CN110816367B - 一种城市轨道交通制动能量分布式协同吸收方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种城市轨道交通制动能量分布式协同吸收方法，通过控制牵引变电所制动能量利用装置的吸收电压，从而触发相邻站制动能量利用装置投入工作，使得列车进站时的再生制动峰值功率能被多个相邻站的能量利用装置共同吸收，减小对单个站的功率冲击，有利于再生制动能量在地铁系统内部更好的被利用，降低电能反送城市电网的概率。

Description

一种城市轨道交通制动能量分布式协同吸收方法

技术领域

本发明涉及城市轨道交通技术领域，具体涉及一种城市轨道交通制动能量分布式协同吸收方法。

背景技术

目前，城市轨道交通的牵引供电系统主要由牵引变电所101、牵引网100两部分组成。直流牵引变电所101将三相高压交流电10kV/35kV整流成适合列车运行的DC750V/1500V。馈电线102将牵引变电所的直流电送到接触网和第三轨上。接触网103是沿着列车走行轨104而架设的供电线路，列车通过受电弓与接触网(第三轨)的接触而获得电力。其中走行轨104构成了牵引供电回路的一部分，回流线105将轨道回流引向牵引变电所。结构示意图如图1所示。

地铁常用制动模式下，制动方式可以分为电气制动和机械制动。电气制动分为再生制动和电阻制动。地铁列车在再生制动时，电机处于发电状态，当前的轨道交通列车再生制动能量利用装置较多采用恒压吸收方法，当车辆再生制动使直流电压超过规定值时，双向变流器启动并从直流母线吸收电流，将再生电能逆变成工频交流电回馈至牵引变电所交流设备母线或存储在牵引所储能装置中。

目前存在问题如下：1、列车集中进站造成短时回馈电流大，单个站要完全吸收这部分能量，需配置相应功率的制动能量利用装置，造成装置成本提高；2、当列车紧急制动时，启动制动能量利用装置进行能量吸收后，由于接触线或第三轨阻抗的存在，直流网压仍会抬高超过安全限值，这时列车需要启用器械制动来配合停车，这部分能量被闸瓦磨损消耗掉，没有进行有效回收利用；3、制动能量利用装置采用目前的能量吸收方式，由于单个车站能量集中很短的时间返回，造成中压环网网压抬高，部分能量没有在地铁系统内部消纳而直接返回到电力系统其他用户端，没有给地铁公司带来直接的经济效益，地铁运营单位也提出了改进要求。

根据能量的处理方式，制动能量利有装置包括储存型、耗能型和馈能型，目前应用较广的为中压能馈装置和超级电容储能装置，统称为制动能量利用装置。

中压能馈装置就是吸收车辆再生制动产生的能量转变成交流电能的转换装置。逆变吸收装置可以设置在牵引变电所或降压变电所，逆变吸收装置主要采用电力电子器件大功率晶闸管构成三相逆变器，逆变器直流侧与牵引所中的直流开关柜母线相连，其交流侧通过变压器接到地铁中压网络。当车辆再生制动使直流电压超过规定值，逆变器启动并从直流母线吸收电流，将再生直流电能逆变成工频交流电回馈至牵引变电所交流设备母线。

地面式超级电容储能系统安装于牵引变电所内，与直流牵引网并联，实际工作中通过控制双向DC/DC变换器实现地面式超级电容储能系统与列车间的能量交互。超级电容是容值可达数千法拉的电容器，具有其它储能器件不可比拟的优势，其充放电过程无能量转换，直接以电势能的形式存储，效率很高。随着双电层电容器的发明，其高表面积电极和双电层结构大大增加了电容储能的能量密度，使其能够有更广阔的应用空间。虽然超级电容的能量密度相比其他两种储能方式较小，但因其功率密度高，循环寿命长，技术相对成熟等因素，在地铁频繁制动的工况条件下，可以承受地铁启动、制动时的瞬时峰值功率波动，更适合城市轨道交通再生能量回收。

当前，如何高效和充分地回收利用再生制动能量，成为现代城市地铁亟需解决的问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明旨在提供一种城市轨道交通制动能量分布式协同吸收方法，在列车制动时，随着制动功率增大，允许各变电所制动能量利用装置吸收电压在一定范围内按照虚拟电阻的特性线性升高，均衡相邻站装置的吸收电流，减少制动电流对牵引网的冲击。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种城市轨道交通制动能量分布式协同吸收方法，如下：

依据列车在牵引供电系统中的所处位置，当列车即时位置处的一侧有两个牵引变电所，另一侧没有牵引变电所时，电流差的平方和判据表示为：

其中，U为列车处牵引网压，i₁、i₂分别是两个牵引变电所S₁、S₂所处回路的回路电流，I_train是列车的制动电流，U₁和U₂分别为两个牵引变电所S₁、S₂的电压，列车即时位置处与两个牵引变电所之间的供电网络阻抗分别为R₁、R₂；

可得约束条件如下：

控制U₁＝U₂，式(1)有最小值时，可得两个牵引变电所S₁、S₂的虚拟阻抗r₁、r₂应满足下述关系：

r₂＝R₁+r₁ (3)；

通过控制两个牵引变电所的虚拟阻抗满足式(3)的关系，可实现两个牵引变电所吸收的列车制动电流的均衡。

进一步地，在本技术方案中，具体通过获取列车的即时位置，继而计算列车的即时位置处与各牵引变电所的相对位置，通过线路阻抗与即时位置信息计算获得列车即时位置处与两个牵引变电所之间的供电网络阻抗R₁、R₂。

作为另一个技术方案，本发明还提供一种城市轨道交通制动能量分布式协同吸收方法，如下：

依据列车在牵引供电系统中的所处位置，当列车即时位置处的一侧有两个、另一侧有一个牵引变电所时，电流差的平方和判据表示为：

U为列车处牵引网压，i₁、i₂、i₃分别是三个牵引变电所S₁、S₂、S₃所处回路的回路电流，I_train是列车的制动电流，U₁、U₂、U₃分别为三个牵引变电所S₁、S₂、S₃的电压，列车即时位置处与三个牵引变电所之间的供电网络阻抗分别为R₁、R₂、R₃；

可得约束条件如下：

控制U₁＝U₂＝U₃，式(4)有最小值时，可得牵引变电所S₁、S₂、S₃的虚拟阻抗r₁、r₂、r₃应满足下述关系：

通过控制三个牵引变电所的虚拟阻抗满足式(6)的关系，可实现三个牵引变电所吸收的列车制动电流的均衡。

进一步地，在本技术方案中，具体通过获取列车的即时位置，继而计算列车的即时位置处与各牵引变电所的相对位置，通过线路阻抗与即时位置信息计算获得列车即时位置处与三个牵引变电所之间的供电网络阻抗R₁、R₂、R₃。

作为另一个技术方案，本发明还提供一种城市轨道交通制动能量分布式协同吸收方法，如下：

依据列车在牵引供电系统中的所处位置，列车的即时位置处两侧各有两个牵引变电所时，电流差的平方和判据具体表述为：

可得约束条件如下：

其中，U为列车处牵引网压，i₁、i₂、i₃、i₄分别是四个牵引变电所S₁、S₂、S₃、S₄所处回路的回路电流，I_train是列车的制动电流，U₁、U₂、U₃、U₄分别为四个牵引变电所S₁、S₂、S₃、S₄的电压，列车即时位置处与四个牵引变电所之间的供电网络阻抗分别为R₁、R₂、R₃、R₄；

控制U₁＝U₂＝U₃＝U₄，式(7)有最小值时，可得牵引变电所S₁、S₂、S₃、S₄的虚拟阻抗r₁、r₂、r₃、r₄应满足下述关系：

通过控制四个牵引变电所的虚拟阻抗满足式(9)的关系，可实现四个牵引变电所吸收的列车制动电流的均衡。

进一步地，在本技术方案中，具体通过获取列车的即时位置，继而计算列车的即时位置处与各牵引变电所的相对位置，通过线路阻抗与即时位置信息计算获得列车即时位置处与四个牵引变电所之间的供电网络阻抗R₁、R₂、R₃、R₄。

本发明的有益效果在于：本发明方法通过控制牵引变电所制动能量利用装置的吸收电压，从而触发相邻站能制动能量利用装置投入工作，使得列车进站时的再生制动峰值功率能被多个相邻站的能量利用装置共同吸收，可以避免靠近列车的变电所吸收了大部分能量，进而减小对单个站的功率冲击，有利于再生制动能量在地铁系统内部更好的被利用，降低电能反送城市电网的概率。

附图说明

图1为现有的牵引供电系统组成示意图；

图2为列车车站的系统框图；

图3为本发明实施例中第1)种情况的等效拓扑与相关电气量示意图；

图4为本发明实施例中第2)种情况的等效拓扑与相关电气量示意图；

图5为本发明实施例中第4)种情况的等效拓扑与相关电气量示意图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明作进一步的描述，需要说明的是，本实施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围并不限于本实施例。

本实施例提供一种城市轨道交通制动能量分布式协同吸收方法。

在本实例中，每站系统框图如图2所示。列车在电气制动过程中，会向加装制动能量利用装置的牵引变电所回馈制动能量，由于变电所和变电所之间的接触网有阻抗，因此距离列车两侧远一些的变电所只吸收很少的制动能量，大部分能量都是列车两侧邻近的变电所吸收的。所以，在考虑制动时的等效拓扑时，暂时只考虑左右两侧邻近的各两个牵引变电所吸收制动能量。

牵引变电所的位置设计主要考虑线路条件、供电距离、车辆信息、成本分析等因素，在线路建设完成后，牵引变电所位置不会发生变化，为方便施工安装，制动能量吸收装置一般都与牵引变电所合建。以DC1500V为例，一般相邻牵引变电所之间的距离在2-3公里，最短1公里、最长4公里，牵引变电所间距按照常规2-3公里设计，相邻两个牵引变电所，列车制动时制动位置距最远的牵引变电所在6公里左右。

列车制动过程中，依据列车在牵引供电系统中的所处位置，实际工况归纳为下述三种等效拓扑：

1)列车的一侧有两个牵引变电所，另一侧没有牵引变电所；

2)列车的一侧有两个、另一侧有一个牵引变电所；

3)列车的两侧各有两个牵引变电所。

由于城市轨道交通牵引变电所的布置是根据线路设计沿线分布，可以简单理解为延一条线顺序排列。如果某条线路有多个变电所，列车制动位置发生在线路中间，由近及远，列车每侧的牵引所数量会大于两个(如整条线路6个牵引变电所，列车发生制动时，可能是两侧各3个牵引变电所)。但是由于牵引变电所距离列车制动位置越来越远，线路阻抗的影响，可吸收的制动电能会相应减少，所以此处没有再继续延伸至多个牵引变电所考虑。

因此，本实施例分别面向三种拓扑进行描述。

对于第1)种等效拓扑：

第1)种等效拓扑与相关电气量如图3所示。其中，U为列车处牵引网压，i₁、i₂分别是距离列车即时位置处最近的两个牵引变电所S₁、S₂所处回路的回路电流，I_train是列车的制动电流，U₁和U₂分别为两个牵引变电所S₁、S₂的电压，列车即时位置处与两个牵引变电所之间的供电网络阻抗分别为R₁、R₂；电流差的平方和判据表示为：

从系统拓扑可得约束条件如下：

为实现快速在线求解，采用工程简化方法，控制U₁＝U₂，式(1)有最小值时，可得两个牵引变电所S₁、S₂的虚拟阻抗r₁、r₂应满足下述关系：

r₂＝R₁+r₁ (3)；

通过控制两个牵引变电所的虚拟阻抗满足式(3)的关系，可实现两个牵引变电所吸收的列车制动电流的均衡。

对于第2)种等效拓扑：

在第2)种等效拓扑中，等效拓扑与相关电气量如图4所示。其中，U为列车处牵引网压，i₁、i₂、i₃分别是距离列车即时位置处最近的三个牵引变电所S₁、S₂、S₃所处回路的回路电流，I_train是列车的制动电流，U₁、U₂、U₃分别为三个牵引变电所S₁、S₂、S₃的电压，列车即时位置处与三个牵引变电所之间的供电网络阻抗分别为R₁、R₂、R₃；电流差的平方和判据表示为：

从系统拓扑可得约束条件

为实现快速在线求解，采用工程简化方法，控制U₁＝U₂＝U₃，式(4)有最小值时，可得牵引变电所S₁、S₂、S₃的虚拟阻抗r₁、r₂、r₃应满足下述关系：

通过控制三个牵引变电所的虚拟阻抗满足式(6)的关系，可实现三个牵引变电所吸收的列车制动电流的均衡；

对于第3)种等效拓扑：

在第3)种等效拓扑下列车制动时的电流流向如图5所示。其中，U为列车处牵引网压，i₁、i₂、i₃、i₄分别是距离列车即时位置处最近的四个牵引变电所S₁、S₂、S₃、S₄所处回路的回路电流，I_train是列车的制动电流，U₁、U₂、U₃、U₄分别为四个牵引变电所S₁、S₂、S₃、S₄的电压，列车即时位置处与四个牵引变电所之间的供电网络阻抗分别为R₁、R₂、R₃、R₄；电流差的平方和判据具体表述为：

从系统拓扑可得约束条件

为实现快速在线求解，采用工程简化方法，控制U₁＝U₂＝U₃＝U₄，式(7)有最小值时，可得牵引变电所S₁、S₂、S₃、S₄的虚拟阻抗r₁、r₂、r₃、r₄应满足下述关系：

通过控制四个牵引变电所的虚拟阻抗满足式(9)的关系，可实现四个牵引变电所吸收的列车制动电流的均衡。

以上各种情况中，通过ATC、AT0系统等获取列车的即时位置，继而计算列车的即时位置处与相邻各牵引变电所的相对位置，通过线路阻抗与位置信息计算获得列车即时位置处与相邻各牵引变电所之间的供电网络阻抗，并根据第1)、2)、3)种情况，选择根据式(3)、式(6)或式(9)对虚拟阻抗大小进行改变，实现制动电流尽可能的均衡。

对于本领域的技术人员来说，可以根据以上的技术方案和构思，给出各种相应的改变和变形，而所有的这些改变和变形，都应该包括在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种城市轨道交通制动能量分布式协同吸收方法，其特征在于，依据列车在牵引供电系统中的所处位置，当列车即时位置处的一侧有两个牵引变电所，另一侧没有牵引变电所，并且其中一个牵引变电所S₁相对于另一个牵引变电所S₂距离列车即时位置处较远时，电流差的平方和判据表示为：

其中，U为列车处牵引网压，i₁、i₂分别是两个牵引变电所S₁、S₂所处回路的回路电流，I_train是列车的制动电流，U₁和U₂分别为两个牵引变电所S₁、S₂的电压，列车即时位置处与两个牵引变电所之间的供电网络阻抗分别为R₁、R₂；

可得约束条件如下：

控制U₁＝U₂，式(1)有最小值时，可得两个牵引变电所S₁、S₂的虚拟阻抗r₁、r₂应满足下述关系：

r₂＝R₁+r₁ (3)；

通过控制两个牵引变电所的虚拟阻抗满足式(3)的关系，可实现两个牵引变电所吸收的列车制动电流的均衡。

2.根据权利要求1所述的城市轨道交通制动能量分布式协同吸收方法，其特征在于，具体通过获取列车的即时位置，继而计算列车的即时位置处与各牵引变电所的相对位置，通过线路阻抗与即时位置信息计算获得列车即时位置处与两个牵引变电所之间的供电网络阻抗R₁、R₂。

3.一种城市轨道交通制动能量分布式协同吸收方法，其特征在于，依据列车在牵引供电系统中的所处位置，当列车即时位置处的一侧有两个牵引变电所S₁和S₂、另一侧有一个牵引变电所S₃，并且牵引变电所S₁相对于牵引变电所S₂和列车即时位置处的距离较远时，电流差的平方和判据表示为：

U为列车处牵引网压，i₁、i₂、i₃分别是三个牵引变电所S₁、S₂、S₃所处回路的回路电流，I_train是列车的制动电流，U₁、U₂、U₃分别为三个牵引变电所S₁、S₂、S₃的电压，列车即时位置处与三个牵引变电所之间的供电网络阻抗分别为R₁、R₂、R₃；

可得约束条件如下：

控制U₁＝U₂＝U₃，式(4)有最小值时，可得牵引变电所S₁、S₂、S₃的虚拟阻抗r₁、r₂、r₃应满足下述关系：

通过控制三个牵引变电所的虚拟阻抗满足式(6)的关系，可实现三个牵引变电所吸收的列车制动电流的均衡。

4.根据权利要求3所述的城市轨道交通制动能量分布式协同吸收方法，其特征在于，具体通过获取列车的即时位置，继而计算列车的即时位置处与各牵引变电所的相对位置，通过线路阻抗与即时位置信息计算获得列车即时位置处与三个牵引变电所之间的供电网络阻抗R₁、R₂、R₃。

5.一种城市轨道交通制动能量分布式协同吸收方法，其特征在于，依据列车在牵引供电系统中的所处位置，列车即时位置处两侧各有两个牵引变电所，牵引变电所S₁和S₂在列车即时位置处的一侧，牵引变电所S₃和S₄在列车即时位置处的另一侧，牵引变电所S₁相对于牵引变电所S₂和列车即时位置处的距离较远，牵引变电所S₄相对于牵引变电所S₃和列车即时位置处的距离较远，电流差的平方和判据具体表述为：

可得约束条件如下：

其中，U为列车处牵引网压，i₁、i₂、i₃、i₄分别是四个牵引变电所S₁、S₂、S₃、S₄所处回路的回路电流，I_train是列车的制动电流，U₁、U₂、U₃、U₄分别为四个牵引变电所S₁、S₂、S₃、S₄的电压，列车即时位置处与四个牵引变电所之间的供电网络阻抗分别为R₁、R₂、R₃、R₄；

控制U₁＝U₂＝U₃＝U₄，式(7)有最小值时，可得牵引变电所S₁、S₂、S₃、S₄的虚拟阻抗r₁、r₂、r₃、r₄应满足下述关系：

通过控制四个牵引变电所的虚拟阻抗满足式(9)的关系，可实现四个牵引变电所吸收的列车制动电流的均衡。

6.根据权利要求5所述的城市轨道交通制动能量分布式协同吸收方法，其特征在于，具体通过获取列车的即时位置，继而计算列车的即时位置处与各牵引变电所的相对位置，通过线路阻抗与即时位置信息计算获得列车即时位置处与四个牵引变电所之间的供电网络阻抗R₁、R₂、R₃、R₄。

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