CN106159982A - 统一能量存储与变换控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种统一能量存储与变换控制系统，包括：单相多绕组隔离变压器，其接供电臂；能量存储与变换器，其输入侧连副边绕组，含至少一能量存储与变换子模块，子模块含至少一双向AC‑DC变换器、一双向DC‑DC变换器和一能量存储模块；测量电路，其与电网侧和牵引侧连；综合优化控制器，其与测量电路连；能量存储与变换控制器，其与综合优化控制器、双向AC‑DC变换器和双向DC‑DC变换器连。本发明还提供了一种统一能量存储与变换控制系统的综合优化控制方法。本发明的有益效果：实现牵引机车再生制动能量实时存储和利用；优先谷时充电蓄能、峰时放电供能，实现削峰填谷及需求侧响应管理，提高供电能力并降低成本；实现负序、无功、谐波和电压波动及偏差治理。

Description

统一能量存储与变换控制系统

技术领域

本发明涉及电气化铁路技术领域，具体而言，涉及一种统一能量存储与变换控制系统。

背景技术

目前，我国电力机车普遍采用能耗制动和再生制动两种制动方式。能耗制动主要用于交直型机车，再生制动主要用于交直交型机车。随着我国电气化铁路高速重载化的发展，交直交机车已经成为主要发展方向。由于再生制动功率很大，因此如何处理再生制动能量已经成为不容忽视的问题。目前，一般是将电力机车再生制动能量直接回馈至电网，这将引起接触网电压升高，并可能造成牵引变电所保护误动作及对电网造成冲击。

另外，随着我国电气化铁路的迅速发展，由电气化铁路负荷特性和牵引变压器接线型式等原因引起的负序、无功、谐波和馈线电压波动及偏差等电能质量问题日益突出，这些问题不仅影响牵引供电系统的正常运行，也为电网的安全稳定运行带来隐患。治理高次谐波的方法主要有无源滤波和有源滤波(APF)，源滤波成本高，无源滤波损耗大，因此目前电气化铁路高次谐波谐振问题还缺乏经济有效的处理方法。治理无功和馈线电压波动及偏差问题主要采用动态无功补偿器(SVC)和静止无功发生器(SVG)，但在两供电臂牵引负荷严重不对称情况下，由于补偿装置容量有限，难以解决馈线电压波动及偏差问题。铁路功率调节器(RPC)能综合解决负序和无功问题，但是难以高效解决再生制动能量利用问题，虽然RPC能够将再生制动能量从一个供电臂传送至另一个供电臂，但是由于RPC没有大容量能量存储装置，如果在接收能量的供电臂上没有牵引负荷，就无法高效利用再生制动能量，最终还是只能回馈电网，造成浪费和冲击，难以满足铁路用户需求。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种统一能量存储与变换控制系统，能够高效利用电气化铁路再生制动能量，在优先谷时充电蓄能、峰时放电供能，实现削峰填谷及需求侧响应管理，提高供电能力并降低运营成本，同时能够解决牵引供电系统电能质量治理问题，尤其是馈线电压稳定问题和高次谐波谐振问题，以满足铁路公司和电力部门的需求。

本发明提供了一种统一能量存储与变换控制系统，包括：

单相多绕组隔离变压器，其接入牵引变压器的供电臂，至少一个所述单相多绕组隔离变压器的高压侧通过连接开关接入所述牵引变压器的一个供电臂，所述单相多绕组隔离变压器的低压侧包括至少一个低压绕组，所述单相多绕组隔离变压器用于接入供电臂并隔离降压；

能量存储与变换器，其包括至少一个能量存储与变换子模块，所述能量存储与变换子模块的输入侧连接所述单相多绕组隔离变压器对应的副边绕组，所述能量存储与变换子模块包括至少一个双向AC-DC变换器、一个电容、一个双向DC-DC变换器和一个能量存储模块，所述双向AC-DC变换器的交流侧与所述单相多绕组隔离变压器对应的副边绕组连接，所述双向AC-DC变换器的直流侧与所述双向DC-DC变换器的一侧连接，所述双向DC-DC变换器的另一侧与所述能量存储模块连接，所述电容经过所述双向AC-DC变换器并联在直流侧，至少一个所述能量存储与变换器的输入侧与所述单相多绕组隔离变压器对应的副边绕组连接，所述能量存储模块实时对牵引机车再生制动能量进行存储和释放，在无牵引负荷时蓄电、优先谷时充电蓄能、峰时放电供能，并补偿供电臂的无功功率；

测量电路，其输入端与所述牵引变压器电网侧和所述牵引变压器牵引侧连接，所述测量电路对所述牵引变压器电网侧的三相电压和三相电流、所述牵引变压器牵引侧的两相馈线电压和两相馈线电流进行采样；

综合优化控制器，其输入端与所述测量电路的输出端连接，所述综合优化控制器包括状态监测模块、多源优化控制模块、电压恒定控制模块和高次谐波谐振抑制模块，所述测量电路与所述状态监测模块连接，所述状态监测模块分别与所述多源优化控制模块、所述电压恒定控制模块、所述高次谐波谐振抑制模块连接，所述综合优化控制器接收所述测量电路采样的数据并进行优化计算，产生优化控制信号；

能量存储与变换控制器，其输入端与所述综合优化控制器的输出端连接，所述能量存储与变换控制器的输出端与所述双向AC-DC变换器、所述双向DC-DC变换器连接，所述能量存储与变换控制器接收所述综合优化控制器产生的优化控制信号，根据所述能量存储模块状态为所述双向AC-DC变换器和所述双向DC-DC变换器提供补偿功率调制信号，从而控制流入、流出或流经所述能量存储模块的功率。

作为本发明进一步的改进，还包括两个滤波器，两个所述滤波器通过连接开关分别接入所述牵引变压器的两供电臂，所述滤波器用于滤除负载产生的谐波电流，并实现两供电臂的无功补偿。

作为本发明进一步的改进，所述滤波器包括至少一路滤波支路。

作为本发明进一步的改进，所述能量存储模块包括超级电容、电化学电池或它们的组合或其它能量存贮单元。

作为本发明进一步的改进，所述牵引变压器电网侧采用直接供电方式、带回流线的直接供电方式、自耦变压器AT供电方式或吸流变压器BT供电方式进行供电。

作为本发明进一步的改进，所述牵引变压器采用单相V/v变压器、三相V/v变压器、V/x变压器、Scott变压器、阻抗匹配平衡变压器、YNd11变压器或全三相Δ/ψ变压器。

本发明还提供了一种统一能量存储与变换控制系统的综合优化控制方法，该方法包括以下步骤：

步骤1，在每个采样周期的起始点，所述测量电路对所述牵引变压器电网侧的三相电压u_ABC、三相电流i_ABC及所述牵引变压器牵引侧的两相馈线电压u₁、u₂和两相馈线电流i_s1、i_s2分别进行采样，并将采样数据输入所述状态监测模块；

步骤2，将三相电压不平衡度给定值ε^* _u、功率因数给定值PF^*和两相馈线电压给定值U^* _1,2输入所述状态监测模块，采用快速傅立叶算法和瞬时功率算法，获得所述牵引变压器电网侧和所述牵引变压器牵引侧实时数据及运行状态；

步骤3，将所述牵引变压器电网侧和所述牵引变压器牵引侧的实时数据及运行状态输入所述多源优化控制模块、所述电压恒定控制模块和所述高次谐波谐振抑制模块；

步骤4，所述综合优化控制器根据接收到的实时数据及运行状态进行判断，选取优化控制方法，得到优化控制信号，具体如下：

当接收到的实时数据及运行状态正常时，所述多源优化控制模块采用多源优化控制方法，产生优化控制信号，控制两供电臂潮流，保证两供电臂多源实时功率最优运行；

当接收到的实时数据及运行状态不正常时，所述电压恒定控制模块和所述高次谐波谐振抑制模块分别进行判断，并进行相应的控制得到控制信号，所述多源优化控制模块综合所述电压恒定控制模块和所述高次谐波谐振抑制模块的控制信号，产生优化控制信号，具体包括：

如果所述电压恒定控制模块判断所述牵引变压器牵引侧的两相馈线电压不满足运行要求，所述电压恒定控制模块采用电压恒定控制方法，动态调整所述多源优化控制方法的约束条件，得到调节信号，实现电压恒定控制；

如果所述高次谐波谐振抑制模块判断发生高次谐波谐振，所述高次谐波谐振抑制模块采用高次谐波谐振抑制方法动态调整所述多源优化控制方法的控制目标，将所述统一能量存储与变换控制系统控制成线路等效特征阻抗，产生谐振抑制的调节信号，抑制两供电臂线路的高次谐波谐振；

所述多源优化控制模块根据所述电压恒定控制模块和所述高次谐波谐振抑制模块的调节信号，调整多源优化控制参数，产生优化控制信号；

步骤5，将所述优化控制信号输入所述能量存储与变换控制器，得到所述能量存储模块的补偿功率，包括流入、流出或流经所述能量存储模块的功率，并根据所述能量存储模块状态产生所述双向AC-DC变换器和所述双向DC-DC变换器的补偿功率调制信号；

步骤6，将所述补偿功率调制信号输入所述双向AC-DC变换器和所述双向DC-DC变换器，产生调制信号输入所述能量存储与变换器中的触发电路，控制所述双向AC-DC变换器和所述双向DC-DC变换器的运行，从而控制流入、流出或流经所述能量存储模块的功率，实现牵引机车再生制动能量的充放电。

作为本发明进一步的改进，步骤4中，所述多源优化控制方法采用微分进化优化算法，具体为：

将所述能量存储模块的补偿功率S_C作为目标函数，将补偿系数ΔI_P、ψ_A和ψ_B作为决策变量，以电压不平衡度和功率因数PF与ΔI_P、ψ_A和ψ_B的不等式作为约束条件，对决策变量ΔI_P、ψ_A和ψ_B进行微分进化寻优计算，获得优化控制信号。

作为本发明进一步的改进，步骤4中，所述电压恒定控制方法具体为：

采集两供电臂母线电压的有效值U₁和U₂，当U₁或U₂超过国家标准规定的上限或下限时，增加电压不平衡度给定值ε*u或减少功率因数给定值PF^*，然后将修改后的ε^* _u或PF^*送回所述多源优化控制模块，从而计算出新的优化控制信号。

作为本发明进一步的改进，步骤4中，所述高次谐波谐振抑制方法具体为：

首先，检测所述牵引变压器牵引侧的k相馈线电压v_fk，将其生成v_fk的正交量v_fk⊥，并将其通过锁相环电网的频率信号得到的v_fk、v_fk⊥变换至d、q坐标系，经过高通滤波器HPF，再经过T^-1(ω₁t)获得馈线电压的高频分量v_fhk、v_fhk⊥，得到变流器的高频补偿电流i_chk，其中，k为1或2；

其次，将检测回来的各种谐波电压平方值v_fnk ²与对应的谐波电压总畸变率THD_n ^*的谐波电压平方值v_fnk ^*2进行运算调整，得到各次谐波电压分量的导纳值，分配至各次谐波筛选回路，达到高次谐波谐振抑制，其中，v_fnk ^*＝V_f1k×THD_n ^*，V_f1k为k相馈线基波电压有效值。

本发明的有益效果为：

1、本发明通过能量存储与变换器可以迅速存储两供电臂上的再生制动能量，并在需要时，向两供电臂的牵引机车释放能量，提高了牵引变电所的经济效益；通过再生制动能量实时可控存储和释放，提高了牵引变电所供电能力；通过平抑再生制动能量冲击，提高了牵引供电系统安全性和稳定性；

2、本发明的能量存储模块实时对牵引机车再生制动能量可控存储和释放，高效利用再生制动能量，同时也能在无牵引负荷时蓄电，优先谷时充电蓄能、峰时放电供能，实现削峰填谷及需求侧响应的智慧用能管理；

3、本发明的综合优化控制方法不仅可以实现牵引变电所负序、无功、谐波和电压波动及偏差的综合治理，还能实现两供电臂多源实时功率最优运行，从而减少装置运行电流和损耗，并可以抑制牵引变电所高次谐波谐振；

4、本发明适用于各种供电方式，如直接供电方式、带回流线的直接供电方式、自耦变压器AT供电方式或吸流变压器BT供电方式等，同时，本发明还适用各种牵引变压器，如单相V/v变压器、三相V/v变压器、V/x变压器、Scott变压器、阻抗匹配平衡变压器、YNd11变压器或全三相Δ/ψ变压器等，具有良好的工业应用前景。

附图说明

图1为本发明第一实施例所述的一种统一能量存储与变换控制系统的结构示意图；

图2为本发明第二实施例所述的一种统一能量存储与变换控制系统的结构示意图；

图3为本发明第三实施例所述的一种统一能量存储与变换控制系统的结构示意图；

图4为本发明实施例所述的一种统一能量存储与变换控制系统的综合优化控制方法的实现原理图。

具体实施方式

下面通过具体的实施例并结合附图对本发明做进一步的详细描述。

实施例1，如图1所示，本发明第一实施例的一种统一能量存储与变换控制系统，包括：

单相多绕组隔离变压器，其接入牵引变压器的供电臂并隔离降压。两个单相多绕组隔离变压器T₁和T₂的高压侧通过连接开关QF1和QF2分别接入牵引变压器的一个供电臂，T₁和T₂的低压侧包括至少一个低压绕组。

能量存储与变换器，其用于实时对牵引机车再生制动能量进行存储和释放，在无牵引负荷时蓄电、优先谷时充电蓄能、峰时放电供能，并补偿供电臂的无功功率。两个能量存储与变换器的输入侧分别与两个单相多绕组隔离变压器T₁和T₂对应的副边绕组连接。每个能量存储与变换器包括两个能量存储与变换子模块，两个能量存储与变换子模块的输入侧分别连接单相多绕组隔离变压器T₁和T₂对应的副边绕组。能量存储与变换子模块包括一个双向AC-DC变换器、一个电容、一个双向DC-DC变换器和一个能量存储模块，其中，双向AC-DC变换器的交流侧与单相多绕组隔离变压器对应的副边绕组连接，双向AC-DC变换器的直流侧与双向DC-DC变换器的一侧连接，双向DC-DC变换器的另一侧与能量存储模块连接，电容经过双向AC-DC变换器并联在直流侧。能量存储模块包括超级电容、电化学电池或它们的组合或其它能量存贮单元。

测量电路，其对牵引变压器电网侧的三相电压u_ABC和三相电流i_ABC、牵引变压器牵引侧的两相馈线电压u₁、u₂和两相馈线电流i_s1、i_s2分别进行采样。测量电路的输入端与牵引变压器电网侧和牵引变压器牵引侧连接。

综合优化控制器，其接收测量电路采样的数据并进行优化计算，产生优化控制信号。综合优化控制器的输入端与测量电路的输出端连接，综合优化控制器包括状态监测模块、多源优化控制模块、电压恒定控制模块和高次谐波谐振抑制模块，测量电路与状态监测模块连接，状态监测模块分别与多源优化控制模块、电压恒定控制模块、高次谐波谐振抑制模块连接。状态监测模块用于接收采样数据，多源优化控制模块用于实现多源优化控制，电压恒定控制模块用于实现电压恒定控制，高次谐波谐振抑制模块用于实现高次谐波谐振的抑制。

能量存储与变换控制器，其接收综合优化控制器产生的优化控制信号，根据能量存储模块状态为双向AC-DC变换器和双向DC-DC变换器提供补偿功率调制信号，从而控制流入、流出或流经能量存储模块的功率。能量存储与变换控制器的输入端与综合优化控制器的输出端连接，能量存储与变换控制器的输出端与每个能量存储与变换器中的双向AC-DC变换器和双向DC-DC变换器连接。

滤波器，其用于滤除负载产生的谐波电流，并实现两供电臂的无功补偿。两个滤波器Fc1和Fc2通过连接开关QF3和QF4分别接入牵引变压器的两供电臂，每个滤波器包括至少一路滤波支路，每个滤波之路上串联有一个电容和一个电感。

其中，牵引变压器电网侧采用直接供电方式、带回流线的直接供电方式、自耦变压器(AT)供电方式或吸流变压器(BT)供电方式等多种供电方式进行供电。牵引变压器采用单相V/v变压器、三相V/v变压器、V/x变压器、Scott变压器、阻抗匹配平衡变压器、YNd11变压器或全三相Δ/ψ变压器等多种变压器。

本实施例通过能量存储与变换器实现能量存储与变换。系统首先结合馈线电压和电流实时数据，确定能量存储模块是否进入充电状态、放电状态和保持待机状态，然后选择相应的能量控制方法，包括充电控制、放电控制和待机控制，最后结合综合优化控制器产生的优化控制信号，获得双向AC-DC变换器和双向DC-DC变换器的调制信号，从而控制流入、流出或流经能量存储模块的功率。

实施例2，如图2所示，本发明第二实施例的一种统一能量存储与变换控制系统。与实施例一不同之处在于，包括一个单相多绕组隔离变压器T₁和一个能量存储与变换器。一个单相多绕组隔离变压器T₁的高压侧通过连接开关QF1接入牵引变压器的一个供电臂，T₁的低压侧包括至少一个低压绕组。

一个能量存储与变换器的输入侧与单相多绕组隔离变压器T₁对应的副边绕组连接。能量存储与变换器包括两个能量存储与变换子模块，每个能量存储与变换子模块的输入侧连接单相多绕组隔离变压器T₁对应的副边绕组。能量存储与变换子模块包括一个双向AC-DC变换器、一个电容、一个双向DC-DC变换器和一个能量存储模块，其中，双向AC-DC变换器的交流侧与单相多绕组隔离变压器对应的副边绕组连接，双向AC-DC变换器的直流侧与双向DC-DC变换器的一侧连接，双向DC-DC变换器的另一侧与能量存储模块连接，电容经过双向AC-DC变换器并联在直流侧。能量存储模块包括超级电容、电化学电池或它们的组合或其它能量存贮单元。

实施例3，如图3所示，本发明第三实施例的一种统一能量存储与变换控制系统。与实施例一不同之处在于，包括两单相多绕组隔离变压器T₁、T₂和一个能量存储与变换器。能量存储与变换器的输入侧与T₁、T₂对应的副边绕组连接。能量存储与变换器包括两个能量存储与变换子模块，两个能量存储与变换子模块的输入侧分别连接单相多绕组隔离变压器T₁和T₂对应的副边绕组。其中，能量存储与变换子模块包括两个双向AC-DC变换器、一个电容、一个双向DC-DC变换器和一个能量存储模块，一个双向AC-DC变换器的交流侧与一个单相多绕组隔离变压器对应的副边绕组连接，一个双向AC-DC变换器的直流侧与双向DC-DC变换器的一侧连接，另一个双向AC-DC变换器的交流侧与另一个单相多绕组隔离变压器对应的副边绕组连接，另一个双向AC-DC变换器的直流侧与双向DC-DC变换器的一侧连接，双向DC-DC变换器的另一侧与能量存储模块连接，电容经过双向AC-DC变换器并联在直流侧。能量存储与变换控制器的输出端与能量存储与变换器中的两个双向AC-DC变换器和双向DC-DC变换器连接。

实施例4，如图4所示，本发明还提供了一种统一能量存储与变换控制系统的综合优化控制方法，该方法包括以下步骤：

步骤1，在每个采样周期的起始点，测量电路对牵引变压器电网侧的三相电压u_ABC、三相电流i_ABC及牵引变压器牵引侧的两相馈线电压u₁、u₂和两相馈线电流i_s1、i_s2分别进行采样，并将采样数据输入状态监测模块；

步骤2，将三相电压不平衡度给定值ε^* _u、功率因数给定值PF^*和两相馈线电压给定值U^* _1,2输入状态监测模块，采用快速傅立叶算法和瞬时功率算法，获得牵引变压器电网侧和牵引变压器牵引侧实时数据及运行状态；

步骤3，将牵引变压器电网侧和牵引变压器牵引侧的实时数据及运行状态输入多源优化控制模块、电压恒定控制模块和高次谐波谐振抑制模块；

步骤4，综合优化控制器根据接收到的实时数据及运行状态进行判断，选取优化控制方法，得到优化控制信号，具体如下：

当接收到的实时数据及运行状态正常时，多源优化控制模块采用多源优化控制方法，产生优化控制信号，控制两供电臂潮流，保证两供电臂多源实时功率最优运行；

当接收到的实时数据及运行状态不正常时，电压恒定控制模块和高次谐波谐振抑制模块分别进行判断，并进行相应的控制得到控制信号，多源优化控制模块综合电压恒定控制模块和高次谐波谐振抑制模块的控制信号，产生优化控制信号，具体包括：

如果电压恒定控制模块判断牵引变压器牵引侧的两相馈线电压不满足运行要求，电压恒定控制模块采用电压恒定控制方法，将牵引变压器牵引侧的两相馈线电压最优为优化目标，动态调整多源优化控制方法的约束条件，得到调节信号，实现电压恒定控制；

如果高次谐波谐振抑制模块判断发生高次谐波谐振，高次谐波谐振抑制模块采用高次谐波谐振抑制方法动态调整多源优化控制方法的控制目标，将统一能量存储与变换控制系统控制成线路等效特征阻抗，产生谐振抑制的调节信号，抑制两供电臂线路的高次谐波谐振；

多源优化控制模块综合电压恒定控制模块和高次谐波谐振抑制模块的调节信号，产生优化控制信号；

步骤5，将优化控制信号输入能量存储与变换控制器，得到能量存储模块的补偿功率，包括流入、流出或流经能量存储模块的功率，并根据能量存储模块状态产生双向AC-DC变换器和双向DC-DC变换器的补偿功率调制信号；

步骤6，将补偿功率调制信号输入双向AC-DC变换器和双向DC-DC变换器，产生调制信号输入能量存储与变换器中第一触发电路(图4中的1#触发电路)和第二触发电路(图4中的2#触发电路)，分别控制第一双向AC-DC变换器和第一双向DC-DC变换器(图4中的1#双向AC-DC变换器和1#双向DC-DC变换器)和第二双向AC-DC变换器和第二双向DC-DC变换器(图4中的2#双向AC-DC变换器和2#双向DC-DC变换器)的运行，从而控制流入、流出或流经能量存储模块的功率，实现牵引机车再生制动能量的充放电。

其中，

步骤4中，多源优化控制方法采用微分进化优化算法，具体为：

将能量存储模块的补偿功率S_C作为目标函数，将补偿系数ΔI_P、ψ_A和ψ_B作为决策变量，以电压不平衡度ε和功率因数PF与ΔI_P、ψ_A和ψ_B的不等式作为约束条件，得到多源优化控制数学模型；

$\left\{\begin{array}{c}F=\min f\left(S_c\right)\\ S_c=S_{c1}+S_{c2}\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}{S}_{c1}=U_1\sqrt{{\mathrm{\ΔI}}_p^2+{(I_{Lq1}-(I_{Lp1}-{\mathrm{\ΔI}}_p)\·tg({\mathrm{\ψ}}_A-\frac{\mathrm{\π}}{6}\left)\right)}^2}\\ S_{c2}=U_2\sqrt{{\mathrm{\ΔI}}_p^2+{(I_{Lq2}-(I_{Lp2}+{\mathrm{\ΔI}}_p)\·tg({\mathrm{\ψ}}_B+\frac{\mathrm{\π}}{6}\left)\right)}^2}\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}s.t.\\ g1:\left(\right(I_{Lp1}-{\mathrm{\ΔI}}_p)\·tg(\frac{\mathrm{\π}}{6}-{\mathrm{\ψ}}_A)-(I_{Lp1}+{\mathrm{\ΔI}}_p)\·tg(\frac{\mathrm{\π}}{6}+{\mathrm{\ψ}}_B\left)\right)\≤\frac{\sqrt{1-{\left({\mathrm{PF}}^{*}\right)}^2}}{{\mathrm{PF}}^{*}}(I_{Lp1}+I_{Lp2})\\ g2:\left|\frac{I_{Lp1}-{\mathrm{\ΔI}}_p}{\cos ({\mathrm{\ψ}}_A-\frac{\mathrm{\π}}{6})}-\frac{I_{Lp2}+{\mathrm{\ΔI}}_p}{\cos ({\mathrm{\ψ}}_B+\frac{\mathrm{\π}}{6})}\right|\≤\frac{{\mathrm{\ϵ}}^{*}{S}_K}{U_1}\\ g3:\left|{\mathrm{\ΔI}}_p\right|\≤|(I_{Lp1}-L_{Lp}2)/2|\\ g4:X_{T1}{I}_{s1}{\mathrm{sin\ψ}}_A\≤U\max \\ g5:X_{T2}{I}_{s2}{\mathrm{sin\ψ}}_B\≤U\max \end{array}\right.$

模型中，U₁表示第一供电臂的馈线电压，U₂表示第二供电臂的馈线电压，ΔI_P表示两供电臂间转移的有功电流分量，I_Lp1表示第一供电臂的负载有功电流分量，I_Lp2表示第二供电臂的负载有功电流分量，I_Lq1表示第一供电臂的负载无功电流分量，I_Lq2表示第二供电臂的负载无功电流分量，ψ_A表示第一供电臂的馈线电流与馈线电压的相位角，ψ_B表示第二供电臂的馈线电流与馈线电压的相位角，ε^* _u表示电压不平衡度给定值，PF^*表示功率因数给定值，X_T1表示牵引变压器二次侧与第一供电臂的相连的绕组漏抗，X_T2表示牵引变压器二次侧与第二供电臂的相连的绕组漏抗，I_s1表示牵引变压器二次侧与第一供电臂的相连的绕组电流，I_s2表示牵引变压器二次侧与第二供电臂的相连的绕组电流，U_max表示供电臂馈线电压跌落最大设定值，g1表示功率因数约束条件，g2表示电压不平衡度约束条件，g3表示功率传输约束条件，g4表示第一供电臂的馈线电压跌落约束条件，g5表示表示第二供电臂的馈线电压跌落约束条件；

根据上述多源优化控制数学模型，对决策变量ΔI_P、ψ_A和ψ_B进行微分进化寻优计算。

步骤4中，电压恒定控制方法具体为：

采集两供电臂母线电压的有效值U₁和U₂，当U₁或U₂超过国家标准规定的上限或下限时，增加上述多源优化控制数学模型中的电压不平衡度给定值ε^* _u或减少功率因数给定值PF^*，然后将修改后的ε^* _u或PF^*送回上述多源优化控制数学模型，从而计算出新的优化控制信号。

步骤4中，高次谐波谐振抑制方法具体为：

首先，检测牵引变压器牵引侧的k相馈线电压v_fk，将其生成v_fk的正交量v_fk⊥，并将其通过锁相环电网的频率信号得到的v_fk、v_fk⊥变换至d、q坐标系，经过高通滤波器HPF，再经过T^-1(ω₁t)获得馈线电压的高频分量v_fhk、v_fhk⊥，得到变流器的高频补偿电流i_chk，其中，k为1或2；

其次，将检测回来的各种谐波电压平方值v_fnk ²与对应的谐波电压总畸变率THD_n ^*的谐波电压平方值v_fnk ^*2进行运算调整，得到各次谐波电压分量的导纳值，分配至各次谐波筛选回路，达到高次谐波谐振抑制，其中，v_fnk ^*＝V_f1k×THD_n ^*，V_f1k为k相馈线基波电压有效值。

上述第四实施例中的统一能量存储与变换控制系统如实施例2，包括一个能量存储与变换器，该能量存储与变换器包括两个能量存储与变换子模块，每个能量存储与变换子模块包括一个双向AC-DC变换器、一个电容、一个双向DC-DC变换器和一个能量存储模块。

如果统一能量存储与变换控制系统如实施例3，包括一个能量存储与变换器，该能量存储与变换器包括两个能量存储与变换子模块，每个能量存储与变换子模块包括两个双向AC-DC变换器、一个电容、一个双向DC-DC变换器和一个能量存储模块。此时，本发明的统一能量存储与变换控制系统的综合优化控制方法同样适用，无需增加能量存储与变换器中的触发电路。图4中的1#触发电路控制第一能量存储与变换子模块中的两个双向AC-DC变换器和一个双向DC-DC变换器的运行，2#触发电路控制第二能量存储与变换子模块中的两个双向AC-DC变换器和一个双向DC-DC变换器的运行。

如果统一能量存储与变换控制系统如实施例1，包括两个能量存储与变换器，即包括四个能量存储与变换子模块，此时，包括四个双向AC-DC变换器、四个双向DC-DC变换器和四个能量存储模块，本发明的统一能量存储与变换控制系统的综合优化控制方法同样适用，无需增加能量存储与变换器中的触发电路。图4中的1#触发电路分别控制第一能量存储与变换子模块的第一双向AC-DC变换器和双向DC-DC变换器以及第二能量存储与变换子模块的第二双向AC-DC变换器和双向DC-DC变换器的运行，2#触发电路分别控制第三能量存储与变换子模块的第三双向AC-DC变换器和双向DC-DC变换器及第四能量存储与变换子模块的第四双向AC-DC变换器和双向DC-DC变换器的运行。

同理，对于多个能量存储与变换子模块时，只需调整1#触发电路和2#触发电路引脚，让1#触发电路分别控制多个能量存储与变换子模块中的一个双向AC-DC变换器和双向DC-DC变换器的运行，2#触发电路分别控制多个能量存储与变换子模块中的另一个双向AC-DC变换器和双向DC-DC变换器的运行即可。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种统一能量存储与变换控制系统，其特征在于，包括：

单相多绕组隔离变压器，其接入牵引变压器的供电臂，至少一个所述单相多绕组隔离变压器的高压侧通过连接开关接入所述牵引变压器的一个供电臂，所述单相多绕组隔离变压器的低压侧包括至少一个低压绕组，所述单相多绕组隔离变压器用于接入供电臂并隔离降压；

能量存储与变换器，其包括至少一个能量存储与变换子模块，所述能量存储与变换子模块的输入侧连接所述单相多绕组隔离变压器对应的副边绕组，所述能量存储与变换子模块包括至少一个双向AC-DC变换器、一个电容、一个双向DC-DC变换器和一个能量存储模块，所述双向AC-DC变换器的交流侧与所述单相多绕组隔离变压器对应的副边绕组连接，所述双向AC-DC变换器的直流侧与所述双向DC-DC变换器的一侧连接，所述双向DC-DC变换器的另一侧与所述能量存储模块连接，所述电容经过所述双向AC-DC变换器并联在直流侧，至少一个所述能量存储与变换器的输入侧与所述单相多绕组隔离变压器对应的副边绕组连接，所述能量存储模块实时对牵引机车再生制动能量进行存储和释放，在无牵引负荷时蓄电、优先谷时充电蓄能、峰时放电供能，并补偿供电臂的无功功率；

测量电路，其输入端与所述牵引变压器电网侧和所述牵引变压器牵引侧连接，所述测量电路对所述牵引变压器电网侧的三相电压和三相电流、所述牵引变压器牵引侧的两相馈线电压和两相馈线电流进行采样；

综合优化控制器，其输入端与所述测量电路的输出端连接，所述综合优化控制器包括状态监测模块、多源优化控制模块、电压恒定控制模块和高次谐波谐振抑制模块，所述测量电路与所述状态监测模块连接，所述状态监测模块分别与所述多源优化控制模块、所述电压恒定控制模块、所述高次谐波谐振抑制模块连接，所述综合优化控制器接收所述测量电路采样的数据并进行优化计算，产生优化控制信号；

能量存储与变换控制器，其输入端与所述综合优化控制器的输出端连接，所述能量存储与变换控制器的输出端与所述双向AC-DC变换器、所述双向DC-DC变换器连接，所述能量存储与变换控制器接收所述综合优化控制器产生的优化控制信号，根据所述能量存储模块状态为所述双向AC-DC变换器和所述双向DC-DC变换器提供补偿功率调制信号，从而控制流入、流出或流经所述能量存储模块的功率。

2.根据权利要求1所述的统一能量存储与变换控制系统，其特征在于，还包括两个滤波器，两个所述滤波器通过连接开关分别接入所述牵引变压器的两供电臂，所述滤波器用于滤除负载产生的谐波电流，并实现两供电臂的无功补偿。

3.根据权利要求2所述的统一能量存储与变换控制系统，其特征在于，所述滤波器包括至少一路滤波支路。

4.根据权利要求1所述的统一能量存储与变换控制系统，其特征在于，所述能量存储模块包括超级电容、电化学电池或它们的组合或其它能量存贮单元。

5.根据权利要求1所述的统一能量存储与变换控制系统，其特征在于，所述牵引变压器电网侧采用直接供电方式、带回流线的直接供电方式、自耦变压器AT供电方式或吸流变压器BT供电方式进行供电。

6.根据权利要求5所述的统一能量存储与变换控制系统，其特征在于，所述牵引变压器采用单相V/v变压器、三相V/v变压器、V/x变压器、Scott变压器、阻抗匹配平衡变压器、YNd11变压器或全三相Δ/ψ变压器。

7.一种如权利要求1-6中任意一项所述的统一能量存储与变换控制系统的综合优化控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1，在每个采样周期的起始点，所述测量电路对所述牵引变压器电网侧的三相电压u_ABC、三相电流i_ABC及所述牵引变压器牵引侧的两相馈线电压u₁、u₂和两相馈线电流i_s1、i_s2分别进行采样，并将采样数据输入所述状态监测模块；

步骤2，将三相电压不平衡度给定值ε^* _u、功率因数给定值PF^*和两相馈线电压给定值U^* _1,2输入所述状态监测模块，采用快速傅立叶算法和瞬时功率算法，获得所述牵引变压器电网侧和所述牵引变压器牵引侧实时数据及运行状态；

步骤3，将所述牵引变压器电网侧和所述牵引变压器牵引侧的实时数据及运行状态输入所述多源优化控制模块、所述电压恒定控制模块和所述高次谐波谐振抑制模块；

步骤4，所述综合优化控制器根据接收到的实时数据及运行状态进行判断，选取优化控制方法，得到优化控制信号，具体如下：

当接收到的实时数据及运行状态正常时，所述多源优化控制模块采用多源优化控制方法，产生优化控制信号，控制两供电臂潮流，保证两供电臂多源实时功率最优运行；

当接收到的实时数据及运行状态不正常时，所述电压恒定控制模块和所述高次谐波谐振抑制模块分别进行判断，并进行相应的控制得到控制信号，所述多源优化控制模块综合所述电压恒定控制模块和所述高次谐波谐振抑制模块的控制信号，产生优化控制信号，具体包括：

如果所述电压恒定控制模块判断所述牵引变压器牵引侧的两相馈线电压不满足运行要求，所述电压恒定控制模块采用电压恒定控制方法，动态调整所述多源优化控制方法的约束条件，得到调节信号，实现电压恒定控制；

如果所述高次谐波谐振抑制模块判断发生高次谐波谐振，所述高次谐波谐振抑制模块采用高次谐波谐振抑制方法动态调整所述多源优化控制方法的控制目标，将所述统一能量存储与变换控制系统控制成线路等效特征阻抗，产生谐振抑制的调节信号，抑制两供电臂线路的高次谐波谐振；

所述多源优化控制模块根据所述电压恒定控制模块和所述高次谐波谐振抑制模块的调节信号，调整多源优化控制参数，产生优化控制信号；

步骤5，将所述优化控制信号输入所述能量存储与变换控制器，得到所述能量存储模块的补偿功率，包括流入、流出或流经所述能量存储模块的功率，并根据所述能量存储模块状态产生所述双向AC-DC变换器和所述双向DC-DC变换器的补偿功率调制信号；

步骤6，将所述补偿功率调制信号输入所述双向AC-DC变换器和所述双向DC-DC变换器，产生调制信号输入所述能量存储与变换器中的触发电路，控制所述双向AC-DC变换器和所述双向DC-DC变换器的运行，从而控制流入、流出或流经所述能量存储模块的功率，实现牵引机车再生制动能量的充放电。

8.根据权利要求7所述的综合优化控制方法，其特征在于，步骤4中，所述多源优化控制方法采用微分进化优化算法，具体为：

将所述能量存储模块的补偿功率S_C作为目标函数，将补偿系数ΔI_P、ψ_A和ψ_B作为决策变量，以电压不平衡度ε和功率因数PF与ΔI_P、ψ_A和ψ_B的不等式作为约束条件，对决策变量ΔI_P、ψ_A和ψ_B进行微分进化寻优计算，获得优化控制信号。

9.根据权利要求7所述的综合优化控制方法，其特征在于，步骤4中，所述电压恒定控制方法具体为：

采集两供电臂母线电压的有效值U₁和U₂，当U₁或U₂超过国家标准规定的上限或下限时，增加电压不平衡度给定值ε^* _u或减少功率因数给定值PF^*，然后将修改后的ε^* _u或PF^*送回所述多源优化控制模块，从而计算出新的优化控制信号。

10.根据权利要求7所述的综合优化控制方法，其特征在于，步骤4中，所述高次谐波谐振抑制方法具体为：

首先，检测所述牵引变压器牵引侧的k相馈线电压v_fk，将其生成v_fk的正交量v_fk⊥，并将其通过锁相环电网的频率信号得到的v_fk、v_fk⊥变换至d、q坐标系，经过高通滤波器HPF，再经过T^-1(ω₁t)获得馈线电压的高频分量v_fhk、v_fhk⊥，得到变流器的高频补偿电流i_chk，其中，k为1或2；

其次，将检测回来的各种谐波电压平方值v_fnk ²与对应的谐波电压总畸变率THD_n ^*的谐波电压平方值v_fnk ^*2进行运算调整，得到各次谐波电压分量的导纳值，分配至各次谐波筛选回路，达到高次谐波谐振抑制，其中，v_fnk ^*＝V_f1k×THD_n ^*，V_f1k为k相馈线基波电压有效值。