CN102651554B - 含储能的光伏系统接入城轨牵引网的控制方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及含储能的光伏系统接入城轨牵引网的控制方法及装置，其中方法包括1)判断光伏电池是否有能量输出；当判断为是，则光伏电池有能量输出，开启连接光伏电池的第一DC/DC变换器和第二DC/DC变换器，光伏电池开始工作，之后转入步骤2)；当判断为否，则光伏电池没有能量可以输出，关闭连接光伏电池的第一DC/DC变换器和第二DC/DC变换器，之后转入步骤1)，继续判断光伏电池是否有能量输出，重复n次后，光伏电池停止工作，转入步骤2)等步骤；其中装置包括光伏电池、第一DC/DC变换器、第二DC/DC变换器、双向DC/DC变换器、储能设备。与现有技术相比，本发明具有能量损耗低、工作效率和稳定性高等优点。

Description

含储能的光伏系统接入城轨牵引网的控制方法及装置
技术领域
本发明涉及一种光伏系统接入城轨牵引网的控制方法及装置，尤其是涉及一种含储能的光伏系统接入城轨牵引网的控制方法及装置。
背景技术
城市轨道交通以其快速、安全、准时、载客容量大污染轻等特点而成为解决大中城市交通拥堵的首选方案。城轨车辆属于大功率直流冲击性负载，具有时空快速变化的特点，特别是随着运营密度和载客量的不断增大，作为耗能大户，其供电安全与节能问题日益突出。因此有必要开展城轨交通牵引网的能流管理和可再生能源接入相关问题研究，以改善列车供电质量，提高再生制动的利用率，实现城轨交通节能运行。
光伏发电作为一种清洁能源，具有无污染、无噪声，规模可构的特点，随着相关技术的进步，其应用领域在不断扩大。轨道交通沿线所建的停车场，车辆段以及高架线路，其场地上的优势为光伏发电系统在城市轨道交通中的应用提供了可能。城轨交通特点使得采用现有的并网方式将光伏发电系统接入，即将光伏发出的直流电变为交流电接入交流侧再通过牵引变电站整流的方式显然损耗较大，效率较低，而且会对交流电网会产生谐波污染，影响电能质量。同时，光伏发电接入交流供电网后，无法根据城轨车辆的工况调整运行方式，缺乏灵活性。而采用分布式光伏发电直接接入城轨直流牵引网，运行中不占用牵引变电站整流装置的容量，直接向负荷终端供电。由于分布式光伏发电系统容量小，而城轨车辆运行时具有冲击性大功率需求的特点，光伏发电得到的能量远小于城轨车辆牵引所需能量，为了充分发挥分布式光伏发电功能，实现更加有效地节能运行及潮流控制，使系统有效地服务于不同的控制策略和不同的运行方式，有必要在系统中加入储能设备，与光伏发电相结合，使系统运行方式更加灵活，适应于轨道交通的运行特点，实现城轨交通能流控制，达到全局优化节能和保障供电安全的目的。
在所检国内外公开报道的文献范围内，光伏发电应用虽是当前的研究热点，但主要集中在交流并网方面，涉及带有储能设备的分布式光伏发电系统接入城轨交通直流牵引网的拓扑及其控制策略鲜有文献报道。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种能量损耗低、工作效率和稳定性高的含储能的光伏系统接入城轨牵引网的控制方法及装置。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种含储能的光伏系统接入城轨牵引网的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)判断光伏电池是否有能量输出；
当判断为是，则光伏电池有能量输出，开启连接光伏电池的第一DC/DC变换器和第二DC/DC变换器，光伏电池开始工作，之后转入步骤2)；
当判断为否，则光伏电池没有能量可以输出，关闭连接光伏电池的第一DC/DC变换器和第二DC/DC变换器，之后转入步骤1)，继续判断光伏电池是否有能量输出，重复n次后，光伏电池停止工作，转入步骤2)；
2)判断牵引网压是否超出预设网压下限，即U＜Umin是否成立，其中U为牵引网压，Umin为预设网压下限；
当判断为是，则转入步骤4)；
当判断为否，则转入步骤3)；
3)判断牵引网压是否超出预设网压上限，即U≥Umax是否成立，其中U为牵引网压，Umax为预设网压上限；
当判断为是，则转入步骤5)；
当判断为否，则转入步骤6)；
4)判断储能设备SOC是否高于预设下限，即SOC≥SOC_min是否成立，其中SOC为储能设备荷电状态(可由储能设备出口电压测得)，SOC_min为储能设备荷电状态预设下限；
当判断为是，则储能设备SOC高于预设下限，由光伏电池、储能设备分别通过第一DC/DC变换器、双向DC/DC变换器向牵引网补充电能，稳定网压，同时关闭连接光伏电池与储能设备的第二DC/DC变换器，完成之后返回步骤1)。
当判断为否，则储能设备SOC低于预设下限，由光伏电池通过连接光伏电池与储能设备的第二DC/DC变换器向储能设备充电，关闭储能设备连接牵引网的双向DC/DC变换器，同时关闭光伏电池连接牵引网的第一DC/DC变换器，完成之后返回步骤1)；
5)判断储能设备SOC是否高于预设上限，SOC≥SOCmax是否成立，SOCmax为储能设备荷电状态预设上限；
当判断为是，则储能设备SOC高于预设上限，关闭双向DC/DC变换器，停止向储能设备充电，完成后返回步骤1)；
当判断为否，则储能设备SOC低于预设上限，通过双向DC/DC变换器将牵引网多余能量存入储能设备，关闭连接光伏电池的第一DC/DC变换器，光伏电池通过第二DC/DC变换器向储能设备充电，完成后返回步骤1)；
6)判断是否处于早晚运行高峰时段，若为是，由光伏电池通过第二DC/DC变换器向储能设备充电，关闭第一DC/DC变换器和双向DC/DC变换器，完成后返回步骤1)；若为否，由光伏电池通过第一DC/DC变换器向牵引网输出电能，关闭第二DC/DC变换器和双向DC/DC变换器，完成后返回步骤1)；
一种含储能的光伏系统接入城轨牵引网的控制装置，其特征在于，包括光伏电池、第一DC/DC变换器、第二DC/DC变换器、双向DC/DC变换器、储能设备，所述的光伏电池通过第一DC/DC变换器与牵引网连接，所述的光伏电池通过第二DC/DC变换器与储能设备连接，所述的储能设备通过双向DC/DC变换器与牵引网连接。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1)由于系统直接与城轨直流母线连接，无需与交流电网连接，省去了并网逆变器，减少了传输损耗，不占用牵引变电站整流容量，不影响供电质量，投切便利；
2)DC/DC变换器组合，光伏电池和储能设备都只通过一级DC/DC变换器接入能量需求终端-城轨直流供电网，大大减少了能量传输中的损耗；
3)DC/DC变换器组合，由于光伏发电电池输出功率小，而储能设备输出功率大，所以以输出功率大小为标准为每个功率源配置单独的变换器并组合后接入供电网，在实现控制策略的同时，可使每个变换器都工作在高效率区，可以最大限度地减少变换过程中的损耗；
4)光伏电池输出并接两个DC/DC变换器，可根据光能大小灵活调节输出。光能密度强，光伏电池输出电压高，可通过第一DC/DC变换器直接接入直流母线；当光能密度低，光伏电池输出电压低，可通过第二DC/DC变换器向储能设备供电，使得工作方式更加灵活，无需采用高变比的变换器。
5)本发明的控制方法与拓扑结合，所制定的控制方法能根据城轨交通运行特点以及光伏发电特性进行灵活的切换，分网压分时段采取不同的控制方法控制光伏电池与储能设备，提高了系统工作效率和稳定性；
6)本发明针对一天之内光能密度分布结合地铁运行工况分布特点制定控制方法，早晚客流高峰时处于全天光照密度较弱阶段，并且由于运行高峰，网压波动剧烈，能量转换频繁。此时段光伏电池只向储能设备充电，与外网断开。通过储能设备向电网提供短时大功率，以达到填谷的主要工作目的。白天，地铁处于运行非高峰时段，并且此时段阳光光能密度较高。因此，此阶段光伏电池将发挥更大作用。此阶段控制方法将根据不同等级电压控制光伏电池与储能设备的工作，在网压小范围波动时，光伏电池直接通过第一DC/DC变换器向电网输电，不通过储能设备，减少损耗，以达到更好的能量利用率。
附图说明
图1为本发明的控制流程图；
图2为本发明的控制装置结构示意图；
图3为本发明的应用结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
如图1所示，一种含储能的光伏系统接入城轨牵引网的控制方法，包括以下步骤：
步骤101、判断光伏电池是否有能量输出，即出口电压Upv≥Upv_min是否成立，其中Upv为光伏电池出口电压，Upv_min为光伏电池最低输出电压；
当判断为是，则光伏电池有能量输出，开启连接光伏电池的第一DC/DC变换器和第二DC/DC变换器，光伏电池开始工作，之后转入步骤2)；
当判断为否，则光伏电池没有能量可以输出，关闭连接光伏电池的第一DC/DC变换器和第二DC/DC变换器，之后转入步骤101，继续判断光伏电池是否有能量输出，重复n次后，光伏电池停止工作，转入步骤102；
步骤102、判断牵引网压是否超出预设网压下限，即U＜Umin是否成立，其中U为牵引网压，Umin为预设网压下限；
当判断为是，则转入步骤104；
当判断为否，则转入步骤103；
步骤103、判断牵引网压是否超出预设网压上限，即U≥Umax是否成立，其中U为牵引网压，Umax为预设网压上限；
当判断为是，则转入步骤5)；
当判断为否，则转入步骤6)；
步骤104、判断储能设备SOC是否高于预设下限，即SOC≥SOC_min是否成立，其中SOC为储能设备荷电状态(可由储能设备出口电压测得)，SOC_min为储能设备荷电状态预设下限；
当判断为是，则储能设备SOC高于预设下限，由光伏电池、储能设备分别通过第一DC/DC变换器、双向DC/DC变换器向牵引网补充电能，稳定网压，同时关闭连接光伏电池与储能设备的第二DC/DC变换器，完成之后返回步骤101；
当判断为否，则储能设备SOC低于预设下限，由光伏电池通过连接光伏电池与储能设备的第二DC/DC变换器向储能设备充电，关闭储能设备连接牵引网的双向DC/DC变换器，同时关闭光伏电池连接牵引网的第一DC/DC变换器，完成之后返回步骤101。
步骤105、判断储能设备SOC是否高于预设上限，SOC≥SOCmax是否成立，SOCmax为储能设备荷电状态预设上限；
当判断为是，则储能设备SOC高于预设上限，关闭双向DC/DC变换器，停止向储能设备充电，完成后返回步骤101；
当判断为否，则储能设备SOC低于预设上限，通过双向DC/DC变换器将牵引网多余能量存入储能设备，关闭连接光伏电池的第一DC/DC变换器，光伏电池通过第二DC/DC变换器向储能设备充电，完成后返回步骤101；
步骤106、判断是否处于早晚运行高峰时段，若为是，由光伏电池通过第二DC/DC变换器向储能设备充电，关闭第一DC/DC变换器和双向DC/DC变换器，完成后返回步骤101；若为否，由光伏电池通过第一DC/DC变换器向牵引网输出电能，关闭第二DC/DC变换器和双向DC/DC变换器，完成后返回步骤101；
如图2所示，一种含储能的光伏系统接入城轨牵引网的控制装置，包括光伏电池10、第一DC/DC变换器21、第二DC/DC变换器22、双向DC/DC变换器23、储能设备31、牵引网41，所述的光伏电池10通过第一DC/DC变换器21与牵引网41连接，所述的光伏电池10通过第二DC/DC变换器22与储能设备31连接，所述的储能设备31通过双向DC/DC变换器23与牵引网41连接。
第一DC/DC变换器21、第二DC/DC变换器22均为单向小功率DC/DC变换器，双向DC/DC变换器23用于变换地面储能设备电压和网压的双向大功率DC_DC变换器。
早晚高峰时处于全天光照密度较弱阶段，并且由于运行高峰，网压波动剧烈，能量转换频繁。此时段光伏电池只向储能设备充电，与外网断开。通过储能设备向电网提供短时大功率，以达到填谷的主要工作目的。
白天，地铁处于运行非高峰时段，并且此时段阳光光能密度较高。因此，此阶段光伏电池将发挥更大作用。此阶段控制策略将根据不同等级电压控制光伏电池与储能设备的工作，在网压小范围波动时，光伏电池直接通过一级DC_DC变换器向电网输电，不通过储能设备，减少损耗，以达到更好的能量利用率。
在城轨交通系统中，网压会随着车辆的运行上下波动，过于剧烈的波动会导致损耗增加和系统运行不稳定，为保证网压平稳，节省运行能量，有必要接入辅助能量。作为终端节能的独立分布式光伏发电系统，可以很好地实现节能和稳定网压的目标。本发明将帮助系统更加节能高效地实现城轨交通能流控制，达到全局优化节能和保障供电安全的目的。

Claims (1)

1.一种含储能的光伏系统接入城轨牵引网的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）判断光伏电池是否有能量输出；
当判断为是，则光伏电池有能量输出，开启连接光伏电池的第一DC/DC变换器和第二DC/DC变换器，光伏电池开始工作，之后转入步骤2）；
当判断为否，则光伏电池没有能量可以输出，关闭连接光伏电池的第一DC/DC变换器和第二DC/DC变换器，之后转入步骤1），继续判断光伏电池是否有能量输出，重复n次后，光伏电池停止工作,转入步骤2）；
2）判断牵引网压是否超出预设网压下限，即U<Umin是否成立，其中U为牵引网压，Umin为预设网压下限；
当判断为是，则转入步骤4）；
当判断为否，则转入步骤3）；
3）判断牵引网压是否超出预设网压上限，即U≥Umax是否成立，其中U为牵引网压，Umax为预设网压上限；
当判断为是，则转入步骤5）；
当判断为否，则转入步骤6）；
4）判断储能设备SOC是否高于预设下限，即SOC≥SOC_min是否成立，其中SOC为储能设备荷电状态，可由储能设备出口电压测得，SOC_min为储能设备荷电状态预设下限；
当判断为是，则储能设备SOC高于预设下限，由光伏电池、储能设备分别通过第一DC/DC变换器、双向DC/DC变换器向牵引网补充电能，稳定网压，同时关闭连接光伏电池与储能设备的第二DC/DC变换器，完成之后返回步骤1）；
当判断为否，则储能设备SOC低于预设下限，由光伏电池通过连接光伏电池与储能设备的第二DC/DC变换器向储能设备充电，关闭储能设备连接牵引网的双向DC/DC变换器，同时关闭光伏电池连接牵引网的第一DC/DC变换器，完成之后返回步骤1）；
5）判断储能设备SOC是否高于预设上限，SOC≥SOCmax是否成立，SOCmax为储能设备荷电状态预设上限；
当判断为是，则储能设备SOC高于预设上限，关闭双向DC/DC变换器，停止向储能设备充电，完成后返回步骤1）；
当判断为否，则储能设备SOC低于预设上限，通过双向DC/DC变换器将牵引网多余能量存入储能设备，关闭连接光伏电池的第一DC/DC变换器，光伏电池通过第二DC/DC变换器向储能设备充电，完成后返回步骤1）；
6）判断是否处于早晚运行高峰时段，若为是，由光伏电池通过第二DC/DC变换器向储能设备充电，关闭第一DC/DC变换器和双向DC/DC变换器，完成后返回步骤1）；若为否，由光伏电池通过第一DC/DC变换器向牵引网输出电能，关闭第二DC/DC变换器和双向DC/DC变换器，完成后返回步骤1）。
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