集中接入柔性牵引变压器的新能源储能系统及控制方法

1.本发明涉及新能源储能系统领域，具体涉及一种集中接入柔性牵引变压器的新能源储能系统及控制方法。


背景技术：

2.新能源发电在电力系统领域已有大量研究成果与应用案例，将新能源发电用于电气化铁路牵引演技尚属较新研究方向。
3.目前国内外对新能源接入电气化铁路的研究主要集中在车站用电与信号、通信等低压系统供电，对接入牵引供电系统的研究较少。新能源发电接入牵引供电系统，会涉及到复杂的连接结构和控制方法。现有技术中提供了一种涉及同相牵引供电与异地发电并网的控制系统，但该方法并未考虑多种新能源并存的情况，也未涉及如何将多种新能源接入牵引供电系统；亦存在一种涉及接入牵引变电所的分布式发电系统及控制方法，该方法是通过在铁路沿线走廊设置新能源汇流电力电缆，再接入牵引变电所牵引母线，但该方式存在汇流电缆消耗大、接入点增多导致潮流分布复杂等问题，且新能源波动与间歇性会通过牵引母线直接影响牵引网稳定，加重车网谐振；另涉及一种at牵引网分布式发电供电系统，但仍存在新能源波动影响牵引网的缺陷。
4.如何高效将新能源接入牵引供电系统，满足新能源就近消纳，减少“弃风、弃光”现象，有效抑制光伏波动与间歇性对牵引网影响，提高新能源利用率与稳定性是当前新能源接入牵引供电系统研究的热点。


技术实现要素：

5.针对现有技术的不足，本发明提供一种集中接入柔性牵引变压器的新能源储能系统及控制方法，以实现根据多种新能源的大小，灵活涉及接入数量，在协调控制相对简单的条件下稳定高效接入牵引供电系统，并提高新能源与再生制动能量的利用率。
6.为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
7.一方面，一种集中接入柔性牵引变压器的新能源储能系统，包括：柔性牵引变压器、隔离型dc/dc变换器、直流母线、新能源发电系统、储能系统；
8.所述柔性牵引变压器与所述隔离型dc/dc变换器连接，用于接收隔离型dc/dc变换器能量；
9.所述隔离型dc/dc变换器通过直流母线分别与所述新能源发电系统、所述储能系统连接，用于跟随柔性牵引变压器在直流环节中功率，保持直流环节电压稳定；所述新能源发电系统与直流母线连接，用于通过隔离型dc/dc变换器向柔性牵引变压器的直流环节接入功率；
10.所述储能系统与直流母线连接，用于平抑新能源发电系统的间歇性与波动，储存富余新能源与牵引网再生制动能量；
11.所述直流母线，作为能量汇聚母线，用于连接隔离型dc/dc变换器、新能源发电系
统与储能系统。
12.优选地，所述柔性牵引变压器包括依次连接的牵引变压器、多绕组降压变压器、三相整流器、单相级联整流器。
13.优选地，所述三相整流器与所述单相级联整流器间的直流环节为所述新能源发电系统与所述储能系统通过所述隔离型dc/dc变换器接入柔性牵引变压器提供接入点。
14.优选地，所述单相级逆变器包括多个级联模块，其接入新能源的级联模块的数量与所述隔离型dc/dc变换器的数量一一对应。
15.优选地，新能源发电系统采用直流方式组网，且新能源发电量与发电功率可调。
16.优选地，储能系统通过双向dc/dc储能变流器连接至直流母线，可实现对直流母线的能量释放与能量吸收。
17.另一方面，一种集中接入柔性牵引变压器的新能源储能系统的控制方法，包括以下步骤：
18.s1、采集并计算新能源储能系统的各端口功率；
19.s2、根据新能源储能系统中牵引网功率判断当前是否处于负载状态，若是则记能量向牵引网流动为正，并进入步骤s3；否则记牵引网向柔性牵引变压器返送能量为负，并进入步骤s8；
20.s3、判断单相级联逆变器中各级联模块输入功率是否大于隔离型dc/dc变换器接入各级联模块的新能源功率，若是则进入步骤s4；否则进入步骤s5；
21.s4、判断储能系统荷电状态是否大于储能系统最小荷电状态，若是则新能源发电系统处于最大功率点跟踪状态，储能系统吸收并存储能量，并由三相电网补足差额功率，否则，新能源发电系统处于最大功率点跟踪状态，储能系统停止工作，并由三相电网补足差额功率；
22.s5、判断单相级联逆变器中各级联模块输入功率是否小于新能源发电系统接入隔离dc/dc变换器中级联模块功率，若是则进入步骤s6，否则新能源发电系统处于最大功率点跟踪状态，储能系统停止工作；
23.s6、判断储能系统荷电状态是否小于储能系统最大荷电状态，若是进入步骤s7，否则新能源发电系统降功率发电，储能系统停止工作；
24.s7、判断新能源发电功率与接入新能源发电系统的级联模块所承担的牵引网功率的差值是否大于储能系统最大充电功率，若是则新能源发电系统降功率发电，储能系统吸收并存储能量；否则新能源发电系统处于最大功率点跟踪状态，储能系统吸收并存储能量；
25.s8、判断储能系统荷电状态是否小于储能系统最大荷电状态，若是，则进入步骤s9，否则新能源发电系统停止工作，储能系统停止工作；
26.s9、判断牵引网功率是否小于储能系统最大充电功率，若是，则储能系统吸收并存储能量，新能源发电系统降功率发电，否则储能系统吸收并存储能量，新能源发电系统停止发电。
27.优选地，步骤s1具体为：
28.采集并计算新能源储能系统中储能系统功率、新能源发电系统功率、储能系统最大充电功率、牵引网功率、三相电网功率、隔离型dc/dc变换器功率、储能系统荷电状态、储能系统最小荷电状态以及储能系统最大荷电状态。
29.优选地，各隔离型dc/dc变换器间的功率控制相互独立，调节输出电压跟随对应单相级联逆变器直流侧电压，实现级联模块功率均衡；且在牵引网功率大于零时，各隔离型dc/dc变换器均分直流母线传输的新能源子系统功率与储能子系统功率。
30.优选地，柔性牵引变压器通过隔离型dc/dc接入新能源的级联模块，优先消纳新能源和储能系统能量，三相电网能量作为松弛端口，自动补充功率缺额，新能源优先供给牵引网消耗，当新能源功率大于牵引网功率时，富余部分能量再由储能系统储存。
31.本发明具有以下有益效果：
32.1、以直流形式将光伏、风电等多种新能源汇聚，并通过隔离型dc/dc变换器接入柔性牵引变压器，供给牵引供电系统，实现多种新能源接入牵引供电系统，助力绿色铁路建设；
33.2、直流母线设置的储能系统可有效平抑新能源能量波动，合理储存新能源与再生制动能量，实现能量的优化管理；
34.3、以实现根据多种新能源的大小，灵活涉及接入数量，在协调控制相对简单的条件下稳定高效接入牵引供电系统，并提高新能源与再生制动能量的利用率；
35.4、可根据接入新能源容量合理灵活设计接入级联模块的数量，在保证成本最优、效益最大的同时，有效消纳新能源；
36.5、新能源经柔性牵引变压器接入牵引网，光伏波动不会对牵引网造成影响，且该接入方式不涉及牵引网改造，易于工程实现。
附图说明
37.图1为本发明提供的一种集中接入柔性牵引变压器的新能源储能系统的系统结构示意图；
38.图2为本发明实施例中所提供的在牵引网处于牵引负荷/再生制动能量下结构示意图；
39.图3为本发明实施例中所提供的牵引网处于机车再生制动工况下结构示意图；
40.图4为本发明实施例中所提供的牵引网在不同工况的控制框图；
41.图5为本发明提供的一种集中接入柔性牵引变压器的新能源储能系统的控制方法的步骤流程图；
42.图6为本发明实施例中所提供的系统仿真对比图。
具体实施方式
43.下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
44.本发明提供一种集中接入柔性牵引变压器的新能源储能系统及控制方法；
45.如图1所示，一方面，一种集中接入柔性牵引变压器的新能源储能系统，包括：柔性牵引变压器、隔离型dc/dc变换器、直流母线、新能源发电系统、储能系统；
46.柔性牵引变压器与隔离型dc/dc变换器连接，用于接收隔离型dc/dc变换器能量；
47.可选的，牵引变压器输入侧与三相电网相连，经节能型牵引变压器、多绕组降压变压器、三相整流器与单相级联逆变器输出，输出侧与单相牵引供电网络相连，其中三相整流器与单相级联逆变器中间直流环节为所提新能源系统接入柔性牵引变压器接入点。
48.隔离型dc/dc变换器通过直流母线分别与新能源发电系统、储能系统连接，用于跟随柔性牵引变压器在直流环节中功率，保持直流环节电压稳定；
49.可选的，隔离型dc/dc变换器一侧连接到柔性牵引变压器直流环节，即三相整流器与单相级联逆变器之间，另一侧连接到直流母线。
50.新能源发电系统与直流母线连接，用于通过隔离型dc/dc变换器向柔性牵引变压器的直流环节接入功率；
51.可选的，新能源发电系统可为光伏发电装置、风力发电装置、氢能发电装置、光热发电装置、生物化学发电装置等可再生能源发电装置中的一种或多种，经过相应的电能变换以直流形式将能量汇聚到直流母线。
52.储能系统与直流母线连接，用于平抑新能源发电系统的间歇性与波动，储存富余新能源与牵引网再生制动能量；
53.可选的，储能系统为抽水储能、飞轮储能、超级电容器储能、化学电池储能(铅酸电池、镍镉电池、锂电池等)等储能方式的一种或多种。
54.直流母线，作为能量汇聚母线，用于连接隔离型dc/dc变换器、新能源发电系统与储能系统。
55.优选地，柔性牵引变压器包括依次连接的牵引变压器、多绕组降压变压器、三相整流器、单相级联整流器。
56.可选的，如图2所示，柔性牵引变压器的单相级联逆变器具有能量双向流动特性，当单相级联逆变器处于逆变状态为牵引网供能时，记为工作模态1：级联逆变器，单个级联模块逆变器功率记为pinv，最大逆变功率为pinv_max；当处于整流状态从牵引网吸收能量时，记为工作模态2：级联整流器，单个级联模块整流功率为prec，最大整流功率为prec_max。
57.优选地，三相整流器与单相级联整流器间的直流环节为新能源发电系统与储能系统通过隔离型dc/dc变换器接入柔性牵引变压器提供接入点。
58.优选地，单相级逆变器包括多个级联模块，其接入直流环节的级联模块的数量与隔离型dc/dc变换器的数量一一对应。
59.可选的，本发明实施例中，单相级联逆变器的级联模块数记为n，直流母线经隔离型dc/dc变换器接入直流环节模块数记为m，并满足1≤m≤n；接入直流环节模块与隔离型dc/dc变换器一一对应且相互独立，在实际工程中可根据接入新能源容量的不同，灵活设计接入模块数m；其中：隔离型dc/dc变换器在三相整流器与单相级联逆变器之间各级联模块接入点成对出现，依次为u1p和u1n、u2p和u2n、
…
、ump和umn；ump和umn分别连接在第m个模块的三相整流器rm模块输出端rmp和rmn，以及级联逆变器cm模块的输入端cmp和cmn；
60.隔离型dc/dc变换器各模块的正极输出n#_ 连接到整流器rn模块与单相级联逆变器_cn模块中间连接点unp，隔离型dc/dc变换器各模块的负极输出n#_ -连接到整流器rn模块与单相级联逆变器_cn模块中间连接点unn；隔离型dc/dc变换器具有能量双向流动的特性，可以双向传递能量，且能量流动方向及功率大小可控，且隔离型dc/dc变换器包含但不
限于双主动全桥、全桥谐振变换器等拓扑，既可以两电平结构，也可以是多电平结构。
61.优选地，新能源发电系统采用直流方式组网，且新能源发电量与发电功率可调。
62.可选的，新能源发电系统以直流方式组网，各类新能源经过相应的电能形式变换将电能汇聚至直流母线，且新能源发电量与发电功率可调。
63.优选地，储能系统通过双向dc/dc储能变流器连接至直流母线，可实现对直流母线的能量释放与能量吸收。
64.可选的，储能系统通过双向dc/dc储能变流器连接至直流母线，可快速实现对直流母线吸收/释放能量。
65.如图3所示，另一方面，一种集中接入柔性牵引变压器的新能源储能系统的控制方法，包括以下步骤：
66.s1、采集并计算新能源储能系统的各端口功率；
67.优选地，步骤s1具体为：
68.采集并计算新能源储能系统中储能系统功率、新能源发电系统功率、储能系统最大充电功率、牵引网功率、三相电网功率、隔离型dc/dc变换器功率、储能系统荷电状态、储能系统最小荷电状态以及储能系统最大荷电状态。
69.可选的，通过检测牵引网功率pt、新能源发电系统功率pne、储能系统荷电状态soc与储能系统功率pess综合判定后，给出隔离型dc/dc变换器、双向dc/dc储能变流器、新能源发电系统、单相级联逆变器正向逆变与反向级联整流器模式切换的控制信号，其中牵引网功率pt即单相级联整流器所连接的牵引网的功率。
70.可选的，通过获取各端口电压电流信息计算各端口功率，其中：牵引网功率记为pt，当牵引网处于机车负荷，能量流向牵引网记为正，当牵引网处于机车制动，向柔性牵引变压器返送能量记为负；三相电网向牵引网注入能量记为pr；新能源系统以向直流母线注入能量为正，记为新能源发电系统功率pne，满足pne＝ppv pw poth，其中，ppv为光伏能量，pw为风能，poth为其他新能源能量；储能系统功率记为pess，且以向直流母线注入能量为正，从直流母线吸收能量为负，其中储能系统最大充/放电功率表示为
±
pess_max，储能系统荷电状态soc的最大值与最小值表示为socmax和socmin，即：储能系统最大荷电状态记为socmax，储能系统最小荷电状态记为socmin，为防止过充过放对储能系统损坏，当储能系统soc≥socmax或soc≤socmin时，储能系统停止工作；隔离型dc/dc变换器功率pdc，以向直流环节传输功率为正，从直流环节吸收功率为负，满足pdc＝pess pne。
71.s2、根据新能源储能系统中牵引网功率判断当前是否处于负载状态，若是则记能量向牵引网流动为正，并进入步骤s3；否则记牵引网向柔性牵引变压器返送能量为负，并进入步骤s8；
72.如图4所示，可选的，当牵引网功率pt为正时，单相级联逆变器中各级联模块输入功率pinv＝pt/n，通过隔离型dc/dc变换器接入各模块的新能源为pdc/m，且隔离型dc/dc变换器功率pdc满足：pdc＝pne 储能系统功率pess。
73.s3、判断单相级联逆变器中各级联模块输入功率是否大于隔离型dc/dc变换器接入各级联模块的新能源功率，若是则进入步骤s4；否则进入步骤s5；
74.s4、判断储能系统荷电状态是否大于储能系统最小荷电状态，若是则新能源发电系统处于最大功率点跟踪状态，储能系统吸收并存储能量，并由三相电网补足差额功率，否
则，新能源发电系统处于最大功率点跟踪状态，储能系统停止工作，并由三相电网补足差额功率；
75.s5、判断单相级联逆变器中各级联模块输入功率是否小于新能源发电系统接入隔离dc/dc变换器中级联模块功率，若是则进入步骤s6，否则新能源发电系统处于最大功率点跟踪状态，储能系统停止工作；
76.s6、判断储能系统荷电状态是否小于储能系统最大荷电状态，若是进入步骤s7，否则新能源发电系统降功率发电，储能系统停止工作；
77.s7、判断新能源发电功率与接入新能源发电系统的级联模块所承担的牵引网功率的差值是否大于储能系统最大充电功率，若是则新能源发电系统降功率发电，储能系统吸收并存储能量；否则新能源发电系统处于最大功率点跟踪状态，储能系统吸收并存储能量；
78.可选的，若各级联逆变器各模块输入功率pt/n大于等于隔离型dc/dc变换器接入各级联模块的新能源能量为pdc/m时，即pt/n≥pdc/m，牵引网功率由三相电网功率pr和隔离型dc/dc变换器功率pdc提供，满足pt＝pr pdc，并优先消耗隔离型dc/dc传送的新能源能量，由三相电网功率补足功率差额，此时新能源系统处于最大功率发电状态；若储能系统荷电状态soc＞储能系统最小荷电状态socmin，则储能系统向直流母线注入能量，且满足隔离型dc/dc变换器功率pdc大小为储能系统功率与新能源发电系统功率之和，即：pdc＝pess pne，且由三相电网补足差额功率pr，满足pr＝pt-pess-pne；若储能系统荷电状态soc≤储能系统最小荷电状态socmin，则停止工作，且满足隔离型dc/dc变换器功率大小等于新能源发电系统功率，即满足pdc＝pne；此时，未接入新能源的模块由三相电网供给能量，满足pr＝pt-pne；
79.可选的，若级联逆变器各模块输入功率pt/n小于隔离型dc/dc变换器接入各级联模块的新能源能量为pdc/m时，即pt/n《pdc/m，接入新能源的级联模块供给牵引网的能量完全由隔离型dc/dc变换器提供，通过进一步判断新能源发电系统接入隔离dc/dc变换器中级联模块功率是否小于等于单相级联逆变器中各级联模块输入功率，即：pne/m≤pt/n，则新能源处于最大功率发电，储能系统补足差额功率并向直流母线注入储能系统功率，满足：pess＝(pt/n-pne/m)*m，三相电网补充功率为：pr＝pt*(n-m)/n；当新能源发电系统接入隔离dc/dc变换器中级联模块功率大于单相级联逆变器中各级联模块输入功率，即pt/n＞pdc/m，需进一步判断储能系统荷电状态soc是否小于储能系统最大荷电状态socmax，如是则再次判定新能源发电系统功率pne与接入新能源模块负担的牵引网功率pt*m/n的差值pne-pt*m/n是否大于储能系统最大充电功率pess_max，否则储能系统停止工作、新能源发电系统降功率发电，满足pne＝pt*m/n，三相电网出力为pr＝pt*(n-m)/n；当储能系统荷电状态soc小于储能系统最大荷电状态socmax，且判定新能源功率pne与接入新能源储能系统的级联模块负担的牵引网功率pt*m/n的差值pne-pt*m/n大于储能系统最大充电功率pess_max时储能系统以最大充电功率储能pess_max，新能源发电系统降功率发电，满足pne＝pt*m/n pess_max，否则新能源处于mppt状态，即：新能源发电系统处于最大功率点跟踪状态，储能系统储能满足：pess＝pne-pt*m/n，三相电网出力，满足pr＝pt*(n-m)/n。
80.s8、判断储能系统荷电状态是否小于储能系统最大荷电状态，若是，则进入步骤s9，否则新能源发电系统停止工作，储能系统停止工作；
81.s9、判断牵引网功率是否小于储能系统最大充电功率，若是，则储能系统吸收并存
储能量，新能源发电系统降功率发电，否则储能系统吸收并存储能量，新能源发电系统停止发电。
82.如图5所示，当牵引网功率pt为负，牵引网处于机车制动，向柔性牵引变压器返送再生制动能量，此时若储能系统荷电状态soc≥储能系统最大荷电状态socmax，则储能系统停止工作，无法存储再生制动能量，此时释放或消耗再生制动能量；
83.若储能系统荷电状态soc＜储能系统最大荷电状态socmax，则进一步判断再生制动能量功率与储能系统最大充电功率pess_max的大小，此时再生制动能量功率满足牵引网功率pt大小，即，当再生制动能量功率大于储能系统最大充电功率，即pt》pess_max，则储能系统无法完全储存再生制动能量，储能系统以最大充电功率pess_max存储功率，消耗无法存储的功率，满足pt-pess_max，新能源发电系统停止发电；否则，即当pt≤pess_max时，储能系统存储能量，新能源发电系统降功率发电，即满足pne＝pess_max-pt。
84.优选地，各隔离型dc/dc变换器间的功率控制相互独立，调节输出电压跟随对应单相级联逆变器直流侧电压，实现级联模块功率均衡；且在牵引网功率大于零时，各隔离型dc/dc变换器均分直流母线传输的新能源子系统功率与储能子系统功率。
85.如图5所示，可选的，隔离型dc/dc变换器具有调节柔性牵引变压器直流环节电压的功能，使得各级联模块直流侧电压upn1、upn2、
……
upnm均跟随系统预设参考值upn_ref，从而保证级联逆变器各模块功率均衡；其中，隔离型dc/dc变换器1#、隔离型dc/dc变换器2#、
……
隔离型dc/dc变换器m#的功率控制相互独立；在牵引网功率pt＞0时，所述各隔离型dc/dc变换器均分直流母线上新能源与储能功率，向直流环节传递功率分别为p_1#＝p_2#＝
……
＝p_m#＝pdc/m＝(pne pess)/m。
86.优选地，柔性牵引变压器通过隔离型dc/dc接入新能源的级联模块，优先消纳新能源和储能系统能量，三相电网能量作为松弛端口，自动补充功率缺额，新能源优先供给牵引网消耗，当新能源功率大于牵引网功率时，富余部分能量再由储能系统储存。
87.本发明实施例中提供一种整体功率仿真实验，其中，预设的仿真参数为：机车负荷20mw(满功率)，新能源最大发电量4mw；
88.在模拟自然条件变化，光照：光照减弱(0.42s)、光照增强(0.65s)；温度：45℃
→
25℃(0.9s切换)的标准条件下，实现结果如图6所示，可知，柔性牵引变压器与新能源系统在机车负荷与光伏出力动态变化中始终处于互补关系，共同为牵引网负荷提供能量；机车负荷变化过程中，新能源系统中光伏发电和储能的状态也在变化，柔性牵引变压器作为新能源系统的补充，动态跟随新能源系统能量变化并补足功率差额。
89.本发明可通过隔离型dc/dc接入新能源的级联模块，优先消纳新能源和储能系统能量，三相电网能量作为松弛端口，自动补充功率缺额，新能源优先供给牵引网消耗，当新能源功率大于牵引网功率时，富余部分能量再由储能系统储存；且新能源发电系统通过直流母线与储能系统相连，储能系统能有效平抑新能源发电的间歇性与波动，减少“弃风、弃光”，同时新能源能量经隔离型dc/dc变换器和单相级联逆变器接入牵引网，新能源的波动性不会对牵引网造成影响；新能源经柔性牵引变压器接入牵引网，不涉及对牵引网的改造，易于工程实现。
90.本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流
程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
91.这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
92.这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
93.本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
94.本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。