程 鵬，劉文泉，陳 沖，賈利民，2

（1. 華北電力大學(xué)能源電力創(chuàng)新研究院，北京市 102206；2. 軌道交通控制與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（北京交通大學(xué)），北京市 100091）

0 引言

中國電氣化鐵路快速發(fā)展，運(yùn)營里程已超過1×105km，用能持續(xù)增加。2019 年全國鐵路總耗電量為75.58 TW·h，較2018 年增長6.3%，2050 年預(yù)計(jì)達(dá)169.4 TW·h［1］。充分利用鐵路沿線自然稟賦發(fā)電，服務(wù)電氣化鐵路，以滿足其不斷增長的能源需求，現(xiàn)已成為鐵路電力供給新趨勢。

光伏發(fā)電具有安裝靈活、運(yùn)維便捷、無噪聲和污染等優(yōu)勢［2］，同時(shí)鐵路沿線光資源豐富，據(jù)研究測算鐵路系統(tǒng)的光伏發(fā)電潛力達(dá)31 578 kW·h［3］。光伏發(fā)電可接入牽引供電系統(tǒng)和非牽引供電系統(tǒng)，其中牽引供電系統(tǒng)用電量大，約占總能耗的80%～90%［4］，將光伏發(fā)電接入牽引供電系統(tǒng)可充分利用鐵路沿線資源，降低鐵路系統(tǒng)的電網(wǎng)用電量［5］。中國濟(jì)青高鐵［6］、日本成田機(jī)場Sky Access 鐵路［7］等均提出在鐵路沿線建設(shè)光伏發(fā)電、供給鐵路用電的光伏利用模式。

光伏發(fā)電接入25 kV/50 Hz 分相牽引供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)包括以下4 種:1）高壓側(cè)三相接入方案［8］，光伏發(fā)電接入牽引變電所高壓側(cè)母線，但需經(jīng)過多級(jí)高變比變壓器，功率傳輸損耗較大；2）牽引側(cè)單相接入方案［9-10］，光伏發(fā)電經(jīng)單相逆變后接入單側(cè)牽引饋線，但易導(dǎo)致高壓側(cè)母線出現(xiàn)負(fù)序、無功環(huán)流等問題；3）牽引側(cè)兩相接入方案［11-12］，光伏發(fā)電通過直流匯集、升壓后接入單相背靠背變流器的直流側(cè)，而其雙交流端口則跨接于兩側(cè)牽引饋線上，通過控制相間功率，可實(shí)現(xiàn)光伏功率的動(dòng)態(tài)分配與無功補(bǔ)償，此方案需控制多個(gè)變流器協(xié)同工作，實(shí)施煩瑣；4）牽引側(cè)三相接入方案［13-14］，利用兩相-三相變壓器構(gòu)造三相交流低壓母線，而后可采用高商用化、技術(shù)成熟的三相光伏逆變器，無需大容量DC/DC 或單相AC/DC 變流器。此外，可借鑒多功能逆變器，充分利用光伏逆變器裕量補(bǔ)償由牽引負(fù)荷產(chǎn)生的負(fù)序電流，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電與負(fù)序補(bǔ)償統(tǒng)一控制，降低高壓側(cè)三相電流不平衡度，增強(qiáng)系統(tǒng)運(yùn)行友好性。

因此，牽引側(cè)三相接入結(jié)構(gòu)下為實(shí)現(xiàn)光伏并網(wǎng)發(fā)電與負(fù)序補(bǔ)償?shù)慕y(tǒng)一控制，要求光伏逆變器具備正、負(fù)序電流目標(biāo)的調(diào)控能力。文獻(xiàn)［15-16］基于瞬時(shí)功率理論，在不平衡電壓場景下，提出了實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)電流對(duì)稱、有功/無功波動(dòng)抑制等目標(biāo)的正、負(fù)序（雙序）電流指令配置方案。為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)的靈活折中與兼顧，文獻(xiàn)［17-18］提出了可實(shí)現(xiàn)多控制目標(biāo)平滑切換的雙序電流控制策略。然而，雙序電流輸出易出現(xiàn)過電流現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致設(shè)備損壞。為避免出現(xiàn)過電流現(xiàn)象，文獻(xiàn)［19-20］將電流幅值實(shí)測值、計(jì)算值與最大允許電流進(jìn)行比較，對(duì)等降低變流器的雙序電流，從而實(shí)現(xiàn)變流器輸出電流低于最大允許值的限幅控制。然而，上述策略均以滿足某種并網(wǎng)功率特性為目標(biāo)配置正、負(fù)序電流指令，很少考慮光伏功率優(yōu)先與實(shí)際負(fù)荷特性，難以匹配光伏發(fā)電向電氣化鐵路牽引負(fù)荷供電的需求。

因此，本文提出了面向電氣化鐵路接入的光伏發(fā)電分相電流控制策略。該控制策略通過對(duì)相電流的調(diào)控，不僅可以在無需相序分離的條件下實(shí)現(xiàn)對(duì)正、負(fù)序電流的控制，還可以在保障光伏有功功率優(yōu)先的條件下，利用變流器裕量補(bǔ)償牽引負(fù)荷產(chǎn)生的負(fù)序電流，實(shí)現(xiàn)光伏并網(wǎng)發(fā)電與負(fù)序補(bǔ)償?shù)慕y(tǒng)一控制。最后，通過RTLAB 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證所提控制策略的有效性。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1 給出了基于Vv 兩相-三相變壓器的電氣化鐵路牽引側(cè)三相接入結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)主要由Vv 三相-兩相牽引變壓器（MT1）、Vv 兩相-三相牽引變壓器（MT2）、光伏側(cè)Yy 降壓變壓器（MT3）、三相AC/DC 變流器、DC/DC 變流器等組成［21］。牽引網(wǎng)兩側(cè)饋線經(jīng)過MT2 后轉(zhuǎn)變?yōu)槿?0 kV（6 kV）低壓交流母線，為光伏發(fā)電單元的并聯(lián)接入提供公共母線［10］。由于本文重點(diǎn)關(guān)注光伏發(fā)電三相接入方案的正、負(fù)序電流特性，可假定牽引變電所高壓側(cè)三相交流電不含零序分量。

圖1 光伏發(fā)電接入鐵路牽引供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of railway traction power supply system integrated with photovoltaic power generation

圖1 中:uA、uB、uC為電網(wǎng)三相電壓；iA、iB、iC為電網(wǎng)三相電流；uca、ucb、ucc為光伏逆變器三相電壓；ica、icb、icc為光伏逆變器三相電流；uga、ugb、ugc為低壓交流母線三相電壓；iga、igb、igc為低壓交流母線三相電流；uα、uβ分別為α、β牽引臂電壓；iα、iβ分別為α、β牽引臂電流；iCα、iCβ分別為光伏發(fā)電機(jī)組從低壓交流母線注入的電流；iLα、iLβ分別為α、β牽引臂的負(fù)載電流；k1、k2、k3分別為MT1、MT2 和MT3 變壓器的變比。

根據(jù)圖1，結(jié)合MT1、MT2 和MT3 變壓器端口電壓變換矩陣，光伏逆變器與高壓側(cè)電網(wǎng)的三相電壓關(guān)系可表示為:

在這種模式下，電氣化鐵路牽引負(fù)荷由外部高壓電網(wǎng)和光伏發(fā)電兩部分電源供電，根據(jù)圖1 所示電流正方向，牽引負(fù)荷電流可表示為:

為便于描述高壓側(cè)電流特征，結(jié)合MT1、MT2和MT3 變壓器端口電流變換矩陣，高壓側(cè)電網(wǎng)電流可表示為［21］:

由式（3）可知，高壓側(cè)電流由兩部分組成:一是鐵路牽引電流，這部分電流由外部電力機(jī)車決定，并且由于電力機(jī)車整流側(cè)運(yùn)行功率因數(shù)多接近于1，一般可近似認(rèn)為是純阻性電流；二是光伏逆變器電流，這部分電流由光伏逆變器決定。由于光伏逆變器具有電流靈活控制能力，可通過對(duì)光伏并網(wǎng)電流的靈活控制，使其具備并網(wǎng)發(fā)電與負(fù)序補(bǔ)償?shù)慕y(tǒng)一控制功能，在保證有功功率優(yōu)先輸出模式下，利用逆變器容量，輸出負(fù)序電流補(bǔ)償單相電力機(jī)車，降低高壓側(cè)三相電流不平衡度。同時(shí)，光伏逆變器相電流與鐵路負(fù)荷電流存在直接關(guān)聯(lián)關(guān)系，即通過相電流調(diào)節(jié)可直接供給對(duì)應(yīng)橋臂牽引負(fù)荷。因此，如何通過對(duì)光伏并網(wǎng)相電流的調(diào)節(jié)，完成光伏逆變器雙序電流的靈活控制，并實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電與負(fù)序補(bǔ)償?shù)慕y(tǒng)一控制，就顯得十分重要。

2 控制策略

2.1 控制設(shè)計(jì)

在光伏逆變器的并網(wǎng)發(fā)電與負(fù)序補(bǔ)償?shù)慕y(tǒng)一控制模式下，光伏逆變器正序電流由捕獲功率決定，用于光伏功率的并網(wǎng)饋送，而其負(fù)序電流則由電氣化鐵路負(fù)荷與逆變器裕量共同決定，用于補(bǔ)償由單相電力機(jī)車產(chǎn)生的負(fù)序電流。因此，光伏逆變器的相電流參考值可表示為:

2.1.1 正序電流指令

為完成光伏功率的并網(wǎng)饋送，根據(jù)圖1 所示電流正方向，光伏逆變器輸出的正序電流與其相電壓相位相反，有功功率才可以向牽引網(wǎng)輸出，則光伏逆變器正序電流指令相位可表示為:

式中:· 表示求相位角。

光伏發(fā)電單元傳輸?shù)钠骄泄β蔖ˉc為:

式中:Ucm為光伏逆變器相電壓幅值；Icm為光伏逆變器相電流幅值。

為了保持直流電壓恒定，光伏輸出有功功率平均值應(yīng)等于其有功功率參考值Pref，即

則根據(jù)式（6）和式（7），光伏逆變器正序電流幅值I+c，refm可表示為:

結(jié)合式（5）和式（8），光伏逆變器正序電流參考值可表示為:

2.1.2 負(fù)序電流指令

根據(jù)前述分析，通過控制光伏逆變器使之補(bǔ)償牽引負(fù)荷產(chǎn)生的負(fù)序電流，從而確保高壓電網(wǎng)側(cè)三相電流平衡。因此，經(jīng)過變壓器折算后，光伏逆變器輸出負(fù)序電流幅值與高壓電網(wǎng)側(cè)負(fù)序電流幅值相同，而負(fù)序電流的相位相反。

當(dāng)牽引負(fù)荷位于α牽引臂時(shí)，根據(jù)圖1，該牽引負(fù)荷由高壓電網(wǎng)A 相和C 相供電，并且B 相電流為零。在該工況下，以A 相電壓為基準(zhǔn)，設(shè)uA=UmsinuA，則α牽引臂電壓uα為:式中:uAC為高壓側(cè)A、C 相間的線電流；Um為高壓電網(wǎng)側(cè)相電壓幅值。

由于現(xiàn)代電力機(jī)車多采用基于全控器件的四象限整流器，通常運(yùn)行于單位功率因數(shù)模式，因此可認(rèn)為牽引負(fù)荷為純阻性負(fù)荷，即牽引臂電流和電壓相位相同，但其幅值由牽引負(fù)荷決定，則α牽引臂電流可表示為:

式中:PLα為α牽引臂負(fù)荷功率，PLα＞0 表示列車處于牽引狀態(tài)，PLα＜0 表示列車處于再生制動(dòng)狀態(tài)。

根據(jù)式（3）和式（11）可知，高壓側(cè)電網(wǎng)三相電流可表示為:

式中:a=ej120°為旋轉(zhuǎn)因子。

此時(shí)，α牽引臂負(fù)荷產(chǎn)生的高壓側(cè)負(fù)序電流幅值I-ABC，mα為:

根據(jù)上述分析可知，當(dāng)牽引負(fù)荷位于β牽引臂時(shí)，根據(jù)圖1 可知，該牽引負(fù)荷由高壓電網(wǎng)B 相和C相供電，且A 相電流為零，此時(shí)β牽引臂負(fù)荷產(chǎn)生的高壓側(cè)負(fù)序電流幅值I-ABC，mβ為:

式中:PLβ為β牽引臂負(fù)荷功率，PLβ＞0 表示列車處于牽引狀態(tài)，PLβ＜0 表示列車處于再生制動(dòng)狀態(tài)。

該工況下逆變器負(fù)序電流指令可表示為:

當(dāng)兩臂均有牽引負(fù)荷時(shí)，兩臂負(fù)荷均會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)產(chǎn)生負(fù)序電流，因此逆變器負(fù)序電流指令為兩臂單獨(dú)有負(fù)載時(shí)的負(fù)序電流指令之和。若不考慮光伏逆變器容量，完全補(bǔ)償負(fù)序電流的情況下，光伏逆變器的負(fù)序電流指令為:

式中:IC，mα和IC，mβ分別為α牽引臂和β牽引臂負(fù)荷產(chǎn)生的高壓側(cè)負(fù)序電流幅值。

如附錄A 圖A1（c）和（d）所示，當(dāng)一臂牽引一臂制動(dòng)時(shí)，兩臂負(fù)序電流合成夾角為120°，此時(shí)的電網(wǎng)負(fù)序電流幅值為:

根據(jù)圖1 所設(shè)定的正方向，當(dāng)橋臂負(fù)荷處于牽引狀態(tài)下，PLα＞0，PLβ＞0；當(dāng)橋臂負(fù)荷處于制動(dòng)狀態(tài)下，PLα＜0，PLβ＜0；當(dāng)橋臂無負(fù)荷或機(jī)車惰行時(shí)，PLα=0，PLβ=0。因此，所有情況下的電網(wǎng)負(fù)序電流幅值表達(dá)式可統(tǒng)一寫為:

2.2 電流限幅

在實(shí)際應(yīng)用中，由于光伏逆變器容量的限制，通常難以全部補(bǔ)償由牽引負(fù)荷產(chǎn)生的負(fù)序電流，本節(jié)構(gòu)造光伏逆變器電流限幅控制策略，可在保證光伏功率的全額外送前提下，充分利用光伏逆變器剩余容量，補(bǔ)償高壓側(cè)負(fù)序電流。

這里需要指出，負(fù)序電流的存在將會(huì)導(dǎo)致光伏逆變器輸出三相電流的幅值大小不等，其幅值最大的相電流將會(huì)率先達(dá)到逆變器電流最大允許值，則在此時(shí)觸發(fā)電流限幅控制，能夠確保光伏逆變器輸出電流不越限。在本文后續(xù)分析中，以光伏逆變器額定電流作為其最大允許電流。

由附錄A 圖A1 可知，隨著兩臂牽引負(fù)荷變化，其引起的負(fù)序電流幅值和相位均會(huì)改變。逆變器的負(fù)序電流指令相位也會(huì)隨負(fù)荷變化，θa、θb、θc也會(huì)隨之變化。根據(jù)圖A1（a）兩臂同時(shí)牽引工況，c 相電流最大，故以c 相電流為例，繪制了圖2 所示隨c 相正、負(fù)序電流指令相位差θc變化的光伏逆變器電流空間矢量圖。

圖2 光伏逆變器電流空間矢量圖Fig.2 Space vector diagram of photovoltaic inverter current

設(shè)在某一負(fù)載情況下，c 相正、負(fù)序電流指令相位差為θc1。若減小β牽引臂負(fù)荷功率，θc將隨之從θc1增大到θc2。在不考慮光伏逆變器容量的情況下，θc=θc1和θc=θc2時(shí)，光伏逆變器的c 相負(fù)序電流指令分別為，ref1、，ref2，電流指令分別為icc，ref1、icc，ref2。由于逆變器容量的限制，當(dāng)完全補(bǔ)償下的電流指令幅值超過逆變器最大允許電流時(shí)，光伏逆變器需按照電流裕量來進(jìn)行負(fù)序電流補(bǔ)償，此時(shí)光伏逆變器c相電流指令分別為i′cc，ref1、i′cc，ref2，光伏逆變器電流裕量分別為Imargin1和Imargin2，可見電流裕量會(huì)隨負(fù)載的變化而變化。

當(dāng)正負(fù)序電流相位相同，即θabc=0 時(shí)，逆變器電流裕量最小，為Imargin，min，其大小為:

式中:Icn，mon為光伏逆變器最大允許電流；I+c，refm為光伏逆變器正序電流幅值。

將逆變器負(fù)序電流指令的幅值控制在最小電流裕量內(nèi)，即可實(shí)現(xiàn)光伏逆變器電流限幅控制。因此，兩臂均有負(fù)荷時(shí)，考慮逆變器電流裕量的情況下，光伏逆變器可輸出的最大負(fù)序電流幅值Icref，max表示為:

式中:Sc為光伏逆變器額定容量。

需要指出的是，采用光伏逆變器最小電流裕量作為負(fù)序電流補(bǔ)償裕量，是一種保守的補(bǔ)償方式，并沒有充分利用光伏逆變器電流裕量。同時(shí)，為確保高壓電網(wǎng)側(cè)三相電流對(duì)稱，光伏逆變器輸出的最大負(fù)序電流幅值不能超過由牽引負(fù)荷產(chǎn)生的負(fù)序電流幅值。因此，光伏逆變器輸出的負(fù)序電流幅值將由其電流裕量和高壓側(cè)負(fù)序電流補(bǔ)償需求共同決定，為表征兩者關(guān)系，定義限幅比k，表示光伏逆變器電流裕量和電網(wǎng)負(fù)序電流補(bǔ)償需求的比值，其表達(dá)式為:

式中:Ineed=k1k2k3I-ABC，m為折算到光伏側(cè)的電網(wǎng)負(fù)序電流補(bǔ)償需求量。

構(gòu)造關(guān)于k的函數(shù)f(k)，其表達(dá)式如下:

當(dāng)光伏逆變器可用電流裕量小于負(fù)序電流補(bǔ)償需求時(shí)，k＜1，可以充分利用光伏逆變器可用電流裕量，故f(k)=k；當(dāng)光伏逆變器可用電流裕量大于負(fù)序電流補(bǔ)償需求時(shí)，k＞1，而光伏逆變器可用電流裕量不需要全部利用，只需滿足負(fù)序電流補(bǔ)償需求即可，故f(k)=1。因此，考慮雙重限制，根據(jù)式（18）和式（25），光伏逆變器負(fù)序電流指令應(yīng)表示為:

根據(jù)附錄A 表A1 所示系統(tǒng)參數(shù)，設(shè)置高壓側(cè)額定電壓為110 kV，光伏側(cè)額定電壓為310 V，光伏逆變器額定容量為5.0 MV·A。圖3 給出了兩臂均有負(fù)荷時(shí)，經(jīng)負(fù)序補(bǔ)償后的高壓側(cè)電網(wǎng)負(fù)序電流幅值，其中α牽引臂機(jī)車負(fù)荷變化，β牽引臂牽引負(fù)荷恒定為3.0 MW。

圖3 高壓電網(wǎng)側(cè)負(fù)序電流幅值Fig.3 Amplitude of negative sequence current on highvoltage power grid side

可見，隨著光伏逆變器輸出有功功率的增加，其可用電流裕量降低，致使其可輸出的負(fù)序電流降低，并且高壓電網(wǎng)側(cè)負(fù)序電流變大。在牽引負(fù)荷小于光伏逆變器可用剩余容量時(shí)，光伏逆變器可按實(shí)際需要輸出相應(yīng)的負(fù)序電流，補(bǔ)償單相牽引負(fù)荷所需，從而保證高壓電網(wǎng)側(cè)三相電流對(duì)稱。在這種工況下，光伏逆變器負(fù)序電流幅值由牽引負(fù)荷所需決定，光伏逆變器輸出電流未達(dá)到最大允許電流，負(fù)序電流被完全補(bǔ)償，幅值為0。當(dāng)牽引負(fù)荷大于光伏逆變器可用剩余容量時(shí)，光伏逆變器無法完全補(bǔ)償單相牽引負(fù)荷所需，高壓電網(wǎng)側(cè)出現(xiàn)三相電流不對(duì)稱現(xiàn)象。在這種工況下，光伏逆變器剩余容量裕度全部用于提供單相負(fù)荷所需的負(fù)序電流，并且其輸出電流達(dá)到最大允許值，這時(shí)光伏逆變器可提供的負(fù)序電流幅值由其容量裕度決定。

2.3 系統(tǒng)實(shí)施

根據(jù)前述分析，針對(duì)電氣化鐵路牽引用光伏逆變器控制，構(gòu)造實(shí)施于三相靜止坐標(biāo)系中的分相電流控制策略。圖4 給出了光伏逆變器分相電流控制結(jié)構(gòu)圖，主要包括直流電壓控制（DVC）、相電流目標(biāo)生成（CRG）、電流控制（CC）3 個(gè)部分。其中，icabc=[ica，icb，icc]；ucabc=［uca，ucb，ucc］；Sabc為光伏逆變器三相開關(guān)管脈沖信號(hào)；Pdc為光伏最大功率點(diǎn)追蹤（MPPT）功率；Vdc為光伏單元直流側(cè)電壓；=；ic，ref=為光伏逆變器三相調(diào)制電壓；L和R分別為濾波器的電感和電阻。

圖4 光伏逆變器分相電流控制結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of individual phase current control strategy for photovoltaic inverter

該控制策略首先采用基于比例-積分［5，23］（PI）的DVC 環(huán)節(jié)，輸入直流電壓參考值Vdc，ref，獲取光伏逆變器輸出的有功功率；然后，結(jié)合式（9）和式（26），生成相電流參考值CRG 環(huán)節(jié)；最后，采用基于比例-諧振（PR）的電流控制CC 環(huán)節(jié)，完成光伏逆變器輸出電流對(duì)其參考目標(biāo)值的無差跟蹤控制。

這里需要指出，光伏逆變器存在正序、負(fù)序電流同時(shí)輸出，這就不可避免導(dǎo)致其輸出有功功率存在二倍頻波動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致光伏逆變器直流電壓也出現(xiàn)二倍頻波動(dòng)。為消除此二倍頻直流電壓波動(dòng)的影響，通常在DVC 環(huán)節(jié)中引入二倍頻陷波器［3］，則DVC 傳遞函數(shù)可表示為:

式中:kvp和kvi分別為PI 調(diào)節(jié)器的比例、積分參數(shù)；ξ為二倍頻陷波器的阻尼系數(shù)，一般為0.707；ω0為電網(wǎng)基波頻率。

在CRG 環(huán)節(jié)，可采用鎖相環(huán)或鎖頻環(huán)獲取相電壓幅值和相角［17，24］，進(jìn)而結(jié)合DVC 獲取的平均功率參考值，根據(jù)式（9）完成對(duì)光伏逆變器正序相電流的配置；然后，以充分利用光伏逆變器剩余容量為目標(biāo)，結(jié)合牽引負(fù)荷功率，根據(jù)式（26）完成對(duì)光伏逆變器負(fù)序相電流的配置。最后，將二者相加從而可獲取光伏逆變器三相電流參考值。

在CC 環(huán)節(jié)，由于三相靜止坐標(biāo)系中，光伏逆變器相電流參考呈現(xiàn)工頻交流量形式，為實(shí)現(xiàn)對(duì)交流目標(biāo)參考值的無差跟蹤，這里引入PR 控制器［18-19，23］，其傳遞函數(shù)可表示為:

式中:kip和kir分別為PR 調(diào)節(jié)器的比例、諧振參數(shù)；ωc=20 rad/s 為截止頻率。

然后，光伏逆變器調(diào)制電壓可表示為:

式中:v′ca、v′cb、v′cc為PR 控制器三相輸出電壓。

最后，根據(jù)式（29）給出的光伏逆變器調(diào)制電壓，采用正弦脈寬調(diào)制（sinusoidal pulse width modulation，SPWM）獲取相應(yīng)的開關(guān)信號(hào)，完成對(duì)光伏逆變器相電流的有效控制，從而實(shí)現(xiàn)光伏逆變器并網(wǎng)發(fā)電與負(fù)序補(bǔ)償?shù)慕y(tǒng)一控制。

3 硬件在環(huán)測試

為驗(yàn)證本文所提出的光伏并網(wǎng)電流分相控制策略的有效性，本文搭建了如圖1 所示的光伏接入鐵路牽引供電系統(tǒng)硬件在環(huán)測試平臺(tái)。其中，主電路部分運(yùn)行于RTLAB OP5700 中，光伏逆變器控制策略通過NI PXIe-1071 實(shí)現(xiàn)，具體參數(shù)和結(jié)構(gòu)詳見附錄A 表A1 和圖A2。在硬件在環(huán)測試中，為證明控制策略的有效性，采用5 MW 的等效光伏逆變器替代所有光伏發(fā)電單元。由于本文關(guān)注光伏逆變器并網(wǎng)電流控制策略，可采用恒功率源模擬完成MPPT功能的前端DC/DC 變流器。

圖5 給出了α牽引臂列車負(fù)荷經(jīng)歷加速、勻速、惰行、再生制動(dòng)，β牽引臂牽引負(fù)荷為1.5 MW 不變時(shí)，光伏接入鐵路牽引供電系統(tǒng)的硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在實(shí)驗(yàn)中，光伏逆變器有功功率設(shè)定為1.5 MW，則根據(jù)式（23），光伏逆變器可用負(fù)序電流補(bǔ)償裕量為9.2 kA。0～0.1 s，α牽引臂列車處于加速狀態(tài)，其牽引負(fù)荷從0 MW 增加到5.0 MW；在0.076 s 時(shí)，負(fù)荷增長到3.8 MW，電網(wǎng)負(fù)序電流補(bǔ)償需求量為9.2 kA。因此，在0～0.076 s，光伏逆變器裕量足夠大，可完全補(bǔ)償負(fù)荷產(chǎn)生的電網(wǎng)負(fù)序電流，逆變器電流幅值小于最大允許值；0.076～0.1 s，光伏逆變器可用負(fù)序電流補(bǔ)償裕量小于負(fù)序電流補(bǔ)償需求，則單相牽引負(fù)荷所產(chǎn)生的負(fù)序電流不能被完全補(bǔ)償，高壓電網(wǎng)側(cè)負(fù)序電流幅值逐漸增大，光伏逆變器電流幅值達(dá)到最大允許值。0.1～0.2 s 列車處于勻速運(yùn)行狀態(tài)，α牽引臂牽引負(fù)荷固定為5.0 MW；此時(shí)高壓側(cè)電網(wǎng)負(fù)序電流補(bǔ)償需求量為11.4 kA，大于光伏逆變器電流裕量，則光伏逆變器輸出電流達(dá)到最大值。0.2～0.3 s 列車處于惰行狀態(tài)，α牽引臂負(fù)荷為0 MW，高壓側(cè)三相電網(wǎng)負(fù)序電流補(bǔ)償量由β牽引臂決定，其幅值為7.9 kA，小于光伏逆逆變器可用負(fù)序電流裕量，則光伏逆變器可完全補(bǔ)償負(fù)序電流。0.3～0.4 s 列車處于再生制動(dòng)狀態(tài)，α牽引臂制動(dòng)功率從-3.0 MW 變化至0 MW；高壓側(cè)三相電網(wǎng)負(fù)序電流補(bǔ)償量從11.7 kA 降低到7.9 kA，在0.37 s時(shí)補(bǔ)償單相列車負(fù)荷所需負(fù)序電流與光伏逆變器可用負(fù)序電流補(bǔ)償裕量相等，也就是說，在0.30～0.37 s時(shí)光伏逆變器電流達(dá)到最大值，無法完全補(bǔ)償由單相牽引負(fù)荷所產(chǎn)生的負(fù)序電流，在0.37 s 后光伏逆變器可實(shí)現(xiàn)單相列車負(fù)荷所需負(fù)序電流的完全補(bǔ)償。

圖5 牽引負(fù)荷變化工況實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Experimental results of traction load changing operation conditions

圖6 給出了兩臂列車處于再生制動(dòng)狀態(tài)下光伏接入鐵路牽引供電系統(tǒng)的硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。其中，光伏MPPT 功率初始設(shè)定為1.5 MW，則光伏逆變器負(fù)序電流補(bǔ)償裕量為9.2 kA，當(dāng)0.3 s 時(shí)，光伏MPPT 功率達(dá)到5.0 MW，此時(shí)無負(fù)序電流補(bǔ)償裕量。在0～0.1 s 內(nèi)，兩列車處于惰行狀態(tài)，無牽引功率，則光伏逆變器以三相對(duì)稱電流輸出其MPPT 功率。在0.1～0.2 s 內(nèi)，α牽引臂列車處于再生制動(dòng)狀態(tài)，而β牽引臂列車運(yùn)行狀態(tài)不變。隨著列車行駛速度的下降，其由再生制動(dòng)所產(chǎn)生的負(fù)序電流幅值將從7.9 kA 下降為5.3 kA，低于其可用負(fù)序電流補(bǔ)償裕量，則光伏逆變器可實(shí)現(xiàn)高壓側(cè)電網(wǎng)三相負(fù)序電流的完全補(bǔ)償。在0.2 s 時(shí)，β牽引臂列車進(jìn)入再生制動(dòng)狀態(tài)，則此時(shí)由兩列車制動(dòng)所產(chǎn)生的負(fù)序電流幅值為7.0 kA，并隨著列車速度的下降在0.4 s 時(shí)降為0。然而，由于在0.3 s 時(shí)光伏MPPT 功率變?yōu)?.0 MW，光伏逆變器容量全部用于輸出有功功率，無負(fù)序電流補(bǔ)償裕量。

圖6 光伏輸出功率變化工況實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Experimental results of photovoltaic output power changing operation conditions

綜上，本文所提出的光伏并網(wǎng)電流分相控制策略不僅可以保證光伏功率全部并網(wǎng)饋送，并且在所有工況下，均可充分利用變流器電流裕量補(bǔ)償由單相牽引負(fù)荷產(chǎn)生的負(fù)序電流，從而實(shí)現(xiàn)光伏逆變器并網(wǎng)發(fā)電與負(fù)序補(bǔ)償?shù)慕y(tǒng)一控制。

4 結(jié)語

本文提出面向電氣化鐵路接入的光伏發(fā)電分相電流控制策略。通過在三相靜止坐標(biāo)系中對(duì)光伏逆變器相電流的獨(dú)立控制，可在無需相序分離的條件下實(shí)現(xiàn)正、負(fù)序電流的統(tǒng)一控制。同時(shí)，該控制策略在保證捕獲光伏功率全額外送的前提下，利用功率裕量提供負(fù)序電流，以補(bǔ)償由單相牽引負(fù)荷產(chǎn)生的高壓電網(wǎng)側(cè)電流不平衡，從而完成光伏逆變器的并網(wǎng)發(fā)電與負(fù)序補(bǔ)償?shù)慕y(tǒng)一控制。最后，基于RTLAB 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證了所提光伏發(fā)電分相電流控制策略的有效性。面向差異化鐵路牽引供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如何完成光伏發(fā)電的統(tǒng)一并網(wǎng)同步控制還有待深入研究。

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