CN111137180A - 一种电气化铁路牵引供电系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种电气化铁路牵引供电系统及方法，所述系统包括电源单元、混合储能单元、牵引供电调节单元与牵引网单元；所述电源单元为混合储能单元充电，混合储能单元为牵引网单元供电，满足机车供电需求，所述牵引供电调节单元与牵引网单元相连，调节牵引网单元两供电臂之间的功率平衡。所述的电气化铁路牵引供电系统及方法，利用牵引供电调节单元优化牵引变压器、储能变流器的容量配置，实现混合储能单元放电满足机车/动车组用能需求时牵引变压器、储能变流器免受不对称负载影响，大幅提高了牵引变压器、储能变流器利用率，利用混合储能单元隔离电网与牵引供电单元的直接电气连接，实现电网与铁路牵引供电网的松耦合。
Description
技术领域
本发明涉及一种电气化铁路牵引供电系统及方法，属于铁路网领域。
背景技术
电气化铁路交通是实现我国区域经济一体化、跨区域经济发展的协同化、解决不同地 区社会经济发展不平衡性的重要支撑。但现有电网与牵引供电系统耦合紧密，相互影响大， 存在诸多问题，具体如下：
(一)现有牵引供电系统给电网侧带来的不利影响
(1)电力机车为大功率、不对称、脉冲式的单相负荷，不仅严重影响220kV/110kV高压电网的电能质量(负序、谐波、功率因素)，而且增加电网调峰压力。
(2)现有电气化铁路牵引网和电网架构下，无法利用高压电网以外的其他类型电源 电能。
(3)牵引网沿线配置的众多电分相设备投资巨大，运维成本高。
(4)建设电气化铁路高压电网配套设施繁杂、工程投资大、建设周期长、土地占用多、生态影响严重。
(二)现有牵引供电系统给铁路侧带来的不利影响
(1)牵引供电系统过渡依赖网架坚强高压电网，导致电网薄弱地区(如川藏、青藏等地区)电气化铁路建设难度大、代价高，严重影响我国铁路电气化技术的推广。
(2)现有电铁牵引系统运行的可靠性、连续性与安全性完全取决于电网系统，一旦电网发生故障，会给电气化铁路运营带来重大负面影响。
(3)牵引变压器容量很大、但利用率低，容量维持和运维成本高。
有鉴于此，本发明人对此进行研究，专门开发出一种电气化铁路牵引供电系统及方法， 本案由此产生。
发明内容
本发明的目的是提供一种电气化铁路牵引供电系统及方法。
为了实现上述目的，本发明的解决方案是：
一种电气化铁路牵引供电系统，包括电源单元、混合储能单元、牵引供电调节单元与 牵引网单元；所述混合储能单元包括容量型储能设备、功率型储能设备，分别与容量型储 能设备、功率型储能设备相连的若干台储能变流器，以及用于升压的牵引变压器；所述电 源单元为混合储能单元充电，混合储能单元为牵引网单元供电，满足机车供电需求；所述 牵引供电调节单元与牵引网单元相连，调节牵引网单元两供电臂之间的功率平衡。
作为优选，所述牵引供电调节单元包括铁路功率调节器、能量型储能设备、双向DC-DC变流器、单相牵引变压器；铁路功率调节器实现双供电臂有功功率的交换，并通过 发出无功功率，保证27.5kV母线三相电流的实时对称；能量型储能设备通过双向DC-DC 变流器补偿/吸收双供电臂交换能量后的有功功率缺额/剩余；单相牵引变压器则将铁路功 率调节器的交流低压升至27.5kV。
作为优选，所述容量型储能设备采用液流电池、铅酸电池、铅炭电池、燃料电池、抽水蓄能、超导电磁或压缩空气。
作为优选，所述功率型储能设备采用锂电池、超级电容或飞轮储能。
作为优选，所述电源单元至少包括分散式风电机组、分布式光伏组、燃料电池组、柴 油机/小水电组、配电网和高压电网中一种；所述燃料电池组与制氢设备相连，通过制氢设 备产生电能；所述风散式风电机组、分布式光伏组、燃料电池组组成直流微网结构或交流 微网协同为混合储能单元充电。
一种电气化铁路牵引供电系统的供电方法，包括如下步骤：
1)当牵引供电系统的主控系统判定系统满足投运条件时，电气化铁路牵引供电系统 正常运行；如不满足，牵引供电系统停运，主控系统则进行故障排查；
2)当电气化铁路牵引供电系统正常运行时，主控系统被赋予供电臂额定电压Un，机 车/动车组额定牵引有功功率(牵引最大有功功率)PLN_tra，机车/动车组额定回馈有功功率 (制动最大回馈有功功率)PLN_bra等电气参数值，并实时采集α、β两供电臂机车/动车组的有功功率PLα、PLβ；牵引供电系统的选择模块根据α、β两供电臂机车/动车组运行状态 判定系统隶属工况；针对电气化铁路牵引供电系统的不同运行工况，主控系统使混合储能 单元和牵引供电调节单元(包括铁路功率调节器、能量型混合储能单元)按照各自预设公 式发出/吸收有功功率和无功功率。
本发明所述的一种电气化铁路牵引供电系统及方法，利用牵引供电调节单元优化牵引 变压器、储能变流器的容量配置，实现了混合储能单元放电满足机车/动车组用能需求时 牵引变压器、储能变流器免受不对称负载影响，大幅提高了牵引变压器、储能变流器利 用率。此外，利用混合储能单元隔离电网与牵引供电单元的直接电气连接，实现电网与铁 路牵引供电网的松耦合，解决了目前电网和铁路牵引供电网的诸多不利的相互影响；利用混合储能单元对电能汇聚作用，实现多类异型电源的接入，确保了牵引供电系统的持 续稳定性和对能源供给条件和环境的适应性，同时，实现了电气化铁路清洁化供电，推 动我国铁路绿色发展。
以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细描述。
附图说明
图1为本实施例的电气化铁路牵引供电系统拓扑结构图；
图2A为本实施例能量流程关系示意图(工况1)；
图2B为图2A的等效电路图(工况1)；
图2C为本实施例为各单元电流电压向量关系图(工况1)；
图3为本实施例电气化铁路牵引供电系统各单元量化关系计算示意图；
图4A为本实施例能量流程关系示意图(工况2)；
图4B为图4A的等效电路图(工况2)；
图4C为本实施例为各单元电流电压向量关系图(工况2)；
图5A为本实施例能量流程关系示意图(工况3)；
图5B为图5A的等效电路图(工况3)；
图5C为本实施例为各单元电流电压向量关系图(工况3)；
图6A为本实施例能量流程关系示意图(工况4)；
图6B为图6A的等效电路图(工况4)；
图6C为本实施例为各单元电流电压向量关系图(工况4)；
图7A为本实施例能量流程关系示意图(工况5)；
图7B为图7A的等效电路图(工况5)；
图7C为本实施例为各单元电流电压向量关系图(工况5)；
图8A为本实施例能量流程关系示意图(工况6)；
图8B为图8A的等效电路图(工况6)；
图8C为本实施例为各单元电流电压向量关系图(工况6)；
图9A为本实施例能量流程关系示意图(工况7)；
图9B为图9A的等效电路图(工况7)；
图9C为本实施例为各单元电流电压向量关系图(工况7)；
图10A为本实施例能量流程关系示意图(工况8)；
图10B为图10A的等效电路图(工况8)；
图10C为本实施例为各单元电流电压向量关系图(工况8)；
图11A为本实施例能量流程关系示意图(工况9)；
图11B为图11A的等效电路图(工况9)；
图11C为本实施例为各单元电流电压向量关系图(工况9)；
图12A为本实施例能量流程关系示意图(工况10)；
图12B为图12A的等效电路图(工况10)；
图12C为本实施例为各单元电流电压向量关系图(工况10)；
图13为本实施例电气化铁路牵引供电系统各工况下混合储能单元和牵引供电调节单 元协调出力方式示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种电气化铁路牵引供电系统，包括电源单元1、混合储能单元2、牵引网单元3与牵引供电调节单元4。所述电源单元1为混合储能单元2充电，混合储能单 元2为牵引网单元3供电，满足机车供电需求；所述牵引供电调节单元4与牵引网单元3 相连，，调节两供电臂之间的功率平衡，防止负序、功率因素等影响基于储能构建的电源 单元1，优化混合储能单元2变流器(PCS)、变压器等容量配置。
所述电源单元1为多类型电源单元，可结合当地具体资源条件和电网结构按需配置各 类电源，灵活组合。可以包括A台分散式风电机组、B套分布式光伏组、C台燃料电池组、D台柴油机/小水电组、10/35kV配电网和66/110/220kV高压电网。
所述混合储能单元2包括容量型储能设备21、功率型储能设备22，分别与容量型储能设备21、功率型储能设备22相连的若干台储能变流器23，以及用于升压的牵引变压器24。所述容量型储能设备21可以采用液流电池、铅酸电池、铅炭电池、燃料电池、抽水 蓄能、超导电磁或压缩空气。所述功率型储能设备22可以采用锂电池、超级电容或飞轮 储能。混合储能单元2具体的组合类型，可以根据实际工程地理位置、当地资源、技术成 熟度与特性、经济性等共同决定。混合储能单元2实时汇聚电源单元1多类异型电源能 量，满足机车/动车组牵引用能，也可回收机车/动车组制动回馈能量。牵引变压器24实现 将储能变流器23出口侧的交流低压升高至27.5kV，保证机车/动车组的额定电压。
所述牵引供电调节单元4包括铁路功率调节器41、能量型储能设备42、双向DC-DC变流器43、单相牵引变压器44；在本实施例中，所述铁路功率调节器41采用背靠背AC/DC-DC/AC变流器；所述能量型储能设备42可以采用锂电池、燃料电池、压缩空气等。 铁路功率调节器41实现双供电臂有功功率的交换，并通过发出无功功率，保证27.5kV母 线三相电流的实时对称；能量型储能设备42通过双向DC-DC变流器43补偿/吸收双供电 臂交换能量后的有功功率缺额/剩余；单相牵引变压器44则将铁路功率调节器41的交流低 压升至27.5kV。
所述牵引网单元3主要由接触线、轨道、回流线、机车、开闭所等构成。
本实施例所述的电气化铁路牵引供电系统，利用混合储能单元2隔离电网与牵引供电 单元的直接电气连接，实现电网与铁路牵引供电网的松耦合，解决了目前电网和铁路牵 引供电网的诸多不利的相互影响；利用混合储能单元2对电能汇聚作用，实现多类异型电 源的接入，确保了牵引供电系统的持续稳定性和对能源供给条件和环境的适应性，同时，实现了电气化铁路清洁化供电，推动我国铁路绿色发展；利用牵引供电调节单元4 (基于铁路功率调节器实现)优化了牵引变压器24、储能变流器23的容量配置，实现了 混合储能单元2放电满足机车/动车组用能需求时牵引变压器24、储能变流器23免受不对 称负载影响，大幅提高了牵引变压器24、储能变流器23利用率。
上述电气化铁路牵引供电系统，根据运行状态，可以划分为3种运行工况：
(1)混合储能放电模式(按需)：当主控监测到供电臂有机车通过且处于牵引状态时， 此时多个储能协同出力(如电源单元1中有配电网或者高压电网，则此时与相连的开关断 开，避免影响电网电能质量，风电、光伏或燃料电池等设备可为继续为储能充电)，满足电力机车用电需求。
(2)混合储能充电模式(全时)：当主控系统监测到供电臂无机车通过或运行于惰行 状态时，电源单元1中各类异型电源为容量型储能设备21、功率型储能设备22小电流均衡充电；当主控系统监测到供电臂机车运行于制动状态时，各类异型电源(如电源单元包含配电网或高压电网，连接开关断开，处于热备用状态，不为储能单元充电)为储能设备 小电流均衡充电，同时储能单元2回收电力机车制动能量。
(3)混合储能辅助服务模式(根据计划)：当电源单元1组成部分包含配电网或者高压电网、且电网需要调峰、调频、调压等辅助服务时，所述牵引供电系统在满足机车供 电需求的前提下，混合储能单元2根据电网下达的计划出力曲线与电网智能互动，为电网 提供辅助服务。
基于上述电气化铁路牵引供电系统的供电方法，包括如下步骤：
1)当牵引供电系统的主控系统判定系统满足投运条件时，电气化铁路牵引供电系统 正常运行；如不满足，牵引供电系统停运，主控系统则进行故障排查；
2)当电气化铁路牵引供电系统正常运行时，主控系统被赋予供电臂额定电压Un，机 车/动车组额定牵引有功功率(牵引最大有功功率)PLN_tra，机车/动车组额定回馈有功功率 (制动最大回馈有功功率)PLN_bra等电气参数值，并实时采集α、β两供电臂机车/动车组的有功功率PLα、PLβ；牵引供电系统的选择模块根据α、β两供电臂机车/动车组运行状态 判定系统隶属工况；针对电气化铁路牵引供电系统的不同运行工况，主控系统使混合储能 单元2和牵引供电调节单元4(包括铁路功率调节器、能量型混合储能单元)按照各自预 设公式发出/吸收有功功率和无功功率。
电气化铁路牵引供电系统不同工况量化分析如下：
工况1：两供电臂机车运行于牵引状态(PLα>PLβ)
如图2A-2C为工况1下电源单元1、机车/动车组、牵引供电调节单元4三者之间的功率关系、等效电路及向量关系(计算电源单元与牵引供电调节单元4各工况下发出/吸收的有功功率、无功功率)。现针对图2A-2C中各参数含义进行解释：
UA、UB、UC—牵引变压器低压母线相电压；
UAB、UCB—牵引变压器低压母线线电压；
Uα、Uβ—牵引变压器高压压母线电压；
Isα、Isβ—牵引变压器高压侧分别流入α、β供电臂电流；
ILα、ILβ—α、β供电臂机车/动车组负荷电流；
Itα、Itβ—铁路功率调节器分别流入α、β供电臂电流；
Ipα、Iqα—铁路功率调节器流入α供电臂电流的有功分量与无功分量；
Ipβ、Iqβ—铁路功率调节器流入β供电臂电流的有功分量与无功分量；
θ—混合储能单元交流电压与电流功率因数角；
θα、θβ—分别为α、β供电臂机车/动车组电压与电流功率因数角；
ZVα、ZVβ—分别以1-1＇、3-3＇端口进行戴维南等效时的内阻抗(比较小，做计算时可以忽略)；
ZαT、ZβT—分别为α、β供电臂机车/动车组负荷等效阻抗；
ZiαT、Ziβ—分别为以2-2＇、4-4＇端口进行戴维南等效时的内阻抗(比较大，做计算时可以忽略)。
本实施例图2A与图2B混合储能单元2和牵引供电调节单元4的电压电流关系按照发电机原则以关联参考方向标注，机车/动车组的电压电流关系则按照电动机原则以关联参考方向标注，依据制定原则，绘制牵引供电系统各电压、电流向量关系(如图2C所 示)，并计算混合储能单元2及牵引供电调节单元4各部分输出有功功率、无功功率的具 体值(具体求解方法详见图3)。
本发明以UA作为基准参考向量，由此可以确定各电压关系为
式中：K为牵引变压器变比(高压与低压比值)。
为了实现供电臂机车/动车组各运行工况下牵引变压器和储能变流器低压交流实时对 称，在牵引供电调节单元4的作用下，各电流需要满足如下关系：
为优化牵引变压器、储能变流器、铁路功率调节器、双向DC-DC变流器的功率配置，本发明充分利用铁路功率变流器两供电臂有功功率转移与无功功率调节功能，尽量 规避系统出现负序等电能质量问题，能量型混合储能单元则在仅通过铁路功率变流器转 移两供电臂的能量无法实现牵引变压器和储能变流器低压交流对称的工况下，针对有功 功率缺额/冗余进行补偿/消纳，保证牵引供电系统实时无负序电流，消除负序引发的一系 列不利影响，提高电气设备利用效率。
基于上述原则，各运行工况下的Is、Ipα、Iqα、Ipβ、Iqβ各电流值求解方法如图3所示。
根据图3可以列出如下关系
进而可以推导出
实际运行工况下机车/动车组功率因素角θ与牵引变压器、储能变流器功率因素角θα、θβ一般都较小，具体计算时可以忽略。
因此，当
时(电流向量关系满足公式(2))，可以将公式(4)化简为
此时，该工况下混合储能单元2、机车/动车组、牵引供电调节单元4之间的有功功率 关系与混合储能单元2、牵引供电调节单元4分别向α、β供电臂注入的功率值(根据公式(5)可以计算得出)为
式中：PLN_tra为机车/动车组额定牵引有功功率(最大有功功率)；PLα、PLβ分别为机车/ 动车组有功功率(牵引状态代表牵引有功功率，制动状态代表回馈有功功率)；Psα、Psβ为混合储能单元分别注入α、β供电臂有功功率；Ptα、Ptβ为铁路功率调节器分别向α、β 供电臂注入/吸收的有功功率；Ss为牵引变输出的总视在功率；Qtα、Qtβ为铁路功率调节器 分别向α、β供电臂注入的容性/感性无功功率；Pb为牵引供电调节单元4中的能量型储能 放电/充电功率。
由公式(6)可知，β侧DC/AC变流器吸收混合储能单元满足β供电臂机车/动车组用电需求后的剩余功率，α侧的DC/AC变流器则将剩余功率转移至α供电臂，与混合储能单 元共同支撑该供电臂上机车/动车组的正常牵引运行。为保证牵引供电系统内的n台牵引 分裂变压器和储能变流器实时对称带载，β侧DC/AC变流器发出一定感性无功功率，α侧 DC/AC变流器发出一定容性无功功率。
当
时，系统各电流向量关系为
可以将公式(4)化简为
此时，该工况下混合储能单元、机车/动车组、牵引供电调节单元4之间的有功功率关系与混合储能单元2、牵引供电调节单元4分别向α、β供电臂注入的功率值(根据公式 (5)可以计算得出)为
式中：Un为供电臂额定电压值；ILN_tra为机车/动车组牵引额定电流。
由公式(8)可知，混合储能单元发出额定有功功率，β侧DC/AC变流器吸收混合储能单元满足β供电臂机车/动车组用电需求后的剩余功率，α侧的DC/AC变流器则将剩余 功率和牵引供电调节单元4内的能量型发出的有功功率转移至α供电臂，与混合储能单元 共同支撑该供电臂上机车/动车组的正常牵引运行。为保证牵引供电系统内的n台牵引分 裂变压器和储能变流器实时对称带载，β侧DC/AC变流器发出一定感性无功功率，α侧 DC/AC变流器发出一定容性无功功率。
工况2：两供电臂机车运行于牵引状态(PLα＝PLβ)
如图4A-4C为工况2下电源单元、机车/动车组、牵引供电调节单元4三者之间的功率关系、等效电路及向量关系。为了保证供电臂机车/动车组该工况下牵引变压器和储能变流器低压交流实时对称，在牵引供电调节单元4的作用下，各电流向量关系与公式(2) 一致。
基于图3电流值求解方法，当
时，可以推导列出如下关系
根据公式(7)可以计算得出混合储能单元、机车/动车组、牵引供电调节单元4之间的有功功率关系与混合储能单元、牵引供电调节单元4分别向α、β供电臂注入的功率值 为
由公式(10)可知，混合储能单元发出有功功率，满足α、β供电臂机车/动车组牵引用能需求，无需铁路功率调节器进行能量转移。为保证牵引供电系统内的n台牵引分裂变压器和储能变流器实时对称带载，β侧DC/AC变流器发出一定感性无功功率，α侧DC/AC 变流器发出一定容性无功功率。
当
时(公式2中的
其他不变)，可以推导列出如下关系
根据公式(11)可以计算得出混合储能单元、机车/动车组、牵引供电调节单元4之间的有功功率关系与混合储能单元、牵引供电调节单元4分别向α、β供电臂注入的功率 值为
由公式(12)可知，混合储能单元分别向α、β供电臂注入额定有功功率，同时牵引供电调节单元4内混合储能单元放电，通过铁路功率调节器转移至α、β供电臂，提供α、 β供电臂机车/动车组的功率缺额用。为保证牵引供电系统内的n台牵引分裂变压器和储能 变流器实时对称带载，β侧DC/AC变流器发出一定感性无功功率，α侧DC/AC变流器发 出一定容性无功功率。
工况3：一供电臂机车运行于牵引，另一供电臂空载(PLα>PLβ且PLβ＝0)
如图5A-5C为工况3下电源单元、机车/动车组、牵引供电调节单元4三者之间的功率关系、等效电路及向量关系。为了保证供电臂机车/动车组该工况下牵引变压器和储能变流器低压交流实时对称，在牵引供电调节单元4的作用下，各电流向量关系与公式(2) 一致。
基于图3电流值求解方法，可以推导列出如下关系
根据公式(11)可以计算得出混合储能单元、机车/动车组、牵引供电调节单元4之间的有功功率关系与混合储能单元、牵引供电调节单元4分别向α、β供电臂注入的功率 为
由公式(14)可知，β侧DC/AC变流器吸收混合储能单元满足β供电臂机车/动车组用电需求后的剩余功率，α侧的DC/AC变流器则将剩余功率转移至α供电臂，与混合储能 单元共同支撑该供电臂上机车/动车组的正常牵引运行。为保证牵引供电系统内的n台牵 引分裂变压器和储能变流器实时对称带载，β侧DC/AC变流器发出一定感性无功功率，α 侧DC/AC变流器发出一定容性无功功率。
工况4：一供电臂机车运行于牵引状态，另一供电臂运行于制动(α供电臂机车牵引，β供电臂机车制动，且PLα>PLβ)
如图6A-6C为工况3下电源单元、机车/动车组、牵引供电调节单元4三者之间的功率关系、等效电路及向量关系。为了保证供电臂机车/动车组该工况下牵引变压器和储能变流器低压交流实时对称，在牵引供电调节单元4的作用下，各电流向量关系与公式(2) 基本一致(此时公式2中
)。
基于图3电流值求解方法可以推导列出如下关系
根据公式(15)可以计算得出混合储能单元、机车/动车组、牵引供电调节单元4之间的有功功率关系与混合储能单元、牵引供电调节单元4分别向α、β供电臂注入的功率 值为
由公式(16)可知，混合储能单元发出有功功率，β侧DC/AC变流器吸收混合储能 单元发出的有功功率和机车回馈有功功率，α侧的DC/AC变流器则将β侧DC/AC变流器 吸收的有功功率转移至α供电臂，与混合储能单元共同支撑该供电臂上机车/动车组的正 常牵引运行。为保证牵引供电系统内的n台牵引分裂变压器和储能变流器实时对称带载， β侧DC/AC变流器发出一定感性无功功率，α侧DC/AC变流器发出一定容性无功功率。
工况5：一供电臂机车运行于牵引状态，另一供电臂运行于制动(α供电臂机车牵引，β供电臂机车制动，且PLα<PLβ)
如图7A-7C为工况3下电源单元、机车/动车组、牵引供电调节单元4三者之间的功率关系、等效电路及向量关系。为了保证供电臂机车/动车组该工况下牵引变压器和储能变流器低压交流实时对称，在牵引供电调节单元4的作用下，各电流向量关系为
基于图3电流值求解方法可以推导列出如下关系
根据公式(18)可以计算得出混合储能单元、机车/动车组、牵引供电调节单元4之间的有功功率关系与混合储能单元、牵引供电调节单元4发出/吸收的功率值为
由公式(19)可知，混合储能单元回收供电臂回馈能量，β侧DC/AC变流器吸收供 电臂机车/动车组回馈有功功率，α侧的DC/AC变流器则将β侧DC/AC变流器吸收的有功 功率转移至α供电臂，一部分能量用于满足机车/动车组牵引用电需求，另一部分则回馈 给混合储能单元，为其充电。为保证牵引供电系统内的n台牵引分裂变压器和储能变流器 实时对称带载，β侧DC/AC变流器发出一定感性无功功率，α侧DC/AC变流器发出一定 容性无功功率。
工况6：一供电臂机车运行于牵引状态，另一供电臂运行于制动(α供电臂机车牵引，β供电臂机车制动，且PLα＝PLβ)
如图8A-8C为工况6下电源单元、机车/动车组、牵引供电调节单元4三者之间的功率关系、等效电路及向量关系。为了保证供电臂机车/动车组该工况下牵引变压器和储能变流器低压交流实时对称，在牵引供电调节单元4的作用下，各电流向量关系为
基于图3电流值求解方法可以推导列出如下关系
根据公式(21)可以计算得出混合储能单元、机车/动车组、牵引供电调节单元4之间的有功功率关系与混合储能单元、牵引供电调节单元4发出/吸收的功率值为
由公式(22)可知，β侧DC/AC变流器吸收供电臂机车/动车组回馈有功功率，α侧 的DC/AC变流器则将β侧DC/AC变流器吸收的有功功率转移至α供电臂，满足机车/动车 组牵引用电需求，混合储能单元实时汇聚多类异型电源单元能量。为保证牵引供电系统 内的n台牵引分裂变压器和储能变流器实时对称带载，β侧DC/AC变流器发出一定感性无 功功率，α侧DC/AC变流器发出一定容性无功功率。
工况7：两供电臂机车制动(PLα>PLβ)
如图9A-9C为工况7下电源单元、机车/动车组、牵引供电调节单元4三者之间的功率关系、等效电路及向量关系。为了保证供电臂机车/动车组该工况下牵引变压器和储能变流器低压交流实时对称，在牵引供电调节单元4的作用下，各电流向量关系为
当
时，基于图3电流值求解方法可以推导列出如下关系
式中：PLN_bra为机车/动车组额定制动有功功率(最大制动有功功率)。
根据公式(24)可以计算得出混合储能单元、机车/动车组、牵引供电调节单元4之间的有功功率关系与混合储能单元、牵引供电调节单元4发出/吸收的功率值为
由公式(25)可知，混合储能单元消纳机车/动车组回馈功率，α侧的DC/AC变流器吸收α供电臂机车/动车组制动回馈能量与混合储能单元消纳功率的差额，β侧DC/AC变 流器转移这部分有功功率，混合储能单元消纳β供电臂机车/动车组制动回馈功率与β侧 DC/AC变流器发出功率。为保证牵引供电系统内的n台牵引分裂变压器和储能变流器实时 对称带载，β侧DC/AC变流器发出一定容性无功功率，α侧DC/AC变流器发出一定感性 无功功率。
当
时，基于图3电流值求解方法可以推导列出如下关系
式中：ILN_bra为机车/动车组制动状态下的额定有功电流。
根据公式(26)可以计算得出混合储能单元、机车/动车组、牵引供电调节单元4之间的有功功率关系与混合储能单元、牵引供电调节单元4发出/吸收的功率为
由公式(27)可知，混合储能单元以额定功率消纳机车/动车组制动回馈能量，α侧的 DC/AC变流器吸收α供电臂机车/动车组制动回馈功率与混合储能单元额定充电功率的差 额，β侧DC/AC变流器转移这部分有功功率，一分部有功功率为牵引供电调节单元4内的能量型储能充电，另一部分有功功率则与β供电臂机车/动车组制动回馈功率共同为混合储能单元充电。为保证牵引供电系统内的n台牵引分裂变压器和储能变流器实时对称带载，β侧DC/AC变流器发出一定容性无功功率，α侧DC/AC变流器发出一定感性无功功 率。
工况8：两供电臂机车制动(PLα＝PLβ)
如图10A-10C为工况8下电源单元、机车/动车组、牵引供电调节单元4三者之间的功率关系、等效电路及向量关系。
基于图3电流值求解方法，当
时(各电流向量关系与公式(23)一致)， 可以推导列出如下关系
根据公式(28)可以计算得出混合储能单元、机车/动车组、牵引供电调节单元4之间的有功功率关系与混合储能单元、牵引供电调节单元4发出/吸收的功率为
由公式(29)可知，混合储能单元消纳α、β供电臂机车/动车组制动回馈能量，无需铁路功率调节器进行能量转移。为保证牵引供电系统内的n台牵引分裂变压器和储能变流器实时对称带载，β侧DC/AC变流器发出一定容性无功功率，α侧DC/AC变流器发出一 定感性无功功率。
当
时(公式(23)中的
其他不变)，可以推导列出如下关系
根据公式(30)可以计算得出混合储能单元、机车/动车组、牵引供电调节单元4之间的有功功率关系与混合储能单元、牵引供电调节单元4发出/吸收的功率为
由公式(31)可知，混合储能单元分别以额定功率消纳α、β供电臂回馈能量，同时铁路功率调节器转移机车/动车组回馈功率与混合储能单元额定有功功率的差额，为牵引供电调节单元4内能量型混合储能单元充电。为保证牵引供电系统内的n台牵引分裂变压器和储能变流器实时对称带载，β侧DC/AC变流器发出一定容性无功功率，α侧DC/AC 变流器发出一定感性无功功率。
工况9：一供电臂机车制动，另一供电臂空载(PLα>PLβ且PLβ＝0)
如图11A-11C为工况8下电源单元、机车/动车组、牵引供电调节单元4三者之间的功率关系、等效电路及向量关系。
基于图3电流值求解方法(各电流关系与公式(23)一致)，可以推导列出如下关系
根据公式(32)可以计算得出混合储能单元、机车/动车组、牵引供电调节单元4之间的有功功率关系与混合储能单元、牵引供电调节单元4发出/吸收的功率为
由公式(33)可知，混合储能单元消纳机车/动车组回馈功率，α侧的DC/AC变流器吸收α供电臂机车/动车组制动回馈能量与混合储能单元消纳功率的差额，β侧DC/AC变 流器转移这部分有功功率至β供电臂，与供电臂机车/动车组制动回馈功率共同为混合储 能单元充电。为保证牵引供电系统内的n台牵引分裂变压器和储能变流器实时对称带载， β侧DC/AC变流器发出一定容性无功功率，α侧DC/AC变流器发出一定感性无功功率。
工况10：两供电臂空载(PLα＝PLβ＝0)
如图12A-12C为工况10下电源单元、机车/动车组、牵引供电调节单元4三者之间的功率关系、等效电路及向量关系。
当牵引供电调节单元4中的储能需要充电时，基于图3电流值求解方法(公式(23)中的
其他不变)，可以推导列出如下关系
根据公式(34)可以计算得出混合储能单元、机车/动车组、牵引供电调节单元4之间的有功功率关系与混合储能单元、牵引供电调节单元4发出/吸收的功率为
式中：PbN为牵引供电调节单元4的额定有功功率；K为修正常数。
由公式(35)可知，混合储能单元发出有功功率，通过铁路功率调节器为牵引供电调 节单元4内的能量型混合储能单元充电。为保证牵引供电系统内的n台牵引分裂变压器和 储能变流器实时对称带载，β侧DC/AC变流器发出一定感性无功功率，α侧DC/AC变流 器发出一定容性无功功率。
当牵引供电调节单元4中的储能无需充电时，系统各电流为0，混合储能单元2、牵引供电调节单元4交互功率也为0，此时混合储能单元汇聚多类异型电源的电能充电。这 种状态下系统各部分电压向量关系与常规三相对称系统电压向量关系一致，本发明不再 进行细致论述。
本实施例所述电气化铁路牵引供电系统各单元配置原则：
根据各种工况下，混合储能单元2、牵引供电调节单元4、铁路功率调节器等输出/吸 收的功率情况，可以计算出牵引供电系统各部分变流器设备配置规模为
式中：Stt_N、Sc分别为牵引供电系统中牵引变压器、储能变流器配置的额定总容量；SDC/AC_N、SDC/AC_N分别为铁路功率调节器的DC/AC变流器和双向DC-DC储能变流器额定 功率配置；Kt、KDC/DC、KDC/AC分别为牵引变压器(储能变流器)、双向DC-DC储能变流 器、铁路功率调节器的DC/AC变流器容量配置的修正常数；ILmax_tra、ILmax_bra分别为机车/ 动车组牵引状态最大有功电流和制动状态下的最大有功电流。
如图13为电气化铁路牵引供电系统各工况下混合储能单元2和牵引供电调节单元4 协调出力方法。针对电气化铁路牵引供电系统的不同运行工况，主控系统使混合储能单元2和牵引供电调节单元4(包括铁路功率调节器、能量型储能系统)按照各自公式发出/ 吸收有功功率和无功功率。
本实施例所述的一种电气化铁路牵引供电系统及方法，具有如下优点：
一、对铁路侧的益处
(1)颠覆了电铁牵引系统传统供电模式，根据不同地区风光水等自然禀赋和电网架 构，利用储能对多类异型电源“全时汇聚、按需释放”的能量时间迁移技术特性，以定制化 方式设计牵引供电系统的供电方案，实现电网薄弱甚至无网地区电铁牵引供电系统的经 济建设。
(2)改变了现有牵引变电站，削减甚至取消大容量牵引变压器，同时大幅提高变压器的利用率，大幅降低了每年缴纳的容量电费。
(3)通过混合储能单元可以利用PCS变流器的无功调节能力，减小SVC/SVG等无 功调节设备的容量，降低设备初始投资及后期运维费用。
(4)可以完全回收机车和动车组制动能量，避免了高品质电能的浪费，弱化了机车散热设备的压力，同时机车无需装配大量的卸荷电阻，减轻了车载重量，利于机车和动 车组轻载化设计。
(5)所述牵引供电系统的电气设备采用模块化设计理念，根据现场位置合理分散布 置电气设备，大幅减小土建现场设备安装施工量，缩短工程建设周期，降低建设成本，减小土地面积占用，生态影响小。
(6)电源类型与储能类型选取广泛、组合自由，可以完全独立于电网，就地利用风光水等自然禀赋实现电气化铁路系统能量供给的自洽性，电气网架配置集约精简，提高 了电气化铁路建设的灵活性。
(7)牵引供电系统布置分散化、设备单元化、控制集中化，电源单元与混合储能单元配置冗余度较高，牵引供电的连续性、可靠性及安全性较高。
(8)可以充分优化众多牵引变压器、储能变流器等设备配置容量，确保牵引分裂变压器、储能变流器实时三相对称带载，增加了设备的利用率与运行效率，大幅降低了系 统设备投资成本。
(9)牵引供电调节单元的方法不仅适用本发明构建的电气化铁路牵引供电系统，也 可完全解决现有电气化铁路牵引系统高压电网存在的负序、功率因素低等电能质量问题。
(10)可实现清洁推动高铁，促进了新能源/可再生能源与铁路融合发展，提高了牵引供电系统的持续稳定性和对能源供给条件和环境的适应性，完善了电气化铁路技术体系，引领了电气化铁路绿色发展，为电网薄弱甚至无网地区建设运营电气化铁路提供了 可行性的解决方案。
二、对电网侧的益处
(1)利用储能阻隔了牵引网与电网的直接联系，实现了电网与牵引网的松耦合，消除了现有牵引供电系统给高压电网带来的负序、谐波、功率因素等电能质量影响。
(2)可以消除牵引供电系统给高压电网带来的电能质量影响，因此可以取消大量的 电分相设备，大幅降低工程建设投入及后期运维成本。
(3)无需架设220kV高压输电线路及高压牵引变电站，减少与之相关的一二次电气设备，降低土地征用面积，大幅降低工程造价、缩短工程周期、减小后期运维成本。
(4)兼具牵引变电站和储能电站功能，实现了两者功能“合二为一”，不仅可以满足机车用电需求，也可以为电网提供调峰、调频、调压等辅助服务，提高了电网的调节裕 度，促进了电网高比例清洁能源的构建。
(5)电源单元中的电源单体容量较小，多类异型电源实时协同为储能系统小电流均 衡充电(益于延长储能系统寿命，提高变压器利用率)，混合储能单元则汇聚各类电源电能，待机车运行于牵引状态时集中释放，满足大功率、冲击性机车负荷的供电，以小博 大，实现了小电源为大功率、间歇性负荷安全可靠持续的供电。
(6)可以作为电铁牵引供电系统的紧急供电电源，亦可作为电网的黑启动电源。
(7)牵引供电系统供电绿色清洁、环境友好，提高了清洁能源发电的比例。
以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对 前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而 这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和 范围。
Claims (8)
1.一种电气化铁路牵引供电系统，其特征在于：包括电源单元、混合储能单元、牵引供电调节单元与牵引网单元；所述混合储能单元包括容量型储能设备、功率型储能设备，分别与容量型储能设备、功率型储能设备相连的若干台储能变流器，以及用于升压的牵引变压器；所述电源单元为混合储能单元充电，混合储能单元为牵引网单元供电，满足机车供电需求；所述牵引供电调节单元与牵引网单元相连，调节牵引网单元两供电臂之间的功率平衡。
2.如权利要求1所述的一种电气化铁路牵引供电系统，其特征在于：所述牵引供电调节单元包括铁路功率调节器、能量型储能设备、双向DC-DC变流器、单相牵引变压器；铁路功率调节器实现双供电臂有功功率的交换，并通过发出无功功率，保证27.5kV母线三相电流的实时对称；能量型储能设备通过双向DC-DC变流器补偿/吸收双供电臂交换能量后的有功功率缺额/剩余；单相牵引变压器则将铁路功率调节器的交流低压升至27.5kV。
3.如权利要求1所述的一种电气化铁路牵引供电系统，其特征在于：所述容量型储能设备采用液流电池、铅酸电池、铅炭电池、燃料电池、抽水蓄能、超导电磁或压缩空气。
4.如权利要求1所述的一种电气化铁路牵引供电系统，其特征在于：所述功率型储能设备采用锂电池、超级电容或飞轮储能。
5.如权利要求1所述的一种电气化铁路牵引供电系统，其特征在于：所述电源单元至少包括分散式风电机组、分布式光伏组、燃料电池组、柴油机/小水电组、配电网和高压电网中一种。
6.如权利要求5所述的一种电气化铁路牵引供电系统，其特征在于：所述燃料电池组与制氢设备相连，通过制氢设备产生电能。
7.如权利要求5所述的一种电气化铁路牵引供电系统，其特征在于：所述风散式风电机组、分布式光伏组、燃料电池组组成直流微网结构或交流微网协同为混合储能单元充电。
8.一种电气化铁路牵引供电系统的供电方法，其特征在于包括如下步骤：
1)当牵引供电系统的主控系统判定系统满足投运条件时，电气化铁路牵引供电系统正常运行；如不满足，牵引供电系统停运，主控系统则进行故障排查；
2)当电气化铁路牵引供电系统正常运行时，主控系统被赋予供电臂额定电压Un，机车/动车组额定牵引有功功率PLN_tra，机车/动车组额定回馈有功功率PLN_bra，并实时采集α、β两供电臂机车/动车组的有功功率PLα、PLβ；牵引供电系统的选择模块根据α、β两供电臂机车/动车组运行状态判定系统隶属工况；针对电气化铁路牵引供电系统的不同运行工况，主控系统使混合储能单元和牵引供电调节单元按照各自预设公式发出/吸收有功功率和无功功率。
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