CN107492902B - 基于飞轮储能装置的铁路牵引供电系统及其改善电能质量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于飞轮储能装置的铁路牵引供电系统及其改善电能质量的方法。该系统包括铁路配电室、飞轮储能装置、变流器、分别在供电臂的a相和b相安装的降压变压器，在降压变压器高压侧安装有熔断器和断路器，在整个电气回路中，飞轮储能装置通过变流器和降压变压器与馈电母线a、b相连接，降压变压器和变流器系统将馈电母线上的单相交流电变换成直流电输出给飞轮储能装置，飞轮储能装置通过采集变流器系统的电压和电流来执行自身的控制策略。本发明可实现完全的三相电压平衡、有功功率调节；实现对列车再生制动能量的回收和再利用；减少过分相装置的投资；可以使电力系统运行更加稳定，提高系统电能质量；可以拓展到普通电网和微电网。

Description

基于飞轮储能装置的铁路牵引供电系统及其改善电能质量的 方法

技术领域

本发明涉及铁路牵引供电系统，具体是一种基于飞轮储能装置的铁路牵引供电系统及其改善电能质量的方法。

背景技术

近些年来电气化铁路发展迅速，由于列车的单相、大功率、非线性的运行特点并伴随着铁路运量的提升和发车密度的增加，相间不平衡现象尤为明显，作为典型的冲击性负荷对电网电能质量造成了严重的影响。

由于牵引变压器相间不平衡会对供电系统注入负序电流，负序电流的产生对整个供配电系统造成了损失。负序电流会造成发电机出力下降、产生附加振动、造成定子各部分不均匀发热和转子表面发热；会降低电动机运行效率，使电动机过热；会使变压器利用率下降，同时造成变压器附加能量损失和铁心附加发热；会造成输电线路电能损失，降低电网的输送能力；会造成很多继保的误动作，严重时造成继电保护装置不能使用。现代机车大多采用交直交驱动方式，提高了功率因数，减小了低次谐波污染，但依然会给牵引系统注入高次谐波，高次谐波在电网中传输容易引起谐振，产生高压，危及线路安全运行。

目前针对于铁路供电系统存在的负序和谐波问题主要解决方式有：采用高电压、大容量的电源供电；采用三相-两相平衡变压器；采用不平衡装置进行补偿；采用轮换相序接线方法；采用同相供电技术。前四种方式均未能从本质上解决问题，而同相供电技术也达不到节能的目的。

发明内容

为了解决现有技术不能从本质上实现牵引变压器相电压平衡和谐波污染问题，本发明提供一种基于飞轮储能装置的铁路牵引供电系统及其改善电能质量的方法。其依靠背靠背变流器系统和飞轮储能装置调节两供电臂电压平衡，治理负序电流和谐波污染；通过飞轮储能装置吸收列车制动时的再生能量，达到节能的目的。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：

一种基于飞轮储能装置的铁路牵引供电系统，包括铁路配电室，还包括飞轮储能装置、变流器、分别在供电臂的a相和b相安装的降压变压器，在降压变压器高压侧安装有熔断器和断路器，在整个电气回路中，飞轮储能装置通过变流器和降压变压器与馈电母线a、b相连接，降压变压器和变流器系统将馈电母线上的单相交流电变换成直流电输出给飞轮储能装置，飞轮储能装置通过采集变流器系统的电压和电流来执行自身的控制策略。

进一步的，所述的变流器系统通过两个降压变压器连接于两供电臂，变流器系统包括背靠背结构的两电压源变流器、1个共用的直流电容，在直流电容侧并联飞轮储能装置，直流电容给两变流器提供稳定直流电压，飞轮储能装置用来存储和释放列车再生制动产生的能量，并通过自身充放电进行有功功率的调节，保证两个供电臂电压平衡；两变流器通过单相降压变压器连接到牵引变压器的两个二次侧供电臂；两供电臂额定电压为27.5kV；两个变流器可控制为受控电流源，能进行谐波抑制和无功补偿，因此该装置能进行高速铁路的负序和谐波补偿。

更进一步的，所述的飞轮储能装置的电气回路分为直流侧、IGBT侧、交流侧，具体的：

在直流侧设置有快速熔断器、直流接触器、电压互感器、电流互感器，快速熔断器保护主回路短路故障，直流接触器控制飞轮储能装置和外接母线的通断，电流互感器、电压互感器实时采集直流侧电流、电压值，由芯片判断直流侧过流、过压、欠压故障，并执行相应保护动作；

IGBT侧实现能量的传递，当IGBT模块发生超温、过压、损坏等故障时，由IGBT内置传感器将信号传送给控制芯片，触发保护动作；

在交流测设置交流接触器，控制飞轮电机与飞轮驱动柜的通断，飞轮储能单元内置的光电编码器、温度传感器、压力传感器将飞轮运行的状态信号传输给控制芯片，由芯片判断飞轮的故障，并执行保护动作。

所述的基于飞轮储能装置的铁路牵引供电系统改善电能质量的方法，包括下述控制方式：

（1）当a相供电臂有列车制动，b相供电臂上没有列车经过时，此时会造成a相供电臂网压抬升并有再生电流流过，此时飞轮储能系统采集到系统网压和电流变化后自身进入充电状态，保证a、b相网压平衡，同时将列车再生制动的能量存储起来；此时变流器系统提供无功补偿和谐波补偿；

（2）当a相供电臂有列车启动，b相供电臂上没有列车经过时，此时会造成a相供电臂网压下降并伴随着牵引变压器输出电流增大，此时飞轮储能系统采集到系统网压和电流变化后自身进入放电状态，为列车启动提供有功功率的补偿，在此过程中变流器系统提供无功补偿和谐波补偿；

（3）当a、b相供电臂上同时有列车启动或经过时，此时会造成a、b相网压同时被拉低，飞轮储能系统通过比较两个供电臂上的电压值和变压器输出侧的电流值，对电压值被拉低严重的一相进行有功功率的补偿，同时变流器系统提供谐波补偿和无功补偿；

（4）当a、b相供电臂上同时有列车制动时，此时会造成两个供电臂电压同时升高并有再生电流流过，飞轮储能系统通过比较两个供电臂上的电压，首先从电压值升高的相上吸收电能，当两个供电臂相电压平衡时，飞轮同时从两个供电臂上吸收电能，抑制牵引网压的抬升，保证两个供电臂电压平衡的同时达到了回收电能的目的，此过程中靠变流器系统提供无功补偿和谐波补偿；

（5）当a相供电臂上有列车启动，b相供电臂上有列车制动时，此时造成两个供电臂相不平衡的程度是最严重的，此时通过变流器系统可直接将b相列车制动的再生能量转移到a相供列车启动，由于制动能量小于启动能量，此过程中由飞轮储能装置向a相提供有功功率，保证两个供电臂相电压平衡，此过程中由变流器提供无功补偿和谐波补偿；

（6）当一个供电臂中同时有列车制动和启动时，此时列车再生制动的能量优先被启动列车所吸收，由于制动能量小于启动能量，此时还需飞轮储能系统对该供电臂提供有功功率，在此过程中通过变流器系统提供无功补偿和谐波补偿。

采用上述技术方案的本发明，与现有技术相比，有益效果是：

可以实现完全的三相电压平衡，有功功率调节；可以实现对列车再生制动能量的回收和再利用；可以减少过分相装置的投资，从而提高机车运行效率；整个系统可以使电力系统运行更加稳定，提高系统电能质量；本发明原理还可以拓展到普通电网和微电网。

通过飞轮储能装置对两个供电臂进行充放电同时变流器系统提供无功补偿和谐波补偿共同来调节两供电臂电压平衡，提高牵引供电系统电能质量。铁路供电臂为单相交流系统，两个供电臂相位不同，飞轮储能装置为直流系统，通过飞轮储能装置的中间直流环节来实现a、b相之间能量的传递，不同于其他补偿装置的是飞轮储能装置可以存储能量，在调节三相电压平衡的同时可以实现相间的有功功率补偿；具体的增益效果体现在：

（1）飞轮储能装置可作为容器来存储列车再生制动产生的能量也可以作为电源为列车提供有功功率。在充电过程中，飞轮储能装置可以将再生制动能量存储到高速旋转的飞轮里，抑制了网压的抬升，放电过程中飞轮储能装置可以对牵引供电系统输出有功功率，补偿了网压跌落同时节约了电能。此过程通过飞轮的调节也能保证a、b相电压平衡，避免负序电流的产生同时通过背靠背变流器系统治理了谐波污染。

（2）如果变流系统发生故障，不影响正常供电，原来的通信防护效果仍能保持，但会打破系统的平衡条件。

附图说明

图1是本发明实施例的系统结构示意图；

图2为背靠背变流器系统拓扑结构图；

图3为飞轮储能装置电气回路示意图；

图4为飞轮功率响应曲线图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例详述本发明。

参见图1，一种基于飞轮储能装置的铁路牵引供电系统，包括现有的铁路配电室，需要增加的设备有：飞轮储能装置、变流器、分别在供电臂的a相和b相安装降压变压器，在降压变压器高压侧安装熔断器和断路器。在整个电气回路中飞轮储能装置通过变流器和变压器与馈电母线a、b相连接，变压器和变流器组成的系统将馈电母线上的单相交流电变换成直流电输出给飞轮储能装置，飞轮储能装置通过采集变流器系统的电压和电流来执行自身的控制策略。

参见图2，背靠背变流器系统通过直流电容的耦合作用将两端口变压器连接在一起，通过2个降压变压器连接于两供电臂。系统包括背靠背结构两电压源变流器、1个共用的直流电容，在直流电容侧并联飞轮储能装置，直流电容给两变流器提供稳定直流电压，飞轮储能装置用来存储和释放列车再生制动产生的能量，并通过自身充放电进行有功功率的调节，保证两个供电臂电压平衡。两变流器通过单相降压变压器连接到牵引变压器的2个二次侧供电臂。两供电臂额定电压为27.5 kV 。两个变流器可控制为受控电流源，能进行谐波抑制和无功补偿，因此该装置能进行高速铁路的负序和谐波补偿。

参见图3，飞轮储能装置电气回路可分为三个部分：直流侧、IGBT侧、交流侧。

在直流侧配备了快速熔断器、直流接触器、电压互感器、电流互感器，快熔FU1、FU2保护主回路短路故障，直流接触器可以控制飞轮储能装置和外接母线的通断，电流互感器CT1，电压互感器PT实时采集直流侧电流、电压值，由芯片判断直流侧过流、过压、欠压故障，并执行相应保护动作。

IGBT侧的主要功能是实现能量的传递，当IGBT模块发生超温、过压、损坏等故障时，由IGBT内置传感器将信号传送给控制芯片，触发保护动作。

在交流测配备了交流接触器，可以控制飞轮电机与飞轮驱动柜的通断，飞轮储能单元内置的光电编码器、温度传感器、压力传感器将飞轮运行的状态信号传输给控制芯片，由芯片判断飞轮的故障，并执行保护动作。

在整个系统运行中，当两个供电臂间相电压不平衡时，通过变流器系统调节无功补偿和谐波补偿，靠飞轮储能装置补偿有功功率。具体控制方式如下：

（1）当a相供电臂有列车制动，b相供电臂上没有列车经过时，此时会造成a相供电臂网压抬升并有再生电流流过，此时飞轮储能系统采集到系统网压和电流变化后自身进入充电状态，保证a、b相网压平衡，同时将列车再生制动的能量存储起来。此时变流器系统提供无功补偿和谐波补偿。

（2）当a相供电臂有列车启动，b相供电臂上没有列车经过时，此时会造成a相供电臂网压下降并伴随着牵引变压器输出电流增大，此时飞轮储能系统采集到系统网压和电流变化后自身进入放电状态，为列车启动提供有功功率的补偿，在此过程中变流器系统提供无功补偿和谐波补偿。

（3）当a、b相供电臂上同时有列车启动或经过时，此时会造成a、b相网压同时被拉低，飞轮储能系统通过比较两个供电臂上的电压值和变压器输出侧的电流值，对电压值被拉低严重的一相进行有功功率的补偿，同时变流器系统提供谐波补偿和无功补偿。

（4）当a、b相供电臂上同时有列车制动时，此时会造成两个供电臂电压同时升高并有再生电流流过，飞轮储能系统通过比较两个供电臂上的电压，首先从电压值升高的相上吸收电能，当两个供电臂相电压平衡时，飞轮同时从两个供电臂上吸收电能，抑制牵引网压的抬升，保证两个供电臂电压平衡的同时达到了回收电能的目的，此过程中靠变流器系统提供无功补偿和谐波补偿。

（5）当a相供电臂上有列车启动，b相供电臂上有列车制动时，此时造成两个供电臂相不平衡的程度是最严重的，此时通过变流器系统可直接将b相列车制动的再生能量转移到a相供列车启动，由于制动能量小于启动能量，此过程中由飞轮储能装置向a相提供有功功率，保证两个供电臂相电压平衡，此过程中由变流器提供无功补偿和谐波补偿。

（6）当一个供电臂中同时有列车制动和启动时，此时列车再生制动的能量优先被启动列车所吸收，由于制动能量小于启动能量，此时还需飞轮储能系统对该供电臂提供有功功率，在此过程中通过变流器系统提供无功补偿和谐波补偿。

参见图4，其为一台与飞轮连接的UPS系统用示波器测试的结果。1ms之后飞轮开始供电，并在5ms之后达到满功率，具有毫秒内快速响应充放电的能力。

飞轮储能装置可以瞬间快速响应，5ms内达到全功率输出，还能够安全充放电，结构紧凑，安装简易，可适用各种不同的环境。这些优点使得它特别适用于用在功率密度大、响应速度快、运行寿命长、能量密度高的场合，成为电力系统处理尖峰负荷和瞬间波动的最佳选择。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式的限制，任何未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围。

Claims (4)

1.一种基于飞轮储能装置的铁路牵引供电系统，包括铁路配电室，其特征在于：还包括飞轮储能装置、变流器、分别在供电臂的a相和b相安装的降压变压器，在降压变压器高压侧安装有熔断器和断路器，在整个电气回路中，飞轮储能装置通过变流器和降压变压器与馈电母线a、b相连接，降压变压器和变流器系统将馈电母线上的单相交流电变换成直流电输出给飞轮储能装置，飞轮储能装置通过采集变流器系统的电压和电流来执行自身的控制策略。

2.根据权利要求1所述的基于飞轮储能装置的铁路牵引供电系统，其特征在于：所述的变流器系统通过两个降压变压器连接于两供电臂，变流器系统包括背靠背结构的两电压源变流器、1个共用的直流电容，在直流电容侧并联飞轮储能装置，直流电容给两变流器提供稳定直流电压，飞轮储能装置用来存储和释放列车再生制动产生的能量，并通过自身充放电进行有功功率的调节，保证两个供电臂电压平衡；变流器系统提供无功补偿和谐波补偿；两变流器通过输出电抗和单相降压变压器连接到牵引变压器的两个二次侧供电臂；两供电臂额定电压为27.5 kV。

3.根据权利要求1或2所述的基于飞轮储能装置的铁路牵引供电系统，其特征在于：所述的飞轮储能装置的电气回路分为直流侧、IGBT侧、交流侧，具体的：

在直流侧设置有快速熔断器、直流接触器、电压互感器、电流互感器，快速熔断器保护主回路短路故障，直流接触器控制飞轮储能装置和外接母线的通断，电流互感器、电压互感器实时采集直流侧电流、电压值，由芯片判断直流侧过流、过压、欠压故障，并执行相应保护动作；

IGBT侧实现能量的传递，当IGBT模块发生超温、过压、损坏故障时，由IGBT内置传感器将信号传送给控制芯片，触发保护动作；

在交流测设置交流接触器，控制飞轮电机与飞轮驱动柜的通断，飞轮储能单元内置的光电编码器、温度传感器、压力传感器将飞轮运行的状态信号传输给控制芯片，由芯片判断飞轮的故障，并执行保护动作。

4.一种权利要求1-3任项一所述的基于飞轮储能装置的铁路牵引供电系统改善电能质量的方法，其特征在于，包括下述控制方式：

（1）当a相供电臂有列车制动，b相供电臂上没有列车经过时，此时会造成a相供电臂网压抬升并有再生电流流过，此时飞轮储能系统采集到系统网压和电流变化后自身进入充电状态，保证a、b相网压平衡，同时将列车再生制动的能量存储起来；此时变流器系统提供无功补偿和谐波补偿；

（2）当a相供电臂有列车启动，b相供电臂上没有列车经过时，此时会造成a相供电臂网压下降并伴随着牵引变压器输出电流增大，此时飞轮储能系统采集到系统网压和电流变化后自身进入放电状态，为列车启动提供有功功率的补偿，在此过程中变流器系统提供无功补偿和谐波补偿；

（3）当a、b相供电臂上同时有列车启动或经过时，此时会造成a、b相网压同时被拉低，飞轮储能系统通过比较两个供电臂上的电压值和变压器输出侧的电流值，对电压值被拉低严重的一相进行有功功率的补偿，同时变流器系统提供谐波补偿和无功补偿；

（4）当a、b相供电臂上同时有列车制动时，此时会造成两个供电臂电压同时升高并有再生电流流过，飞轮储能系统通过比较两个供电臂上的电压，首先从电压值升高的相上吸收电能，当两个供电臂相电压平衡时，飞轮同时从两个供电臂上吸收电能，抑制牵引网压的抬升，保证两个供电臂电压平衡的同时达到了回收电能的目的，此过程中靠变流器系统提供无功补偿和谐波补偿；

（5）当a相供电臂上有列车启动，b相供电臂上有列车制动时，此时造成两个供电臂相不平衡的程度是最严重的，此时通过变流器系统可直接将b相列车制动的再生能量转移到a相供列车启动，由于制动能量小于启动能量，此过程中由飞轮储能装置向a相提供有功功率，保证两个供电臂相电压平衡，此过程中由变流器提供无功补偿和谐波补偿；

（6）当一个供电臂中同时有列车制动和启动时，此时列车再生制动的能量优先被启动列车所吸收，由于制动能量小于启动能量，此时还需飞轮储能系统对该供电臂提供有功功率，在此过程中通过变流器系统提供无功补偿和谐波补偿。

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