CN111740438B - 一种城轨交通再生制动能量管控系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种城轨交通再生制动能量管控系统及其控制方法，该系统用于城轨交通牵引供电系统中再生制动能量的管控利用，所述的城轨交通牵引供电系统包括接触网和多个牵引变电站，所述的牵引变电站分别连接接触网，所述的再生制动能量管控系统包括多个用于列车制动能量长距离调度管控的旁路直流母线回路，各旁路直流母线回路分别并联于待调度区域的两个牵引变电站之间的接触网上，所述的旁路直流母线回路与所述的接触网进行能量双向流动。与现有技术相比，本发明具有可有效提升再生制动能量的利用率，抬升局部牵引网网压，具有“节能稳压”的功能。

Description

一种城轨交通再生制动能量管控系统
技术领域
本发明涉及城轨交通技术领域，尤其是涉及一种城轨交通再生制动能量管控系统及其控制方法。
背景技术
城市轨道交通以其快速、安全、准时、载客容量大、污染轻等特点而成为解决大中城市交通拥堵的首选方案。随着城市轨道交通的快速发展，城轨交通已成为诸多城市基础建设的耗电大户，其节能减排问题日益突出，研究城市轨道交通系统绿色供能与节能技术，尤其是降低牵引能耗及提高再生制动能量的回收利用率的方法，对城轨交通的可持续发展具有重要的理论意义与工程价值。
文献资料分析发现，城轨交通再生制动能量管理与利用技术长期受到了工业界和学术界关注，仍是当前研究的热点和焦点。根据采用的技术路线和策略，当前城轨交通再生制动能量管理与利用技术可分为时刻表优化法、制动电阻法、逆变回馈法和储能法：时刻表优化法是城轨交通制动能量回收利用的首选方法，但实际工程易受运行条件和客运需求限制，不能保障车辆供电品质和安全；制动电阻法技术成熟可靠，但造成能源二次浪费；逆变回馈法将能量回馈到电网，具备无功补偿功能，已在国内外得到了工程应用，但其补偿牵引网电压跌落效果有限，且受限于车辆间距离；储能法能“削峰填谷”对车-网的能流曲线进行整形，储能方式有车载和地面两种模式，车载储能需要解决效益与体积、重量之间的矛盾；地面储能模式需要克服选址与配置问题。国内外在制动能量吸收利用方式中，基于制动电阻进行耗能的方式仍占较大比重。因此通过技术创新，另辟蹊径实现城轨交通牵引网再生制动能量的先进管理和高效利用具有重要的工程价值。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种能实现制动能量高效管理与有效利用的城轨交通再生制动能量管控系统及其控制方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种城轨交通再生制动能量管控系统，用于城轨交通牵引供电系统中再生制动能量的管控利用，所述的城轨交通牵引供电系统包括接触网和多个牵引变电站，所述的牵引变电站分别连接接触网，所述的再生制动能量管控系统包括多个用于列车制动能量长距离调度管控的旁路直流母线回路，各旁路直流母线回路分别并联于待调度区域的两个牵引变电站之间的接触网上，所述的旁路直流母线回路与所述的接触网进行能量双向流动。
优选地，所述的旁路直流母线回路包括直流母线、联网开关和高压支撑电容，所述的联网开关设置两个，直流母线两端分别通过联网开关连接至所述的接触网形成并联网络，所述的联网开关为能量双向流动开关，联网开关用于直流母线和接触网的能量双向流动，所述的高压支撑电容连接所述的直流母线，高压支撑电容用于支撑直流母线电压。
优选地，所述的旁路直流母线回路还包括用于存储多余再生制动能量的储能装置，所述的储能装置连接直流母线。
优选地，所述联网开关包括用于能量从接触网向直流母线流动的第一开关支路以及用于能量从直流母线向接触网流动的第二开关支路，所述的第一开关支路和第二开关支路并联且任意一时刻最多只有一个开关支路导通。
优选地，所述的第一开关支路包括二极管，二极管阳极连接至接触网，二极管阴极连接直流母线。
优选地，所述的第二开关支路包括单向DC/DC开关电路，所述的单向DC/DC开关电路的输入端连接直流母线，输出端连接接触网。
优选地，该系统还包括能量分配控制器，所述的能量分配控制器分别连接储能装置和联网开关。
一种城轨交通再生制动能量管控系统的控制方法，该控制方法包括如下三种模式：
模式一、车辆制动导致牵引变电站n处局部接触网电压升高：UTn＞UCi，UTn为牵引变电站n处接触网网压，UCi为与之连接的旁路直流母线回路中旁路直流母线电压，接触网中再生制动能量从旁路直流母线回路中位于牵引变电站n端的联网开关流向旁路直流母线回路，同时，能量流入旁路直流母线回路后从旁路直流母线回路另一端的联网开关流入与之连接的另一牵引变电站处的接触网供其他牵引车辆使用，剩余不能被其它牵引车辆利用的再生制动能量则流向储能装置进行储能；
模式二、车辆牵引导致牵引变电站m处局部接触网电压降低：UTm＜Ulmin，UTm为牵引变电站m处接触网网压，UTm为设定网压跌落时的阈值电压，则控制与牵引导致牵引变电站m处接触网连接的旁路直流母线回路中位于牵引变电站m端的联网开关打开，旁路直流母线回路中的能量从该联网开关流向接触网，同时，若旁路直流母线回路另一端联网开关位置处的接触网电压升高，则对应联网开关主动打开，再生制动能量通过旁路直流母线回路流入牵引变电站m处接触网，另外，储能装置通过旁路直流母线回路为牵引变电站m处接触网馈电；
模式三、当接触网电压在一定范围内波动时，旁路直流母线回路两端的联网开关均不动作。
优选地，模式一中向储能装置进行储能时应满足SOC≤SOCmax，其中SOC为储能装置当前荷电状态，SOCmax为储能装置荷电状态最大值，否则储能装置不动作。
优选地，模式二中储能装置向接触网馈电时应满足SOC＞SOCmin，其中SOC为储能装置当前荷电状态，SOCmin为储能装置荷电状态最小值，否则储能装置不动作。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)本发明提出的旁路直流母线回路能对列车制动能量较长距离调度，可有效提升再生制动能量的利用率，抬升局部牵引网网压，具有“节能稳压”的功能；
(2)本发明旁路直流母线回路主要包括直流母线、联网开关及高压支撑电容，直流母线主要是为能量提供通道，联网开关则实现将直流母线与接触网的并接，高压支撑电容主要用于支撑旁路母线电压及存储部分多余的再生制动能量，拓展了能量的流动能力，平、低峰工况下相邻车辆对制动能量的吸收能力是有限的，发生局部区域再生制动能量剩余的仍存在较大概率，因此，旁路直流母线回路还设置了储能装置，实现对多余制动能量的吸收再利用，进一步提高再生制动能量的利用率；
(3)本发明旁路直流母线回路可与地面储能系统集成，不仅可进一步提升效果，还可减少储能装置充放电次数和充放电深度，延长储能装置的使用周期与寿命。
附图说明
图1为本发明实施例中添加旁路直流回路前后城轨交通车辆运营拓扑示意图；
图2为本发明城轨交通再生制动能量管控系统的结构示意图；
图3为本发明实施例中城轨交通再生制动能量管控系统仿真拓扑示意图；
图4为本发明系统模式下与传统储能系统牵引接触网接入模式下储能装置SOC变化仿真曲线；
图中，1为接触网，2为牵引变电站，3为旁路直流母线回路。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。注意，以下的实施方式的说明只是实质上的例示，本发明并不意在对其适用物或其用途进行限定，且本发明并不限定于以下的实施方式。
实施例
城轨交通牵引供电系统由牵引变电站2、接触网1(第三轨)、车辆以及走行轨等组成。理论上相邻列车间的牵引、制动工况协同，通过接触网1实现再生制动能量从制动车辆与牵引车辆的传输利用。理论上，牵引车辆、制动车辆间的交互电功率PB-T及约束可用式(1)表示：
Figure GDA0003505330470000041
式中，UBraking C表示制动车辆直流母线电压，UTracking表示牵引车辆受电弓处牵引网电压，r0表示接触网单位长度阻抗值，LB-T表示制动车辆以牵引车辆之间的接触网长度(等效为空间物理距离。)Umax为制动工况下车辆制动电阻开启触发值。由式(1)可知，要增大制动车辆、牵引车辆间的电功率交互，需增大△U或减小R；实际工程中受Umax的限制，当发车密度、载客量确定的工况下，UTracking的值也基本确定了，即△U可调节的边界空间是确定的，那么减小车辆间的电气阻抗R是增大制动车辆、牵引车辆之间功率交互能力的唯一路径。即工程中在接触网阻抗以及车辆制动电阻制动电阻开启触发值的双重作用下，当制动车辆与牵引车辆之间的电气阻抗(车辆之间的物理空间距离)超过一定值后，可传输电功率就会小于再生制动电功率，引起车载母线直流电容电压升高超限，触发制动电阻启动，再生制动失效现象发生。
实际工程中，城轨交通车辆运营图确定后，某时刻断面车辆之间的物理空间距离是不能改变的，即式(1)中的LB-T是不能改变的，要减小车辆间的电气阻抗R就需要从r0入手。对于已投运城轨交通工程，将现有接触网1更换电阻抗率更小的接触网1显然不具备工程技术经济性，那么在牵引变电站2之间采用电缆形成一条旁路直流回路，与接触网1并联，如图1所示。
由电路理论可得，旁路直流回路并入后车辆间电气阻抗R组成系数将发生改变，如式(2)所示：
Figure GDA0003505330470000051
因此在接触网1的基础上再并联一条旁路直流母线，实现车辆间的电气阻抗变为减少是显然的。与此同时基于电力电子开关实现旁路直流回路独立于牵引网，不仅可减少系统接触网等效阻抗提升再生制动能量的利用率，还可融合地面储能系统，降低地面储能系统工况识别与控制难度。基于电力电子开关的旁路直流母线回路3可为提高城轨交通车辆再生制动的利用率与可调度性提供一种新的解决方案。
根据以上分析，通过新增旁路直流回路可有效实现再生制动能量的调度利用，减少制动电阻上的消耗。理论上旁路直流回路采用直接并联即可提升再生制动能量的利用率，但该方式不能实现能量流动的管理控制，因此需考虑其接入接触网1的方式，实现能量在旁路回路和接触网1的双向流动。另外，单纯的旁路母线只是单纯的拓展了能量的流动能力，平、低峰工况下相邻车辆对制动能量的吸收能力是有限的，发生局部区域再生制动能量剩余的仍存在较大概率，故还应在旁路回路中增加储能装置，实现对多余制动能量的吸收再利用，进一步提高再生制动能量的利用率。旁路直流母线回路3(Bypass DC loopsystem)主要由直流母线、联网开关及高压支撑电容。其中旁路直流母线主要是为能量提供通道，联网开关则实现将旁路直流母线与接触网1的并接，高压支撑电容主要用于支撑旁路母线电压及存储部分多余再生制动能量。
基于此，本发明涉及了一种城轨交通再生制动能量管控系统，用于城轨交通牵引供电系统中再生制动能量的管控利用，具体地：
如图2所示，城轨交通牵引供电系统包括接触网1和多个牵引变电站2，牵引变电站2分别连接接触网1，再生制动能量管控系统包括多个用于列车制动能量长距离调度管控的旁路直流母线回路3，各旁路直流母线回路3分别并联于待调度区域的两个牵引变电站2之间的接触网1上，旁路直流母线回路3与接触网1进行能量双向流动。旁路直流母线回路3能对列车制动能量较长距离调度，可有效提升再生制动能量的利用率，抬升局部牵引网网压，具有“节能稳压”的功能。
旁路直流母线回路3包括直流母线、联网开关和高压支撑电容，联网开关设置两个，直流母线两端分别通过联网开关连接至接触网1形成并联网络，联网开关为能量双向流动开关，联网开关用于直流母线和接触网1的能量双向流动，高压支撑电容连接直流母线，高压支撑电容用于支撑直流母线电压。旁路直流母线回路3还包括用于存储多余再生制动能量的储能装置，储能装置连接直流母线。为了实现能量的有效分配和调度，该系统还包括能量分配控制器，能量分配控制器分别连接储能装置和联网开关。旁路直流母线回路3主要包括直流母线、联网开关及高压支撑电容，直流母线主要是为能量提供通道，联网开关则实现将直流母线与接触网1的并接，高压支撑电容主要用于支撑旁路母线电压及存储部分多余的再生制动能量，拓展了能量的流动能力，平、低峰工况下相邻车辆对制动能量的吸收能力是有限的，发生局部区域再生制动能量剩余的仍存在较大概率，因此，旁路直流母线回路3还设置了储能装置，实现对多余制动能量的吸收再利用，进一步提高再生制动能量的利用率。
联网开关包括用于能量从接触网1向直流母线流动的第一开关支路以及用于能量从直流母线向接触网1流动的第二开关支路，第一开关支路和第二开关支路并联且任意一时刻最多只有一个开关支路导通。第一开关支路包括二极管，二极管阳极连接至接触网1，二极管阴极连接直流母线。第二开关支路包括单向DC/DC开关电路，单向DC/DC开关电路的输入端连接直流母线，输出端连接接触网1。本实施例中单向DC/DC开关电路可采用基于IGBT的BUCK电路。能量的双向控制是通过两个单向回路独立实现。其中二极管所在回路根据其自然导通特性实现能量从接触网1到旁路回路流动；单向DC/DC开关电路所在回路，通过比较接触网1压与设定阈值控制回路实现能量从旁路回路到牵引网流动。该联网开关拓扑连接接触网1与旁路回路，称为“接触网-旁路回路”联网开关拓扑(简称为“联网开关”)。本发明采用第一开关支路和第二开关支路这种双向控制形式，相对于双向DC/DC变换电路：在开关器件上只用到大功率二极管、IGBT，开关管体积小，结构简单，成本较低；控制方面则只需单向控制IGBT回路，避免复杂多工况切换，特别是大电流工况下的快速切换。
一种城轨交通再生制动能量管控系统的控制方法，该控制方法包括如下三种模式：
模式一、车辆制动导致牵引变电站n处局部接触网电压升高：UTn＞UCi，UTn为牵引变电站n处接触网网压，UCi为与之连接的旁路直流母线回路中旁路直流母线电压，接触网中再生制动能量从旁路直流母线回路中位于牵引变电站n端的联网开关流向旁路直流母线回路，如图2中的②所示的能量流动，同时，能量流入旁路直流母线回路后从旁路直流母线回路另一端的联网开关流入与之连接的另一牵引变电站处的接触网供其他牵引车辆使用，剩余不能被其它牵引车辆利用的再生制动能量则流向储能装置进行储能，向储能装置进行储能时应满足SOC≤SOCmax，其中SOC为储能装置当前荷电状态，SOCmax为储能装置荷电状态最大值，否则储能装置不动作。
模式二、车辆牵引导致牵引变电站m处局部接触网电压降低：UTm＜Ulmin，UTm为牵引变电站m处接触网网压，UTm为设定网压跌落时的阈值电压，则控制与牵引导致牵引变电站m处接触网连接的旁路直流母线回路中位于牵引变电站m端的联网开关打开，旁路直流母线回路中的能量从该联网开关流向接触网，如图2中③所示的能量流动，同时，若旁路直流母线回路另一端联网开关位置处的接触网电压升高，则对应联网开关主动打开，再生制动能量通过旁路直流母线回路流入牵引变电站m处接触网，另外，储能装置通过旁路直流母线回路为牵引变电站m处接触网馈电，储能装置向接触网馈电时应满足SOC＞SOCmin，其中SOC为储能装置当前荷电状态，SOCmin为储能装置荷电状态最小值，否则储能装置不动作。由此可见，该模式下m处车辆的供能来自接触网、旁路直流母线回路、临近车辆的制动能量以及旁路直流母线回路的储能装置。
模式三、当接触网电压在一定范围内波动时，旁路直流母线回路两端的联网开关均不动作。
需要说明的是上文提出的工作模式均指接触网处于正常工况。图2能流标注说明如下：①代表一部分制动能量直接通过接触网网络传输到相邻的车辆；②代表局部牵引网网压升高工况下，多余再生制动能量从牵引网流向旁路回路；③当检测点处牵引网网压降低时，能量从旁路回路流向牵引网。
本实施例中应用PSCAD/EMTDC搭建了如图3所示的仿真系统，开展了高峰、平峰、低峰等场景仿真。该仿真中设计3座牵引变电站，分别为TSm、TSk和TSn，相邻两个座牵引变电站间的接触网分别并联一条旁路直流母线回路。
考虑到案例中的接触网空载电压为1.65kV，故本模式下直流旁路回路的空载电压UX设定为1.65kV。直流旁路回路控制策略及控制参数如下：当列车制动导致网压上升，“联网开关”拓扑结构中二极管自然导通，使得能量从牵引网流向旁路回路；检测“联网开关”负责检测接入处接触网的实时电压，当检测到某处因线路上列车牵引导致接触网网压跌落小于1.6kV且旁路母线电压不低于1.70kV时，该处“联网开关”中的单向DC/DC电路工作，将能量从旁路回路流馈至牵引网，实现远处剩余再生制动能量的调度。表1记录了在高峰、平峰、低峰时段加入旁路回路前后，相同仿真时间内TSm牵引变电站耗能及车载制动电阻总耗能的数据。其中高峰时段列车发车频率较高，取150s与180s为例；平峰时段的发车频率变低，取270s与300s；低峰时段列车发车频率相比于前两者最低，取330s与450s。
表1旁路直流母线回路加入前后牵引变电站耗能及车载制动电阻总耗能对比表
Figure GDA0003505330470000081
表1可知，旁路直流回路加入前后，牵引变电站减少的供能量与制动电阻减少消耗的制动能量基本相当。即牵引变电站耗能减少量＝制动电阻耗能减少量+线路阻抗耗能。牵引变电站供能的减少一部分是旁路直流回路的直流母线对网压的抬升，减少线路阻抗损耗，另一部分是旁路直流回路对线路制动能量的调度，减少牵引站的供能。不同发车间隔下旁路回路并入后制动电阻上减少消耗的制动能量约为初始系统的10％。综上所述，旁路直流回路的加入能够实现列车再生制动能量的调度，提高再生制动能量的利用率，减少制动电阻上的消耗，同时有助于补偿接触网电压跌落，减小接触网电流，降低线路阻抗损耗。
图4为本发明系统模式下(将旁路直流母线回路与储能装置结合)与传统储能系统牵引接触网接入模式下(无旁路直流母线回路)储能装置SOC变化仿真曲线，图4中，a曲线为传统储能系统牵引接触网接入模式下的SOC变化仿真曲线，b曲线为本发明系统模式下的SOC变化仿真曲线。从图中可以看出充放电次数、充放电深度、充放电时间等参数。由图4可得，本发明系统比传统方式能够显著减少储能系统中电池的充放电深度和充电次数，并一定程度缩短充放电时间。图4中传统模式储能装置仿真过程中充电次数为4次，本发明系统中储能装置仅需充电3次，在相同初始条件下电池充电深度最大为0.85＜1(传统方式)；第2次充电时通过旁路回路方式的储能装置比传统模式晚启动约5s时间，仿真时间段内本发明系统储能装置累计充放电时间约比传统模式储能系统缩短约10s。可见，本发明系统不仅可提高再生制动能量利用率，还有助于减少储能系统的充放电次数和时间、减轻储能设备的充放电深度，延长储能系统的使用寿命。从某种意义上可以降低对储能装置容量的需求，减少储能装置的资金投入。
上述实施方式仅为例举，不表示对本发明范围的限定。这些实施方式还能以其它各种方式来实施，且能在不脱离本发明技术思想的范围内作各种省略、置换、变更。

Claims (4)

1.一种城轨交通再生制动能量管控系统，用于城轨交通牵引供电系统中再生制动能量的管控利用，所述的城轨交通牵引供电系统包括接触网和多个牵引变电站，所述的牵引变电站分别连接接触网，特征在于，所述的再生制动能量管控系统包括多个用于列车制动能量长距离调度管控的旁路直流母线回路，各旁路直流母线回路分别并联于待调度区域的两个牵引变电站之间的接触网上，所述的旁路直流母线回路与所述的接触网进行能量双向流动；
所述的旁路直流母线回路包括直流母线、联网开关和高压支撑电容，所述的联网开关设置两个，直流母线两端分别通过联网开关连接至所述的接触网形成并联网络，所述的联网开关为能量双向流动开关，联网开关用于直流母线和接触网的能量双向流动，所述的高压支撑电容连接所述的直流母线，高压支撑电容用于支撑直流母线电压；
所述的旁路直流母线回路还包括用于存储多余再生制动能量的储能装置，所述的储能装置连接直流母线；
所述联网开关包括用于能量从接触网向直流母线流动的第一开关支路以及用于能量从直流母线向接触网流动的第二开关支路，所述的第一开关支路和第二开关支路并联且任意一时刻最多只有一个开关支路导通；
所述的第一开关支路包括二极管，二极管阳极连接至接触网，二极管阴极连接直流母线；
所述的第二开关支路包括单向DC/DC开关电路，所述的单向DC/DC开关电路的输入端连接直流母线，输出端连接接触网；
该系统包括如下三种控制模式：
模式一、车辆制动导致牵引变电站n处局部接触网电压升高：UTn＞UCi，UTn为牵引变电站n处接触网网压，UCi为与之连接的旁路直流母线回路中旁路直流母线电压，接触网中再生制动能量从旁路直流母线回路中位于牵引变电站n端的联网开关流向旁路直流母线回路，同时，能量流入旁路直流母线回路后从旁路直流母线回路另一端的联网开关流入与之连接的另一牵引变电站处的接触网供其他牵引车辆使用，剩余不能被其它牵引车辆利用的再生制动能量则流向储能装置进行储能；
模式二、车辆牵引导致牵引变电站m处局部接触网电压降低：UTm＜Ulmin，UTm为牵引变电站m处接触网网压，UTm为设定网压跌落时的阈值电压，则控制与牵引导致牵引变电站m处接触网连接的旁路直流母线回路中位于牵引变电站m端的联网开关打开，旁路直流母线回路中的能量从该联网开关流向接触网，同时，若旁路直流母线回路另一端联网开关位置处的接触网电压升高，则对应联网开关主动打开，再生制动能量通过旁路直流母线回路流入牵引变电站m处接触网，另外，储能装置通过旁路直流母线回路为牵引变电站m处接触网馈电；
模式三、当接触网电压在一定范围内波动时，旁路直流母线回路两端的联网开关均不动作。
2.根据权利要求1所述的一种城轨交通再生制动能量管控系统，其特征在于，该系统还包括能量分配控制器，所述的能量分配控制器分别连接储能装置和联网开关。
3.根据权利要求1所述的一种城轨交通再生制动能量管控系统，其特征在于，模式一中向储能装置进行储能时应满足SOC≤SOCmax，其中SOC为储能装置当前荷电状态，SOCmax为储能装置荷电状态最大值，否则储能装置不动作。
4.根据权利要求1所述的一种城轨交通再生制动能量管控系统，其特征在于，模式二中储能装置向接触网馈电时应满足SOC＞SOCmin，其中SOC为储能装置当前荷电状态，SOCmin为储能装置荷电状态最小值，否则储能装置不动作。
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