一种牵引供电有功功率融通系统及其控制方法

1.本发明属于电气化铁路技术领域，特别是涉及一种牵引供电有功功率融通系统及其控 制方法。


背景技术：

2.电气化铁路作为国民经济的重要设施，其发展迅速。铁路部门提出优化电气化铁路能 源结构，推动可再生能源与电气化铁路的融合。铁路沿线光伏资源丰富，光伏发电等可再 生能源接入牵引供电系统成为电气化铁路技术发展的必然趋势。
3.同时，电气化铁路在运行过程中会产生大量的再生制动能量，通常这部分能量被同臂 牵引列车和牵引设备消耗后，仍有很大一部分再生制动能量经牵引变压器返送至外部电网。 这样不但造成铁路部门巨大的经济损失，并且恶化了外部电网的电能质量问题。因此，采 用储能系统回收再生制动能量，是实现节能减排、优化能源结构的有效措施。
4.目前，将可再生能源和储能装置接入牵引供电系统的方案主要包括：1)可再生能源和 /或储能装置直接以单相逆变器形式接入单相牵引母线或馈线或供电臂，该方案虽然结构简 单，但是加重了负序问题，也不利于可再生能源消纳和再生制动能量回收利用；2)可再生 能源和/或储能装置接入三相逆变器直流侧，再通过变压器将三相变为两相后接入牵引供电 系统的两相，该方案在接入容量不大的情况下对电能质量影响有限，但是容量增加可能产 生比较大的不利影响，而且可控性较差，同样存在不利于可再生能源消纳和再生制动能量 回收利用的问题。3)可再生能源和/或储能装置通过背靠背变流器接入牵引供电系统，该方 案可以回收再生制动能量，并且有效改善牵引网电能质量问题，但是，背靠背变流器容量 大，结构复杂，成本高，不利于工程应用。


技术实现要素：

5.为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提出一种牵引供电有功功率融通系统及 其控制方法，它能有效地解决平衡两相牵引母线或供电臂的有功功率、提高再生制动能量 利用率、实现可再生能源或储能装置系统的接入、降低牵引变压器的容量、节约系统能量 消耗、改善系统电能质量的技术问题。
6.为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种牵引供电有功功率融通系统及其控 制方法，包括设置在牵引变电所或分区所且与牵引供电系统的α相电路、β相电路连接的 ac/dc变流器ad、无功补偿装置rc1、无功补偿装置rc2、直流源ds和控制器cc；牵 引供电系统的α相电路、β相电路中均设有电流互感器和电压互感器，所述ac/dc变流器 ad的交流侧分别与α相电路、β相电路连接，提供牵引供电系统的α相电路与β相电路之 间、直流源ds与牵引供电系统之间的能量交换通道，所述ac/dc变流器ad的直流侧与 直流源ds连接，用于实现可再生能源和/或储能装置接入牵引供电系统的通道；牵引供电 系统的α相电路、β相电路中的电流互感器的信号端in1、电压互感器的信号端in2均与控 制器cc的输入端连接，控制器cc的双向信号接口端分别与ac/dc变流器ad及其旁路 开关、直流源ds的双向信
号端口连接，用于监测牵引负荷运行工况和牵引负荷大小并控制 直流源ds中可再生能源出力、储能装置充放电以及ac/dc变流器ad电流的幅值和相角， 实现有功功率融通；所述无功补偿装置rc1通过投切开关s1连接至α相电路与地线之间， 用于协同有功功率融通系统工作，补偿α相电路需要的无功功率；所述无功补偿装置rc2通过投切开关s2连接至β相电路与地线之间，用于协同有功功率融通系统工作，补偿β相 电路需要的无功功率。
7.进一步的是，所述有功功率融通系统还包括所述的直流源ds分为分布式直流源ds和 集中式直流源ds，分布式直流源ds是将直流源ds1、直流源ds2、...、直流源dsm分别 与ac/dc变流器ad1、ac/dc变流器ad2、...、ac/dc变流器adm的直流侧连接，其中， m为正整数；所述ac/dc变流器ad
l
、ac/dc变流器ad2、...、ac/dc变流器adm、ac/dc 变流器ad
m 1
、...、ac/dc变流器adn交流侧的第一端口与第二端口之间分别设有旁路开 关b1、旁路开关b2、...、旁路开关bn，其中，n为正整数且n≥m；将ac/dc变流器ad1交流侧的第一端口通过电抗器r与α相电路连接，而将第二端口与ac/dc变流器ad2交 流侧的第一端口级联，如此递进直到ac/dc变流器ad
n-1
交流侧的第二端口与ac/dc变流 器adn交流侧的第一端口级联，ac/dc变流器adn交流侧的第二端口与β相电路连接。
8.优选地，所述有功功率融通系统还包括所述集中式直流源ds是将ac/dc变流器ad1、 ac/dc变流器ad2、...、ac/dc变流器adn的直流侧并接于设有直流源ds的直流母线 bus；所述ac/dc变流器ad1、ac/dc变流器ad2、...、ac/dc变流器adn交流侧的第 一端口与第二端口之间分别设有旁路开关b1、旁路开关b2、...、旁路开关bn；将ac/dc 变流器ad1的交流侧的第一端口与α相电路连接，而将第二端口与ac/dc变流器ad2的 交流侧的第一端口级联，如此递进直到ac/dc变流器ad
n-1
的交流侧第二端口与ac/dc 变流器adn的交流侧第一端口级联，ac/dc变流器adn的交流侧第二端口通过电抗器r 与β相电路连接。
9.优选地，所述分布式直流源ds的另一种接法是将直流源ds
l
、直流源ds2、...、直流 源dsm分别与ac/dc变流器ad1、ac/dc变流器ad2、...、ac/dc变流器adm的直流侧 连接；所述ac/dc变流器ad1、ac/dc变流器ad2、...、ac/dc变流器adm、ac/dc变 流器ad
m 1
、...、ac/dc变流器adn的交流侧分别接入多绕组变压器mt的副边绕组，多 绕组变压器mt的原边一侧与α相电路连接，另一侧与d相电路连接。
10.优选地，所述集中式直流源ds的另一种接法是将ac/dc变流器ad1、ac/dc变流器 ad2、...、ac/dc变流器adn的交流侧分别接入多绕组变压器mt的副边绕组，多绕组变 压器mt的原边一侧与α相电路连接，另一侧与β相电路连接；所述ac/dc变流器ad1、 ac/dc变流器ad2、...、ac/dc变流器adn的直流侧并接于设有直流源ds的直流母线 bus。
11.所述控制器cc实时监测牵引负荷α相电路、β相电路电压、电流的幅值和相位，监测 可再生能源输出的实时功率，监测储能装置的温度、荷电状态、健康状态，进行能量管理， 实时控制ac/dc变流器ad及直流源ds，实现系统能量在α相电路、β相电路、储能装 置、可再生能源之间的融通。
12.优选地，所述直流源ds包括但不限于储能装置、光伏、风机或其它直流电源。
13.另一方面，基于上述系统，本发明还提供一种牵引供电有功功率融通系统控制方法，
14.所述控制器cc包括能量管理层、设备控制层，能量管理层具有协调α相电路和β相电 路之间的实时功率交互，直流源ds和α相电路、β相电路之间的实时功率交互，直流源 ds
内部可再生能源与储能装置之间的实时功率交互的功能；兼具监测α相电路和β相电路 实时电压、电流和直流源ds中可再生能源实时功率、直流源ds中储能装置实时运行状态， 基于可再生能源消纳、再生制动能量回收利用和负序抑制目标，开展能量管理，确定有功 功率融通系统当前运行模式和ac/dc变流器ad与α相电路和β相电路的有功功率融通目 标值，计算得到直流源ds中可再生能源出力、储能装置充放电以及ac/dc变流器ad电 流的幅值和相角的参考值，然后将结果下发给设备控制层；设备控制层采用控制策略，控 制ac/dc变流器ad、可再生能源、储能装置的运行状态，其中控制策略包括但不限于电 压、电流双闭环控制策略、模型预测控制策略、滑膜变结构控制策略。
15.进一步的是，
16.所述控制器cc控制ac/dc变流器ad以平衡α相电路和β相电路有功功率、消纳可 再生能源和利用再生制动能量为目的，计算出ac/dc变流器ad转移至α相电路和β相电 路有功功率的目标值，优选地：
[0017][0018]
式中，p
cα
、p
cβ
分别表示ac/dc变流器ad输出到α相电路和β相电路的有功功率目标值， p
lα
、p
lβ
分别表示α相电路和β相电路的负载消耗的有功功率，p
pv
表示可再生能源系统输出 功率，p
ess
表示储能装置输出功率；
[0019]
然后，计算得到ac/dc变流器ad电流的幅值和相角的参考值，并将结果下发给设备控 制层，优选地：
[0020][0021]
式中，表示ac/dc变流器ad输出电流滞后α相电路输出电压的角度，im表示ac/dc变 流器ad输出电流的有效值，vm表示α相电路输出电压的有效值。
[0022]
进一步的是，所述无功补偿装置rc1、无功补偿装置rc2分别计算并补偿α相电路、 β相电路各自需要的无功功率补偿量，包括补偿牵引供电系统上运行列车产生的无功功率、 ac/dc变流器ad因有功功率融通而产生的附加无功功率和牵引变压器可能产生的额外无 功功率；优选地，无功补偿装置需要补偿的无功功率目标值为：
[0023][0024]
式中，q
pdα
、q
pdβ
分别表示α相电路和β相电路两侧无功补偿装置需要补偿的无功功率 目标值，q
lα
、q
lβ
分别表示α相电路和β相电路两侧负载产生的无功功率，q
vα
、q
cβ
分别 表示ac/dc变流器ad因有功功率融通而向α相电路和β相电路输出的附加无功功率，q
tα
、 q
tβ
分别表示牵引变压器向α相电路和β相电路两侧可能产生的额外无功功率。
[0025]
优选地，所述有功功率融通系统还具有容错能力，控制器cc实时检测ac/dc变流器 ad1、
…
、ac/dc变流器adi、
…
、ac/dc变流器adn的健康状态，若其中第i个ac/dc 变流器adi故
障，则通过闭合旁路开关bi将故障变流器adi切除运行；若ac/dc变流器 adi未发生故障，则旁路开关bi断开，其中i为正整数，且i≤n。
[0026]
优选地，所述有功功率融通系统还具有容错能力，控制器cc实时检测ac/dc变流器 ad1、
…
、ac/dc变流器adi、
…
、ac/dc变流器adn的健康状态，若其中第i个ac/dc 变流器adi故障，则通过断开ac/dc变流器adi与多绕组变压器的连接，将故障变流器 adi切除运行，其中i为正整数，且i≤n。
[0027]
采用本技术方案的有益效果：
[0028]
(1)本发明为牵引供电系统两相提供有功功率融通通道，可以平衡两相有功功率，抑 制负序，提高再生制动能量利用率；本发明为可再生能源或储能装置提供接入牵引供电系 统的通道，使得牵引供电系统可以消纳可再生能源，可以将多余的再生制动能量或者可再 生能源产生的能量存储在储能装置，进而减小牵引供电系统消耗外部电网的电量，减小牵 引变压器的安装容量和计费容量；
[0029]
(2)本发明中所述的无功补偿系统，可以改善系统的无功、负序等电能质量问题；
[0030]
(3)本发明结构简单，易控制，成本低，便于推广应用。
附图说明
[0031]
图1为本发明的有功功率融通系统；
[0032]
图2为本发明协同有功功率融通系统的无功补偿系统；
[0033]
图3为本发明第一种具体实施方式的系统结构框图；
[0034]
图4为本发明第二种具体实施方式的系统结构框图；
[0035]
图5为本发明第三种具体实施方式的系统结构框图；
[0036]
图6为本发明第四种具体实施方式的系统结构框图；
[0037]
图7为本发明中第一种和第二种具体实施方式的任意一条变流器支路示意图；
[0038]
图8为本发明中第一种和第二种具体实施方式的任意一条变流器支路示意图；
[0039]
图9为本发明具体四种典型工况仿真结果图。
具体实施方式
[0040]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的 附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
[0041]
本发明的工作原理是：ac/dc变流器ad具有电流源特性，可以实现牵引供电系统两 相新的能量交换通道；ac/dc变流器ad的直流侧提供了可再生能源和储能接入牵引供电 系统的通道。
[0042]
如附图l至附图7所示，给出了本发明一种用于电气化铁路牵引供电的有功功率融通 系统及其控制方法的具体实施例，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
[0043]
实施例一
[0044]
如附图1所示，为本发明用于电气化铁路牵引供电的有功功率融通系统结构示意图， 其中，所述有功功率融通系统包括：
[0045]
包括设置在牵引变电所或分区所且与牵引供电系统的α相电路、β相电路连接的 ac/dc变流器ad、无功补偿装置rc1、无功补偿装置rc2、直流源ds和控制器cc；牵 引供电系统
的α相电路、β相电路中均设有电流互感器和电压互感器，所述ac/dc变流器 ad的交流侧分别与α相电路、β相电路连接，提供牵引供电系统的α相电路与β相电路之 间、直流源ds与牵引供电系统之间的能量交换通道，所述ac/dc变流器ad的直流侧与 直流源ds连接，用于实现可再生能源和/或储能装置接入牵引供电系统的通道；牵引供电 系统的α相电路、β相电路中的电流互感器的信号端in1、电压互感器的信号端in2均与控 制器cc的输入端连接，控制器cc的双向信号接口端分别与ac/dc变流器ad及其旁路 开关、直流源ds的双向信号端口连接，用于监测牵引负荷运行工况和牵引负荷大小并控制 直流源ds中可再生能源出力、储能装置充放电以及ac/dc变流器ad电流的幅值和相角， 实现有功功率融通；所述无功补偿装置rc1通过投切开关s1连接至α相电路与地线之间， 用于协同有功功率融通系统工作，补偿α相电路需要的无功功率；所述无功补偿装置rc2通过投切开关s2连接至β相电路与地线之间，用于协同有功功率融通系统工作，补偿β相 电路需要的无功功率。
[0046]
实施例二
[0047]
如图2所述，一种用于电气化铁路牵引供电的有功功率融通系统，还包括无功补偿系 统。
[0048]
所述无功补偿装置rc包括但不限于晶闸管控制电容器、晶闸管控制三次滤波器、晶闸 管控制电抗器、固定电容器、静止无功补偿器、三相静止同步补偿器等中的一种或多种。
[0049]
所述无功补偿装置rc1、无功补偿装置rc2分别计算并补偿α相电路、β相电路各自 需要的无功功率补偿量，包括补偿牵引供电系统上列车产生的无功功率、ac/dc变流器ad 因有功功率融通而产生的附加无功功率和牵引变压器可能产生的额外无功功率。
[0050]
实施例三
[0051]
有功功率融通系统可以包括若干个有功功率融通系统子模块pt和/或ac/dc变流器 ad级联或者并联或者混联构成。
[0052]
如图3所示，为第一种用于电气化铁路牵引供电的有功功率融通系统的具体实施例， 所述的直流源ds分为分布式直流源ds和集中式直流源ds，分布式直流源ds是将直流源 ds1、直流源ds2、...、直流源dsm分别与ac/dc变流器ad1、ac/dc变流器ad2、...、 ac/dc变流器adm的直流侧连接，其中，m为正整数；所述ac/dc变流器ad1、ac/dc 变流器ad2、...、ac/dc变流器adm、ac/dc变流器ad
m 1
、...、ac/dc变流器adn交 流侧的第一端口与第二端口之间分别设有旁路开关b1、旁路开关b2、...、旁路开关bn，其 中，n为正整数且n≥m；将ac/dc变流器ad1交流侧的第一端口通过电抗器r与α相电 路连接，而将第二端口与ac/dc变流器ad2交流侧的第一端口级联，如此递进直到ac/dc 变流器ad
n-1
交流侧的第二端口与ac/dc变流器adn交流侧的第一端口级联，ac/dc变流 器adn交流侧的第二端口与β相电路连接。
[0053]
如附图4所示，为第二种用于电气化铁路牵引供电的有功功率融通系统的具体实施例， 有功功率融通系统还包括所述集中式直流源ds是将ac/dc变流器ad1、ac/dc变流器 ad2、...、ac/dc变流器adn的直流侧并接于设有直流源ds的直流母线bus；所述ac/dc 变流器ad1、ac/dc变流器ad2、...、ac/dc变流器adn交流侧的第一端口与第二端口之 间分别设有旁路开关b1、旁路开关b2、...、旁路开关bn；将ac/dc变流器ad
l
的交流侧 的第一端口与α相电路连接，而将第二端口与ac/dc变流器ad2的交流侧的第一端口级联， 如此递进直到ac/dc变流器ad
n-1
的交流侧第二端口与ac/dc变流器adn的交流侧第一 端口级联，ac/dc变流器adn的交流侧第二端口通过电抗器r与β相电路连接。
[0054]
如图5所示，为第三种用于电气化铁路的有功功率融通系统的具体实施例，有功功率 融通系统还包括所述分布式直流源ds的另一种接法是将直流源ds1、直流源ds2、...、直 流源dsm分别与ac/dc变流器ad
l
、ac/dc变流器ad2、...、ac/dc变流器adm的直流 侧连接；所述ac/dc变流器ad1、ac/dc变流器ad2、...、ac/dc变流器adm、ac/dc 变流器ad
m 1
、...、ac/dc变流器adn的交流侧分别接入多绕组变压器mt的副边绕组， 多绕组变压器mt的原边一侧与α相电路连接，另一侧与β相电路连接。
[0055]
如图6所示，为第四种用于电气化铁路的有功功率融通系统的具体实施例，有功功率 融通系统还包括所述ac/dc变流器ad1、ac/dc变流器ad2、...、ac/dc变流器adn的 交流侧分别接入多绕组变压器mt的副边绕组，多绕组变压器mt的原边一侧与α相电路 连接，另一侧与β相电路连接；所述ac/dc变流器ad1、ac/dc变流器ad2、...、ac/dc 变流器adn的直流侧并接于设有直流源ds的直流母线bus。
[0056]
优选地，所述控制器cc实时监测牵引负荷α相电路、β相电路电压、电流的幅值和相 位，监测可再生能源输出的实时功率，监测储能装置的温度、荷电状态、健康状态，进行 能量管理，实时控制ac/dc变流器ad及直流源ds，实现系统能量在α相电路、β相电 路、储能装置、可再生能源之间的融通。
[0057]
优选地，直流源ds包括但不限于连接至直流母线的储能系统、光伏系统、风机系统或 其它电源。
[0058]
另一方面，所述的牵引供电有功功率融通系统的控制方法，所述控制器cc包括能量管 理层、设备控制层，能量管理层具有协调α相电路和β相电路之间的实时功率交互，直流 源ds和α相电路、β相电路之间的实时功率交互，直流源ds内部可再生能源与储能装置 之间的实时功率交互的功能；兼具监测α相电路和β相电路实时电压、电流、直流源ds中 可再生能源实时功率、直流源ds中储能装置实时运行状态，基于可再生能源消纳、再生制 动能量回收利用和负序抑制目标，开展能量管理，确定有功功率融通系统当前运行模式和 ac/dc变流器ad与α相电路和β相电路的有功功率融通目标值，计算得到直流源ds中 可再生能源出力、储能装置充放电以及ac/dc变流器ad电流的幅值和相角的参考值，然 后将结果下发给设备控制层；设备控制层采用控制策略，控制ac/dc变流器ad、可再生 能源、储能装置的运行状态，其中控制策略包括但不限于电压、电流双闭环控制策略、模 型预测控制策略、滑膜变结构控制策略。
[0059]
所述控制器cc控制ac/dc变流器ad以平衡α相电路和β相电路有功功率、消纳可 再生能源和利用再生制动能量为目的，计算出ac/dc变流器ad转移至α相电路和β相电 路有功功率的目标值，优选地：
[0060][0061]
式中，p
cα
、p
cβ
分别表示ac/dc变流器ad输出到α相电路和β相电路的有功功率目标值， p
lα
、p
lβ
分别表示α相电路和β相电路的负载消耗的有功功率，p
pv
表示可再生能源系统输出 功率，p
ess
表示储能装置输出功率；
[0062]
然后，计算得到ac/dc变流器ad电流的幅值和相角的参考值，并将结果下发给设备控 制层，优选地：
[0063][0064]
式中，表示ac/dc变流器ad输出电流滞后α相电路输出电压的角度，im表示ac/dc 变流器ad输出电流的有效值，vm表示α相电路输出电压的有效值。
[0065]
优选地，无功补偿装置需要补偿的无功功率目标值为：
[0066][0067]
式中，q
pdα
、q
pdβ
分别表示α相电路和β相电路两侧无功补偿装置需要补偿的无功功率目标 值，q
lα
、q
lβ
分别表示α相电路和β相电路两侧负载产生的无功功率，q
cα
、q
cβ
分别表示 ac/dc变流器ad因有功功率融通而向α相电路和β相电路输出的附加无功功率，q
tα
、 q
tβ
分别表示牵引变压器向α相电路和β相电路两侧可能产生的额外无功功率。
[0068]
实施例四
[0069]
如图7所示，为第一种和第二种用于电气化铁路的有功功率融通系统的任意一条变流 器支路，所述有功功率融通系统还具有容错能力，控制器cc实时检测ac/dc变流器ad1、
…
、 ac/dc变流器adi、
…
、ac/dc变流器adn的健康状态，若其中第i个ac/dc变流器adi故障，则通过闭合旁路开关bi将故障变流器adi切除运行；若ac/dc变流器adi未发生 故障，则旁路开关bi断开，其中i为正整数，且i≤n。
[0070]
实施例五
[0071]
如图8所示，为第三种和第四种用于电气化铁路的有功功率融通系统的任意一条变流 器支路，所述有功功率融通系统还具有容错能力，控制器cc实时检测ac/dc变流器ad1、
…
、 ac/dc变流器adi、
…
、ac/dc变流器adn的健康状态，若其中第i个ac/dc变流器adi故障，则通过断开ac/dc变流器adi与多绕组变压器的连接，将故障变流器adi切除运行， 其中i为正整数，且i≤n。
[0072]
为了更好地理解本发明实施例所述的有功功率融通系统和无功补偿装置的具体实施方 法，特列举如下实例说明：
[0073]
当采用v/v牵引变压器连接两相与外部三相电网时，ac/dc变流器ad以平衡两相有 功功率为目的，计算出ac/dc变流器ad转移至α相和β相有功功率的目标值为：
[0074][0075]
然后，计算得到ac/dc变流器ad电流的幅值和相角等的参考值，并将结果下发给设备 控制层；
[0076][0077]
所述的无功补偿系统需要补偿的无功功率目标值为：
[0078][0079]
如图9所示，给出了四种典型工况下三相电网侧电流，以及两相负载有功功率、可再 生能源输出功率、储能装置输出功率以及三相电网消耗的功率示意图。其中，四种典型工 况中两相负载、可再生能源、以及储能装置输出功率具体为：
[0080][0081]
从图9(a)可以看出，三相电网侧电流的负序基本平衡；从图9(b)两相负载有功功率、可 再生能源出力、以及储能装置充放电功率的关系图中可以看出，在t∈(0，0.3)s时，系统 工作在削峰模式，消纳可再生能源能量，储能装置处于放电状态；在t∈(0.3，0.6)s时， 系统工作在再生制动回收模式，储能装置处于充电状态；在t∈(0.6，0.9)s时，系统工作 在功率传输模式，消纳可再生能源能量，储能装置处于空闲状态；在t∈(0.9，1.2)s时， 系统工作在填谷模式，消纳可再生能源能量，储能装置处于充电状态。由此可见，无功补 偿装置配合有功功率融通系统，对三相电网侧进行负序补偿；同时，该系统可以回收利用 再生制动能量，可以消纳可再生能源，并且储能装置对系统起到削峰填谷的作用。