面向電氣化鐵路牽引供電的光伏發(fā)電分相電流控制策略

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實驗室（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)計達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、運維便捷、無噪聲和污染等優(yōu)勢［2］，同時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］。中國濟青高鐵［6］、日本成田機場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，可實現(xiàn)光伏功率的動態(tài)分配與無功補償，此方案需控制多個變流器協(xié)同工作，實施煩瑣；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償由牽引負荷產(chǎn)生的負序電流，實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電與負序補償統(tǒng)一控制，降低高壓側(cè)三相電流不平衡度，增強系統(tǒng)運行友好性。

因此，牽引側(cè)三相接入結(jié)構(gòu)下為實現(xiàn)光伏并網(wǎng)發(fā)電與負序補償?shù)慕y(tǒng)一控制，要求光伏逆變器具備正、負序電流目標(biāo)的調(diào)控能力。文獻［15-16］基于瞬時功率理論，在不平衡電壓場景下，提出了實現(xiàn)并網(wǎng)電流對稱、有功/無功波動抑制等目標(biāo)的正、負序（雙序）電流指令配置方案。為實現(xiàn)上述目標(biāo)的靈活折中與兼顧，文獻［17-18］提出了可實現(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，進而導(dǎo)致設(shè)備損壞。為避免出現(xiàn)過電流現(xiàn)象，文獻［19-20］將電流幅值實測值、計算值與最大允許電流進行比較，對等降低變流器的雙序電流，從而實現(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、負序電流指令，很少考慮光伏功率優(yōu)先與實際負荷特性，難以匹配光伏發(fā)電向電氣化鐵路牽引負荷供電的需求。

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。該控制策略通過對相電流的調(diào)控，不僅可以在無需相序分離的條件下實現(xiàn)對正、負序電流的控制，還可以在保障光伏有功功率優(yōu)先的條件下，利用變流器裕量補償牽引負荷產(chǎn)生的負序電流，實現(xiàn)光伏并網(wǎng)發(fā)電與負序補償?shù)慕y(tǒng)一控制。最后，通過RTLAB 實驗平臺驗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］。由于本文重點關(guān)注光伏發(fā)電三相接入方案的正、負序電流特性，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車決定，并且由于電力機車整流側(cè)運行功率因數(shù)多接近于1，一般可近似認為是純阻性電流；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，可通過對光伏并網(wǎng)電流的靈活控制，使其具備并網(wǎng)發(fā)電與負序補償?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，輸出負序電流補償單相電力機車，降低高壓側(cè)三相電流不平衡度。同時，光伏逆變器相電流與鐵路負荷電流存在直接關(guān)聯(lián)關(guān)系，即通過相電流調(diào)節(jié)可直接供給對應(yīng)橋臂牽引負荷。因此，如何通過對光伏并網(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，并實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電與負序補償?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

在光伏逆變器的并網(wǎng)發(fā)電與負序補償?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，而其負序電流則由電氣化鐵路負荷與逆變器裕量共同決定，用于補償由單相電力機車產(chǎn)生的負序電流。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 負序電流指令

根據(jù)前述分析，通過控制光伏逆變器使之補償牽引負荷產(chǎn)生的負序電流，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，光伏逆變器輸出負序電流幅值與高壓電網(wǎng)側(cè)負序電流幅值相同，而負序電流的相位相反。

當(dāng)牽引負荷位于α牽引臂時，根據(jù)圖1，該牽引負荷由高壓電網(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)代電力機車多采用基于全控器件的四象限整流器，通常運行于單位功率因數(shù)模式，因此可認為牽引負荷為純阻性負荷，即牽引臂電流和電壓相位相同，但其幅值由牽引負荷決定，則α牽引臂電流可表示為:

式中:PLα為α牽引臂負荷功率，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，α牽引臂負荷產(chǎn)生的高壓側(cè)負序電流幅值I-ABC，mα為:

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

式中:PLβ為β牽引臂負荷功率，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狀態(tài)。

該工況下逆變器負序電流指令可表示為:

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

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

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

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

2.2 電流限幅

在實際應(yīng)用中，由于光伏逆變器容量的限制，通常難以全部補償由牽引負荷產(chǎn)生的負序電流，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，補償高壓側(cè)負序電流。

這里需要指出，負序電流的存在將會導(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率先達到逆變器電流最大允許值，則在此時觸發(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，隨著兩臂牽引負荷變化，其引起的負序電流幅值和相位均會改變。逆變器的負序電流指令相位也會隨負荷變化，θa、θb、θc也會隨之變化。根據(jù)圖A1（a）兩臂同時牽引工況，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)在某一負載情況下，c 相正、負序電流指令相位差為θc1。若減小β牽引臂負荷功率，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，光伏逆變器的c 相負序電流指令分別為，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)完全補償下的電流指令幅值超過逆變器最大允許電流時，光伏逆變器需按照電流裕量來進行負序電流補償，此時光伏逆變器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，可見電流裕量會隨負載的變化而變化。

當(dāng)正負序電流相位相同，即θabc=0 時，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。

將逆變器負序電流指令的幅值控制在最小電流裕量內(nèi)，即可實現(xiàn)光伏逆變器電流限幅控制。因此，兩臂均有負荷時，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序電流補償裕量，是一種保守的補償方式，并沒有充分利用光伏逆變器電流裕量。同時，為確保高壓電網(wǎng)側(cè)三相電流對稱，光伏逆變器輸出的最大負序電流幅值不能超過由牽引負荷產(chǎn)生的負序電流幅值。因此，光伏逆變器輸出的負序電流幅值將由其電流裕量和高壓側(cè)負序電流補償需求共同決定，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)負序電流補償需求的比值，其表達式為:

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

構(gòu)造關(guān)于k的函數(shù)f(k)，其表達式如下:

當(dāng)光伏逆變器可用電流裕量小于負序電流補償需求時，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序電流補償需求時，k＞1，而光伏逆變器可用電流裕量不需要全部利用，只需滿足負序電流補償需求即可，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 給出了兩臂均有負荷時，經(jīng)負序補償后的高壓側(cè)電網(wǎng)負序電流幅值，其中α牽引臂機車負荷變化，β牽引臂牽引負荷恒定為3.0 MW。

圖3 高壓電網(wǎng)側(cè)負序電流幅值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，致使其可輸出的負序電流降低，并且高壓電網(wǎng)側(cè)負序電流變大。在牽引負荷小于光伏逆變器可用剩余容量時，光伏逆變器可按實際需要輸出相應(yīng)的負序電流，補償單相牽引負荷所需，從而保證高壓電網(wǎng)側(cè)三相電流對稱。在這種工況下，光伏逆變器負序電流幅值由牽引負荷所需決定，光伏逆變器輸出電流未達到最大允許電流，負序電流被完全補償，幅值為0。當(dāng)牽引負荷大于光伏逆變器可用剩余容量時，光伏逆變器無法完全補償單相牽引負荷所需，高壓電網(wǎng)側(cè)出現(xiàn)三相電流不對稱現(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荷所需的負序電流，并且其輸出電流達到最大允許值，這時光伏逆變器可提供的負序電流幅值由其容量裕度決定。

2.3 系統(tǒng)實施

根據(jù)前述分析，針對電氣化鐵路牽引用光伏逆變器控制，構(gòu)造實施于三相靜止坐標(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；Pdc為光伏最大功率點追蹤（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、負序電流同時輸出，這就不可避免導(dǎo)致其輸出有功功率存在二倍頻波動，進而導(dǎo)致光伏逆變器直流電壓也出現(xiàn)二倍頻波動。為消除此二倍頻直流電壓波動的影響，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］，進而結(jié)合DVC 獲取的平均功率參考值，根據(jù)式（9）完成對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)合牽引負荷功率，根據(jù)式（26）完成對光伏逆變器負序相電流的配置。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，為實現(xiàn)對交流目標(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，完成對光伏逆變器相電流的有效控制，從而實現(xiàn)光伏逆變器并網(wǎng)發(fā)電與負序補償?shù)慕y(tǒng)一控制。

3 硬件在環(huán)測試

為驗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。其中，主電路部分運行于RTLAB OP5700 中，光伏逆變器控制策略通過NI PXIe-1071 實現(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牽引臂列車負荷經(jīng)歷加速、勻速、惰行、再生制動，β牽引臂牽引負荷為1.5 MW 不變時，光伏接入鐵路牽引供電系統(tǒng)的硬件在環(huán)實驗結(jié)果。在實驗中，光伏逆變器有功功率設(shè)定為1.5 MW，則根據(jù)式（23），光伏逆變器可用負序電流補償裕量為9.2 kA。0～0.1 s，α牽引臂列車處于加速狀態(tài)，其牽引負荷從0 MW 增加到5.0 MW；在0.076 s 時，負荷增長到3.8 MW，電網(wǎng)負序電流補償需求量為9.2 kA。因此，在0～0.076 s，光伏逆變器裕量足夠大，可完全補償負荷產(chǎn)生的電網(wǎng)負序電流，逆變器電流幅值小于最大允許值；0.076～0.1 s，光伏逆變器可用負序電流補償裕量小于負序電流補償需求，則單相牽引負荷所產(chǎn)生的負序電流不能被完全補償，高壓電網(wǎng)側(cè)負序電流幅值逐漸增大，光伏逆變器電流幅值達到最大允許值。0.1～0.2 s 列車處于勻速運行狀態(tài)，α牽引臂牽引負荷固定為5.0 MW；此時高壓側(cè)電網(wǎng)負序電流補償需求量為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到最大值。0.2～0.3 s 列車處于惰行狀態(tài)，α牽引臂負荷為0 MW，高壓側(cè)三相電網(wǎng)負序電流補償量由β牽引臂決定，其幅值為7.9 kA，小于光伏逆逆變器可用負序電流裕量，則光伏逆變器可完全補償負序電流。0.3～0.4 s 列車處于再生制動狀態(tài)，α牽引臂制動功率從-3.0 MW 變化至0 MW；高壓側(cè)三相電網(wǎng)負序電流補償量從11.7 kA 降低到7.9 kA，在0.37 s時補償單相列車負荷所需負序電流與光伏逆變器可用負序電流補償裕量相等，也就是說，在0.30～0.37 s時光伏逆變器電流達到最大值，無法完全補償由單相牽引負荷所產(chǎn)生的負序電流，在0.37 s 后光伏逆變器可實現(xiàn)單相列車負荷所需負序電流的完全補償。

圖5 牽引負荷變化工況實驗結(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狀態(tài)下光伏接入鐵路牽引供電系統(tǒng)的硬件在環(huán)實驗結(jié)果。其中，光伏MPPT 功率初始設(shè)定為1.5 MW，則光伏逆變器負序電流補償裕量為9.2 kA，當(dāng)0.3 s 時，光伏MPPT 功率達到5.0 MW，此時無負序電流補償裕量。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狀態(tài)，而β牽引臂列車運行狀態(tài)不變。隨著列車行駛速度的下降，其由再生制動所產(chǎn)生的負序電流幅值將從7.9 kA 下降為5.3 kA，低于其可用負序電流補償裕量，則光伏逆變器可實現(xiàn)高壓側(cè)電網(wǎng)三相負序電流的完全補償。在0.2 s 時，β牽引臂列車進入再生制動狀態(tài)，則此時由兩列車制動所產(chǎn)生的負序電流幅值為7.0 kA，并隨著列車速度的下降在0.4 s 時降為0。然而，由于在0.3 s 時光伏MPPT 功率變?yōu)?.0 MW，光伏逆變器容量全部用于輸出有功功率，無負序電流補償裕量。

圖6 光伏輸出功率變化工況實驗結(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償由單相牽引負荷產(chǎn)生的負序電流，從而實現(xiàn)光伏逆變器并網(wǎng)發(fā)電與負序補償?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)系中對光伏逆變器相電流的獨立控制，可在無需相序分離的條件下實現(xiàn)正、負序電流的統(tǒng)一控制。同時，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序電流，以補償由單相牽引負荷產(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)電與負序補償?shù)慕y(tǒng)一控制。最后，基于RTLAB 實驗平臺驗證了所提光伏發(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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