CN107749637A - 一种应用于电气化铁路的多能互补并网系统及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种应用于电气化铁路的多能互补并网系统及控制方法，该系统跨接于牵引变压器α、β供电臂之间，主要包括风力发电部分、光伏发电部分、储能部分、综合能量控制部分、直流支撑电容、单相变压器、单相背靠背变流器。基于牵引负荷、风、光功率预测数据，完成多能互补系统四种发电组态的协调控制；通过实时数据检测与处理，对不稳定电能进行平滑调度，保证供电可靠性；依据实时牵引工况，进行供电模式选择实现可再生能源的合理消纳，同时通过控制单相背靠背变流器实现有功功率转移、动态输出相应无功和低次谐波电流，起到减小或消除牵引变压器原边的负序电流、补偿无功和谐波的作用。

Description

一种应用于电气化铁路的多能互补并网系统及控制方法
技术领域
本发明属于电气化铁路技术领域，特别是涉及一种应用于电气化铁路的多能互补并网系统及控制方法。
背景技术
铁路系统作为电力系统的大工业用户，其年用电量可达400亿千瓦时，其中 50％以上主要消耗在牵引供电系统。为实现电气化铁路的节能降耗，铁路系统自身也在积极推进新能源和可再生能源的发展，明确提出并鼓励在铁路沿线按因地制宜、多能互补等原则推广及应用新能源和可再生能源发电。而近年来，在国家的高度重视与大力推动下，光电、风电等新能源得以迅速发展。若将此类新能源接入牵引供电系统不仅有利于可再生能源的就地消纳，同时也可使铁路系统达到节能减排的目的。
因风、光照资源具有间歇性和不稳定性的特点，造成目前风电、光电利用率低，可靠性及稳定性较差，同时电网准入功率有限。考虑到风光资源在时间和季节上具有良好的互补性，利用多能互补联合发电系统可以获得比较稳定的总输出，同时相对于单一风力发电、光伏发电系统来说，提高了供电的稳定性和可靠性，同时在保证同样供电的情况下，可大大减少储能系统的容量，获得较好的社会经济效益。又电气化铁路牵引供电系统具有三相变两相、机车单相取电的特殊性，对电力系统而言存在严重的三相不平衡和无功等问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种应用于电气化铁路的多能互补并网系统及控制方法，能够将多能互补发电系统接入电气化铁路牵引供电系统，在满足可再生能源合理消纳、铁路系统节能减排的同时，改善、至少不恶化牵引供电系统的电能质量问题。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种应用于电气化铁路的多能互补并网系统的控制方法，所述多能互补并网系统跨接在牵引供电系统中的两条供电臂之间，所述牵引供电系统通过牵引变压器连接至电网；所述多能互补并网系统包括风力发电装置、光伏发电装置、储能装置、综合能量控制装置、直流支撑电容和背靠背变流器，所述风力发电装置、光伏发电装置和储能装置并联连接在所述直流支撑电容上，所述直流支撑电容连接至背靠背变流器的的直流侧，所述背靠背变流器的连接至两条供电臂之间；
所述多能互补并网系统的控制方法包括步骤：
S100，功率预测分析：对风光功率进行预测分析，对负荷进行预测分析；基于预测分析所得数据，由综合能量控制装置通过调控组件对风力发电装置、光伏发电装置和储能装置进行多能互补协调控制；
S200，实时检测数据：通过检测装置实时检测牵引侧两供电臂的电压相量和电流相量，通过电压相量和电流相量计算牵引负荷的实时用电功率；通过检测装置实时检测光伏发电装置侧的输出功率，通过检测单元实时检测风力发电装置侧的输出功率；通过检测单元实时检测储能装置侧的温度、荷电状态SOC和健康状态SOH；
S300，处理实时数据：通过综合能量控制装置对不稳定的电能进行平滑调度处理，保证可再生能源消纳和牵引供电系统的无功补偿和负序补偿；
S400，供电模式选择：判断所述供电臂是否有负荷；若有，则运行自发自用模式；若无，则运行全储能模式或余量上网模式。
进一步的是，在所述步骤S100中，所述对风光功率进行预测分析：通过风光观测平台获得风光数据，利用数理统计方法及预测技术，对风光功率进行预测；对负荷进行预测分析：通过电气化铁路运行计划图和往日正常工况下牵引负荷功率曲线进行负荷预测。
进一步的是，在所述步骤S100中，所述多能互补协调控制组态包括混合功率组态、风力单独发电组态、光伏单独发电组态和储能发电组态；所述混合功率组态为风力发电装置和光伏发电装置同时发电，所述风力单独发电组态为风力发电装置单独发电，所述光伏单独发电组态为光伏发电装置单独发电，所述储能发电组态为风力和光伏不适合发电条件下由储能装置替代发电。
进一步的是，在所述步骤S400中，所述自发自用模式为由风力发电装置和光伏发电装置为牵引负荷提供电能，并将剩余的电能通过储能装置存储；
在所述自发自用模式中，由风力发电装置和光伏发电装置为牵引负荷提供电能的同时通过背靠背变流器实现有功功率的相互转移，使两条供电臂输出的有功功率相等，从而减小或消除牵引变压器原边的负序电流；控制背靠背变流器动态输出相应的无功和低次谐波电流，从而实现对两供电臂的负载无功和谐波补偿。
进一步的是，所述全储能模式为，风力发电装置和光伏发电装置发出的电能，全部用来给储能装置充电；所述余量上网模式为，风力发电装置、光伏发电装置和储能装置同时向电网输出功率。
进一步的是，在所述余量上网模式中，根据电网的实时用电功率、风力发电装置与光伏发电装置的输出功率以及储能装置的荷电状态进行判断；从而控制储能装置的充放电功率动态分配，以及风力发电装置与光伏发电装置的运行状态。
另一方面，本发明还提供了一种应用于电气化铁路的多能互补并网系统，所述多能互补并网系统跨接在牵引供电系统中的两条供电臂之间，所述牵引供电系统通过牵引变压器连接至电网；
所述多能互补并网系统包括风力发电装置、光伏发电装置、储能装置、综合能量控制装置、直流支撑电容和背靠背变流器，所述风力发电装置、光伏发电装置和储能装置并联连接在所述直流支撑电容上，所述直流支撑电容连接至背靠背变流器的的直流侧，所述背靠背变流器的连接至两条供电臂之间。
进一步的是，所述背靠背变流器包括单相变压器Ⅰ、单相变压器Ⅱ、单相四象限变换器Ⅰ和单相四象限变换器Ⅱ；
所述单相四象限变换器Ⅰ的交流侧与单相变压器Ⅰ的二次侧连接，单相四象限变换器Ⅱ的交流侧与单相变压器Ⅱ的二次侧连接；单相四象限变换器Ⅰ和单相四象限变换器Ⅱ的直流侧共同连接至所述直流支撑电容上，形成背靠背结构；所述单相变压器Ⅰ和单相变压器Ⅱ的一次侧中ɑ和β端口分别与牵引供电系统ɑ供电臂及β供电臂相连。
进一步的是，所述风力发电装置包括风力机、永磁同步发电机和AC/DC变换器，所述风力机同轴驱动永磁同步发电机，所述永磁同步发电机的输出端与 AC/DC变换器交流侧相连；所述光伏发电装置包括光伏阵列和DC/DC变换器，所述光伏阵列输出端与DC/DC变换器输入端相连；所述DC/DC变换器输出端与 AC/DC变换器直流输出端相并联且共同连接在所述直流支撑电容上；所述储能装置包括储能设备和双向能量变换器，所述储能设备连接至双向能量变换器输入侧，所述双向能量变换器输出侧并联于所述直流支撑电容；所述综合能量控制装置通过控制总线与风力发电装置、光伏发电装置、储能装置、单相四象限变换器Ⅰ和单相四象限变换器Ⅱ控制侧相连，实时监测并调控各部分的动态输出。
进一步的是，所述综合能量控制装置包括能量转换控制单元、能量储存控制单元和调度控制单元；所述能量转换控制单元，集中于光伏侧DC/DC变换器的最大功率跟踪控制，风力发电装置中AC/DC变换器的最大功率跟踪控制，背靠背变流器动态功率分配及无功和负序补偿；所述能量储存控制单元，集中于储能部装置的充放电控制策略，以保证整个系统能量的供需平衡；所述调度控制单元，集中于对多能互补系统的协调控制，依据牵引负荷、风能预测和光照预测结果，实时调节风力发电装置、光伏发电装置和储能装置的功率输出。
采用本技术方案的有益效果：
(1)本发明能够利用风光资源在时间和季节上的互补性，依据牵引负荷、风能预测和光照预测结果等，对多能互补发电系统的协调控制，实时调节风、光、储三者的功率输出实现预设的控制目标；
(2)本发明能够通过控制单相背靠背变流器实现有功功率转移，减小或消除牵引变压器原边的负序电流，通过控制单相背靠背变流器动态输出相应的无功和谐波电流，实现无功和谐波补偿；
(3)本发明通过结合牵引负荷特性，采用自发自用余量上网控制策略。当检测到有牵引负荷时，采用自发自用模式，在为负荷供电的同时，将多余的电能存入储能设备，起到削峰填谷、应急备用的作用；当检测到电臂空载时，切换至全储能或余量上网模式；这种控制方法有利于可再生能源的合理消纳，减少弃电量，同时降低配置的储能容量。
附图说明
图1为本发明的一种应用于电气化铁路的多能互补并网系统的控制方法流程示意图；
图2为本发明实施例中一种应用于电气化铁路的多能互补并网系统及的结构示意图；
图3为本发明实施例中多能互补并网系统的结构示意图；
图4为本发明实施例中综合能量控制装置的功能示意图。
其中，1为多能互补并网系统，2为电网，3为牵引变压器，4为α供电臂，5为β供电臂，11为风力发电装置，12为光伏发电装置，13为储能装置，14为综合能量控制装置，15为单相变压器Ⅰ，16为单相变压器Ⅱ，17为单相四象限变换器Ⅰ，18为单相四象限变换器Ⅱ，19为直流支撑电容，111为风力机，112 为永磁同步发电机，113为AC/DC变换器，121为光伏阵列，122为DC/DC变换器，131为储能设备，132为双向能量变换器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步阐述。
在本实施例中，参见图1所示，本发明提出了一种应用于电气化铁路的多能互补并网系统的控制方法，所述多能互补并网系统跨接在牵引供电系统中的两条供电臂之间，所述牵引供电系统通过牵引变压器连接至电网；所述多能互补并网系统包括风力发电装置、光伏发电装置、储能装置、综合能量控制装置、直流支撑电容和背靠背变流器，所述风力发电装置、光伏发电装置和储能装置并联连接在所述直流支撑电容上，所述直流支撑电容连接至背靠背变流器的的直流侧，所述背靠背变流器的连接至两条供电臂之间；
所述多能互补并网系统的控制方法包括步骤：
S100，功率预测分析：对风光功率进行预测分析，对负荷进行预测分析；基于预测分析所得数据，由综合能量控制装置通过调控组件对风力发电装置、光伏发电装置和储能装置进行多能互补协调控制；
S200，实时检测数据：通过检测装置实时检测牵引侧两供电臂的电压相量和电流相量，通过电压相量和电流相量计算牵引负荷的实时用电功率；通过检测装置实时检测光伏发电装置侧的输出功率，通过检测单元实时检测风力发电装置侧的输出功率；通过检测单元实时检测储能装置侧的温度、荷电状态SOC和健康状态SOH；
S300，处理实时数据：通过综合能量控制装置对不稳定的电能进行平滑调度处理，保证可再生能源消纳和牵引供电系统的无功补偿和负序补偿；
S400，供电模式选择：判断所述供电臂是否有负荷；若有，则运行自发自用模式；若无，则运行全储能模式或余量上网模式。
在所述步骤S100中：
所述对风光功率进行预测分析：通过风光观测平台获得风光数据，利用数理统计方法及预测技术，对风光功率进行预测；对负荷进行预测分析：通过电气化铁路运行计划图和往日正常工况下牵引负荷功率曲线进行负荷预测。
所述多能互补协调控制组态包括混合功率组态、风力单独发电组态、光伏单独发电组态和储能发电组态；所述混合功率组态为风力发电装置和光伏发电装置同时发电，所述风力单独发电组态为风力发电装置单独发电，所述光伏单独发电组态为光伏发电装置单独发电，所述储能发电组态为风力和光伏不适合发电条件下由储能装置替代发电。
在所述步骤S400中：
所述自发自用模式为由风力发电装置和光伏发电装置为牵引负荷提供电能，并将剩余的电能通过储能装置存储；
在所述自发自用模式中，由风力发电装置和光伏发电装置为牵引负荷提供电能的同时通过背靠背变流器实现有功功率的相互转移，使两条供电臂输出的有功功率相等，从而减小或消除牵引变压器原边的负序电流；控制背靠背变流器动态输出相应的无功和低次谐波电流，从而实现对两供电臂的负载无功和谐波补偿。
所述全储能模式为，风力发电装置和光伏发电装置发出的电能，全部用来给储能装置充电；所述余量上网模式为，风力发电装置、光伏发电装置和储能装置同时向电网输出功率。
在所述余量上网模式中，根据电网的实时用电功率、风力发电装置与光伏发电装置的输出功率以及储能装置的荷电状态进行判断；从而控制储能装置的充放电功率动态分配，以及风力发电装置与光伏发电装置的运行状态。
配合本发明方法的实现，基于相同的发明构思，如图2和3所示，本发明还提供了一种应用于电气化铁路的多能互补并网系统，所述多能互补并网系统1 跨接在牵引供电系统中的两条供电臂之间，所述牵引供电系统通过牵引变压器3 连接至电网2；
所述多能互补并网系统1包括风力发电装置11、光伏发电装置12、储能装置13、综合能量控制装置14、直流支撑电容19和背靠背变流器，所述风力发电装置11、光伏发电装置12和储能装置13并联连接在所述直流支撑电容19上，所述直流支撑电容19连接至背靠背变流器的的直流侧，所述背靠背变流器的连接至两条供电臂之间。
其中，所述背靠背变流器包括单相变压器Ⅰ15、单相变压器Ⅱ16、单相四象限变换器Ⅰ17和单相四象限变换器Ⅱ18；
所述单相四象限变换器Ⅰ17的交流侧与单相变压器Ⅰ15的二次侧连接，单相四象限变换器Ⅱ18的交流侧与单相变压器Ⅱ16的二次侧连接；单相四象限变换器Ⅰ17和单相四象限变换器Ⅱ18的直流侧共同连接至所述直流支撑电容19 上，形成背靠背结构；所述单相变压器Ⅰ15和单相变压器Ⅱ16的一次侧中ɑ和β端口分别与牵引供电系统α供电臂4及β供电臂5相连。
其中，所述风力发电装置11包括风力机111、永磁同步发电机112和AC/DC 变换器113，所述风力机111同轴驱动永磁同步发电机112，所述永磁同步发电机112的输出端与AC/DC变换器113交流侧相连；所述光伏发电装置12包括光伏阵列121和DC/DC变换器122，所述光伏阵列121输出端与DC/DC变换器122 输入端相连；所述DC/DC变换器122输出端与AC/DC变换器113直流输出端相并联且共同连接在所述直流支撑电容19上；所述储能装置13包括储能设备131 和双向能量变换器132，所述储能设备131连接至双向能量变换器132输入侧，所述双向能量变换器132输出侧并联于所述直流支撑电容19；所述综合能量控制装置14通过控制总线与风力发电装置11、光伏发电装置12、储能装置13、单相四象限变换器Ⅰ17和单相四象限变换器Ⅱ18控制侧相连，实时监测并调控各部分的动态输出。
其中，如图4所示，所述综合能量控制装置14包括能量转换控制单元、能量储存控制单元和调度控制单元；所述能量转换控制单元，集中于光伏侧DC/DC 变换器122的最大功率跟踪控制，风力发电装置11中AC/DC变换器113的最大功率跟踪控制，背靠背变流器动态功率分配及无功和负序补偿；所述能量储存控制单元，集中于储能部装置的充放电控制策略，以保证整个系统能量的供需平衡；所述调度控制单元，集中于对多能互补系统的协调控制，依据牵引负荷、风能预测和光照预测结果，实时调节风力发电装置11、光伏发电装置12和储能装置13 的功率输出。
所述多能互补的形式包括但不限于风、光分布式电源形式，也包括其他的互补能源形式，如燃气燃油、生物化学能、水能等；储能装置13可依据实际情况加装或不加装；所述储能设备131包括蓄电池储能、超导储能、超级电容储能、飞轮储能等各种储能及其混合储能形式；考虑到牵引负荷具有强烈波动性，要求储能装置13具有较高的充放电循环次数，以保证较长的使用寿命，储能装置13 优选为超级电容器；所述牵引变压器3包括单相、V/v、YNd11、Scott、阻抗匹配平衡等接线形式。
所述多能互补系统中，其它输出为交流电能的发电装置，如双馈风力发电机组、水力发电机组等，可以整流后接入前述的背靠背变流器直流母线，也可以采用单相形式接入到背靠背变流器交流侧。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种应用于电气化铁路的多能互补并网系统的控制方法，其特征在于，所述多能互补并网系统跨接在牵引供电系统中的两条供电臂之间，所述牵引供电系统通过牵引变压器连接至电网；所述多能互补并网系统包括风力发电装置、光伏发电装置、储能装置、综合能量控制装置、直流支撑电容和背靠背变流器，所述风力发电装置、光伏发电装置和储能装置并联连接在所述直流支撑电容上，所述直流支撑电容连接至背靠背变流器的的直流侧，所述背靠背变流器的连接至两条供电臂之间；
所述多能互补并网系统的控制方法包括步骤：
S100，功率预测分析：对风光功率进行预测分析，对负荷进行预测分析；基于预测分析所得数据，由综合能量控制装置通过调控组件对风力发电装置、光伏发电装置和储能装置进行多能互补协调控制；
S200，实时检测数据：通过检测装置实时检测牵引侧两供电臂的电压相量和电流相量，通过电压相量和电流相量计算牵引负荷的实时用电功率；通过检测装置实时检测光伏发电装置侧的输出功率，通过检测单元实时检测风力发电装置侧的输出功率；通过检测单元实时检测储能装置侧的温度、荷电状态SOC和健康状态SOH；
S300，处理实时数据：通过综合能量控制装置对不稳定的电能进行平滑调度处理；
S400，供电模式选择：判断所述供电臂是否有负荷；若有，则运行自发自用模式；若无，则运行全储能模式或余量上网模式。
2.根据权利要求1所述的一种应用于电气化铁路的多能互补并网系统的控制方法，其特征在于，在所述步骤S100中，所述对风光功率进行预测分析：通过风光观测平台获得风光数据，利用数理统计方法及预测技术，对风光功率进行预测；对负荷进行预测分析：通过电气化铁路运行计划图和往日正常工况下牵引负荷功率曲线进行负荷预测。
3.根据权利要求2所述的一种应用于电气化铁路的多能互补并网系统的控制方法，其特征在于，在所述步骤S100中，所述多能互补协调控制组态包括混合功率组态、风力单独发电组态、光伏单独发电组态和储能发电组态；所述混合功率组态为风力发电装置和光伏发电装置同时发电，所述风力单独发电组态为风力发电装置单独发电，所述光伏单独发电组态为光伏发电装置单独发电，所述储能发电组态为风力和光伏不适合发电条件下由储能装置替代发电。
4.根据权利要求3所述的一种应用于电气化铁路的多能互补并网系统的控制方法，其特征在于，在所述步骤S400中，所述自发自用模式为由风力发电装置和光伏发电装置为牵引负荷提供电能，并将剩余的电能通过储能装置存储；
在所述自发自用模式中，由风力发电装置和光伏发电装置为牵引负荷提供电能的同时通过背靠背变流器实现有功功率的相互转移，使两条供电臂输出的有功功率相等；控制背靠背变流器动态输出相应的无功和低次谐波电流。
5.根据权利要求4所述的一种应用于电气化铁路的多能互补并网系统的控制方法，其特征在于，所述全储能模式为，风力发电装置和光伏发电装置发出的电能，全部用来给储能装置充电；所述余量上网模式为，风力发电装置、光伏发电装置和储能装置同时向电网输出功率。
6.根据权利要求5所述的一种应用于电气化铁路的多能互补并网系统的控制方法，其特征在于，在所述余量上网模式中，根据电网的实时用电功率、风力发电装置与光伏发电装置的输出功率以及储能装置的荷电状态进行判断；从而控制储能装置的充放电功率动态分配，以及风力发电装置与光伏发电装置的运行状态。
7.一种应用于电气化铁路的多能互补并网系统，其特征在于，所述多能互补并网系统(1)跨接在牵引供电系统中的两条供电臂之间，所述牵引供电系统通过牵引变压器(3)连接至电网(2)；
所述多能互补并网系统(1)包括风力发电装置(11)、光伏发电装置(12)、储能装置(13)、综合能量控制装置(14)、直流支撑电容(19)和背靠背变流器，所述风力发电装置(11)、光伏发电装置(12)和储能装置(13)并联连接在所述直流支撑电容(19)上，所述直流支撑电容(19)连接至背靠背变流器的的直流侧，所述背靠背变流器的连接至两条供电臂之间。
8.根据权利要求7所述的一种应用于电气化铁路的多能互补并网系统，其特征在于，所述背靠背变流器包括单相变压器Ⅰ(15)、单相变压器Ⅱ(16)、单相四象限变换器Ⅰ(17)和单相四象限变换器Ⅱ(18)；
所述单相四象限变换器Ⅰ(17)的交流侧与单相变压器Ⅰ(15)的二次侧连接，单相四象限变换器Ⅱ(18)的交流侧与单相变压器Ⅱ(16)的二次侧连接；单相四象限变换器Ⅰ(17)和单相四象限变换器Ⅱ(18)的直流侧共同连接至所述直流支撑电容(19)上，形成背靠背结构；所述单相变压器Ⅰ(15)和单相变压器Ⅱ(16)的一次侧中ɑ和β端口分别与牵引供电系统α供电臂(4)及β供电臂(5)相连。
9.根据权利要求8所述的一种应用于电气化铁路的多能互补并网系统，其特征在于，所述风力发电装置(11)包括风力机(111)、永磁同步发电机(112)和AC/DC变换器(113)，所述风力机(111)同轴驱动永磁同步发电机(112)，所述永磁同步发电机(112)的输出端与AC/DC变换器(113)交流侧相连；所述光伏发电装置(12)包括光伏阵列(121)和DC/DC变换器(122)，所述光伏阵列(121)输出端与DC/DC变换器(122)输入端相连；所述DC/DC变换器(122)输出端与AC/DC变换器(113)直流输出端相并联且共同连接在所述直流支撑电容(19)上；所述储能装置(13)包括储能设备(131)和双向能量变换器(132)，所述储能设备(131)连接至双向能量变换器(132)输入侧，所述双向能量变换器(132)输出侧并联于所述直流支撑电容(19)；所述综合能量控制装置(14)通过控制总线与风力发电装置(11)、光伏发电装置(12)、储能装置(13)、单相四象限变换器Ⅰ(17)和单相四象限变换器Ⅱ(18)控制侧相连，实时监测并调控各部分的动态输出。
10.根据权利要求9所述的一种应用于电气化铁路的多能互补并网系统，其特征在于，所述综合能量控制装置(14)包括能量转换控制单元、能量储存控制单元和调度控制单元；所述能量转换控制单元，集中于光伏侧DC/DC变换器(122)的最大功率跟踪控制，风力发电装置(11)中AC/DC变换器(113)的最大功率跟踪控制，背靠背变流器动态功率分配及无功和负序补偿；所述能量储存控制单元，集中于储能部装置的充放电控制策略，以保证整个系统能量的供需平衡；所述调度控制单元，集中于对多能互补系统的协调控制，依据牵引负荷、风能预测和光照预测结果，实时调节风力发电装置(11)、光伏发电装置(12)和储能装置(13)的功率输出。
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