CN107181273B - 一种电气化铁路发电供电装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种电气化铁路发电供电装置及其控制方法，属于电气化铁路牵引供电领域。牵引进线连接牵引母线；牵引母线经馈线连接牵引网；耦合变压器原边连接牵引母线和地，次边连接交直变流器交流端口；交直变流器直流端口连接发电装置和储能器；测控单元连接电压互感器和电流互感器的测量端以及交直变流器的控制端。以削峰为目标，选择基准值≥负荷均值；储能器和发电装置的最大功率之和＝往日峰的最大值，储能器和发电装置的容量之和＝往日面积最大的峰的面积；当牵引负荷功率高于基准值时，测控单元控制交直变流器处于逆变工况、将储能器和发电装置的直流电逆变为交流电并馈入牵引母线，否则，令交直变流器待机。用于电气化铁路新能源发电、负荷削峰和治理负序。

Description

一种电气化铁路发电供电装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种电气化铁路牵引供电领域，尤其涉及电气化铁路和电力系统削峰填谷负荷管理与控制技术。

背景技术

削峰填谷是电力系统负荷管理的重要举措，对于电网而言，削峰有利于提高发输变电设备利用率，节省设备扩容、更新费用，降低供电成本，对于一般用户而言，可以利用峰谷差价取得降低电费的经济效益。同时，为了节能减排，国家鼓励发展可再生的风力、光伏、潮汐、生物质能等新能源分布式发电，同样会给分散的用户带来经济效益。注意到电力系统发电以及新能源分布式发电与用户用电之间的差异，需要借助储能系统加以平衡。储能系统具备电能储存和释放的双重功能，其中电池储能系统、超级电容储能系统及其混合储能系统有着独到的优势，在实际应用中发挥着不可替代的、巨大作用，并在发挥着越来越大的作用。

电气化铁路属于大宗工业用户，牵引负荷波动剧烈是其鲜明特点之一，技术上引起以负序为主的电能质量问题，经济上直接关乎用户效益，因为负荷峰值与两部制电价中主变压器容量计费和最大需量计费密切相关，铁路用户将付出额外代价。因此削峰—降低负荷峰值，特别是借助国家政策----利用新能源将获得技术经济兼优的机会：既可以在牵引变电所实施同相供电、取消出口电分相、降低负序等不良影响，又可以在执行两部制电价中取得经济效益，即或者降低最大需量取得效益，或者降低主变压器容量进而降低固定容量收费来取得效益。

电力系统实践表明，电池等储能系统使用基于负荷预测的控制方法能有效地进行负荷削峰填谷。注意到，电气化铁路运行图以日为单位有固定、准确的周期性，因此可以从中提取有意义的统计值加以研究、利用。现在要解决的技术问题是：如何根据牵引负荷的特点，利用新能源发电与储能技术，实现实时最优化削峰，取得最佳经济效益，同时改善技术性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种电气化铁路发电供电装置，它能有效地解决牵引负荷实时最优化削峰的设备的技术问题，以减少主变压器容量或最大需量，取得最佳经济效益，同时治理负序，改善技术性能。

本发明的另一个目的是提供一种电气化铁路发电供电装置的控制方法，它能有效地解决牵引负荷实时最优化削峰的控制与管理的技术问题，以减少主变压器容量或最大需量，取得最佳经济效益，同时治理负序，改善技术性能。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种电气化铁路发电供电装置，包括耦合变压器、交直变流器、发电装置、电压互感器、电流互感器及测控单元；牵引进线连接牵引母线；牵引母线经馈线连接牵引网给列车供电；电压互感器测量牵引母线对地电压；电流互感器测量馈线的牵引电流，耦合变压器原边连接牵引母线和地，次边连接交直变流器的交流端口；交直变流器的直流端口与发电装置和储能器连接；发电装置和储能器并联；电压互感器的测量端、电流互感器的测量端连接测控单元输入接口，测控单元输出接口与交直变流器的控制端相连接。

本发明的另一个目的是通过以下技术方案来实现的，一种电气化铁路发电供电的控制方法是：测控单元经电压互感器和电流互感器获得牵引负荷功率，记录往日正常工况下牵引负荷功率曲线，计算其均值，统计其最大值；以负荷削峰为目标，选择：均值≤基准值＜最大值；高于基准值的负荷功率曲线为峰，低于基准值的负荷功率曲线为谷；储能器和发电装置的最大功率(kW)之和＝往日峰的最大值(kW)，储能器和发电装置的容量之和(kWh)＝往日面积最大的峰的面积(kWh)；发电装置与储能器并联并对储能器充电；发电装置容量可以满额配置，亦可缺额配置。当牵引负荷功率＞基准值时，测控单元控制交直变流器处于逆变工况、将储能器和发电装置的直流电逆变为交流电并馈入牵引母线，此时逆变的功率＝此时牵引负荷功率与基准值之差；当牵引负荷功率＜基准值时，若发电装置容量满额配置，测控单元控制交直变流器待机,若发电装置容量缺额配置，测控单元控制交直变流器处于整流工况，给储能器充电；当牵引负荷功率＝基准值时，测控单元控制交直变流器待机。

所述发电装置是新能源发电装置，即利用风力、光伏、潮汐、生物质能等可再生能源的发电装置。

考虑到牵引负荷波动具有剧烈波动的鲜明特点，峰谷交替频繁，要求储能器具有较高的充放电循环次数，以保证较长的使用寿命。因此储能器应优先考虑超级电容器。

本发明的工作原理是：电气化铁路牵引负荷波动剧烈，许多技术和经济问题都伴随着牵引负荷峰值而出现：经济上，负荷峰值与行两部制电价中的主变压器容量计费和最大需量计费密切相关，因此削峰—降低负荷峰值可以降低电费、取得经济效益，即或者降低最大需量取得效益，或者降低主变压器容量进而降低固定容量收费来取得效益；技术上，负荷峰值引起电能质量问题并备受关注，例如，由于因负序造成的电压不平衡为主的电能质量问题突出，国标中电压不平衡度的两个限值(见GB/T15543—2008电能质量三相电压不平衡)就是分别针对负荷峰值和95％概率最大值制定的，因此削峰—降低负荷峰值，可以治理负序，改善技术性能；同时，电气化铁路运行图以日为单位，周期性极强，往日正常工况下牵引负荷的均值具有较好的稳定性和准确性；记录往日正常工况下牵引负荷功率曲线，计算其均值，统计其最大值；选择：均值≤基准值＜最大值；定义：大于基准值的负荷功率曲线为峰，小于等于基准值的负荷功率曲线为谷；在规定时段内，当基准值＝均值时，所有峰的积分(面积)＝所有谷的积分(面积)，当基准值大于均值时，所有峰的积分(面积)＜所有谷的积分(面积)；储能器和发电装置的最大功率(kW)之和＝往日峰的最大值(kW)，储能器和发电装置的容量之和(kWh)＝往日面积最大的峰的面积(kWh)；发电装置与储能器并联并对储能器充电。牵引负荷功率＞基准值时可实时控制发电装置和储能器的放电工况，实现实时削峰；如此一日为单位循环；相比均值，基准值越大，峰的数量就越少，充放电次数就越少，发电装置和储能器容量也就越小，投资也越少，但削峰的作用也就越小，电费降低也越少，反之亦然，因此通过基准值的选择可以寻求一个技术经济最佳方案。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

一、电气化铁路运行图以日为单位，周期性极强，往日正常工况下牵引负荷的均值和大于均值的基准值具有较好的稳定性和准确性，以此为基准可以用最小发电装置和储能器容量实现实时削峰填谷。

二、通过基准值的选择可以寻求技术经济最佳方案，即减少主变压器容量或最大需量，取得最佳经济效益，同时治理负序，改善技术性能。

三、符合国家政策，推动节能减排。

四、技术先进，易于实施。

附图说明

图1是本发明实施例的结构示意图。

图2是本发明实施例的控制方法与控制流程示意图。

图3是本发明实施例的削峰过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的描述。

实施例

图1示出，本发明的一种具体实施方式为：一种电气化铁路发电供电装置，包括耦合变压器1、交直变流器2、发电装置4、电压互感器5、电流互感器6及测控单元7；牵引进线8连接牵引母线9；牵引母线9经馈线10连接牵引网给列车供电；电压互感器5测量牵引母线9对地电压；电流互感器6测量馈线10的牵引电流，耦合变压器1原边连接牵引母线9和地，次边连接交直变流器2的交流端口；交直变流器2的直流端口与发电装置4和储能器3连接；发电装置4和储能器3并联；电压互感器5的测量端、电流互感器6的测量端连接测控单元7输入接口，测控单元7输出接口与交直变流器2的控制端相连接。

图2是本发明实施例的控制方法与控制流程示意图。测控单元7经电压互感器5和电流互感器6获得牵引负荷功率，记录往日(如7日)正常工况下牵引负荷功率曲线，计算其均值，统计其最大值；以负荷削峰为目标，选择基准值≥均值；高于基准值的负荷功率曲线为峰，低于基准值的负荷功率曲线为谷；储能器3和发电装置的最大功率(kW)之和＝往日峰的最大值(kW)，储能器3和发电装置的容量之和(kWh)＝往日面积最大的峰的面积(kWh)；发电装置4与储能器3并联并对储能器3充电；发电装置4容量可以满额配置，亦可缺额配置。取时间t步长△(s)，当时刻t的牵引负荷功率＞基准值时，测控单元7控制交直变流器2处于逆变工况、将储能器3和发电装置4的直流电逆变为交流电并馈入牵引母线9，此时逆变的功率＝此时牵引负荷功率与基准值之差；当牵引负荷功率＜基准值时，若发电装置4容量满额配置，测控单元7控制交直变流器2待机，若发电装置4容量缺额配置，测控单元7控制交直变流器2处于整流工况，给储能器3充电；当牵引负荷功率＝基准值时，测控单元7控制交直变流器2待机；如此一日为单位循环。

图3是实施例的削峰过程示意图，图中曲线是实际馈线10的实测负荷功率，正的表示牵引(用电)工况，负的表示制动再生(发电)工况，横坐标为时间(min)，纵坐标为负荷功率(MW)。记录往日正常工况下牵引负荷功率曲线，计算其均值11；图中选择一个时段(1h)的负荷功率曲线，以负荷削峰为目标，选择基准值13＞基准值12＞均值11；高于基准值的负荷功率曲线为峰，低于基准值的负荷功率曲线为谷；储能器3和发电装置4的最大功率(MW)之和＝往日峰的最大值(MW)，储能器3和发电装置4的容量之和(MWh)＝往日面积最大的峰的面积(MWh)；显然，牵引负荷功率＞基准值时可实时控制发电装置4和储能器3的放电工况，实现实时削峰；基准值越大，如基准值13大于基准值12，峰的数量就越少，充放电次数就越少，储能器3容量也就越小，投资也越少，但削峰能力就越弱，电费降低也就越少，反之亦然，因此通过基准值的选择可以寻求一个技术经济最佳方案。

交直交列车使用再生制动，即制动时转变为发电工况。为了更好地利用列车制动电能或被同行列车吸收后剩余的制动电能，亦可考虑减少发电装置容量配置，在牵引负荷功率＜基准值中优先将剩余制动电能(牵引负荷功率＜0)存储到储能器中。

所述发电装置是新能源发电装置，即利用风力、光伏、潮汐、生物质能等可再生能源的发电装置。

考虑到牵引负荷波动具有剧烈波动的鲜明特点，峰谷交替频繁，要求储能器具有较高的充放电循环次数，以保证较长的使用寿命。因此储能器应优先考虑超级电容器。

Claims (1)

1.一种电气化铁路发电供电装置的控制方法，该发电供电装置包括耦合变压器（1）、交直变流器（2）、发电装置（4）、电压互感器（5）、电流互感器（6）及测控单元（7）；牵引进线（8）连接牵引母线（9）；牵引母线（9）经馈线（10）连接牵引网给列车供电；电压互感器（5）测量牵引母线（9）对地电压；电流互感器（6）测量馈线（10）的牵引电流，其特征在于:耦合变压器（1）原边连接牵引母线（9）和地，次边连接交直变流器（2）的交流端口；交直变流器（2）的直流端口与发电装置（4）和储能器（3）连接；发电装置（4）和储能器（3）并联；电压互感器（5）的测量端、电流互感器（6）的测量端连接测控单元（7）输入接口，测控单元（7）输出接口与交直变流器（2）的控制端相连接，测控单元（7）经电压互感器（5）和电流互感器（6）获得牵引负荷功率，记录往日正常工况下牵引负荷功率曲线，计算其均值，统计其最大值；

以负荷削峰为目标，定义：高于基准值的负荷功率曲线为峰，低于基准值的负荷功率曲线为谷；测控单元（7）选择，均值≤基准值＜最大值；储能器（3）和发电装置（4）的最大功率之和=往日峰的最大值，储能器（3）和发电装置（4）的容量之和=往日面积最大的峰的面积；发电装置（4）与储能器（3）并联并对储能器（3）充电；发电装置（4）容量满额配置，或者缺额配置；

当牵引负荷功率＞基准值时，测控单元（7）控制交直变流器（2）处于逆变工况，将储能器（3）和发电装置（4）的直流电逆变为交流电并馈入牵引母线（9），此时逆变的功率=此时牵引负荷功率与基准值之差；当牵引负荷功率＜基准值时，若发电装置（4）容量满额配置，测控单元（7）控制交直变流器（2）待机，若发电装置（4）容量缺额配置，测控单元（7）控制交直变流器（2）处于整流工况，给储能器（3）充电；当牵引负荷功率=基准值时，测控单元（7）控制交直变流器（2）待机；如此一日为单位循环。

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