基于自适应阻抗的同相供电系统、控制方法、控制设备及存储介质与流程

本发明涉及电气化铁路，是一种基于自适应阻抗的同相供电系统、控制方法、控制设备及存储介质。

背景技术：

1、近年来，伴随着具有非线性和不对称冲击负荷的性质的电气化铁路大规模接入电网，致使部分地区电网以负序为主的电能质量问题尤为突出。同时电气化铁路负荷会产生大量再生制动能量，大部分能量会通过牵引变电所反送回电网又会引起谐波、负序等新的电能质量问题。当沿线电网产生较大的负序电流时，会引起发电机机组振动、转子发热过量、降低异步电机的最大运行负荷等问题。这些危害造成用电设备不能正常工作，甚至受到损害，进而导致正常的生产和生活秩序无法进行，间接地造成巨大的经济损失。

2、为了解决电气化铁路给电网带来以负序为主的电能质量问题，首次提出了同相供电概念，能有效治理负序电流。目前已有的同相补偿装置主要有两种结构，一种称为有源功率调节器，这种补偿方式所需要的补偿容量很大。另一种称为混合电能质量调节器，这种补偿器在一定程度上减小了有源补偿设备的补偿容量，但是并不能满足在任何负荷下保持补偿容量最小。同相供电系统因变流器容量大，造价高的问题，限制了其在工程实践中的广泛应用。

3、因此，研发一种低容量需求的同相供电系统，对实际工程推广以及电网电能质量的改善具有重大意义。

技术实现思路

1、本发明提供了一种基于自适应阻抗的同相供电系统、控制方法、控制设备及存储介质，克服了上述现有技术之不足，其能有效解决电气化铁路给电网带来负序电能质量的问题。

2、本发明的技术方案之一是通过以下措施来实现的：一种基于自适应阻抗的同相供电系统，包括潮流控制器、单相主牵引变压器和储能装置；

3、其中，潮流控制器包括高压匹配变压器、串联变压器、电网侧自适应阻抗、电网侧交直变流器、中间直流侧电容、牵引侧交直变流器、牵引侧自适应阻抗和牵引匹配变压器；高压匹配变压器一次侧连接到电网侧，二次侧连接串联变压器一次侧然后与牵引匹配变压器的一次侧级联；串联变压器二次侧经过电网侧自适应阻抗后与电网侧交直变流器的交流端口连接；电网侧交直变流器和牵引侧交直变流器直流端口与中间直流侧电容并联；牵引侧交直变流器交流端口经过牵引侧自适应阻抗与牵引匹配变压器一次侧并联；牵引匹配变压器的二次侧连接到牵引侧；

4、其中，单相主牵引变压器一次侧连接到电网侧，二次侧连接到牵引侧；

5、其中，储能装置包括双向dc/dc变流器和超级电容，双向dc/dc变流器的电感端与超级电容连接，电容端与中间直流侧电容并联。

6、下面是对上述发明技术方案之一的进一步优化或/和改进：

7、上述电网侧自适应阻抗与牵引侧自适应阻抗可对称设置；电网侧自适应阻抗和牵引侧自适应阻抗均包括串联电感、两个晶闸管、控制电抗器和并联电容，其中，两个晶闸管反向并联后串联控制电抗器，再与并联电容并联，之后与串联电感串联，串联电感和控制电抗器设置在靠近对应的变压器一侧。

8、本发明的技术方案之二是通过以下措施来实现的：一种基于自适应阻抗的同相供电系统的控制方法，包括以下步骤：

9、步骤s10：设定牵引变电所削峰设定值填谷设定值

10、步骤s20：采集牵引所出口处的电压ul和电流il，计算负荷的瞬时功率pl，确定系统的工作模式，工作模式包括制动充电模式，填谷充电模式、同相供电模式、削峰放电模式；

11、步骤s30：根据工作模式，计算电网侧自适应阻抗、电网侧交直变流器、牵引侧交直变流器(9)、牵引侧自适应阻抗和储能装置的补偿功率和

12、步骤s40：计算电网侧自适应阻抗和牵引侧自适应阻抗的功率参考值的导通角αα和αβ；

13、步骤s50：经功率外环得到潮流控制器的电流参考值和储能装置的电流参考值根据各个电流参考值和对应端口的实际电流值，利用电流内环得到对应的调制信号；再通过pwm调制将各个调制信号转化为电网侧交直变流器、牵引侧交直变流器和储能装置的开关信号，通过电压过零信号比较法，将电网侧自适应阻抗和牵引侧自适应阻抗的导通角转化为对应自适应阻抗的开关信号。

14、在上述步骤s20中，系统的工作模式确定方法可为：

15、a：若pl＜0，则判定系统处于制动充电模式；

16、a1)若机车的再生制动功率小于储能装置最大充放电功率，则再生制动能量全部通过牵引侧交直流变流器由储能装置系统吸收，假设储能功率为正时，处于放电，为负时，处于充电；变流器功率为正时，功率由电网侧流向牵引侧，为负时，功率由牵引侧流向电网侧，因此各端口参考功率为：

17、

18、a2)若机车的再生制动功率小于储能装置最大充放电功率，则再生制动能量全部通过牵引侧交直流变流器由储能装置系统，各端口参考功率为：

19、

20、b：若则判定系统处于填谷充电模式，由单相主牵引变压器承担机车的功率，同相供电装置给储能装置以机车同样大小的功率充电填谷，从而补偿负序，因此各端口参考功率为：

21、

22、c：若则判定系统处于同相供电模式，此时单相主牵引变压器和同相供电装置分别承担机车负荷的一半功率，储能装置不工作，因此各端口参考功率为：

23、

24、d：若则判定系统处于削峰放电模式，此时储能装置放电削峰，然后单相主牵引变压器和同相供电装置分别承担机车负荷的一半功率，因此各端口参考功率为；

25、

26、在上述步骤s40中电网侧自适应阻抗和牵引侧自适应阻抗的导通角计算公式可为：

27、

28、其中，xlpf-i表示电网侧或牵引侧控制电抗器lpf的阻抗，xcpf-i表示电网侧或牵引侧并联电容cpf的阻抗，xlc-i表示电网侧或牵引侧串联电感lc的阻抗，uac-i表示电网侧或牵引侧交直变流器的交流端口电压。

29、在上述步骤s50中，潮流控制器采用电压外环预测电流内环双环控制：将中间直流环节电压参考值和实际值udc相减输入pi控制器，构成电压外环控制，再加入电流参考值经预测电流控制，再经pwm调制得到控制潮流控制器的开关信号。

30、在上述步骤s50中，双向dc/dc变流器和的控制方法可为：由参考电流值分别与直流侧电流实际值iess经pi控制，再经滞环比较器，得到控制dc-dc变换器的开关信号。

31、在上述步骤s50中，将电网侧自适应阻抗和牵引侧自适应阻抗的导通角转化为对应自适应阻抗的开关信号的方法可为：将计算得到的导通角与采集到的电容电压相位相比较，当电压相位为正时，大于导通角的信号为1，小于导通角的信号为0；当电压相位为负时，小于导通角的信号为1，大于导通角的信号为0，分别得到对应的自适应阻抗中两个背靠背晶闸管的开关信号。

32、本发明的技术方案之三是通过以下措施来实现的：一种控制设备，包括存储器和处理器，存储器上存储有可在处理器上运行的程序，处理器执行程序时实现上述的基于自适应阻抗的同相供电系统的控制方法。

33、本发明的技术方案之四是通过以下措施来实现的：一种存储介质，存储介质存储有一个或者多个程序，一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，以实现上述的基于自适应阻抗的同相供电系统的控制方法。

34、本发明交直流变流器的连接方式与现有技术中的级联结构不同，本发明采用了串并联的连接结构，将潮流控制器传递的有功潮流在内部转化为无功潮流，并接入无源设备自适应阻抗来补偿无功，可以大大降低变流器的容量配置，减少补偿投资成本。本发明通过利用同相供电对三相电网的负序进行完全补偿，同时负荷制动时，依然可以向电网馈送满足标准的电能，防止再生制动能量返回电网而带来的谐波、三相不平衡等问题，有效地解决了单相铁路负荷牵引和制动时给电网带来的以负序为主的电能质量问题。本发明可以利用同相供电系统工作的灵活性，通过储能系统、机车负荷和电网之间的能量调度，充分利用机车负荷产生的再生制动能量，为系统削峰填谷，减少电网负荷峰谷差，从而降低电网的运行压力、提高设备的利用率和经济效益。本发明可解决电气化铁路系统的负序问题，消除牵引所出口处电分相，同时降低了变流器容量需求，减少了投资成本。