CN110601242B

CN110601242B - 一种牵引变电所供电储能构造及其控制方法

Info

Publication number: CN110601242B
Application number: CN201911001843.2A
Authority: CN
Inventors: 李群湛; 黄小红; 解绍锋; 郭锴; 易东; 高圣夫
Original assignee: Southwest Jiaotong University; Beijing Shanghai High Speed Railway Co Ltd
Current assignee: Southwest Jiaotong University; Beijing Shanghai High Speed Railway Co Ltd
Priority date: 2019-10-21
Filing date: 2019-10-21
Publication date: 2024-06-11
Anticipated expiration: 2039-10-21
Also published as: CN110601242A

Abstract

本发明公开了一种牵引变电所供电储能构造及其控制方法，涉及电气化铁路供电技术领域。电流互感器串接于工作馈线，单相交直交变流器两个交流侧分别与两路工作母线上对应的一组工作馈线连接；储能装置的两组交直变流器的交流侧分别与两路工作母线上对应的另一组工作馈线连接，交直变流器和储能设备的直流侧连接，控制器信号端与电流互感器二次侧连接，控制器双向信号端口分别与交直交变流器、交直变流器和储能设备的控制端口连接。还公开了控制方法，使其具有实施储能节支和负序补偿功能，不仅优化电气化铁路牵引变电所经济节能运行，达到牵引负荷消峰，降低运行费用，有效利用列车再生制动能量，还治理了牵引变电所的负序问题。

Description

一种牵引变电所供电储能构造及其控制方法

技术领域

本发明涉及电气化铁路供电技术领域。

背景技术

牵引变压器普遍存在负载率低，导致牵引供电系统设备利用效率低，运行成本高。削峰填谷作为电力负荷重要的管理措施，可以缓和牵引负荷波动，缓解峰值功率对系统和设备带来的压力。即在负荷高峰时放电，在负荷低谷时充电。利用储能装置削峰填谷的特点，有利于提高变电设备利用率，节省设备扩容、更新费用，降低牵引供电成本。

基于以上因素，为进一步优化电气化铁路牵引变电所经济节能运行，提出一种电气化铁路同相储能供电构造及控制方法。本课题组于2017年7月5日申请了专利《一种电气化铁路储能同相供电装置及其控制方法》(申请公布号：CN107104444A)，公开了一种电气化铁路储能同相供电装置，采用了单相背靠背变流器和储能器构造，并公布了其削峰填谷实时控制策略和负序控制策略。并于2019年4月24时申请了另一类型同相储能装置《一种电气化铁路同相储能供电构造及其控制方法》(申请号：101910332002.3)，基于三相交-直变流器、DC/DC变换器和储能器，采用了分类分组结构，便于按需扩展，并提出按功能区间分类进行充放电控制和电能质量补偿控制，有利于提高再生制动能量利用率和储能装置容量利用率。然而，上述发明主要针对电气化铁道同相供电技术。

目前电气化铁路中较多采用传统牵引变电所，传统牵引变电所有两个供电臂，由于每个供电臂的牵引负荷分布不均，产生负序问题，引起电力系统三相电压不平衡。因此，如何解决传统牵引变电所电气化铁路削峰填谷和负序补偿是急需研究的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于牵引变电所供电储能构造及其控制方法，它能有效地解决电气化铁路牵引变电所经济节能运行的技术问题。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种牵引变电所供电储能构造，包括牵引变电所用于向电气化铁路供电臂提供电能的馈入线和工作母线，所述馈入线分为第一馈入线F₁和第二馈入线F₂，工作母线分为第一工作母线BB₁和第二工作母线BB₂；第一工作母线BB₁通过第一馈入线F₁接入电源，第二工作母线BB₂通过第二馈入线F₂接入电源；由第一工作母线BB₁和第二工作母线BB₂各自引出工作馈线，共计六路，分别记为第一工作馈线F₁₁、第二工作馈线F₁₂、第三工作馈线F₁₃，第四工作馈线F₂₁、第五工作馈线F₂₂、第六工作馈线F₂₃；所述工作馈线设有电流互感器，其中，第一工作馈线F₁₁设有第一电流互感器CT₁₁、第二工作馈线F₁₂设有第二电流互感器CT₁₂、第三工作馈线F₁₃设有第三电流互感器CT₁₃、第四工作馈线F₂₁设有第四电流互感器CT₂₁、第五工作馈线F₂₂设有第五电流互感器CT₂₂、第六工作馈线F₂₃设有第五电流互感器CT₂₃；其中，第一工作馈线F₁₁、第四工作馈线F₂₁分别向各自供电臂的电力机车供电；单相交直交变流器ADA的两个交流侧分别与第三工作馈线F13、第六工作馈线F₂₃连接，用于负序超标时补偿系统负序；储能装置包括第一交直变流器AD₁、第二交直变流器AD₂和储能设备SD，第一交直变流器AD₁的交流侧与第二工作馈线F12连接，第二交直变流器AD₂的交流侧与第五工作馈线F₂₂连接，第一交直变流器AD1的直流侧、第二交直变流器AD2的直流侧均与储能装置SD直流侧连接，用于削峰填谷充放电控制；控制器CD的信号端P₁～P₆钮分别与第一电流互感器CT₁₁、第二电流互感器CT₁₂、第三电流互感器CT₁₃、第四电流互感器CT₂₁、第五电流互感器CT₂₂和第六电流互感器CT₂₃的输出端连接，所述控制器CD的双向信号端P₇～P₁₀钮分别与第一交直变流器AD₁、第二交直变流器AD₂、储能设备SD、单相交直交变流器ADA的控制端相连。

一种牵引变电所供电储能构造的控制方法，记第一电流互感器CT₁₁的电流为I₁₁，第二电流互感器CT₁₂的电流为I₁₂，第三电流互感器CT₁₃的电流为I₁₃、第四电流互感器CT₂₁的电流为I₂₁、第五电流互感器CT₂₂的电流为I₂₂、第六电流互感器CT₂₃电流为I₂₃，牵引负荷功率因数牵引负荷阈值电流为I_ref，其特征在于：当I₁₁+I₂₁>I_ref时：

(1)若I₁₁≥0，且I₂₁≥0，则控制器CD控制第一交直变流器AD₁、第二交直变流器AD₂以及储能设备SD向第一工作母线BB₁和第二工作母线BB₂放电，放电比例为和放电总电流大于或等于I₁₁+I₂₁-I_ref；

(2)若I₂₁<0，则控制器CD控制第一交直变流器AD₁向第一工作母线BB₁放电，放电电流大于或等于I₁₁+I₂₁-I_ref；

(3)若I₁₁<0，则控制器CD控制第二交直变流器AD₂向第二工作母线BB₂放电，放电电流大于或等于I₁₁+I₂₁-I_ref。

当I₁₁+I₂₁<I_ref时：

(1)若I₁₁>0，且I₂₁>0，则控制器CD控制第一交直变流器AD₁、第二交直变流器AD₂分别由第一工作母线BB₁、第二工作母线BB₂向储能设备SD充电，充电比例为和充电总电流小于或等于I_ref-I₁₁+I₂₁；

(2)若I₁₁>0，且I₂₁<0，则控制器CD控制第二交直变流器AD₂由第二工作母线BB₂向储能设备SD充电，充电电流小于或等于I_ref-I₁₁+I₂₁；

(3)若I₁₁<0，且I₂₁>0，则控制器CD控制第一交直变流器AD₁由第一工作母线BB₁向储能设备SD充电，充电电流小于或等于I_ref-I₁₁+I₂₁；

(4)若I₁₁<0，且I₂₁<0，则控制器CD控制第一交直变流器AD₁、第二交直变流器AD₂分别由第一工作母线BB₁、第二工作母线BB₂向储能设备SD充电，充电比例为和充电总电流小于或等于I_ref-I₁₁+I₂₁。

当第一馈入线F₁和第二馈入线F₂产生的负序电流>国标允许值时，控制器CD控制单相交直交变流器ADA进行第一馈入线F₁和第二馈入线F₂的功率调度，调度量为[(I₁₁+I₁₂)-(I₂₁+I₂₂)]/p，p≥2。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明可实现异相牵引供电系统储能节支经济运行。

2、本发明兼顾牵引变电所削峰填谷和负序补偿双重功能。

3、本发明控制方法简单，易于实施。

附图说明

图1是本发明实施例一中电路构造示意图。

图2是本发明实施例二中控制方法流程图。

图3是本发明实施例三中的负序补偿控制方法流程图。

具体实施方式

本发明的工作原理是：通过检测两牵引臂馈线电流值来判别牵引变电所负荷大小，控制储能装置放电，进行削峰填谷，缓和牵引负荷剧烈波动，优化电气化铁路牵引变电所经济节能运行；对两牵引供电臂功率进行调度，实施负序补偿。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的描述。

实施例一

如图1所示，本发明实施例提供了一种牵引变电所供电储能构造，用于牵引变电所削峰填谷和负序补偿的供电储能构造，其中，所述牵引变电供电储能构造包括用于向电气化铁路牵引变电所两侧的供电臂提供电能的馈入线、工作母线和工作馈线、用于负序超标时补偿系统负序的单相交直交变流器ADA、用于削峰填谷充放电控制的储能装置、用于检测馈线电流的电流互感器和用于协调储能装置实时充放电控制和负序补偿控制的控制器CD。

所述的馈入线为第一馈入线F₁和第二馈入线F₂，所述的工作母线为第一工作母线BB₁和第二工作母线BB₂，所述的工作馈线为第一工作馈线F₁₁、第二工作馈线F₁₂、第三工作馈线F₁₃、第四工作馈线F₂₁、第五工作馈线F₂₂和第六工作馈线F₂₃，所述第一工作母线BB₁通过第一馈入线F₁引入电源，所述第二工作母线BB₂通过第二馈入线F₂引入电源，所述第一工作馈线F₁₁、第二工作馈线F₁₂和第三工作馈线F₁₃与第一工作母线BB₁连接，所述第四工作馈线F₂₁、第五工作馈线F₂₂和第六工作馈线F₂₃与第二工作母线BB₂连接，分别向各自供电臂的电力机车供电。

所述单相交直交变流器ADA两个交流侧分别与第三工作馈线F13和第六工作馈线F₂₃连接；

所述储能装置包括第一交直变流器AD₁、第二交直变流器AD₂和储能设备SD，所述第一交直变流器AD₁交流侧与第二工作馈线F12连接，所述第二交直变流器AD₂交流侧与第五工作馈线F₂₂连接，所述第一交直变流器AD1直流侧、第二交直变流器AD2直流侧和储能装置SD直流流侧连接；

所述电流互感器为第一电流互感器CT₁₁、第二电流互感器CT₁₂、第三电流互感器CT₁₃、第四电流互感器CT₂₁、第五电流互感器CT₂₂和第六电流互感器CT₂₃，所述第一电流互感器CT₁₁、第二电流互感器CT₁₂、第三电流互感器CT₁₃、第四电流互感器CT₂₁、第五电流互感器CT₂₂和第六电流互感器CT₂₃分别安装于第一工作馈线F₁₁、第二工作馈线F₁₂、第三工作馈线F₁₃、第四工作馈线F₂₁、第五工作馈线F₂₂和第六工作馈线F₂₃；

所述控制器CD的信号端钮P₁-P₆分别与第一电流互感器CT₁₁、第二电流互感器CT₁₂、第三电流互感器CT₁₃、第四电流互感器CT₂₁、第五电流互感器CT₂₂和第六电流互感器CT₂₃的输出端连接，所述控制器CD的双向信号端钮P₇-P₁₀分别与第一交直变流器AD₁的控制端、第二交直变流器AD₂的控制端、储能设备SD的控制端和单相交直交变流器ADA的控制端相连。

实施例二

如图2所示，本发明实施例提供了一种牵引变电所供电储能构造及其控制方法，用于牵引变电所供电储能构造的削峰填谷和负序补偿，其中，记第一电流互感器CT₁₁电流为I₁₁，第二电流互感器CT₁₂电流为I₁₂，第三电流互感器CT₁₃电流为I₁₃、第四电流互感器CT₂₁为I₂₁、第五电流互感器CT₂₂为I₂₂和第六电流互感器CT₂₃电流为I₂₃。目前高速铁路主要以交直交电力机车为主，其功率因数高，其值接近于1，此处记牵引负荷功率因数在两部电价制实施情况下，因牵引变压器容量利用率较低，牵引供电系统基本电费一般采用最大需量作为电价计费方式。最大需量以用户申请，电力企业核准数为准，超过核准数的部分，加倍收费。用户申请最大需量低于变压器与高压电动机容量总和的40％时，则按总容量的40％核定最大需量；但如果电网负荷紧张时，供电企业限制用户最大需量低于容量40％时，可按低于40％的容量核定。牵引变电所最大需量契约值对应的牵引负荷电流称为牵引负荷阈值电流，记为I_ref。当牵引负荷大于最大需量核准契约值时，牵引变电所总负荷电流也随之大于阈值电流I_ref，面临加倍收费。

(1)当I₁₁+I₂₁>I_ref：

(a)若I₁₁≥0，且I₂₁≥0，即，第一工作馈线F₁₁和第四工作馈线F₂₁上的电力机车均处于牵引工况，则控制器CD控制第一交直变流器AD₁、第二交直变流器AD₂和储能设备SD向第一工作母线BB₁和第二工作母线BB₂同时放电，放电比例为和/>控制放电总电流大于或等于I₁₁+I₂₁-I_ref，实现牵引变电所负荷的削峰，避免负荷超过最大需量核准契约值，缓和牵引负荷的波动；

(b)若I₂₁<0，即，第一工作馈线F₁₁上的电力机车处于牵引工况，第四工作馈线F₂₁上的电力机车处于再生制动工况，则控制器CD控制第一交直变流器AD₁向第一工作母线BB₁放电，放电电流大于或等于(I₁₁+I₂₁-I_ref)；

(c)若I₁₁<0，即，第一工作馈线F₁₁上的电力机车处于再生制动工况，第四工作馈线F₂₁上的电力机车处于牵引工况，则控制器CD控制第二交直变流器AD₂向第二工作母线BB₂放电，放电电流大于或等于(I₁₁+I₂₁-I_ref)；

(2)当I₁₁+I₂₁<I_ref：

(a)若I₁₁>0，且I₂₁>0，即，第一工作馈线F₁₁和第四工作馈线F₂₁上的电力机车均处于牵引工况，则控制器CD分别控制第一交直变流器AD₁和第二交直变流器AD₂由第一工作母线BB₁和第二工作母线BB₂向储能设备SD充电，充电比例为和/>控制充电总电流小于或等于(I_ref-I₁₁+I₂₁)，实现牵引变电所负荷的填谷，避免负荷超过最大需量核准契约值，补充储能设备SD的能量，缓和牵引负荷的波动；

(b)若I₁₁>0，且I₂₁<0，即，第一工作馈线F₁₁上的电力机车处于牵引工况，第四工作馈线F₂₁上的电力机车处于再生制动工况，则控制器CD控制第二交直变流器AD₂由第二工作母线BB₂向储能设备SD充电，充电电流小于或等于(I_ref-I₁₁+I₂₁)；

(c)若I₁₁<0，且I₂₁>0，即，第一工作馈线F₁₁上的电力机车处于再生制动工况，第四工作馈线F₂₁上的电力机车处于牵引工况，则控制器CD控制第一交直变流器AD₁由第一工作母线BB₁向储能设备SD充电，充电电流小于或等于(I_ref-I₁₁+I₂₁)；

(d)若I₁₁<0，且I₂₁<0，即，第一工作馈线F₁₁和第四工作馈线F₂₁上的电力机车均处于再生制动工况，则控制器CD分别控制第一交直变流器AD₁和第二交直变流器AD₂由第一工作母线BB₁和第二工作母线BB₂向储能设备SD充电，充电比例为和/>充电总电流小于或等于(I_ref-I₁₁+I₂₁)。

实施例三

如图3所示，本发明实施例提供了一种牵引变电所供电储能构造及其控制方法，用于牵引变电所供电储能构造的削峰填谷和负序补偿，当第一馈入线F₁和第二馈入线F₂产生的负序电流>国标允许值时，控制器CD控制单相交直交变流器ADA进行第一馈入线F₁和第二馈入线F₂的功率调度，调度量为[(I₁₁+I₁₂)-(I₂₁+I₂₂)]/p，p≥2。

负序电流会引起公共连接点电压不平衡。根据国标GB/T 15543-2008中对电压不平衡度限值要求，电力系统公共连接点电压不平衡度限值为：电网正常运行时，负序电压不平衡度不超过2％，短时不得超过4％。对于公共连接点的每个用户引起该点负序电压不衡度允许值一般为1.3％，短时不超过2.6％。

对于电气化铁路牵引变电所三相/两相接线变压器，可通过第一工作母线BB₁和第二工作母线BB₂之间的功率(电流)调度来降低三相电力系统电压不平衡度。理想情况下电压不平衡度可降为0，此时调度量最大，p取值2，实际中可根据国标要求合理选择调度量。

因此，本发明实施例有利于优化电气化铁路牵引变电所储能节支经济节能运行，从而达到牵引负荷消峰和降低系统运行费用，也能有效利用列车再生制动能量。同时，本发明实施例能够治理电压不平衡度在国标规定的范围内。

Claims

1.一种牵引变电所供电储能构造的控制方法，包括牵引变电所用于向电气化铁路供电臂提供电能的馈入线和工作母线，所述馈入线分为第一馈入线F₁和第二馈入线F₂，工作母线分为第一工作母线BB₁和第二工作母线BB₂；第一工作母线BB₁通过第一馈入线F₁接入电源，第二工作母线BB₂通过第二馈入线F₂接入电源；其特征在于：由第一工作母线BB₁和第二工作母线BB₂各自引出工作馈线，共计六路，分别记为第一工作馈线F₁₁、第二工作馈线F₁₂、第三工作馈线F₁₃，第四工作馈线F₂₁、第五工作馈线F₂₂、第六工作馈线F₂₃；所述工作馈线设有电流互感器，其中，第一工作馈线F₁₁设有第一电流互感器CT₁₁、第二工作馈线F₁₂设有第二电流互感器CT₁₂、第三工作馈线F₁₃设有第三电流互感器CT₁₃、第四工作馈线F₂₁设有第四电流互感器CT₂₁、第五工作馈线F₂₂设有第五电流互感器CT₂₂、第六工作馈线F₂₃设有第五电流互感器CT₂₃；其中，第一工作馈线F₁₁、第四工作馈线F₂₁分别向处于各自供电臂的电力机车供电；单相交直交变流器ADA的两个交流侧分别与第三工作馈线F13、第六工作馈线F₂₃连接，用于负序超标时补偿系统负序；储能装置包括第一交直变流器AD₁、第二交直变流器AD₂和储能设备SD，第一交直变流器AD₁的交流侧与第二工作馈线F12连接，第二交直变流器AD₂的交流侧与第五工作馈线F₂₂连接，第一交直变流器AD1的直流侧、第二交直变流器AD2的直流侧均与储能装置SD直流侧连接，用于削峰填谷充放电控制；控制器CD的信号端P₁~P₆钮分别与第一电流互感器CT₁₁、第二电流互感器CT₁₂、第三电流互感器CT₁₃、第四电流互感器CT₂₁、第五电流互感器CT₂₂和第六电流互感器CT₂₃的输出端连接，所述控制器CD的双向信号端P₇~P₁₀钮分别与第一交直变流器AD₁、第二交直变流器AD₂、储能设备SD、单相交直交变流器ADA的控制端相连;

记第一电流互感器CT₁₁的电流为I₁₁，第二电流互感器CT₁₂的电流为I₁₂，第三电流互感器CT₁₃的电流为I₁₃、第四电流互感器CT₂₁的电流为I₂₁、第五电流互感器CT₂₂的电流为I₂₂、第六电流互感器CT₂₃电流为I₂₃，牵引负荷功率因数cosφ=1，牵引负荷阈值电流为I_ref，其特征在于：当I₁₁ +I₂₁>I_ref时：

（1）若I₁₁≥0，且I₂₁≥0，则控制器CD控制第一交直变流器AD₁、第二交直变流器AD₂以及储能设备SD向第一工作母线BB₁和第二工作母线BB₂放电，放电比例为和/>，放电总电流大于或等于I₁₁ +I₂₁-I_ref；

（2）若I₂₁<0，则控制器CD控制第一交直变流器AD₁向第一工作母线BB₁放电，放电电流大于或等于I₁₁ +I₂₁-I_ref；

（3）若I₁₁<0，则控制器CD控制第二交直变流器AD₂向第二工作母线BB₂放电，放电电流大于或等于I₁₁ +I₂₁-I_ref。

2.根据权利要求1所述的一种牵引变电所供电储能构造的控制方法，其特征在于：当I₁₁+I₂₁<I_ref时：

（1）若I₁₁>0，且I₂₁>0，则控制器CD控制第一交直变流器AD₁、第二交直变流器AD₂分别由第一工作母线BB₁、第二工作母线BB₂向储能设备SD充电，充电比例为和，充电总电流小于或等于I_ref -I₁₁ +I₂₁；

（2）若I₁₁>0，且I₂₁<0，则控制器CD控制第二交直变流器AD₂由第二工作母线BB₂向储能设备SD充电，充电电流小于或等于I_ref -I₁₁ +I₂₁；

（3）若I₁₁<0，且I₂₁>0，则控制器CD控制第一交直变流器AD₁由第一工作母线BB₁向储能设备SD充电，充电电流小于或等于I_ref -I₁₁ +I₂₁；

（4）若I₁₁<0，且I₂₁<0，则控制器CD控制第一交直变流器AD₁、第二交直变流器AD₂分别由第一工作母线BB₁、第二工作母线BB₂向储能设备SD充电，充电比例为和，充电总电流小于或等于I_ref -I₁₁ +I₂₁。

3.根据权利要求1所述的一种牵引变电所供电储能构造的控制方法，其特征在于：当第一馈入线F₁和第二馈入线F₂产生的负序电流>国标允许值时，控制器CD控制单相交直交变流器ADA进行第一馈入线F₁和第二馈入线F₂的功率调度，调度量为[(I₁₁+I₁₂)-(I₂₁+I₂₂)]/p，p≥2。