CN111725822B - 用于供电系统光伏发电分相控制方法及光伏牵引供电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于供电系统的光伏发电分相控制方法，采集光伏逆变器三相电压、三相电流瞬时值，计算得到光伏逆变器经相电压和相电流注入牵引侧的有功功率和无功功率；基于牵引侧与光伏低压侧的电压电流关系及牵引侧机车负载状态，确定光伏逆变器的输出策略，并生成注入牵引侧的三相电流标幺值；基于所述输出策略及注入牵引侧的三相电流标幺值，控制光伏逆变器各相电流的输出电流跟踪三相电流标幺值以完成对牵引侧负载的供电；该方法提高了牵引侧光伏逆变系统的直观性、快速性和稳定性。本发明还公开了一种光伏牵引供电系统，该三相光伏发电系统可直接接入三相电力系统，避免了由单相变压器引起的三相系统的不平衡电流、无功环流和振荡功率。

Description

用于供电系统光伏发电分相控制方法及光伏牵引供电系统

技术领域

本发明涉及牵引供电技术领域，具体涉及一种用于供电系统的光伏发电分相控制方法及光伏牵引供电系统。

背景技术

在能源危机与环境污染的双重压力下，以光伏为代表的可再生能源得到快速发展，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。目前光伏发电的发展正受国家政策的大力支持，光伏发电技术的快速发展为其在铁路领域的推广应用提供了契机。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，可节省大量的用电成本。

背靠背光伏集成结构是采用两台单相变压器完成电网电压与牵引侧电压的变换，当一个牵引臂上有机车负载时，电力通过与特定牵引臂相连的相应变流器输送，然而，在牵引臂无机车负载的情况下，光伏发电是由一个或两个单相变压器通过不平衡电流和振荡功率输送至电网，存在结构复杂、集成不集中、高压侧电流不平衡和功率振荡不恒定的问题。

同时，对于向两个供电臂上的单相负荷进行供电时通常采用基于αβ0旋转坐标系、基于静止坐标系的分相电流控制方法，αβ0旋转坐标系的分相电流控制方法是将abc坐标系下的三相瞬时电压映射到αβ0坐标系中的瞬时电压，其优势之一是将零序分量从abc坐标系中分离出来，以使用较少变量完成不同目标的控制，但该方法存在结构复杂、控制参数难整定等缺点，且容易受到输入电压波动和输出电流变化的影响；而基于αβ静止坐标系的分相电流控制方法是将abc静止坐标系下的相电压和线电流瞬时值变换到αβ静止坐标系中，该方法在一定程度上提高了整流器的抗干扰能力，但控制参数不直观，坐标变换增加了控制时间，因此，以上两种方法均是依据两个独立的可调参数灵活的控制多个不同的目标，而采用分序控制的方法，也会存在其正、负序电流值只考虑了三相负载，不适合作为单相负载的牵引供电系统电气化列车的问题。

发明内容

针对上述问题，本发明的第一个目的是针对单相机车负荷供电，提供了一种静止坐标系下的分相电流控制方法，该方法充分利用了牵引侧和光伏逆变器各相之间的对应关系，采用该分相电流控制方法提高了逆变系统的直观性、快速性和稳定性，该方法能够实现在不提取电压序列的情况下产生不对称电流，实现对牵引供电臂负载的快速跟踪，并通过特定的相位实现最大有功功率传递，该方法还具有实施便捷、控制简单、动态响应快等优势。

本发明的第二个目的是提供了一种基于逆V/v牵引变压器的三相光伏牵引供电系统，本发明采用逆V/v变压器结构实现了三相光伏发电系统到两相牵引供电系统的集成，该三相光伏发电系统可直接接入三相电力系统，避免了由单相变压器引起的三相系统的不平衡电流和振荡功率，而且当一个牵引臂上有机车负载时，可注入适当的电流将总有功功率传递给机车负载以改善电能质量；与单相变压器集成配置相比，该三相光伏牵引供电系统具有结构简单、集成集中的特点。

本发明所采用的第一个技术方案是：一种用于供电系统的光伏发电分相控制方法，所述供电系统包括光伏发电系统、牵引供电系统和电网电力系统，其中所述光伏发电系统通过逆V/v牵引变压器与所述牵引供电系统连接，所述牵引供电系统通过牵引变压器与电网电力系统连接，所述光伏发电系统包括光伏阵列、光伏逆变器和Y/Y变压器，所述方法包括以下步骤：

S1：采集光伏逆变器三相电压、三相电流瞬时值，计算得到光伏逆变器经相电压和相电流注入牵引侧的有功功率和无功功率；

S2：基于牵引侧与光伏低压侧的电压电流关系及牵引侧机车负载状态，确定光伏逆变器各相电流的输出策略，并生成注入牵引侧的三相电流标幺值；

S3：基于所述输出策略及注入牵引侧的三相电流标幺值，控制光伏逆变器的输出电流跟踪所述三相电流标幺值以完成对牵引侧负载的供电。

优选地，电网侧、牵引侧和光伏低压侧的电压电流关系为：

式中，u_ca、u_cb、u_cc分别为低压侧光伏系统三相电压瞬时值；u_A、u_B、u_C分别为电网侧三相电压瞬时值；k₁、k₂、k₃分别为V/v牵引变压器、逆V/v牵引变压器和Y/Y变压器的变比；以及

式中，i_ca、i_cb、i_cc分别为低压侧光伏系统三相电流瞬时值；i_A、i_B、i_C分别为电网侧三相电流瞬时值；k₁、k₂、k₃分别为V/v牵引变压器、逆V/v牵引变压器和Y/Y变压器的变比；i_Lα为牵引侧α臂的机车电流瞬时值；i_Lβ为牵引侧β臂的机车电流瞬时值。

优选地，所述光伏逆变器经相电压和相电流注入牵引侧的有功功率和无功功率通过以下公式得到：

式中，P_c为光伏逆变器经相电压和电流注入的有功功率；Q_c为光伏逆变器经相电压和相电流注入牵引侧的无功功率；u_cbc为低压侧光伏系统相b和相c之间的线电压；u_cac为低压侧光伏系统相a和相c之间的线电压；u_cab为低压侧光伏系统相a和相b之间的线电压；i_ca、i_cb、i_cc分别为低压侧光伏系统注入三相电流的瞬时值。

优选地，所述步骤S2中光伏逆变器的输出策略具体为：

(1)当机车负载于α臂，而β臂上无机车负载时，控制有功功率通过a相和c相输送，b相的电流控制为0；

(2)当机车负载于β臂，而α臂上无机车负载时，控制有功功率通过b相和c相输送，a相的电流控制为0；

(3)当无机车负载连接到牵引臂时，控制光伏逆变器向电力系统注入三相平衡电流。

优选地，当所述光伏逆变器的输出策略为机车负载于α臂，而β臂上无机车负载时，光伏逆变器注入牵引侧的三相电流参考值为：

式中，i_caref、i_cbref和i_ccref分别为低压侧光伏系统三相电流参考值；u_cac为低压侧光伏系统相a与相c间的线电压；P_cref为光伏逆变器注入的有功功率的参考值；U_cm是额定相电压的振幅。

优选地，当所述光伏逆变器的输出策略为机车负载于α臂，而β臂上无机车负载时，光伏逆变器注入牵引侧的三相电流标幺值为：

式中，i_{caref_pu}、i_{cbref_pu}、i_{ccref_pu}分别为光伏逆变器输出的三相电流标幺值；u_{cac_pu}是相a和相c之间的线电压的标幺值；P_{cref_pu}为有功功率参考振幅的标幺值。

优选地，当所述光伏逆变器的输出策略为机车负载于β臂，而α臂上无机车负载时，光伏逆变器注入牵引侧的三相电流标幺值为：

式中，i_{caref_pu}、i_{cbref_pu}、i_{ccref_pu}分别为低压侧光伏系统三相电流标幺值；P_{cref_pu}为有功功率参考振幅的标幺值；u_{cbc_pu}是相b和相c之间的线电压的标幺值。

优选地，当所述光伏逆变器的输出策略为无机车负载连接到牵引臂时，光伏逆变器注入电网侧的三相电流标幺值为：

i_{cxref_pu}＝P_{cref_pu}·u_{cx_pu} (17)

式中，i_{cxref_pu}是低压侧光伏系统x相电流的标幺值；u_{cx_pu}是低压侧光伏系统x相电压的标幺值，x为a、b和c。

本发明所采用的第二个技术方案是：一种光伏牵引供电系统，包括光伏发电系统、牵引供电系统和电网电力系统，所述光伏发电系统通过逆V/v牵引变压器与所述牵引供电系统连接，所述牵引供电系统通过牵引变压器与电网电力系统连接；

其中，所述光伏发电系统包括光伏阵列、光伏逆变器和Y/Y变压器；所述光伏阵列的正负端口与光伏逆变器输入端的正负端口连接，所述光伏逆变器的输出端口与Y/Y变压器的输入端相连，所述Y/Y变压器的输出端与逆V/v牵引变压器的低压侧三相连接；

其中，所述光伏发电系统实现如第一技术方案中任一项所述的方法。

上述技术方案有益效果：

(1)本发明采用逆V/v变压器结构实现了三相光伏发电系统到两相牵引供电系统的集成，该三相光伏发电系统可直接接入三相电力系统，避免了由单相变压器引起的三相系统的不平衡电流和振荡功率。

(2)使用逆V/v变压器来保持三相低压交流母线的平衡，方便了更多光伏转换器的接入。

(3)本发明共公开的三相光伏发电系统当一个牵引臂上有机车负载时，可注入适当的电流将总有功功率传递给机车负载以改善电能质量；在无机车负载时，光伏逆变器可以简单地注入三相平衡电流，保证高压侧(电力系统)电流平衡和功率恒定。

(4)与单相变压器集成配置相比，本发明的三相光伏牵引供电系统具有结构简单、集成集中的特点。

(5)本发明提供了一种静止坐标系下的分相电流控制方法，该方法充分利用了牵引侧和光伏逆变器各相之间的对应关系，采用该分相电流控制方法提高了逆变系统的直观性、快速性和稳定性。

(6)本发明公开的分相电流控制方法能够实现在不提取电压序列的情况下通过两个特定的相位产生非对称电流基准，实现对牵引供电臂负载的快速跟踪，并通过特定的相位实现提供最大的有功功率。

(7)本发明公开的分相电流控制方法具有实施便捷、控制简单、动态响应快等优势。

(8)本发明能够最大化降低高压侧(电力系统侧)的负序电流，提高电能质量。

(9)本发明公开的分相电流控制方法中所有的计算和实现都是在静止参考坐标下进行的，完全避免了锁相环和坐标变换的需要。

附图说明

图1为本发明一种光伏牵引供电系统的示意图；

图2为本发明V/v接线牵引变压器接线图；

图3为本发明一种用于供电系统的光伏发电分相控制方法流程图；

图4为光伏逆变器的简化单线图电路；

图5为算例分析中利用Matlab/Simulink搭建的主电路仿真模型图；

图6为算例分析中情况一下对称电流注入下的仿真结果图；

图7为算例分析中情况二下非对称电流注入下的仿真结果图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的优选实施例，本发明的范围由权利要求书限定。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

实施例1

如图1所示，本发明提供了一种光伏牵引供电系统，该系统为光伏并入牵引供电系统的拓扑结构，包括光伏发电系统、牵引供电系统和电力系统，光伏发电系统通过逆V/v牵引变压器与牵引供电系统连接，牵引供电系统通过牵引变压器与电力系统连接。

光伏发电系统包括光伏阵列、光伏逆变器和Y/Y变压器；光伏阵列的正负端口与光伏逆变器输入端的正负端口连接，光伏逆变器的输出端口与Y/Y变压器的输入端相连，Y/Y变压器的输出端与逆V/v牵引变压器的低压侧三相连接。在低压光伏出口侧加入Y/Y隔离变压器，避免了低压侧零序电流的出现。

如图2所示，此处牵引变压器包括但不局限于V/v变压器，VX变压器、DYN11变压器也可替换至本结构中，本发明以V/v牵引变压器、逆V/v变压器、YY三相变压器为例，进行实例验证。

V/v牵引变压器通常由两台单相变压器联接而成，两个原边短接点引出一个端子，原边绕组(高压侧)接入三相电力系统，同样副边两个绕组(低压侧)供给牵引供电网两臂；根据V/v变压器特性，本发明提出采用三相V/v变压器实现从电网侧高压三相交流电到牵引侧中压两相交流电的变换，并采用三相V/v变压器的对称接线方式完成从牵引侧高压两相交流电到低压三相交流电的变换。

逆V/v牵引变压器与V/v牵引变压器内部结构相同，但原副边连接形式上采用V/v牵引变压器逆接的方式，即高压侧两个绕供给牵引供电网两臂，低压侧接入三相光伏系统。

以Y/Y变压器为例，根据端口电压及端口电流变换理论，推导出电网侧(电力系统侧)、牵引侧和光伏低压侧的电压关系式为：

式中，u_ca、u_cb、u_cc分别为低压侧光伏系统三相电压瞬时值；u_A、u_B、u_C分别为电网侧三相电压瞬时值；k₁、k₂、k₃分别为V/v牵引变压器、逆V/v牵引变压器和Y/Y变压器的变比。

推导出电网侧(电力系统侧)、牵引侧和光伏低压侧的电流关系式为：

式中，i_ca、i_cb、i_cc分别为低压侧光伏系统三相电流瞬时值；i_A、i_B、i_C分别为电网侧三相电流瞬时值；k₁、k₂、k₃分别为V/v牵引变压器、逆V/v牵引变压器和Y/Y变压器的变比；i_Lα为牵引侧α臂的机车电流瞬时值；i_Lβ为牵引侧β臂的机车电流瞬时值。

实施例2

如图3所示，本发明提供了一种用于供电系统的光伏发电分相控制方法，供电系统包括光伏发电系统、牵引供电系统和电网电力系统，其中光伏发电系统通过逆V/v牵引变压器与牵引供电系统连接，牵引供电系统通过牵引变压器与电网电力系统连接，光伏发电系统包括光伏阵列、光伏逆变器和Y/Y变压器方法包括以下步骤：

S1：采集光伏逆变器三相电压、三相电流瞬时值，计算得到光伏逆变器经相电压和相电流注入牵引侧的有功功率和无功功率。

根据瞬时功率理论，u_ca、u_cb、u_cc、i_ca、i_cb、i_cc分别为采集到的低压侧光伏系统三相电压、三相电流瞬时值，则相电压和电流的有功和无功功率可以表示为：

式中，P_c为光伏逆变器经相电压和相电流注入的有功功率；Q_c为光伏逆变器经相电压和相电流注入牵引侧的无功功率；u_cbc为低压侧光伏系统b和相c之间的线电压；u_cac为低压侧光伏系统相a和相c之间的线电压；u_cab为低压侧光伏系统相a和相b之间的线电压；i_ca、i_cb、i_cc分别为低压侧光伏系统注入三相电流的瞬时值。

S2：基于牵引侧与低压侧的电压电流关系及牵引侧机车负载状态，确定光伏逆变器各相电流的输出策略，并生成注入牵引侧的三相电流标幺值。

对于光伏逆变器，一个较慢的外部直流电压环用于维持直流链路电压和产生有功功率基准，而一个较快的内部电流用于调节输出电流；通过上述电网侧、牵引侧和低压侧的电压电流关系与相电压和电流的有功和无功功率，对光伏逆变器的输出策略进行设计。如图4所示，根据牵引供电系统两臂的负载状态确定电流注入策略，生成注入牵引侧的三相电流标幺值。

(1)当机车负载于α臂，而β臂上无机车负载时，控制有功功率通过a相和c相输送，b相的电流被控制为0。

逆V/v变压器的目标是通过特定的相位将最大的有功功率传递给机车负载；假设将机车负载作用于α臂，而β臂无机车负载时，称为Mode I；则有功功率应通过a相和c相输送，并且b相的电流被控制为0；因此，静止参考坐标系中每个相位的电流为

i_ca＝-i_cc,i_cb＝0 (4)

根据式(4)，则式(3)可以简化为：

式中，u_ca为低压侧光伏系统a相电压；u_cb为低压侧光伏系统b相电压；u_cc为低压侧光伏系统c相电压；u_cac为低压侧光伏系统相a和相c之间的线电压。

由于电气化列车基本上都配备了基于脉冲宽度调制的前端整流器，所以采用单位功率因数的方式运行；因此，光伏逆变器可以保持单位功率因数运行。

为实现最大有功功率输送到单相机车负荷，其注入电流的相位角必须与线电压的相位角需一致，其幅值由直流侧输送到交流侧的有功功率决定，因此，注入电流可表示为

式中，i_ca为低压侧光伏系统相a电流瞬时值；I_cref是输出电流基准的振幅；u_cac为低压侧光伏系统相a和相c之间的线电压；U_cm是额定相电压的振幅。

假设相电压u_ac的相位角设置为0，则线电压u_cac的相位角为30°，此时线电压滞后相电压30°。因此，传递的有功功率可以通过式(7)表示，

式中，P_c为光伏逆变器经相电压和电流注入的有功功率；U_cm是额定相电压的振幅；I_cref是输出电流基准的振幅；ω为电网角频率。

由于光伏逆变器电流和电压均为电网频率，有功功率不可避免地出现两倍的电网频率脉动，这是单相系统的典型功率特性；为了保持恒定的直流链路电压，在式(7)中的平均有功功率必须跟踪由直流电压控制器产生的平均有功功率，因此，电流参考值的振幅可表示为：

式中，I_cref是输出电流基准的振幅；P_cref为光伏逆变器注入的有功功率的参考值；U_cm是额定相电压的振幅。

基于式(4)、式(6)和式(8)，则光伏逆变器注入牵引侧的三相电流参考值可表示为：

式中，i_caref、i_cbref和i_ccref分别为光伏逆变器输出的三相电流参考值；u_cac为低压侧光伏系统a与相c间的线电压；P_cref为光伏逆变器注入的有功功率的参考值；U_cm是额定相电压的振幅。

在单位功率中，电压和电流的基准值分别设定在额定相电压的相电流的振幅处，然后，功率基值通过，设电压和电流的基准值为：

式中，I_cm是额定相电流的振幅，U_b、I_b、P_b分别为电网侧电压、电流和功率的基值；P_rated为有功功率标幺值；U_cm是额定相电压的振幅。

将式(9)中的电流参考的振幅值转换为标幺值为

式中，P_{cref_pu}和I_{cref_pu}分别为有功功率和电流参考振幅的标幺值。

因此在单位制中，注入牵引侧的三相电流标幺值为：

式中，i_{caref_pu}、i_{cbref_pu}、i_{ccref_pu}分别为光伏逆变器输出的三相电流标幺值；u_{cac_pu}是相a和相c之间的线电压的标幺值；P_{cref_pu}为有功功率参考振幅的标幺值。

从式(12)可得出，以a相为例，电流基准的幅度等于标幺值系统中的有功功率基准；电流基准的相位角与a相与c相之间的线电压的相位角相同。

(2)当机车负载于β臂，而α臂上无机车负载时，控制有功功率通过b相和c相输送，a相的电流被控制为0。

机车负载在β臂上时可称为Mode II，该情况下有功功率应通过b相和c相输送，且a相的电流被控制为0时，则根据上述分析，可得到光伏逆变器注入牵引侧的三相电流标幺值为：

式中，i_{caref_pu}、i_{cbref_pu}、i_{ccref_pu}分别为光伏逆变器输出的三相电流标幺值；P_{cref_pu}为有功功率参考振幅的标幺值；u_{cbc_pu}是相b和相c之间的线电压的标幺值。

(3)当无机车负载连接到牵引臂时，控制光伏逆变器向电力系统注入三相平衡电流。

当无机车负载连接到牵引臂时可称为Mode III，控制光伏逆变器向电力系统注入三相平衡电流，以输出单位功率因数的最大有功功率，每个相位的电流参考值的振幅彼此相等；此外，相电流基准的相角和相应相电压的相角一致，各相输入的电流值为：

式中，i_cx、u_cx为x相电流、电压，x为a、b和c；I_cbal为各相电流幅值。

基于式(3)，则相电流幅值可表示为

式中，I_cbal为各相电流幅值；P_cref为光伏逆变器注入的有功功率的参考值；U_cm是额定相电压的振幅。

根据基准值理论，式(15)可改写为

I_{cbal_pu}＝P_{cref_pu} (16)

式中，I_{cbal_pu}是相电流的标幺值；P_{cref_pu}为有功功率参考振幅的标幺值。

因此，基于式(14)，光伏逆变器注入电网侧的三相电流标幺值为：

i_{cxref_pu}＝P_{cref_pu}·u_{cx_pu} (17)

式中，i_{cxref_pu}是光伏逆变器输出的x相电流的标幺值；u_{cx_pu}是光伏逆变器输出的x相电压的标幺值，x为a、b和c。

S3：基于所述输出策略及注入牵引侧的三相电流标幺值，控制光伏逆变器的输出电流跟踪所述三相电流标幺值以完成对牵引侧负载的供电。

如图4所示，根据牵引供电系统两臂的负载状态确定电流注入策略，生成注入牵引侧的三相电流参考值，对注入牵引侧各相的电流进行控制，保持直流链路电压恒定并将直流链的有功功率注入电网，完成光伏逆变器对牵引侧负载的供电，图4中V_dcref为直流链路电压的参考值；Q_ref为光伏逆变器输入的无功功率参考值。

根据式(12)、(13)和(17)可得到传递到牵引侧的最大有功功率基准值，在牵引侧两臂有机车负载时，逆V/v变压器向单相机车负载提供最大的有功功率，因此可减少机车负载引起的负序电流；在牵引侧两臂无机车负载时，逆V/v变压器在无负序电流的情况下向电力系统注入三相平衡电流，实现高压侧(电力系统)三相平衡电流和恒功率。

下面结合具体算例分析本发明的实际效果：

(1)算例基本参数

本发明利用Matlab/Simulink搭建了主电路如图5所示的仿真模型进行验证，将算例的工作顺序设定为：在0～0.05s内，牵引臂上没有负荷；在0.05～0.2s内，牵引负荷工作在α臂上；在0.2～0.35s，牵引负荷出现在β臂上；最后0.05s内，牵引臂上没有负荷。

在情况一中，Mode III注入策略被固定，而在情况二中，电流注入策略根据负荷情况在Mode I/II/III中切换。

如图6所示，给出了情况一时对称电流注入下的仿真结果；此时，光伏逆变器均注入三相平衡电流，即启动Mode III。

根据图6所示的仿真结果可得出，瞬时有功功率和无功功率保持在1.0p.u.和0.0p.u.恒定，直流侧电压恒定在1000V。当牵引侧无负荷时，高压电网侧(电力系统)被注入三相平衡电流；但当牵引侧任一臂有负荷时，则会产生不平衡电流，其最大电流幅值约为2.7p.u.。此外，有功和无功功率包含有因单相牵引负荷引起的±2.0p.u.的脉冲，然而由于光伏逆变器向电网输送最大有功功率，从电网吸收的平均有功功率则降低到1.0p.u.；因此，所提出三相结构可以维持一个平衡的低压交流母线，以接入光伏转换器，实现最大功率的传输。

如图7所示，给出了情况二时非对称电流注入下的仿真结果；光伏逆变器注入策略根据牵引臂负荷需求的变化而变化；当牵引臂无负载时，采用Mode III向电力系统注入三相平衡电流；当机车负载出现在α臂时，采用Mode I将最大量不对称电流注入牵引臂；当机车负载出现在β臂，则采用Mode II。

由图7所示的仿真结果图可得出，光伏逆变器的在Mode III策略下最大振幅为1.73p.u.，比Mode I/II时的振幅大，这是因为Mode III中相电压通过三相输送，而Mode I/II则是通过特定的两相输送；且由于注入电流的不对称，有功功率和无功功率存在±1.0p.u.的振荡，这也导致直流链路中±18V的电压波动。由于单相机车负荷中的部分不平衡电流将由光伏逆变器补充，则高压侧(电力系统)的最大电流幅值降至2.0p.u.；此外，有功功率和无功功率的振荡部分降低到±1.0p.u.。

为了便于比较，总结了不同模式下高压侧和低压侧的正序电流(PSC)和负序电流(NSC)，总结结果见表1。

表1两种情况下高低压侧正负序电流对比

由表1可知，高压侧和低压侧的PSC相等，这是由平均有功功率决定的；在Mode I/II和III下，由于注入电流不同，NSC也不同；在Mode III注入策略下，三相高压侧的NSC高达2.00p.u.；在Mode I/II注入策略下，三相高压侧的NSC降低到1.03p.u.；因此可证明，本发明所提出的分相电流控制方法能够将所有有功功率输送到单相牵引负荷，且抑制三相高压侧的NSC，提高电能质量。

本发明采用逆V/v变压器结构实现了三相光伏发电系统到两相牵引供电系统的集成，该三相光伏发电系统可直接接入三相电力系统，避免了由单相变压器引起的三相系统的不平衡电流和振荡功率。使用逆V/v变压器来保持三相低压交流母线的平衡，方便了更多光伏转换器的接入。

本发明共公开的三相光伏发电系统当一个牵引臂上有机车负载时，可注入适当的电流将总有功功率传递给机车负载以改善电能质量；在无机车负载时，光伏逆变器可以简单地注入三相平衡电流，保证高压侧(电力系统)电流平衡和功率恒定。与单相变压器集成配置相比，本发明的三相光伏牵引供电系统具有结构简单、集成集中的特点。

本发明提供了一种静止坐标系下的分相电流控制方法，该方法充分利用了牵引侧和光伏逆变器各相之间的对应关系，采用该分相电流控制方法提高了逆变系统的直观性、快速性和稳定性。本发明公开的分相电流控制方法能够实现在不提取电压序列的情况下通过两个特定的相位产生非对称电流基准，实现对牵引供电臂负载的快速跟踪，并通过特定的相位实现提供最大的有功功率。

本发明公开的分相电流控制方法具有实施便捷、控制简单、动态响应快等优势。本发明能够最大化降低高压侧(电力系统)的负序电流，提高电能质量。本发明公开的分相电流控制方法中所有的计算和实现都是在固定的参考坐标下进行的，完全避免了锁相环和坐标变换的需要。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求范围内的所有技术方案。

Claims (8)

1.一种用于供电系统的光伏发电分相控制方法，所述供电系统包括光伏发电系统、牵引供电系统和电网电力系统，其中所述光伏发电系统通过逆V/v牵引变压器与所述牵引供电系统连接，所述牵引供电系统通过牵引变压器与电网电力系统连接，所述光伏发电系统包括光伏阵列、光伏逆变器和Y/Y变压器，所述方法包括以下步骤：

S1：采集光伏逆变器三相电压、三相电流瞬时值，计算得到光伏逆变器经相电压和相电流注入牵引侧的有功功率和无功功率；

S2：基于牵引侧与光伏低压侧的电压电流关系及牵引侧机车负载状态，确定光伏逆变器各相电流的输出策略，并生成注入牵引侧的三相电流标幺值；

S3：基于所述输出策略及注入牵引侧的三相电流标幺值，控制光伏逆变器的输出电流跟踪所述三相电流标幺值以完成对牵引侧机车牵引负载的供电；

其中，所述步骤S2中光伏逆变器的输出策略具体为：

(1)当机车负载于α臂，而β臂上无机车负载时，控制有功功率通过a相和c相输送，b相的电流控制为0；

(2)当机车负载于β臂，而α臂上无机车负载时，控制有功功率通过b相和c相输送，a相的电流控制为0；

(3)当无机车负载连接到牵引臂时，控制光伏逆变器向电力系统注入三相平衡电流。

2.根据权利要求1所述的光伏发电分相控制方法，其特征在于，电网侧、牵引侧和光伏低压侧的电压电流关系为：

式中，u_ca、u_cb、u_cc分别为低压侧光伏系统三相电压瞬时值；u_A、u_B、u_C分别为电网侧三相电压瞬时值；k₁、k₂、k₃分别为V/v牵引变压器、逆V/v牵引变压器和Y/Y变压器的变比；以及

式中，i_ca、i_cb、i_cc分别为低压侧光伏系统三相电流瞬时值；i_A、i_B、i_C分别为电网侧三相电流瞬时值；i_Lα为牵引侧α臂的机车电流瞬时值；i_Lβ为牵引侧β臂的机车电流瞬时值。

3.根据权利要求1所述的光伏发电分相控制方法，其特征在于，所述光伏逆变器经相电压和相电流注入牵引侧的有功功率和无功功率通过以下公式得到：

式中，P_c为光伏逆变器经相电压和电流注入的有功功率；Q_c为光伏逆变器经相电压和相电流注入牵引侧的无功功率；u_cbc为低压侧光伏系统相b和相c之间的线电压；u_cac为低压侧光伏系统相a和相c之间的线电压；u_cab为低压侧光伏系统相a和相b之间的线电压；i_ca、i_cb、i_cc分别为低压侧光伏系统注入的三相电流的瞬时值。

4.根据权利要求1所述的光伏发电分相控制方法，其特征在于，当所述光伏逆变器的输出策略为机车负载于α臂，而β臂上无机车负载时，光伏逆变器注入牵引侧的三相电流参考值为：

式中，i_caref、i_cbref和i_ccref分别为光伏逆变器输出的三相电流参考值；u_cac为低压侧光伏系统相a与相c间的线电压；P_cref为光伏逆变器输出的有功功率的参考值；U_cm是额定相电压的振幅。

5.根据权利要求1所述的光伏发电分相控制方法，其特征在于，当所述光伏逆变器的输出策略为机车负载于α臂，而β臂上无机车负载时，光伏逆变器注入牵引侧的三相电流标幺值为：

式中，i_{caref_pu}、i_{cbref_pu}、i_{ccref_pu}分别为光伏逆变器输出的三相电流标幺值；u_{cac_pu}是相a和相c之间的线电压的标幺值；P_{cref_pu}为有功功率参考振幅的标幺值。

6.根据权利要求1所述的光伏发电分相控制方法，其特征在于，当所述光伏逆变器的输出策略为机车负载于β臂，而α臂上无机车负载时，光伏逆变器注入牵引侧的三相电流标幺值为：

式中，i_{caref_pu}、i_{cbref_pu}、i_{ccref_pu}分别为光伏逆变器输出的三相电流标幺值；P_{cref_pu}为有功功率参考振幅的标幺值；u_{cbc_pu}是相b和相c之间的线电压的标幺值。

7.根据权利要求1所述的光伏发电分相控制方法，其特征在于，当所述光伏逆变器的输出策略为无机车负载连接到牵引臂时，光伏逆变器注入电网侧的三相电流标幺值为：

i_{cxref_pu}＝P_{cref_pu}·u_{cx_pu} (17)

式中，i_{cxref_pu}是光伏逆变器输出的x相电流的标幺值；u_{cx_pu}是光伏逆变器输出的x相电压的标幺值，x为a、b和c。

8.一种光伏牵引供电系统，包括光伏发电系统、牵引供电系统和电网电力系统，其特征在于，所述光伏发电系统通过逆V/v牵引变压器与所述牵引供电系统连接，所述牵引供电系统通过牵引变压器与电网电力系统连接；

其中，所述光伏发电系统包括光伏阵列、光伏逆变器和Y/Y变压器；所述光伏阵列的正负端口与光伏逆变器输入端的正负端口连接，所述光伏逆变器的输出端口与Y/Y变压器的输入端相连，所述Y/Y变压器的输出端与逆V/v牵引变压器的低压侧三相连接；

其中，所述光伏发电系统实现所述权利要求1-7中任一项所述的方法。

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