CN104218875B - 独立式光伏发电铁路供电控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种独立式光伏发电铁路供电控制系统及其控制方法。铁路用电设备中存在大冲击性负荷和通信信号高稳定性负荷等特殊用电需求的设备，而太阳能光伏发电受环境影响较大，在光伏发电系统中普遍存在太阳能转化效率低、供电系统电力不足的问题。本发明收集太阳辐射能量转换为直流电能；转换后对蓄电池组进行充电；将直流电转换为交流电供负载使用；工作状态采集器监测的负载工作电压电流信息、环境照度采集器和环境温度采集器监测的环境信息传递给储能系统控制器，逻辑处理后对充电转换模块和逆变转换模块进行控制。本发明根据铁路负荷运行状态和环境状况调整控制输出连续、平稳电能，提高光伏发电电能质量和效率，保障供电传输的连续平稳性。

Description

独立式光伏发电铁路供电控制系统及其控制方法

技术领域

本发明属于铁路供电技术领域，具体涉及一种独立式光伏发电铁路供电控制系统及其控制方法。

背景技术

铁路沿线设施供电是保证铁路运行及安全系统的重要组成部分，而随着国家发展战略的实施，铁路运行范围越来越广，当深入电网薄弱地区供电困难时急需解决能源问题，架设电网投入非常大，而我国太阳能资源丰富，太阳能具有取之不尽，用之不竭的特点，是当今可再生能源中发展速度最快的能源之一，也是各国竞相发展的重点，大力发展太阳能资源进行光伏发电供铁路设施运行，具有十分重要实用价值。

铁路用电设备中存在大冲击性负荷和通信信号高稳定性负荷等特殊用电需求的设备，而太阳能光伏发电受环境影响较大，在光伏发电系统中普遍存在太阳能转化效率低、供电系统电力不足的问题，不仅浪费了清洁能源和投资，也給铁路系统运行稳定性带来威胁。由于铁路电力系统要实现供电与用电电量的实时平衡，在提高太阳能转化控制效率的同时，通过电池储能系统针对铁路负荷调节并快速响应，对提高并控制电能质量有明显效果，对改善用于铁路的独立式光伏发电系统具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种独立式光伏发电铁路供电控制系统及其控制方法，提高光伏发电电能质量和效率，保障供电传输的连续平稳性。

本发明所采用的技术方案是：

独立式光伏发电铁路供电控制系统，其特征在于：

包含有光伏阵列、充电转换模块、蓄电池组、储能系统控制器、逆变转换模块、铁路用电负载和采集部分，采集部分包括环境照度采集器、环境温度采集器、工作状态采集器；

光伏阵列接入充电转换模块，充电转换模块接入蓄电池组，蓄电池组接入逆变转换模块，逆变转换模块接入铁路用电负载；

铁路用电负载上连接有工作状态采集器，工作状态采集器、环境照度采集器和环境温度采集器接入储能系统控制器，储能系统控制器输出端接入充电转换模块和逆变转换模块。

独立式光伏发电铁路供电控制方法，其特征在于：

包括以下步骤：

光伏阵列收集太阳辐射能量，通过光伏效应转换为直流电能；

充电转换模块对光伏阵列产生的直流电能进行转换，并对蓄电池组进行充电和过充电保护；

逆变转换模块将蓄电池组发出的直流电转换为交流电，供铁路用电负载使用；

工作状态采集器将实时监测到的铁路用电负载工作电压电流信息传递给储能系统控制器，环境照度采集器和环境温度采集器将实时监测到的环境信息传递给储能系统控制器；

储能系统控制器对三种信号进行逻辑处理，对充电转换模块和逆变转换模块进行控制。

储能系统控制器的逻辑处理包括：

(1)充电转换环节：

环境照度采集器和环境温度采集器采集的照度和温度的变化量，在变化量大的情况下通过加大电流电压调整幅度，逻辑判断加快功率点追踪幅度，在变化量小的情况下通过减少电流电压调整幅度，逻辑判断下减缓功率点追踪幅度，使得当前工作点能够迅速反应，准确快速向目标峰值功率点处靠近；

(2)逆变转换环节：

将蓄电池组放电时间分为三段：正常负荷Np、冲击负荷Ip和特殊负荷Sp，组成负荷电流矩阵：

$\left[\begin{array}{ccc}Np1& Np2& Np3\\ Ip1& Ip2& Ip3\\ Sp1& Sp2& Sp3\end{array}\right]$

将荷电状态SOC安时法等效改进为：

$SOC={\mathrm{\αSOC}}_0+\frac{1}{C_N}\underset{i=1}{\overset{3}{\Σ}}\mathrm{\α}\mathrm{\η}(N_{pi}+I_{pi}+S_{pi})$

其中：

SOC₀为充放电起始时刻荷电状态；

C_N为额定容量；

α为温度系数；

η为库伦效率；

储能系统控制器根据环境温度采集器监测到的温度信息和工作状态采集器监测到的铁路用电负载的工作电流信息，实时控制调整荷电状态，使蓄电池组输入逆变转换模块的电能适应铁路用电负载不同工况下的供电需求；

(3)电能回收环节：

储能系统控制器接收工作状态采集器监测到的铁路用电负载的工作电压电流信息，在供电不足情况下及时补充逆变转换电能至铁路用电负载，在铁路用电负载回归正常平稳期时及时调整配电，使过剩电能回收到蓄电池组，并在充电过剩时将电能直接通过逆变转换输出至铁路用电负载。

本发明具有以下优点：

本发明适用于独立式光伏发电系统在铁路负荷中的供电控制，使光伏发电最大效率工作，并根据铁路负荷运行状态调整控制输出连续、平稳电能，在铁路运营中不会出现电力能源突然下降和不稳定现象，并可根据实际工况补充和回收光伏发电能源。具体优势如下：

(1)利用储能系统自适应逻辑控制方法，快速追踪光伏发电最大功率点，解决转换效率低的问题，并结合温度采集和过充保护控制蓄电池组良好充电状态运行。

(2)根据铁路用电负荷实时运行信息，结合负荷电流矩阵方法优化SOC荷电状态评估控制，避免累积误差发生，实现逆变转换输出电能适应铁路用电负荷不同工况下的供电需求，对蓄电池组进行温度修正和过放电保护。

(3)针对铁路用电负荷回归正常平稳期及时调整配电，控制输出的过剩电能回收，减少蓄电池组电能损失，解决过度充放影响寿命问题，并实时修正荷电状态，维持系统高效智能化运行。

附图说明

图1为本发明的系统组成图。

图2为本发明系统中充电转换环节的组成图。

图3为本发明系统中逆变转换环节的组成图。

图4为本发明系统中电能回收环节的组成图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细的说明。

本发明涉及的独立式光伏发电铁路供电控制系统，参见图1，包含有光伏阵列、充电转换模块、蓄电池组、储能系统控制器、逆变转换模块、铁路用电负载和采集部分，采集部分包括环境照度采集器、环境温度采集器、工作状态采集器。光伏阵列接入充电转换模块，充电转换模块接入蓄电池组，蓄电池组接入逆变转换模块，逆变转换模块接入铁路用电负载。铁路用电负载上连接有工作状态采集器，工作状态采集器、环境照度采集器和环境温度采集器接入储能系统控制器，储能系统控制器输出端接入充电转换模块和逆变转换模块。

光伏阵列的作用是将太阳辐射能量通过光伏效应转换为直流电能。

充电转换模块的作用是将光伏阵列产生的电能进行转换，并对蓄电池组进行充电和过充电保护。

蓄电池组的作用是储能，在太阳能不充足时为铁路用电负载提供电能，亦在太阳能充沛时将过剩能源储存以备后用。

逆变转换模块的作用是把蓄电池组发出的直流电转换为交流电，供铁路用电负载使用。

环境照度采集器、环境温度采集器、工作状态采集器的作用分别是将环境照度、温度、铁路用电负载实际工作电压电流参数采集反馈给储能系统控制器，供储能系统控制器分析并对光伏供电系统进行控制。

储能系统控制器是系统核心组件，其作用是对采集反馈的数据分析并对充电转换模块、逆变转换模块进行控制管理。

上述独立式光伏发电铁路供电控制系统的控制方法，包括以下步骤：

光伏阵列收集太阳辐射能量，通过光伏效应转换为直流电能；

充电转换模块对光伏阵列产生的直流电能进行转换，并对蓄电池组进行充电和过充电保护；

逆变转换模块将蓄电池组发出的直流电转换为交流电，供铁路用电负载使用；

工作状态采集器将实时监测到的铁路用电负载工作电压电流信息传递给储能系统控制器，环境照度采集器和环境温度采集器将实时监测到的环境信息传递给储能系统控制器；

储能系统控制器对三种信号进行逻辑处理，对充电转换模块和逆变转换模块进行控制。

储能系统控制器的逻辑处理包括：

(1)充电转换环节：

环境照度采集器和环境温度采集器采集的照度和温度的变化量，在变化量大的情况下通过加大电流电压调整幅度，逻辑判断加快功率点追踪幅度，在变化量小的情况下通过减少电流电压调整幅度，逻辑判断下减缓功率点追踪幅度，使得当前工作点能够迅速反应，准确快速向目标峰值功率点处靠近；

上述变化量大小根据产品已定目标峰值功率判断。

参见图2，光伏阵列输出功率受环境影响而左右振荡，会造成能量损耗，尤其在气候条件变化较大的时候，对最大功率点的误判情况会更为严重，储能系统控制器基于自适应逻辑控制，利用采集的照度和温度变化量，在变化量大的情况下逻辑判断加快功率点追踪幅度，在变化量小的情况逻辑判断下减缓功率点追踪幅度，进而通过实时采集环境参数自适应地在系统中运行，通过不断地改变控制参数的整定值，使得当前工作点能够迅速向峰值功率点处靠近，最后稳定工作在最大功率点，使蓄电池组获得高效电能，控制并防止蓄电池组过充现象发生。

(2)逆变转换环节：

将蓄电池组放电时间分为三段：正常负荷Np、冲击负荷Ip和特殊负荷Sp，组成负荷电流矩阵：

$\left[\begin{array}{ccc}Np1& Np2& Np3\\ Ip1& Ip2& Ip3\\ Sp1& Sp2& Sp3\end{array}\right]$

将荷电状态SOC安时法等效改进为：

$SOC={\mathrm{\αSOC}}_0+\frac{1}{C_N}\underset{i=1}{\overset{3}{\Σ}}\mathrm{\α}\mathrm{\η}(N_{pi}+I_{pi}+S_{pi})$

其中：

SOC₀为充放电起始时刻荷电状态

C_N为额定容量

α为温度系数；

η为库伦效率；

储能系统控制器根据环境温度采集器监测到的温度信息和工作状态采集器监测到的铁路用电负载的工作电压电流信息，实时控制调整荷电状态，使蓄电池组输入逆变转换模块的电能适应铁路用电负载不同工况下的供电需求。

参见图3，蓄电池组作为系统中的逆变转换电能来源，其荷电状态SOC(state ofcapacity)控制方法准确性将很大影响到用电系统的稳定运行和经济性。荷电状态安时法不考虑电池内部的具体结构，适用于不同电池储能，公式为：

$SOC={\mathrm{SOC}}_0+\frac{1}{C_N}{\∫}_0^t\mathrm{\η}\×i\left(t\right)dt$

其中：

SOC₀为充放电起始时刻荷电状态，

C_N为额定容量，

η为库伦效率。

但是安时法在应用中存在长期运行累积误差导致精度不高的缺陷，对蓄电池组荷电状态评估控制的不准确性将直接导致逆变转换环节输出电能不持续和不稳定，不适用于铁路设备中通信信号对供电质量要求高的用电负荷，以及铁路中具有冲击性等特殊负荷长期运行。

结合铁路用电负载不同时间不同运行状态，将安时法等效转化为

$SOC={\mathrm{SOC}}_0+\frac{1}{C_N}\underset{n\→\mathrm{\∞}}{lim}\underset{\mathrm{\α}=1}{\overset{n}{\Σ}}\mathrm{\η}*i\left(t_{\mathrm{\α}}\right){\mathrm{\Δt}}_{\mathrm{\α}}$

同时利用铁路用电负载在不同时段存在差异性，从统计学宏观角度按照事件发生的可能性大小概率以及概率的可叠加性，将蓄电池放电时间分为三段：正常负荷Np(normalpower load)，冲击负荷Ip(impact power load)，特殊负荷Sp(special power load)并结合相应电流特性和供电时间组成负荷电流矩阵：

$\left[\begin{array}{ccc}Np1& Np2& Np3\\ Ip1& Ip2& Ip3\\ Sp1& Sp2& Sp3\end{array}\right]$

改进后的公式：

$SOC={\mathrm{SOC}}_0+\frac{1}{C_N}{\Σ}_{i=1}^3\mathrm{\η}*(N_{pi}+I_{pi}+S_{pi})$

再通过储能系统控制器汇集的环境温度、铁路用电负载工作状态，实时控制调整荷电状态，避免累积误差发生，使蓄电池组输入逆变转换的电能适应铁路用电负荷不同工况下的供电需求。同时，通过温度修正和过放电保护使得蓄电池组长期处于最佳工作状态。

(3)电能回收环节：

储能系统控制器接收工作状态采集器监测到的铁路用电负载的工作电压电流信息，在供电不足情况下及时补充逆变转换电能至铁路用电负载，在铁路用电负载回归正常平稳期时及时调整配电，使过剩电能回收到蓄电池组，并在充电过剩时将电能直接通过逆变转换输出至铁路用电负载。

参见图4，目前应用于光伏系统的蓄电池组寿命比预期寿命短，这不仅与光伏系统的特殊性有关，还与蓄电池组的使用不当有关。在光伏系统中，蓄电池组的充放电率很小，加上充电时间受到限制以及铁路负荷的影响，使蓄电池长期处于欠充状态，加速了蓄电池内部老化，造成了蓄电池容量损失，缩短了使用寿命，并造成光伏阵列转换电能的大量浪费。在充电转换环节和逆变转换环节的控制方法基础上，通过储能系统控制器采集铁路用电负载实时工作状态，在供电不足情况下及时补充逆变转换电能至用电设备，在铁路用电负荷回归正常平稳期时及时调整配电，使过剩电能回收到蓄电池组，并在充电过剩时将电能直接通过逆变转换输出至铁路用电负荷，综合控制减少蓄电池组不必要的电能损失，并减少对其的充放使用，实时修正蓄电池组荷电状态，以维持独立式光伏发电铁路供电控制的高效智能化稳定运行。

本发明的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。

Claims (1)

1.独立式光伏发电铁路供电控制方法，其特征在于：

包括以下步骤：

光伏阵列收集太阳辐射能量，通过光伏效应转换为直流电能；

充电转换模块对光伏阵列产生的直流电能进行转换，并对蓄电池组进行充电和过充电保护；

逆变转换模块将蓄电池组发出的直流电转换为交流电，供铁路用电负载使用；

工作状态采集器将实时监测到的铁路用电负载工作电压电流信息传递给储能系统控制器，环境照度采集器和环境温度采集器将实时监测到的环境信息传递给储能系统控制器；

储能系统控制器对三种信号进行逻辑处理，对充电转换模块和逆变转换模块进行控制；

储能系统控制器的逻辑处理包括：

(1)充电转换环节：

环境照度采集器和环境温度采集器采集的照度和温度的变化量，在变化量大的情况下通过加大电流电压调整幅度，逻辑判断加快功率点追踪幅度，在变化量小的情况下通过减少电流电压调整幅度，逻辑判断下减缓功率点追踪幅度，使得当前工作点能够迅速反应，准确快速向目标峰值功率点处靠近；

(2)逆变转换环节：

将蓄电池组放电时间分为三段：正常负荷Np、冲击负荷Ip和特殊负荷Sp，组成负荷电流矩阵：

$\left[\begin{array}{ccc}Np1& Np2& Np3\\ Ip1& Ip2& Ip3\\ Sp1& Sp2& Sp3\end{array}\right]$

将荷电状态SOC安时法等效改进为：

$SOC={\mathrm{\αSOC}}_0+\frac{1}{C_N}\underset{i=1}{\overset{3}{\Σ}}\mathrm{\α}\mathrm{\η}(N_{pi}+I_{pi}+S_{pi})$

其中：

SOC₀为充放电起始时刻荷电状态；

C_N为额定容量；

α为温度系数；

η为库伦效率；

储能系统控制器根据环境温度采集器监测到的温度信息和工作状态采集器监测到的铁路用电负载的工作电流信息，实时控制调整荷电状态，使蓄电池组输入逆变转换模块的电能适应铁路用电负载不同工况下的供电需求；

(3)电能回收环节：

储能系统控制器接收工作状态采集器监测到的铁路用电负载的工作电压电流信息，在供电不足情况下及时补充逆变转换电能至铁路用电负载，在铁路用电负载回归正常平稳期时及时调整配电，使过剩电能回收到蓄电池组，并在充电过剩时将电能直接通过逆变转换输出至铁路用电负载。