CN107294102B - 一种电气化铁路储能供电装置及其控制方法 - Google Patents

一种电气化铁路储能供电装置及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种电气化铁路储能供电装置及其控制方法，涉及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给列车供电；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与储能器连接；测控单元连接电压互感器、电流互感器的测量端和交直变流器的控制端。以负荷削峰为目标，选择基准值≥负荷均值；储能器的最大功率＝往日峰的最大值，储能器的容量＝往日面积最大的峰的面积；当牵引负荷功率＜基准值时，令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，令交直变流器处于逆变工况、使储能器放电，将逆变后的交流电馈入牵引母线。用于电气化铁路削峰供电和治理负序。

Description

一种电气化铁路储能供电装置及其控制方法
技术领域
本发明涉及电气化铁路牵引供电领域，尤其涉及电气化铁路牵引负荷削峰填谷的管理与控制技术。
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。储能系统具备电能储存和释放的双重功能，即具有对负荷削峰和填谷的双重作用，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，且有鲜明特点，如牵引负荷波动剧烈，牵引负荷功率峰值是个关键：它不仅在技术上引起以负序为主的电能质量问题，还在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—降低负荷峰值具有技术经济兼优的机会：既可以治理负序、降低不良影响，又可以在执行两部制电价中取得效益，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。
中国专利公开了“电气化铁路牵引供电储能装置及其方法(201410002241.X)”，其目的是“充分回收机车制动回馈电能，提供牵引供电系统的能量利用率，并降低牵引变压器的安装容量和计费容量，节约成本。”但是，该技术方案存在的问题是：(1)在有功电流Ip＜0时进行储能(见其权利要求5和附图5)的判据存在不正确的情形。因为列车电气制动不是每个供电臂都发生的。如京沪高铁，全线1318km，24个车站，27个变电所(54个供电臂)，平均站间距(约为55km)远大于平均供电臂的长度(约为24.4km)，由于正常情况下列车(电气)制动发生在车站停靠情形，显然，因为没有车站的供电臂的概率很大，那么，不发生电气制动的概率很高，或者即使发生制动但其再生功率被同行牵引列车吸收而等效表现为牵引工况，如固镇变电所就没有制动再生情形发生，此时该例判据就不会发生；进一步说，即使电气制动功率没有被同行列车吸收，将其返回电网不用增加任何设备，是最直接的、最经济的，也是节能减排被国家所提倡鼓励的(就像家庭光伏发电一样)，该专利专门设置储能装置在功电流Ip＜0时进行储能也是没有必要的。(2)该专利使用“总电流Is＞所连接供电臂的额定电流Ie”(见其权利要求7)的判据方法也是不正确的。再以京沪高铁为例，每个牵引变电所的运行主变压器(额定)容量为100(2×50)MVA，而最大功率只有不足70MVA，依该专利判据就只有谷没有峰，削峰工况永远不会出现，其储能装置就永远不可能工作。即使其他线路上，同样因为存在不发生电气制动的供电臂，那么，此时因“有功电流Ip＜0”判据得到的储能＝0，如果发生了“总电流Is＞所连接供电臂的额定电流Ie”的情况，也没有可以用于削峰的电力。实际上，对应供电臂的额定电流Ie的牵引变压器的安装容量是设计阶段确定的，一经确定，即与实际牵引负荷无关了，即牵引变压器或者欠负荷，或者过负荷，已于事无补了。因此所述“总电流Is＞所连接供电臂的额定电流Ie”不可取。总之，该技术方案存在储能与削峰工作失效情形，此时“降低牵引变压器的安装容量和计费容量，节约成本”也就无从谈起，更不能实现全工况的、实时的削峰填谷最优化。
注意到电气化铁路牵引负荷削峰填谷的关于技术经济的重要性，而在方法上更要注意电气化铁路运行图以日为单位的特点，即有固定、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，通过专门设备与方法，实现实时最优化削峰，减少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。
发明内容
本发明的目的是提供一种电气化铁路储能供电装置，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储能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实时控制和管理的技术问题，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：一种电气化铁路储能供电装置，包括耦合变压器、交直变流器、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负荷；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储能器连接；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，一种电气化铁路储能供电的控制方法是：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，统计往日最大值；以负荷削峰为目标，选择：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；储能器的最大功率(kW)＝往日峰的最大值(kW)，储能器的容量(kWh)＝往日面积最大的峰的面积(kWh)；当牵引负荷功率＜基准值时，测控单元控制交直变流器整流给储能器充电，此时整流充电的功率＝此时基准值与牵引负荷功率之差；当牵引负荷功率＞基准值时，测控单元控制交直变流器逆变，使储能器放电，将逆变后的交流电馈入牵引母线，此时放电逆变的功率＝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，测控单元控制交直变流器待机。
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，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—降低负荷峰值同时可以治理负序，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，统计往日最大值；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)；储能器的最大功率＝往日峰的最大值，选择储能器的容量＝往日面积最大的峰的面积；将牵引负荷功率与基准值对比即可实时控制储能器的充放电工况，实现实时削峰填谷；相比均值，基准值越大，峰的数量就越少，充放电次数就越少，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储能器容量实现实时削峰。
二、以削峰为目标，通过基准值的选择可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。
三、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
实施例
下面结合附图对本发明做进一步描述：
图1示出，本发明的一种具体实施方式为：一种电气化铁路储能供电装置，包括耦合变压器1、交直变流器2、储能器3、电压互感器4、电流互感器5及测控单元6；以高铁牵引变电所为例，其中单相接线主变压器次边引出牵引进线7，牵引进线7连接牵引母线8；牵引母线经馈线9连接牵引网给列车供电；电压互感器5测量牵引母线8对地电压；电流互感器5测量馈线9的牵引负荷；耦合变压器1原边连接牵引母线8和地，次边连接交直变流器2的交流端口；交直变流器2的直流端口与储能器3连接；电压互感器4的测量端、电流互感器5的测量端连接测控单元6输入接口，测控单元6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6经电压互感器4和电流互感器5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，统计往日(如7日)牵引负荷的最大值；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3的最大功率＝往日峰的最大值，储能器3的容量＝往日面积最大的峰的面积；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6控制交直变流器2整流给储能器3充电，此时整流充电的功率＝此时基准值与牵引负荷功率之差；当牵引负荷功率＞基准值时，测控单元6控制交直变流器2逆变，使储能器3放电，将逆变后的交流电馈入牵引母线8，此时放电逆变的功率＝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，测控单元6控制交直变流器2待机；如此以日为单位循环。
图3是实施例的削峰过程示意图，图中曲线10是实际馈线9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min，纵坐标为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的最大功率＝往日峰的最大值，储能器3的容量＝往日面积最大的峰的面积；当牵引负荷功率＜基准值时，测控单元6控制交直变流器2整流给储能器3充电，此时整流充电的功率＝此时基准值与牵引负荷功率之差；当牵引负荷功率＞基准值时，测控单元6控制交直变流器2逆变，使储能器3放电，将逆变后的交流电馈入牵引母线8，此时放电逆变的功率＝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，测控单元6控制交直变流器2待机。
显然，将牵引负荷功率与基准值对比即可实时控制储能器3的充放电工况，实现实时削峰填谷；基准值越大，如选基准值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，投资也就越小，但削峰能力越弱，电费降低越少，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。
从工作原理可知，所述电气化铁路储能供电装置及其控制方法以及均值、基准值、峰谷等定义同样适于包含再生工况即牵引负荷功率＜0的情形。
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3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3应优先考虑超级电容器。

Claims (1)

1.一种电气化铁路储能供电装置的控制方法，该储能供电装置包括耦合变压器（1）、交直变流器（2）、电压互感器（4）、电流互感器（5）；牵引进线（7）连接牵引母线（8）；牵引母线（8）经馈线（9）连接牵引网给列车供电；电压互感器（4）测量牵引母线（8）对地电压；电流互感器（5）测量馈线（9）的牵引负荷，其特征在于:耦合变压器（1）原边连接牵引母线（8）和地，次边连接交直变流器（2）的交流端口；交直变流器（2）的直流端口与储能器（3）连接；电压互感器（4）的测量端、电流互感器（5）的测量端连接测控单元（6）的输入接口，测控单元（6）的输出接口与交直变流器（2）的控制端相连接，测控单元（6）经电压互感器（4）和电流互感器（5）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，统计往日最大值，对牵引负荷削峰；
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，则储能器（3）的最大功率=往日峰的最大值，储能器（3）的容量=往日面积最大的峰的面积；当牵引负荷功率＜基准值时，测控单元（6）控制交直变流器（2）整流给储能器（3）充电，此时整流充电的功率=此时基准值与牵引负荷功率之差；当牵引负荷功率＞基准值时，测控单元（6）控制交直变流器（2）逆变，使储能器（3）放电，将逆变后的交流电馈入牵引母线，此时放电逆变的功率=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，测控单元（6）控制交直变流器（2）待机。
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