CN109428331A - 一种牵引变电所用综合能源装置及其控制方法 - Google Patents

一种牵引变电所用综合能源装置及其控制方法 Download PDF

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刘猛
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周方圆
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Abstract

本发明公开一种牵引变电所用综合能源装置及其控制方法，该装置包括相互连接的控制系统以及分别与控制系统连接的两个单相多绕组变压器、多重变流器，各重变流器的两端分别通过两个单相多绕组变压器连接两供电臂，每重变流器为双向变流回路，控制系统控制通过单相多绕组变压器接入两供电臂中的列车制动能量，经过各重变流器变换后将能量在两供电臂之间进行转移；该控制方法为利用上述装置的控制方法。本发明结构简单、成本低，能够充分利用列车制动能量，提高电能利用率，同时能够降低回馈能量对电力系统电能质量的影响，提高供电电能质量。

Description

一种牵引变电所用综合能源装置及其控制方法
技术领域
本发明涉及牵引变电所供电技术领域，尤其涉及一种牵引变电所用综合能源装置及其控制方法。
背景技术
列车在牵引网运行时，由于供电臂A、B臂两条线路的列车数量不一样(即两条线路的负载不一样)，而且列车运行时，会随机处于牵引、制动工况的交替轮转，这样会直接导致A、B两臂负载不平衡，进而导致两臂输出的功率不同。
列车在牵引工况时需要从电网吸收能量，而在制动工况时，会产生制动能量。牵引变电所的主牵引变压器为双绕组变压器，变电所A、B两臂为该双绕组变压器(主变)的副边输出，是主变副边绕组的其中两相抽头，由于该两相抽头之间不可能进行电磁耦合进而传递能量，即列车制动工况下的能量，无法直接从供电臂的A相(B相)耦合到B相(A相)进行直功率融通，只能通过主变压器直接回馈给电力系统，导致铁路变电所会浪费很多电能，特别是重载铁路，增加了铁路变电所的运营成本，同时由于牵引供电系统由于其单相负荷的特殊性，区别于一般工业用户，牵引网的电压含有较高的谐波、负序分量，直接回馈给电网后，将导致电网的电能质量下降，甚至危及电网的正常稳定运行。
大量的大功率高速交流机车已逐渐成为主流，重载、高速已成为铁路运输的趋势，相应的牵引网负载也与日俱增，当巨大数量的交流机车在牵引网运行时，每段供电臂的列车数量均可能不一致，每辆列车的负载不一致，每辆车的运行工况也可能不一样，且同一条线路上可能有列车处于制动工况，也有列车处于牵引工况，因而如上述会存在以下问题：
1)机车制动产生的巨大能量全部直接回馈给电力系统，能量利用率低，增加了铁路变电所的运营成本；
2)机车回馈给电力系统的能量，含有很多谐波和负序分量，极大的影响了电力系统的电能质量和安全运行；
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单、成本低，电能利用率及电能质量高的牵引变电所用综合能源装置，能够充分利用列车制动能量，同时能够降低回馈能量对电力系统电能质量的影响，及实现方法简单、控制效率高的控制方法。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种牵引变电所用综合能源装置，包括相互连接的控制系统以及分别与控制系统连接的两个单相多绕组变压器、多重变流器，各重所述变流器的两端分别通过两个所述单相多绕组变压器连接两供电臂，每重所述变流器为双向变流回路，所述控制系统控制通过所述单相多绕组变压器接入两供电臂中的列车制动能量，经过各重所述变流器变换后将能量在两供电臂之间进行转移。
作为本发明装置的进一步改进：每重所述变流器均包括依次连接的双向AC-DC变换模块、中间直流回路以及双向DC-AC变换模块，通过所述中间直流回路进行直流电压的稳压，以及输入、输出之间的无功功率交换。
作为本发明装置的进一步改进：所述双向AC-DC变换模块和/或所述双向DC-AC变换模块的输出侧设置有控制开关，通过所述控制开关控制接入对应模块。
作为本发明装置的进一步改进：所述双向AC-DC变换模块、双向DC-AC变换模块为AFE功率单元。
作为本发明装置的进一步改进：每重所述变流器的直流侧还设置有储能系统，用于储存系统中多余能量或储能接入的列车制动能量。
作为本发明装置的进一步改进：每重所述变流器的一侧还设置有软充电电路，所述软充电电路包括充电控制开关以及充电电阻，通过所述充电控制开关控制接入所述充电电阻进行软充电。
本发明进一步提供利用上述牵引变电所用综合能源装置的控制方法，当两供电臂中其中一个供电臂处于列车制动工况时，将列车再生制动能量先回馈给牵引网，再控制对应侧的所述单相多绕组变压器接入所述再生制动能量进行降压，控制各重所述变流器对降压后电压进行变换，使得将所述再生制动能量转移至另一供电臂。
作为本发明控制方法的进一步改进：所述控制各重所述变流器对降压后电压进行变换具体包括控制各重变流器中双向AC-DC变换模块、双向DC-AC变换模块的输入、输出电流相位角。
作为本发明控制方法的进一步改进，还包括储能回馈控制步骤，具体步骤为：实时监测两供电臂中产生的再生制动能量的大小、以及所述变流器输出直流电压的波动状态，根据监测结果控制所述变流器中储能系统进行充放电。
作为本发明控制方法的进一步改进：所述控制所述变流器中储能系统进行充放电的具体控制步骤为：
若产生的再生制动能量大于另一供电臂所需牵引功率，且所述变流器的中间直流电压因能量的输入而抬升，控制使所述储能系统工作为充电模式；
若产生的再生制动能量小于另一供电臂所需牵引功率，且所述变流器的中间直流电压因能量的输出而降低，控制使所述储能系统工作为放电模式。
作为本发明控制方法的进一步改进：当两供电臂的列车均处于制动工况时，将一部分再生制动能量回馈到电网，所述控制系统控制两侧的所述单相多绕组变压器分别接入另一部分再生制动能量进行降压，控制各重所述变压器分别接收两个所述单相多绕组变压器输出的两路降压后电压进行变换，并将变换后能量分别储存至储能系统中。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1)本发明通过由两个单相多绕组变压器、多重变流器构成两供电臂之间的双向换流回路，当两供电臂产生列车制动能量时，控制系统通过单相多绕组变压器接入列车制动能量，经过各重变流器变换后可在两供电臂之间实现能量转移，从而可以充分列车制动工况下的能量，减少牵引网直接回馈给电力系统的能量，提高能量利用率，降低铁路变电所的运营成本，同时可以避免两供电臂供电不平衡，提高电网的电能质量及能量利用率；
2)本发明采用多重化并联结构，由多重化并联结构的变流器进行能量转换，能够极大的提高装置的容量，同时提高了装置的冗余度及运行可靠性，当存在变流器发生故障时，可直接切除该故障变流器而不影响整套装置的正常运行，避免了由单一变流器故障使得整套装置停机的状况；
3)本发明进一步每重变流器包括双向AC-DC变换模块、中间直流回路以及双向DC-AC变换模块，通过控制和稳定直流环电压，可以实现两臂有功功率转移，且AC-DC与DC-AC两侧可等效于两个独立的级联型无功发生器，从而可实现两供电臂的无功补偿、谐波治理等电能质量治理，有效提高能源质量；
4)本发明进一步在变流器的直流侧设置储能系统，通过储能系统将列车制动工况下的能量进行存储，当供电臂所需功率较大时，则可以由储能系统提供补充能量，通过切换储能系统的充放电工作模式，可以充分利用再生制动能量，实现能量的合理利用，有效提高能源利用率。
附图说明
图1是本实施例牵引变电所用综合能源装置的结构示意图。
图2是本发明具体实施例中综合能源装置在第一种工况下的能量回馈控制原理示意图。
图3是本发明具体实施例中综合能源装置在第二种工况下的能量回馈控制原理示意图。
图例说明：1、控制系统；2、单相多绕组变压器；3、变流器；31、双向AC-DC变换模块；32、中间直流回路；33、双向DC-AC变换模块；34、储能系统。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
如图1所示，本实施例牵引变电所用综合能源装置包括：相互连接的控制系统1以及分别与控制系统1连接的两个单相多绕组变压器2、多重变流器3，各重变流器3的两端分别对应连接两个单相多绕组变压器2的一个次级绕组，两个单相多绕组变压器2的初级绕组分别对应连接至两供电臂A/B，各重变流器3之间相互并联连接，各重变流器3分别通过两个单相多绕组变压器2连接两供电臂，每重变流器3为双向变流回路，即每重变流器3的输入输出两侧的能量可双向流通，各重变流器3与两个单相多绕组变压器2共同构成双向换流回路，控制系统1控制通过单相多绕组变压器2接入两供电臂中的列车制动能量，经过各重变流器3变换后将能量在两供电臂之间进行转移，以将能量提供给牵引网侧其他处于牵引工况的列车使用。
本实施例通过由两个单相多绕组变压器2、多重变流器3构成两供电臂之间的双向换流回路，当两供电臂产生列车制动能量时，控制系统1通过单相多绕组变压器2接入列车制动能量，经过各重变流器3变换后可在两供电臂之间实现能量转移，从而可以充分列车制动工况下的能量，减少牵引网直接回馈给电力系统的能量，提高能量利用率，降低铁路变电所的运营成本，同时可以避免两供电臂供电不平衡，提高电网的电能质量及能量利用率。
本实施例多重变流器3采用多重化并联结构，由多重化并联结构的变流器进行能量转换，能够极大的提高装置的容量，同时提高了装置的冗余度及运行可靠性，当存在变流器发生故障时，可直接切除该故障变流器而不影响整套装置的正常运行，避免了由单一变流器故障使得整套装置停机的状况。
如图1所示，本实施例中两个单相多绕组变压器2分别为降压变压器TP1、升压变压器TP2，降压变压器TP1的初级绕组通过断路器连接至供电臂A，升压变压器TP2的初级绕组通过断路器连接至供电臂B，降压变压器TP1、升压变压器TP2的每个次级绕组对应连接一重变流器3。每重变流器3均包括依次连接的双向AC-DC变换模块31、中间直流回路32以及双向DC-AC变换模块33，通过中间直流回路32进行直流电压的稳压，以及输入、输出之间的无功功率交换。采用上述结构的变流器，通过控制和稳定直流环电压，可以实现两臂有功功率转移，且AC-DC与DC-AC两侧可等效于两个独立的级联型无功发生器，从而可实现两供电臂的无功补偿、谐波治理等电能质量治理，有效提高能源质量。
本实施例中双向AC-DC变换模块31以及双向DC-AC变换模块33采用具体采用基于IGBT开关管器件的AFE(Active Front End，整流/回馈功率单元)功率单元，即每重变流器3包括依次连接第一AFE功率单元、中间直流回路32、第二AFE功率单元。
本实施例中，双向AC-DC变换模块31、双向DC-AC变换模块33的输出侧设置有控制开关(KM1、KM2)，通过控制开关控制接入对应模块，当存在模块发生故障时，可以通过控制开关切断故障模块，保障整套装置的正常运行。
本实施例中，每重变流器3中直流侧还设置有储能系统34，用于储存系统中多余能量或储能接入的列车制动能量，由储能系统34与双向AC-DC变换模块31、中间直流回路32、双向DC-AC变换模块33构成换流回路，储能系统34具体通过控制开关KM3控制接入变流器3的直流侧。通过储能系统34将列车制动工况下的能量进行存储，当供电臂所需功率较大时，则可以由储能系统34提供补充能量，从而合理利用列车制动能量，有效提高能源利用率。
本实施例中，每重变流器3的一侧还设置有软充电电路，软充电电路包括充电控制开关以及充电电阻，通过充电控制开关控制接入充电电阻进行软充电。
本实施例进一步利用上述牵引变电所用综合能源装置的控制方法，当两供电臂中其中一个供电臂处于列车制动工况时，将列车再生制动能量先回馈给牵引网，再控制对应侧的单相多绕组变压器2接入再生制动能量进行降压，控制各重变流器3对降压后电压进行变换，使得将再生制动能量转移至另一供电臂，以减少牵引网直接回馈给电力系统的能量，提高能量利用率，同时避免两供电臂负载不平衡。
本实施例中，控制各重变流器3对降压后电压进行变换具体包括控制各重变流器3中双向AC-DC变换模块31、双向DC-AC变换模块33的输入、输出电流相位角。具体通过设置传感器分别采集两供电臂的电压信号，以及各重变流器3输出侧的电流信号，发送给控制系统1，控制系统1将接收到的两供电臂的电压、电流信号作为同步信号，控制各重变流器3的输出电流，以控制使得变流器3中双向AC-DC变换模块31、双向DC-AC变换模块33的输出电流信号与对应侧供电臂的电压同相位，如供电臂B的电压信号与双向DC-AC变换模块33输出的电流信号同相位。
本实施例中，还包括储能回馈控制步骤，具体步骤为：实时监测两供电臂中产生的再生制动能量的大小、以及变流器3输出直流电压的波动状态，根据监测结果控制变流器3中储能系统34进行充放电，通过切换储能系统34的充放电工作模式，使得能够充分利用再生制动能量，实现能量的合理利用。
本实施例中，控制变流器3中储能系统34进行充放电的具体控制步骤为：
若产生的再生制动能量大于另一供电臂所需牵引功率，且变流器3的中间直流电压因能量的输入而抬升，控制使储能系统34工作为充电模式；
若产生的再生制动能量小于另一供电臂所需牵引功率，且变流器3的中间直流电压因能量的输出而降低，控制使储能系统34工作为放电模式。
以供电臂B产生再生制动能量的工况为例，如图2所示，其中箭头指向为换流回路的能量流动方向，当牵引网处于该工况时，将供电臂B的列车再生制动能量先回馈给27.5kV的牵引网，然后通过控制系统1控制各重变流器3的输入、输出电流相位角，使得列车的再生制动能量绝大部分都经变压器TP2、双向DC-AC变换模块33、双向AC-DC变换模块31、变压器TP1转移给供电臂A。此时，列车再生制动能量将直接在牵引网得到使用，使得回馈给电网的能量大幅降低，提高了牵引网电能的利用率，能够降低铁路变电所的运行成本。
进一步根据牵引网B臂制动回馈能量的大小，通过控制系统1监测各重变流器3输出直流电压的波动，控制储能系统34的工作方式：
若供电A臂所需牵引功率小于供电B臂再生制动能量，变流器3的中间直流电压因能量的输入而抬升，控制使储能系统34工作为充电模式；
若供电A臂所需牵引功率大于供电B臂再生制动能量，变流器3的中间直流电压会能量的输出而降低，控制使储能系统34工作为放电模式。
当A臂列车处于制动工况时，A臂产生的再生制动能量按照与上述相同的方法可以传递给B臂，以提供给B臂的列车牵引。
本实施例中，当两供电臂的列车均处于制动工况时，将一部分再生制动能量回馈到电网，控制系统1控制两侧的单相多绕组变压器2分别接入另一部分再生制动能量进行降压，控制各重变流器3分别接收两个单相多绕组变压器2输出的两路降压后电压进行变换，并将变换后能量分别储存至储能系统34中。
如图3所示，其中箭头指向为换流回路的能量流动方向，当两供电臂的列车均处于制动工况时，供电臂A、B两臂的列车再生制动能量，都将回馈给27.5kV的牵引网；一部分能量通过主牵引变压器到电网，另一部分受控制系统1的控制，依次经变压器TP2、双向DC-AC变换模块33、中间直流回路32、双向AC-DC变换模块31、变压器TP1，进入储能系统34进行储存，使得降低了制动能量回馈给电网的电量。储能系统34具体存储量可通过控制系统1进行控制。
上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (11)

1.一种牵引变电所用综合能源装置，其特征在于：包括相互连接的控制系统(1)以及分别与控制系统(1)连接的两个单相多绕组变压器(2)、多重变流器(3)，各重所述变流器(3)的两端分别通过两个所述单相多绕组变压器(2)连接两供电臂，每重所述变流器(3)为双向变流回路，所述控制系统(1)控制通过所述单相多绕组变压器(2)接入两供电臂中的列车制动能量，经过各重所述变流器(3)变换后将能量在两供电臂之间进行转移。
2.根据权利要求1所述的牵引变电所用综合能源装置，其特征在于：每重所述变流器(3)均包括依次连接的双向AC-DC变换模块(31)、中间直流回路(32)以及双向DC-AC变换模块(33)，通过所述中间直流回路(32)进行直流电压的稳压，以及输入、输出之间的无功功率交换。
3.根据权利要求2所述的牵引变电所用综合能源装置，其特征在于：所述双向AC-DC变换模块(31)和/或所述双向DC-AC变换模块(33)的输出侧设置有控制开关，通过所述控制开关控制接入对应模块。
4.根据权利要求3所述的牵引变电所用综合能源装置，其特征在于：所述双向AC-DC变换模块(31)、双向DC-AC变换模块(33)为AFE功率单元。
5.根据权利要求2或3或4所述的牵引变电所用综合能源装置，其特征在于：每重所述变流器(3)的直流侧还设置有储能系统(34)，用于储存系统中多余能量或储能接入的列车制动能量。
6.根据权利要求1～4中任意一项所述的牵引变电所用综合能源装置，其特征在于：每重所述变流器(3)的一侧还设置有软充电电路，所述软充电电路包括充电控制开关以及充电电阻，通过所述充电控制开关控制接入所述充电电阻进行软充电。
7.利用权利要求1～6中任意一项所述的牵引变电所用综合能源装置的控制方法，其特征在于，当两供电臂中其中一个供电臂处于列车制动工况时，将列车再生制动能量先回馈给牵引网，再控制对应侧的所述单相多绕组变压器(2)接入所述再生制动能量进行降压，控制各重所述变流器(3)对降压后电压进行变换，使得将所述再生制动能量转移至另一供电臂。
8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述控制各重所述变流器(3)对降压后电压进行变换具体包括控制各重变流器(3)中双向AC-DC变换模块(31)、双向DC-AC变换模块(33)的输入、输出电流相位角。
9.根据权利要求7或8所述的控制方法，其特征在于还包括储能回馈控制步骤，具体步骤为：实时监测两供电臂中产生的再生制动能量的大小、以及所述变流器(3)输出直流电压的波动状态，根据监测结果控制所述变流器(3)中储能系统(34)进行充放电。
10.根据权利要求9所述的控制方法，其特征在于，所述控制所述变流器(3)中储能系统(34)进行充放电的具体控制步骤为：
若产生的再生制动能量大于另一供电臂所需牵引功率，且所述变流器(3)的中间直流电压因能量的输入而抬升，控制使所述储能系统(34)工作为充电模式；
若产生的再生制动能量小于另一供电臂所需牵引功率，且所述变流器(3)的中间直流电压因能量的输出而降低，控制使所述储能系统(34)工作为放电模式。
11.根据权利要求7或8所述的控制方法，其特征在于，当两供电臂的列车均处于制动工况时，将一部分再生制动能量回馈到电网，所述控制系统(1)控制两侧的所述单相多绕组变压器(2)分别接入另一部分再生制动能量进行降压，控制各重所述变压器(3)分别接收两个所述单相多绕组变压器(2)输出的两路降压后电压进行变换，并将变换后能量分别储存至储能系统(34)中。
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