CN111864774A - 一种电气化铁路同相混合储能供电构造削峰填谷控制方法 - Google Patents

一种电气化铁路同相混合储能供电构造削峰填谷控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种电气化铁路同相混合储能供电构造削峰填谷控制方法，涉及电气铁路储能领域。控制器通过获取牵引母线电压互感器和馈线电流互感器采集的电压和电流数据，计算牵引负荷功率和需量，依据放电基准值、充电基准值和充电截止功率，并通过储能变换器控制能量型储能设备和功率型储能设备进行充电或放电，降低牵引负荷最大需量，兼顾回收利用再生制动能量。该发明可有效改善降低牵引负荷最大需量的效果，延长能量型储能设备的使用寿命，且简单可靠，易于实施。

Description

一种电气化铁路同相混合储能供电构造削峰填谷控制方法
技术领域
本发明涉及电气化铁路储能技术领域，特别涉及降低牵引负荷的最大需量和再生制动能量利用的管理和控制技术。
背景技术
电气化铁路用电量持续高速增长，我国电气化铁路用电量达将近500多亿千瓦时，同比增长8％以上。与此同时，我国铁路总体处于亏损状态。因此电气化铁路亟需通过节能减排减少和运营成本。
牵引负荷波动剧烈，平均功率远低于最大功率，导致设备利用率低，运营成本高。储能装置可在负荷低谷时充电，并在负荷高峰时放电，可在一定程度上缓和牵引负荷波动剧烈的情况。列车制动优先采用电制动，产生大量再生制动能量，在重载、长大下坡线路或枢纽站所，列车再生制动能量甚至可达到牵引能量的10％～30％。现阶段列车再生能量利用率很低，储能设备可暂时存储多余的再生制动能量，并适时地放电，达到节能和降低运营成本的效果。
我国电气化铁路执行大工业类两部制电价，包括基本电价和电度电价。基本电价按月计算。根据客户的意愿，基本电价的收取可按用户变压器额定容量计费，或按最大需量计费。容量计费为用户运行(包括热备用)的变压器额定容量乘以容量电价；最大需量计费为需量表记录的月最大需量乘以需量电价。其中，最大需量为电表一个月内连续15分钟测得的平均功率的最大值。除了再生制动能量的利用，降低最大需量也可以有效节省电费。
储能设备分为能量密度大的能量型储能设备，以及功率密度大、响应速度快、循环寿命长的功率型储能设备。能量型储能设备可以有效降低最大需量，但存在循环寿命短的缺点，因此需要功率型储能设备进行辅助削峰，在降低最大需量的同时延长能量型储能设备的使用寿命。
在现有轨道交通储能的应用中，储能设备的主要功能是吸收再生制动能量以及稳定牵引网网压，未考虑如何通过储能设备削峰填谷降低固定电费；专利《一种电气化铁路储能供电装置及其控制方法》(申请公布号：CN107294102A)公开了一种电气化铁路储能削峰填谷的控制方法，通过负荷功率阈值控制储能设备的充放电，实现实时削峰。由于负荷需量是连续15分钟负荷功率的平均值，牵引负荷的需量曲线和功率曲线的趋势存在一定的差异，因此通过负荷功率阈值控制储能设备的充放电降低最大负荷需量的效果较差，而且会由于过多的充放电次数影响能量型储能设备的使用寿命。
发明内容
本发明的目的是提供一种电气化铁路同相混合储能供电构造削峰填谷控制方法，它能有效地解决降低牵引负荷最大需量的实时控制问题。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种电气化铁路同相混合储能供电构造削峰填谷控制方法，该控制方法通过控制器实现，该方法通过设置在馈线上的电流互感器和牵引母线上电压互感器采集到的电压和电流数据，计算牵引负荷功率PL和负荷需量PD，控制器依据预先设置的放电基准值
Figure BDA0002624904690000021
充电基准值
Figure BDA0002624904690000022
充电截止功率
Figure BDA0002624904690000023
与牵引负荷功率PL和实时的负荷需量PD进行对比并控制储能变换器来控制能量型储能设备和功率型储能设备实施削峰填谷。
所述能量型储能设备的额定功率记为Pn1、功率型储能设备的额定功率记为Pn2，当牵引负荷功率PL<0时，控制器控制储能变换器向储能设备充电；即当-Pn2≤PL<0时，控制功率型储能设备充电，充电功率为PL；当-Pn1-Pn2<PL<-Pn2时，控制能量型储能设备和功率型储能设备同时充电，其中，功率型储能设备的充电功率为-Pn2，能量型储能设备的充电功率为PL+Pn1，当PL≤-Pn1-Pn2时，控制能量型储能设备和功率型储能设备同时充电，其中，能量型储能设备的充电功率为-Pn1，功率型储能设备的充电功率为-Pn2：当牵引负荷功率满足
Figure BDA0002624904690000024
时，若负荷需量PD小于充电基准值
Figure BDA0002624904690000025
即
Figure BDA0002624904690000026
控制器控制能量型储能设备和功率型储能设备同时充电，其中，能量型储能设备的充电功率为-Pn1，功率型储能设备的充电功率为-Pn2，若负荷需量PD大于等于充电基准值
Figure BDA0002624904690000027
且小于等于放电基准值
Figure BDA0002624904690000028
即
Figure BDA0002624904690000029
控制器控制储能设备既不充电也不放电，若负荷需量PD大于放电基准值
Figure BDA00026249046900000210
即
Figure BDA00026249046900000211
控制功率型储能设备优先放电削峰，放电功率为Pn2和PL二者中的最小值，功率型储能设备放电完毕后，若此时负荷需量PD仍然满足
Figure BDA00026249046900000212
控制器控制能量型储能设备放电，放电功率为Pn1和PL二者中的最小值；当牵引负荷功率满足
Figure BDA00026249046900000213
时，若负荷需量PD小于放电基准值
Figure BDA00026249046900000214
即
Figure BDA00026249046900000215
控制器控制储能设备既不充电也不放电，若负荷需量PD大于放电基准值
Figure BDA00026249046900000216
即
Figure BDA00026249046900000217
控制功率型储能设备先放电削峰，放电功率为Pn2和PL二者中的最小值，功率型储能设备(4)放电完毕后，若此时负荷需量PD仍然满足
Figure BDA00026249046900000218
控制器控制能量型储能设备放电，放电功率为Pn1和PL二者中的最小值。
所述实时的负荷需量PD为该时刻前15分钟牵引负荷功率的平均值，通过实时滑差计算得到。
所述放电基准值
Figure BDA00026249046900000219
充电基准值
Figure BDA00026249046900000220
充电截止功率
Figure BDA00026249046900000221
根据牵引负荷历史数据获取，且满足
Figure BDA00026249046900000222
所述控制方法适用于同时包含能量型储能设备和功率型储能设备的电气化铁路同相混合储能供电构造。
所述的电气化铁路同相混合储能供电构造为：包括与牵引进线连接的牵引母线及其设置于馈线上的电流互感器和设置于牵引母线上电压互感器，它们的输出端分别与控制器的输入端连接，能量型储能设备和功率型储能设备的输入输出均与直流母线连接；储能变换器的输入端与牵引母线连接，输出端与直流母线连接。
所述控制方法适用于同时包含能量型储能设备和功率型储能设备的电气化铁路同相储能供电构造。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明通过引入负荷需量阈值优化储能设备的充放电策略，改善了降低牵引负荷最大需量的效果，降低等值最大负荷需量的情况下，充放电次数更少。
2、本发明通过能量型储能设备和混合型储能设备的协同工作，延长了能量型储能设备的使用寿命。
3、本发明简单可靠，易于实施。
附图说明：
图1是本发明控制方法流程图；
图2是本发明的控制方法子流程图1
图3是本发明控制方法子流程图3
图4是本发明控制方法子流程图2
图5是本发明电气化铁路同相储能供电结构示意图
具体实施方式
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1
如图1所示，本实施例提供一种电气化铁路同相混合储能供电构造削峰填谷控制方法，用于降低牵引负荷最大负荷需量的混合储能控制方法，该控制方法适用于同时包含能量型储能设备和功率型储能设备的电气化铁路同相储能供电构造。
通过研究单一负荷功率阈值，控制储能设备的充放电，即当负荷功率高于该阈值，储能设备放电；当负荷功率低于该阈值，储能设备充电。这样的控制方法会导致储能设备充放电状态频繁切换，不利于需量的降低。因此提出通过充电需量阈值和放电需量阈值分别控制储能设备的充放电，给储能设备充放电的转换一定的缓冲空间，改善降低最大需量的效果。
该控制方法通过控制器实现控制步骤，所述方法包括：获取牵引母线电压互感器和馈线电流互感器采集的电压和电流数据，计算牵引负荷功率和负荷需量，分别记为PL和PD，依据放电基准值
Figure BDA0002624904690000031
充电基准值
Figure BDA0002624904690000032
充电截止功率
Figure BDA0002624904690000033
通过储能变换器控制能量型储能设备和功率型储能设备进行削峰填谷。
记能量型储能设备的额定功率为Pn1、功率型储能设备的额定功率为Pn2，当牵引负荷功率PL<0时，控制储能变换器向储能设备充电，最大程度吸收再生制动能量。即当-Pn2≤PL<0时，控制功率型储能设备充电，充电功率为PL。当-Pn1-Pn2<PL<-Pn2时，控制能量型储能设备和功率型储能设备同时充电，其中，功率型储能设备的充电功率为-Pn2，能量型储能设备的充电功率为PL+Pn1。当PL≤-Pn1-Pn2时，控制能量型储能设备和功率型储能设备同时充电，其中，能量型储能设备的充电功率为-Pn1，功率型储能设备的充电功率为-Pn2。
当牵引负荷功率满足
Figure BDA0002624904690000034
时，若负荷需量PD小于充电基准值
Figure BDA0002624904690000035
即
Figure BDA0002624904690000036
控制能量型储能设备和功率型储能设备同时充电，其中，能量型储能设备的充电功率为-Pn1，功率型储能设备的充电功率为-Pn2。若负荷需量PD大于等于充电基准值
Figure BDA0002624904690000037
且小于等于放电基准值
Figure BDA0002624904690000038
即
Figure BDA0002624904690000039
控制储能设备既不充电也不放电。若需量PD大于放电基准值
Figure BDA00026249046900000310
即
Figure BDA00026249046900000311
控制功率型储能设备优先放电削峰，放电功率为Pn2和PL二者中的最小值；功率型储能设备放电完毕后，若此时负荷需量PD仍然满足
Figure BDA00026249046900000312
控制能量型储能设备放电，放电功率为Pn1和PL二者中的最小值；在降低最大负荷需量的同时，通过功率型储能设备分担部分放电任务，延长能量型储能设备的使用寿命。
当牵引负荷功率满足
Figure BDA0002624904690000041
时，系统中的牵引负荷功率较大，为了避免由于储能设备充电导致负荷功率峰值进一步增大，这种情况下储能设备不充电。若负荷需量PD小于放电基准值
Figure BDA0002624904690000042
即
Figure BDA0002624904690000043
控制储能设备既不充电也不放电。若负荷需量PD大于放电基准值
Figure BDA0002624904690000044
即
Figure BDA0002624904690000045
控制功率型储能设备优先放电削峰，放电功率为Pn2和PL二者中的最小值。功率型储能设备放电完毕后，若此时负荷需量PD仍然满足
Figure BDA0002624904690000046
控制能量型储能设备放电，放电功率为Pn1和PL二者中的最小值。
实时的负荷需量PD通过实时滑差计算得到，即该时刻前15分钟牵引负荷功率的平均值。
放电基准值
Figure BDA0002624904690000047
充电基准值
Figure BDA0002624904690000048
充电截止功率
Figure BDA0002624904690000049
根据牵引负荷历史数据获取，且满足
Figure BDA00026249046900000410
所述牵引负荷历史数据是依据变电所存档资料，统计得到最大牵引负荷功率、最大负荷需量、平均负荷需量和平均牵引负荷功率等参数。整理后能确定放电基准值
Figure BDA00026249046900000411
根据实际情况取大于0，小于负荷需量平均值的任一值；充电基准值
Figure BDA00026249046900000412
根据实际情况取大于负荷需量平均值且小于最大负荷需量的任一值；充电截止功率
Figure BDA00026249046900000413
根据实际情况取大于平均功率且小于最大牵引负荷功率的任一值。
所述控制方法适用于同时包含能量型储能设备和功率型储能设备的电气化铁路同相储能供电构造。
实施例2
如图2所示，本实施例提供一种电气化铁路同相储能供电结构示意图。
包括与牵引进线1连接的牵引母线2及其设置于馈线3上的电流互感器6和设置于牵引母线2上电压互感器7，它们的输出端分别与控制器8的输入端连接，能量型储能设备4和功率型储能设备5的输入输出均与直流母线10连接；储能变换器9的输入端与牵引母线2连接，输出端与直流母线10连接。
馈线3与牵引母线2连接，电流互感器6与馈线3连接，测量牵引电流。电压互感器7与牵引母线2连接，测量牵引母线2对地电压。控制器8通过获取电压互感器7和电流互感器6采集的电压和电流数据，计算牵引负荷功率和需量。依据放电基准值
Figure BDA00026249046900000414
充电基准值
Figure BDA00026249046900000415
充电截止功率
Figure BDA00026249046900000416
通过控制储能变换器9，控制能量型储能设备4和功率型储能设备5进行充电或放电，降低牵引负荷最大需量，兼顾回收利用再生制动能量。

Claims (6)

1.一种电气化铁路同相混合储能供电构造削峰填谷控制方法，该方法通过设置在馈线(3)上的电流互感器(6)和牵引母线上电压互感器(7)采集到的电压和电流数据，计算牵引负荷功率PL和负荷需量PD，其特征在于：控制器(8)依据预先设置的放电基准值
Figure FDA0002624904680000011
充电基准值
Figure FDA0002624904680000012
充电截止功率
Figure FDA0002624904680000013
与牵引负荷功率PL和实时的负荷需量PD进行对比并控制储能变换器(9)来控制能量型储能设备(4)和功率型储能设备(5)实施削峰填谷。
2.根据权利要求1所述的一种电气化铁路同相混合储能供电构造削峰填谷控制方法，所述能量型储能设备(4)的额定功率记为Pn1、功率型储能设备(5)的额定功率记为Pn2，当牵引负荷功率PL<0时，控制器(8)控制储能变换器(9)向储能设备充电；即当-Pn2≤PL<0时，控制功率型储能设备(5)充电，充电功率为PL；当-Pn1-Pn2<PL<-Pn2时，控制能量型储能设备(4)和功率型储能设备(5)同时充电，其中，功率型储能设备(5)的充电功率为-Pn2，能量型储能设备(4)的充电功率为PL+Pn1，当PL≤-Pn1-Pn2时，控制能量型储能设备(4)和功率型储能设备(5)同时充电，其中，能量型储能设备(4)的充电功率为-Pn1，功率型储能设备(5)的充电功率为-Pn2：当牵引负荷功率满足
Figure FDA0002624904680000014
时，若负荷需量PD小于充电基准值
Figure FDA0002624904680000015
即
Figure FDA0002624904680000016
控制器(8)控制能量型储能设备(4)和功率型储能设备(5)同时充电，其中，能量型储能设备(4)的充电功率为-Pn1，功率型储能设备(5)的充电功率为-Pn2，若负荷需量PD大于等于充电基准值
Figure FDA0002624904680000017
且小于等于放电基准值
Figure FDA0002624904680000018
即
Figure FDA0002624904680000019
控制器(8)控制储能设备既不充电也不放电，若负荷需量PD大于放电基准值
Figure FDA00026249046800000110
即
Figure FDA00026249046800000111
控制功率型储能设备(5)优先放电削峰，放电功率为Pn2和PL二者中的最小值，功率型储能设备(5)放电完毕后，若此时负荷需量PD仍然满足
Figure FDA00026249046800000112
控制器(8)控制能量型储能(4)设备放电，放电功率为Pn1和PL二者中的最小值；当牵引负荷功率满足
Figure FDA00026249046800000113
时，若负荷需量PD小于放电基准值
Figure FDA00026249046800000114
即
Figure FDA00026249046800000115
控制器(8)控制储能设备既不充电也不放电，若负荷需量PD大于放电基准值
Figure FDA00026249046800000116
即
Figure FDA00026249046800000117
控制功率型储能设备(5)先放电削峰，放电功率为Pn2和PL二者中的最小值，功率型储能设备(4)放电完毕后，若此时负荷需量PD仍然满足
Figure FDA00026249046800000118
控制器(8)控制能量型储能(4)设备放电，放电功率为Pn1和PL二者中的最小值。
3.根据权利要求1所述的一种电气化铁路同相混合储能供电构造削峰填谷控制方法，其特征在于：所述实时的负荷需量PD为该时刻前15分钟牵引负荷功率的平均值，通过实时滑差计算得到。
4.根据权利要求1所述的一种电气化铁路同相混合储能供电构造削峰填谷控制方法，其特征在于：所述放电基准值
Figure FDA00026249046800000119
充电基准值
Figure FDA00026249046800000120
充电截止功率
Figure FDA00026249046800000121
根据牵引负荷历史数据获取，且满足
Figure FDA00026249046800000122
5.根据权利要求1所述的一种电气化铁路同相混合储能供电构造削峰填谷控制方法，其特征在于：所述控制方法适用于同时包含能量型储能设备和功率型储能设备的电气化铁路同相混合储能供电构造。
6.根据权利要求1所述的一种电气化铁路同相混合储能供电构造削峰填谷控制方法，其特征在于：所述的电气化铁路同相混合储能供电构造为：包括与牵引进线(1)连接的牵引母线(2)及其设置于馈线(3)上的电流互感器(6)和设置于牵引母线(2)上电压互感器(7)，它们的输出端分别与控制器(8)的输入端连接，能量型储能设备(4)和功率型储能设备(5)的输入输出均与直流母线(10)连接；储能变换器(9)的输入端与牵引母线(2)连接，输出端与直流母线(10)连接。
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