是1至6。
[0042][0043]
图4为电能路由器并网模式下功率控制总体框图，并网模式控制模块根据采样处理后的数据信息，运行后端点功率平滑半补偿算法，求得目标平滑功率进而求出分布式电源输出功率指令。风光联合控制模块根据指令值控制风光按功率协调控制策略联合运行，使其实际输出功率等于该指令值，实现功率平滑。
[0044]
根据风光的工作情况可得到电能路由器运行于并网状态下的四种工作模式，分别为光伏单独运行、风机单独运行、风光联合供电、风光都停运。光伏单独运行时，光伏子系统采用cpct模式，即不让光伏按最大能力出力，而是限制在最大功率能力之下跟踪功率曲线输出，并网点功率为ps＝p
pv-p
l
；风机单独运行时，风电子系统采用cpct模式，并网点功率为ps＝p
w-p
l
；风光联合供电时，风电子系统采用mppt模式，即使风电子系统工作于最大功率出力状态，光伏子系统依然采用cpct模式，并网点功率为ps＝p
pv
+p
wmax-p
l
；风光都停运时，并网点功率为ps＝-p
l
。
[0045]
图5为电能路由器运行于并网模式下的整体工作流程图，是结合本发明提出的并网点功率平滑算法和风光电源的功率变流器的控制框图得出。电能路由器并网运行时，首先使分布式电源工作在mppt模式并采集到风电、光伏和负载的实时功率信息，然后实时计算此时的并网点功率p
s1
＝p
pvmax
+p
wmax-p
l
，以m时刻为例，一次运用后端点功率平滑半补偿算法由下式得到一次滑动平均后的功率p
n1
(m)：
[0046]
p
n1
(m)＝[p
s1
(m-6)+p
s1
(m-5)+p
s1
(m-4)+p
s1
(m-3)+p
s1
(m-2)+p
s1
(m-1)+p
s1
(m)]/7
[0047]
当p
s1
》p
n1
时，光伏可减少出力按p
n1
曲线对应出力输出。当p
s1
《p
n1
时，由于光伏已经是最大功率输出而不能再增加功率使其按p
n1
曲线对应出力输出，而是依然按最大功率输出。由此，得到一次后端点功率平滑半补偿后得到功率波动程度减半的较平滑并网功率p
s2
。
[0048]
然后，对并网点功率p
s2
再次运用后端点功率平滑半补偿算法，得到二次滑动平均后的功率p
n2
(m)：
[0049]
p
n2
(m)＝[p
s2
(m-6)+p
s2
(m-5)+p
s2
(m-4)+p
s2
(m-3)+p
s2
(m-2)+p
s2
(m-1)+p
s2
(m)]/7
[0050]
当p
s2
》p
n2
时，光伏可减少出力按p
n2
曲线对应出力输出。当p
s2
《p
n2
时，由于光伏已经是最大功率输出而不能再增加功率使其按p
n2
曲线对应出力输出，而是依然按最大功率输出。由此，得到二次后端点功率平滑半补偿后功率波动程度再次减半的较平滑并网功率p
s3
。
[0051]
对p
s3
进一步进行修正。在光伏应减少出力按平滑后曲线对应输出时，有时波动会依然较大，需要对其修正使其再多减少一点出力；有时其输出功率指令值会低于0，这是不符合实际的，需要修正使其等于0。最终得到使用后端点功率平滑半补偿算法得到的并网点平滑功率ps，进而可求得分布式电源的功率p
in
＝ps+p
l
。
[0052]
求得各分布式电源功率指令之后，就可以控制风光联合控制模块工作。在电能路由器并网工作期间，需要不断寻优光伏电源输出电压和风机电源转速的参考值，使其稳定输出于功率指令值，使功率平滑效果达到最佳。
[0053]
以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或
者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。