一种牵引供电有功功率融通系统及其控制方法

技术特征：
1.一种牵引供电有功功率融通系统，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，其特征在于：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。2.根据权利要求1所述的一种牵引供电有功功率融通系统，其特征在于：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ds
m
分别与ac/dc变流器ad1、ac/dc变流器ad2、...、ac/dc变流器ad
m
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ad
m
、ac/dc变流器ad
m 1
、...、ac/dc变流器ad
n
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b
n
，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ad
n
交流侧的第一端口级联，ac/dc变流器ad
n
交流侧的第二端口与β相电路连接。3.根据权利要求2所述的一种牵引供电有功功率融通系统，其特征在于：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ad
n
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ad
n
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b
n
；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ad
n
的交流侧第一端口级联，ac/dc变流器ad
n
的交流侧第二端口通过电抗器r与β相电路连接。4.根据权利要求2所述的一种牵引供电有功功率融通系统，其特征在于：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ds
m
分别与ac/dc变流器ad1、ac/dc变流器ad2、...、ac/dc变流器ad
m
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ad
m
、ac/dc变流器ad
m 1
、...、ac/dc变流器ad
n
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。5.根据权利要求3所述的一种牵引供电有功功率融通系统，其特征在于，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ad
n
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ad
n
的直流侧并接于设有直流源ds的直流母线bus。6.根据权利要求1所述的一种牵引供电有功功率融通系统，其特征在于，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。7.根据权利要求1所述的一种牵引供电有功功率融通系统，其特征在于，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。8.一种基于权利要求1所述的一种牵引供电有功功率融通系统的控制方法，其特征在于：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。9.根据权利要求8所述的一种牵引供电有功功率融通系统的控制方法，其特征在于：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：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；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：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，i
m
表示ac/dc变流器ad输出电流的有效值，v
m
表示α相电路输出电压的有效值。10.根据权利要求8所述的一种牵引供电有功功率融通系统的控制方法，其特征在于：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：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。

技术总结
本发明公开了一种牵引供电有功功率融通系统及其控制方法，涉及电气化铁路牵引供电技术领域。有功功率融通系统跨接在牵引变电所牵引母线或分区所供电臂两相之间，有功功率融通系统包括AC/DC变流器、直流源和控制器。控制器根据牵引负荷两相的电流、电压瞬时值计算出AC/DC变流器电流的幅值和相角的参考值，完成对变流器和直流源的控制，实现可再生能源消纳和再生制动能量利用。再结合无功补偿装置以及谐波补偿方法，提高牵引供电系统的电能质量。本发明提供了牵引供电系统两相能量交换的新通道，以及可再生能源和储能接入牵引供电系统的新通道。的新通道。的新通道。


技术研发人员：戴朝华 廉静如 姚志刚
受保护的技术使用者：西南交通大学
技术研发日：2022.04.15
技术公布日：2022/9/2