具体实施方式

随着光伏装机容量增加，光伏发电单元在维持地铁牵引系统的稳定性中存在至关重要的作用。现有的光伏发电系统的单一MPPT算法不能维持接触网的母线电压平衡，而需要根据机车的工况实时控制光伏阵列的输出，以调节接触网的母线电压。在光伏阵列发出的电能低于负载需求时，调节光伏阵列的输出功率增加；在光伏阵列发出的电能高于负载的需求时，调节光伏阵列的输出功率降低至负载需求功率，制动电阻仅用于机车制动过程，减少热量的产生与散热装置的使用。基于此，本发明提供了一种光伏发电单元的灵活功率跟踪控制方法及其应用，实现接触网的直流母线电压的稳定控制。

下面结合具体实施例对本发明进一步说明。

实施例一

如图1，具体做法是：

步骤1：初始化参数。具体包括设置：直流母线电压的上下限、直流母线的参考电压、灵活功率跟踪的采样周期、光伏阵列的初始参考电压等参数。

步骤2：计算光伏发电的功率参考值。首先，采集直流母线电压，计算母线电压与相应参考值的差值，结合电压差值与机车的输入电流计算功率增量。然后，通过母线电压与机车的输入电流计算机车的牵引功率。最后，结合功率增量与机车牵引功率计算得到牵引供电系统需要提供的功率，作为光伏发电的功率参考值。

步骤3：灵活功率跟踪控制调节光伏阵列的输出。首先，系统采集光伏阵列的输出电压和输出电流并计算光伏阵列的输出功率。然后，利用参考功率与光伏阵列输出功率之间的误差绝对值与比例系数相乘得到电压步长。判断光伏阵列输出功率与参考功率的大小并选择不同的工作模式。若参考功率大于光伏阵列的输出功率则进入最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking，MPPT)模式，反之进入恒定功率跟踪模式。其中，MPPT模式利用扰动观察法实现，根据扰动前后功率差值、电压差值的正负与电压步长更新参考电压。恒定功率跟踪模式则根据电压步长减小参考电压。最后，系统根据光伏阵列的输出电压与参考电压输出周期性的脉冲，控制光伏阵列的输出功率稳定于参考功率，以调节接触网的母线电压稳定。

步骤4：判断稳压。采集直流母线电压，并判断其是否大于直流母线的上限值，若大于则进入步骤5，否则进入步骤6。

步骤5：电压闭环控制制动电阻稳定母线电压。将直流母线电压和相应的参考电压通过PID(Proportion Integration Differentiation，比例-积分-微分控制)和PWM(PulseWidth Modulation，脉冲宽度调制)后得到周期性的脉冲，控制制动电阻参与工作，以调节接触网的母线电压稳定至母线电压的上限值，返回步骤2。

步骤6：判断稳压。判断直流母线电压是否小于直流母线的下限值，若小于则进入步骤7，否则返回步骤2。

步骤7：电网输出能量稳定母线电压。电网部分的AC-DC装置主动参与工作，以调节接触网的母线电压稳定至直流母线电压的下限值，返回步骤2。

本例采用以下的装置，可使上述控制方法得以方便快捷地实现：光伏接入地铁牵引供电系统的控制方法的实现装置，由DC-DC变换器、斩波器、制动电阻和控制器组成。其中，DC-DC变换器输入端连接光伏阵列、输出端连接接触网的直流母线。斩波器和制动电阻构成制动电阻装置，与接触网的直流母线连接。控制器包括三个采样模块、牵引功率计算模块、功率增量计算模块、参考功率计算模块、灵活功率跟踪控制模块、PID模块与PWM模块。

该装置的工作过程和原理是：采样模块2与采样模块3分别采集直流母线电压V_dc、机车的输入电流I_train并输入到功率增量计算模块与牵引功率计算模块。功率增量计算模块首先计算母线电压V_dc与母线电压参考值V_ref之间的差值，然后将计算所得到的差值与机车的输入电流I_train相乘，得到功率增量d_p。牵引功率计算模块利用功率与电压、电流的关系计算得到机车的牵引功率P_train。参考功率计算模块结合功率增量模块的输出d_p与机车的工况P_train得到光伏阵列的参考功率P_ref。将光伏阵列的参考功率P_ref与采样模块1采集到的光伏阵列的输出电流I_PV和输出电压V_PV共同输入灵活功率跟踪控制模块。灵活功率跟踪控制模块输出光伏阵列的参考电压V_ref，与光伏阵列的输出电压V_PV共同输入PID1模块。PID1模块通过比例、积分等环节，得到占空比并输入到PWM1模块。PWM1模块输出周期性的脉冲波形，控制DC-DC变换器。同时，将采样所得的直流母线电压V_dc与其参考电压V_{dc_ref}共同输入PID2模块，PID2模块通过比例、积分等环节，得到占空比并输入到PWM2模块。PWM2模块输出周期性的脉冲波形，控制斩波器。

图2示出本例的功率增量计算工作过程中将光伏阵列的参考电压V_ref与接触网的母线电压V_dc做差，差值与机车的输入电流I_train相乘，得到功率增量d_p。

图3示出本例的牵引功率计算工作过程中将母线电压V_dc与机车的输入电流I_train的相乘，得到机车的牵引功率P_train。

图4示出本例的参考功率计算工作过程中根据功率增量d_p和机车的牵引功率P_train得到光伏阵列的输出功率参考值P_ref。

图5示出灵活功率跟踪控制的流程图。首先初始化比例系数K与光伏阵列的初始参考电压V_{ref_old}，利用光伏阵列的输出电流I_PV和光伏阵列的输出电压V_PV计算光伏阵列的输出功率P_PV。其中，比例系数K与初始参考电压V_{ref_old}均由经验值选取。通过光伏阵列的参考功率P_ref与P_PV的误差绝对值与比例系数K相乘计算得到电压步长V_step。然后，通过比较光伏阵列的参考功率P_ref与P_PV的大小判断光伏阵列的工作模式。若P_ref大于P_PV，进入MPPT模式。MPPT模式利用扰动观察法实现，即分别比较当前光伏阵列的输出参数P_PV、V_PV与上一次扰动所得的输出参数P_{PV_old}、V_{PV_old}的大小。在MPPT模式中，若P_PV大于P_{PV_old}，且V_PV小于或等于V_{PV_old}，则更新参考电压V_ref为V_{ref_old}–V_step；若P_PV、V_PV分别大于P_{PV_old}、V_{PV_old}，则更新参考电压V_ref为V_{ref_old}+V_step；若P_PV、V_PV分别小于或等于P_{PV_old}、V_{PV_old}，则更新参考电压V_ref为V_{ref_old}+V_step；若P_PV小于或等于P_{PV_old}且V_PV大于V_{PV_old}，则更新参考电压V_ref为V_{ref_old}–V_step。若P_ref小于或等于P_PV，进入恒定功率跟踪模式。在恒定功率跟踪模式中，更新参考电压V_ref为V_{ref_old}–V_step。最后，将更新后的V_ref赋值给V_{ref_old}并输出。在灵活功率跟踪控制中，电压步长V_step取决于P_ref与P_PV的误差绝对值。当P_PV偏离P_ref越大时，电压步长变大，参考电压的变化量变大，快速调节光伏阵列运行到目标功率点；当P_PV偏离P_ref越小时，电压步长变小，参考电压的变化量变小，避免了固定电压步长较大时可能出现的在目标功率点附近振荡的情况。另外，光伏阵列输出功率的减小可以通过增加或减小参考电压实现，其相应调节光伏阵列工作在最大功率点的两侧。增加参考电压使光伏阵列工作在最大功率点的右侧，而减小参考电压使光伏阵列工作在最大功率点的左侧。最大功率点右侧的工作点容易受光照强度的影响而不稳定，但恒定功率跟踪模式限制光伏阵列工作在最大功率点的左侧，保证光伏阵列在光照强度波动的情况下能够正常工作。

图6示出机车运行过程中的牵引或制动功率曲线。在0～0.4s间，机车加速启动；在0.4～0.8s间，机车匀速运行；在0.8～1.2s间，机车减速制动；在1.2～1.4s间，机车停止运行。在0～0.8s期间，机车表现为牵引负荷，吸收由高压电网、光伏阵列等供电单元提供的电能；在0.8～1.2s期间，机车表现为发电单元，向接触网输送电能；在1.2～1.4s期间，机车停止运行，不吸收能量。

本例的地铁牵引供电系统由高压电网、变压器、牵引变电所、光伏阵列、DC-DC变换器、机车、制动电阻、斩波器组成。其中，牵引变电所包括整流变压器和整流机组，整流机组采用24脉波整流装置。在地铁牵引系统采用现有控制方法与本发明的控制方法的两种情况下，用Matlab/simulink对本发明控制进行仿真，结果如下。

图7a、图7b、图7c与图7d为现有光伏接入地铁牵引供电系统的控制方法实现机车运行过程中接触网的母线电压、光伏阵列输出功率、电网输出功率与制动电阻消耗功率的仿真波形图。由仿真波形图可知接触网的母线电压一直保持在安全范围(1000～1800V)内，但母线电压长时间在阈值1800V上下波动。在机车运行过程中，光伏阵列持续稳定地输出最大功率。在机车运行初始阶段，母线电压从0V开始上升，由于母线电压低于1000V，电网提供能量；在0.08～0.2s间，由于光伏阵列的输出功率大于机车所需的牵引功率，造成母线电压上升，制动电阻参与工作；在0.2～0.3s间，母线电压保持在安全范围内，电网、制动电阻不参与工作；在0.3～0.48s间，光伏阵列的最大功率低于机车牵引功率，母线电压下降，电网提供机车所需的剩余的能量；在0.48～0.8s间，光伏阵列的输出功率大于机车的牵引功率，母线电压上升，制动电阻参与工作；在0.8～1.2s间，机车制动，向接触网输出能量，同时，光伏阵列也在向接触网输出功率，母线电压上升，制动电阻参与工作，消耗机车产生的制动功率和光伏阵列的输出功率。在1.2～1.4s间，机车停止，但由于光伏阵列仍保持最大功率输出，接触网电压上升，制动电阻消耗光伏阵列产生的能量。

图8a与图8b、图8c、图8d为光伏接入地铁牵引供电系统的灵活功率跟踪控制方法实现机车运行过程中接触网的母线电压、光伏阵列输出功率、电网输出功率与制动电阻消耗功率的仿真波形图。由仿真波形图可知接触网的母线电压一直保持在安全范围内，且母线电压仅在机车制动过程中超过阈值1800V。在机车运行过程中，光伏阵列根据机车的需求实时控制输出功率。在0～0.2s间，光伏阵列的最大输出功率大于机车的牵引功率，光伏阵列工作在恒定功率跟踪模式，其输出功率跟随机车的牵引功率变化；在0.2～0.4s间，光伏阵列的最大输出功率小于机车的牵引功率，光伏阵列工作在MPPT模式，保持最大功率输出，但由于光伏阵列的发电量不能满足机车的需求，导致母线电压下降，为使母线电压不低于1000V，电网提供机车所需的剩余牵引功率；在0.4～0.8s间，光伏阵列的最大输出功率大于机车的牵引功率，光伏阵列工作在恒定功率跟踪模式，电网不提供电能；在0.8～1.2s间，机车制动向直流母线方向输出能量，导致母线电压上升，为使母线电压不超过1800V，限制光伏阵列的输出功率为0，机车的制动功率通过制动电阻消耗。在1.2～1.4s间，机车停止，光伏阵列、电网均不提供能量。

对比可知，灵活功率跟踪控制方法可以实时控制光伏阵列的输出，调节接触网的母线电压稳定在安全范围内。同时，灵活功率跟踪控制方法减少制动电阻的工作，减少热量的产生与散热装置的使用，降低成本。若平衡机车与光伏发电的功率差的稳压装置由制动电阻替换为储能装置，由于光伏阵列的恒定功率控制，储能装置只需要吸收机车制动能量，而不需要吸收多余的太阳能，可以有效减少储能装置容量；且在机车功率小于光伏阵列的输出功率时，减少了储能装置的循环利用次数，延长储能装置的寿命。

实施例二

如图9所示，与实施例一不同之处是：本例控制的系统为直流微电网系统。与实施例一相比，本例的系统可应用于供电不方便的偏远无电网地区。本发明除可用于以上实施例中的直流系统，也可用于其他轨道牵引供电系统、交流微电网系统等其他包含光伏发电单元的系统。

实施例三

如图10所示，与实施例一不同之处是：本例的地铁牵引供电系统由高压电网、变压器、牵引变电所、光伏阵列、DC-DC变换器、机车、超级电容、双向DC-DC变换器组成。其中，超级电容的能量双向流动通过电压内环、电流外环控制双向DC-DC变换器实现。与实施例一相比，本例的系统可以利用超级电容平衡光伏阵列和机车的功率差，在接触网的母线电压降低时，利用超级电容释放能量；在接触网的母线电压上升时，利用超级电容吸收多余能量，减少能量浪费。本发明除可用于以上实施例中的地铁牵引供电系统，也可用于包含电池或超级电容与电池的混合储能装置等的地铁牵引供电系统。