CN112406636B - 一种多所协同的再生制动能量利用系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种多所协同的再生制动能量利用系统及其控制方法，包括左、右四象限变流器共直流环节构成的潮流控制设备I、潮流控制设备II和潮流控制设备III；其中，潮流控制设备I的左交流端口和右交流端口分别连接到分区所I处的右供电臂I和左供电臂II，潮流控制设备II的左交流端口和右交流端口分别连接到变电所II处的左供电臂II和右供电臂II，潮流控制设备III的左交流端口和右交流端口分别连接到分区所II处右供电臂II和左供电臂III；还包括连接到潮流控制设备II的直流环节的储能系统。本发明利用潮流控制设备进行功率转移，使多个变电所之间可进行功率交换，增加了再生制动能量利用路径；对不同的模式进行功率潮流规划，可提高再生制动能量利用效率。

Description

一种多所协同的再生制动能量利用系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及电气化铁路牵引供电系统领域，特别是一种多所协同的再生制动能量利用系统及其控制方法。

背景技术

近年来，我国电气化铁路中，采用再生制动方式的现代交流传动机车大规模应用，使牵引供电系统中含有大量的再生制动能量。目前，大量的再生能量直接返送回电力系统，使得铁路系统能量利用效率降低；又由于直接返送回电力系统的再生制动能量电能质量不高，电力系统通常采用返送不计或返送正计的收费方式，使得铁路部门运行成本增加。随着电气化铁路重载化的推进、行车运行速度以及密度的不断提高，牵引供电系统的再生制动能量日益丰富，铁路部门面临越来越严峻的能效提升问题和经济损失。故而，研究电气化铁路牵引供电系统的再生制动能量的回收利用，对实现电气化铁路的节能降耗、能效提升、经济运营都具有重大意义。

现有再生能量利用技术通过增设潮流控制设备及储能系统，可有效提高再生制动能量在牵引供电系统内部的利用率。但是，现有技术主要针对单个牵引变电所内部的再生能量利用，应用于多个牵引变电所场景时，由于各所之间相互独立，导致再生能量利用效果有限，并且具有较大的投资成本。故而，在某些适宜的线路上，可通过构建基于多牵引变电所协同的交流电气化铁路再生能量利用系统进一步提升利用效果。

发明内容

本发明公开了一种多所协同的再生制动能量利用系统及其控制方法，相比已有方案可进一步实现电气铁路的节能降耗、能效提升、经济运行。

实现本发明目的的技术方案为：

一种多所协同的再生制动能量利用系统，左供电臂I、牵引变电所I、右供电臂I、分区所I、左供电臂II、牵引变电所II、右供电臂II、分区所II、左供电臂III、牵引变电所III和右供电臂III依次连接；包括左、右四象限变流器共直流环节构成的潮流控制设备I、潮流控制设备II和潮流控制设备III；其中，潮流控制设备I的左交流端口和右交流端口分别连接到分区所I处的右供电臂I和左供电臂II，潮流控制设备II的左交流端口和右交流端口分别连接到变电所II处的左供电臂II和右供电臂II，潮流控制设备III的左交流端口和右交流端口分别连接到分区所II处右供电臂II和左供电臂III；还包括连接到潮流控制设备II的直流环节的储能系统。

上述一种多所协同的再生制动能量利用系统的控制方法，包括

步骤一：计算牵引变电所I、牵引变电所II和牵引变电所III的实时负荷功率P_s1、P_s2和P_s3，

其中，P_FL1、P_FR1分别为左供电臂I、右供电臂I的实时功率，P_FL2、P_FR2分别为左供电臂II、右供电臂II的实时功率，P_FL3、P_FR3分别为左供电臂III、右供电臂III的实时功率；从牵引变电所流向供电臂的实时功率为正，反向为负；P_trans1为潮流控制设备I的实时转移功率，从牵引变电所II向牵引变电所I转移为正，反向为负；P_trans3为潮流控制设备III的实时转移功率，从牵引变电所II向牵引变电所III转移为正，反向为负；

步骤二：根据实时负荷功率总和∑P＝P_s1+P_s2+P_s3与储能系统荷电状态SoC判定工作模式：如∑P>0且SoC>SoC_min则为储能放电模式，否则进一步判定：如∑P<0且SoC<SoC_max则为储能充电模式，否则为无储能模式；其中，SoC_min和SoC_max分别为储能系统荷电水平下限和上限；步骤三：根据工作模式进行储能系统参考功率P_{ESS_ref}、潮流控制设备I参考功率P_{trans1_ref}和潮流控制设备III参考功率P_{trans3_ref}的分配；

3.1当工作模式为储能放电模式，功率分配为：

3.1.1，令P'_{ESS_ref}＝min{P_max.dis,∑P}，其中，P_max.dis为储能系统放电限制功率；

3.1.2，如P_s1P_s3>0，则继续，否则转3.1.4；

3.1.3，如P_s1<0且P_s3<0，则令P_{trans1_ref}＝P_s1，P_{trans3_ref}＝P_s3，P_{ESS_ref}＝P'_{ESS_ref}，转3.1.7；

否则，令P_{trans1_ref}＝min{P_s1,P'_{ESS_ref}-P_s2-(1-v_x)P_s3}，P_{trans3_ref}＝min{P_s3,P'_{ESS_ref}-P_s2-v_xP_s1}，

P_{ESS_ref}＝P'_{ESS_ref}，计算结果需满足约束条件

转3.1.7；

式中，v_x为优先级参数，当|P_s1|≥|P_s3|时v_x为1，|P_s1|<|P_s3|时v_x为0；

3.1.4，令P'_{trans1_ref}＝v₁min{v₁P_s1,v₁(P'_{ESS_ref}-P_s2-P_s3)}，P'_{trans3_ref}＝v₃min{v₃P_s3,v₃(P'_{ESS_ref}-P_s2-P_s1)}，

计算结果需满足约束条件

式中，v₁＝sgn(P_s1),v₃＝sgn(P_s3)；

3.1.5，计算牵引变电所I、牵引变电所III间交换功率P_exchn1-3：

P_exchn1-3＝min(P_x,|P_s1|,|P_s3|)，其中，P_x＝max{min(P_s1,P_s3)|-P_s2,0}；

3.1.6，若P_exchn1-3>P_ex-L，则令P_{trans1_ref}＝P'_{trans1_ref}，P_{trans3_ref}＝P'_{trans3_ref}，P_{ESS_ref}＝P'_{ESS_ref}，转3.1.7；

否则，令

其中，P_ex-L为预设的变电所I、变电所III之间交换功率阈值；

3.1.7，结束功率分配；

3.2当工作模式为储能充电模式，功率分配为：

3.2.1，令P'_{ESS_ref}＝max{P_max.ch,∑P}，其中，P_max.ch为储能系统充电限制功率；

3.2.2，如P_s1P_s3>0，则继续，否则转3.2.4；

3.2.3，如P_s1>0且P_s3>0，则令P_{trans1_ref}＝P_s1，P_{trans3_ref}＝P_s3，P_{ESS_ref}＝P'_{ESS_ref}，转3.2.7；

否则，令P_{trans1_ref}＝max{P_s1,P'_{ESS_ref}-P_s2-(1-v_x)P_s3}，P_{trans3_ref}＝max{P_s3,P'_{ESS_ref}-P_s2-v_xP_s1}，P_{ESS_ref}＝P'_{ESS_ref}，计算结果需满足约束条件

转3.2.7；式中，v_x为优先级参数，当|P_s1|≥|P_s3|时v_x为1，|P_s1|<|P_s3|时v_x为0；

3.2.4，令P'_{trans1_ref}＝v₁min{v₁P_s1,v₁(P'_{ESS_ref}-P_s2-P_s3)}，P'_{trans3_ref}＝v₃min{v₃P_s3,v₃(P'_{ESS_ref}-P_s2-P_s1)}，计算结果需满足约束条件

式中，v₁＝sgn(P_s1),v₃＝sgn(P_s3)；

3.2.5，计算牵引变电所I、牵引变电所III间交换功率P_exchn1-3：

P_exchn1-3＝min(P_x,|P_s1|,|P_s3|)，其中，P_x＝max{min(P_s1,P_s3)|-P_s2,0}；

3.2.6，若P_exchn1-3>P_ex-L，则令P_{trans1_ref}＝P'_{trans1_ref}，P_{trans3_ref}＝P'_{trans3_ref}，P_{ESS_ref}＝P'_{ESS_ref}，转3.2.7；

否则，令

其中，P_ex-L为预设的变电所I、变电所III之间交换功率阈值；

3.2.7，结束功率分配；

3.3当工作模式为无储能模式，功率分配为：

3.3.1，令P_{ESS_ref}＝0；

3.3.2，如P_s1P_s2>0且P_s2P_s3>0，则令P_{trans1_ref}＝0，P_{trans3_ref}＝0，转3.3.7；否则，继续；

3.3.2，如P_s1P_s3>0，则继续，否则转3.3.4；

3.3.3，如P_s2<0，令P_{trans1_ref}＝min{P_s1,-P_s2-(1-v_x)P_s3}，P_{trans3_ref}＝min{P_s3,-P_s2-v_xP_s1}，计算结果需满足约束条件

转3.3.7；式中，v_x为优先级参数，当|P_s1|≥|P_s3|时v_x为1，|P_s1|<|P_s3|时v_x为0；

否则，令P_{trans1_ref}＝max{P_s1,-P_s2-(1-v_x)P_s3}，P_{trans3_ref}＝max{P_s3,-P_s2-v_xP_s1}，计算结果需满足约束条件

转3.3.7；

3.3.4，令P'_{trans1_ref}＝v₁min{v₁P_s1,v₁(-P_s2-P_s3)}，P'_{trans3_ref}＝v₃min{v₃P_s3,v₃(-P_s2-P_s1)}，计算结果需满足约束条件

式中，v₁＝sgn(P_s1),v₃＝sgn(P_s3)；

3.3.5，计算牵引变电所I、牵引变电所III间交换功率P_exchn1-3：

P_exchn1-3＝min(P_x,|P_s1|,|P_s3|)，其中，P_x＝max{min(P_s1,P_s3)|-P_s2,0}；

3.3.6，若P_exchn1-3>P_ex-L，则令P_{trans1_ref}＝P'_{trans1_ref}，P_{trans3_ref}＝P'_{trans3_ref}，转3.3.7；

否则，令

其中，P_ex-L为预设的变电所I、变电所III之间交换功率阈值；

3.3.7，结束功率分配；

步骤四：分配潮流控制设备II的左变流器、右变流器参考功率P_{trans2_L_ref}、P_{trans2_R_ref}；从变流器流入牵引网的参考功率为正，反之为负；

其中，P_g2＝P_s2+P_{trans1_ref}+P_{trans3_ref}-P_{ESS_ref}；

步骤五：按照储能系统参考功率P_{ESS_ref}、潮流控制设备I参考功率P_{trans1_ref}、潮流控制设备III参考功率P_{trans3_ref}和潮流控制设备II的左变流器、右变流器参考功率P_{trans2_L_ref}、P_{trans2_R_ref}，执行潮流控制。

本发明的有益效果在于：

相较于各牵引变电所独立的再生制动能量利用技术，本发明多所协同的再生制动能量系统利用潮流控制设备进行功率转移，使多个变电所之间可进行功率交换，增加了再生制动能量利用路径；通过储能系统，可实现再生制动能量的回收再利用，还可实现负荷波动的平抑；并且，多个变电所共用一套储能系统，可提高储能系统的利用率，并减少投资成本。

本发明多所协同的再生制动能量系统控制方法通过将系统运行状态划分为储能充电、储能放电以及无储能运行模式，对不同的模式进行功率潮流规划，可提高再生制动能量利用效率，提高电气化铁路系统供电系统能效，实现铁路节能降耗；再生功率、储能系统功率供电的优先级设定，可实现负荷功率峰值的削减，减少电气化铁路系统的运行成本；控制潮流控制设备II进行牵引变电所II的两臂负荷功率的平衡，可缓解变电所II的负序问题、网压波动问题。

附图说明

图1为多所协同的再生制动能量利用系统拓扑结构及相应功率关系图。图中，箭头方向为对应功率正方向。1为左供电臂I，2为右供电臂I，3为左供电臂II，4为右供电臂II，5为左供电臂III，6为右供电臂III。

图2为潮流控制设备II、储能系统的结构及连接方式示意图。

图3为多所协同的再生制动能量利用系统的控制方法流程图。

图4为储能放电模式的功率分配策略图。

图5为储能充电模式的功率分配策略图。

图6为无储能模式的功率分配策略图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

如图1所示，一种多所协同的再生制动能量利用系统，左供电臂I、牵引变电所I、右供电臂I、分区所I、左供电臂II、牵引变电所II、右供电臂II、分区所II、左供电臂III、牵引变电所III和右供电臂III依次连接；潮流控制设备I的左、右交流端口分别连接至分区所I处的右供电臂I、左供电臂II；潮流控制设备II的左、右交流端口分别连接至牵引变电所II处的左供电臂II、右供电臂II；潮流控制设备III的左、右交流端口分别连接至分区所II处的右供电臂II、左供电臂III。

如图2所示，潮流控制设备II包括左断路器11、左隔离变压器21、背靠背变流器、右隔离变压器22、左断路器12；背靠背变流器的两交流端口分别连接至左隔离变压器、右隔离变压器的低压侧，左隔离变压器21高压侧串接左短路器11、右隔离变压器22高压侧左断串接路器11，分别构成左交流端口、右交流端口。

其中，背靠背变流器由左四象限变流器31、右四象限变流器32、直流环节33构成；左四象限变流器31、右四象限变流器32共用直流环节33，构成交-直-交电能变换结构，可实现双向能量传输。

潮流控制设备I、潮流控制设备III与潮流控制设备II具有相同的结构。

储能系统接入潮流控制设备II，具体地，储能系统的两端子接入潮流控制设备II中背靠背变流器的直流环节33。

储能系统包括双向DC/DC变流器41和储能装置42。储能装置42包括超级电容储能、蓄电池储能、飞轮储能，根据实际需求配置单一储能或混合储能。

多所协同的再生制动能量利用系统的控制方法，基本流程如图3所示，包括：

步骤1，各变电所/分区所安装的分布式电气量检测装置实时进行电气量检测，并将信息实时通信传输到中央控制系统；

步骤2，中央控制系统接收电气量信息，并根据接收到的信息计算再生能量利用系统的功率数据，并从中得到各变电所的负荷功率；

步骤3，根据三个变电所负荷功率总和与储能系统荷电水平，判定再生制动能量利用系统的工作模式，包括储能充电、储能放电以及无储能模式；

步骤4，根据工作模式对功率潮流进行分配，得到储能系统参考功率、潮流控制设备I参考功率和潮流控制设备III参考功率；

步骤5，分配潮流控制设备II的左变流器、右变流器参考功率；

步骤6，中央控制系统将得到的各参考功率实时通信传输给对应的潮流控制设备和储能系统，由各设备的本地控制器执行潮流控制，实现对再生制动能量利用系统的实时控制。

其中，实时通信可通过专门的有线通信线路(如铁路沿线既有光纤通信网络)或无线通信(铁路沿线4G网络)实现。

步骤1中，通过设置在变电所/分区所的分布式电压、电流检测装置，检测各变电所左供电臂及右供电臂、各分区所潮流控制设备以及变电所II中潮流控制设备、储能系统的实时电压、电流信号；然后通信模块将测得的电压、电流信号传输到中央控制系统。

步骤2中，根据测量得到的电压、电流信号，中央控制系统首先计算测量功率，需计算的功率如图1。包括：左供电臂I实时功率P_FL1及右供电臂I实时功率P_FR1，左供电臂II实时功率P_FL2及右供电臂II实时功率P_FR2，左供电臂III实时功率P_FL3及右供电臂III实时功率P_FR3，实时功率以变电所流向供电臂为正、反向为负；潮流控制设备I实时转移功率P_trans1，从牵引变电所II向牵引变电所I转移为正；潮流控制设备III的实时转移功率P_trans3，从牵引变电所II向牵引变电所III转移为正；储能系统实时功率P_ESS，放电为正、充电为负；此外，还需计算储能系统的荷电状态SoC。

根据得到的测量功率，牵引变电所I、II及III中实时负荷功率P_s1、P_s2、P_s3可分别由下式计算得到：

牵引变电所实时负荷功率小于0时，表示该牵引变电所内有再生功率。

步骤3中，根据三个变电所的负荷功率总和∑P＝P_s1+P_s2+P_s3与储能系统SoC进行工作模式判定，具体为：

S001，判断∑P>0且SoC≥SoC_min是否成立，若是，则系统进入储能放电模式；若否，进入S102；

S002，判断∑P<0且SoC≤SoC_max是否成立，若是，则系统进入储能充电模式；若否，进入无储能模式；

判断条件中，SoC_min与SoC_max分别代表储能系统荷电水平下限和上限。

步骤4中，进行潮流控制设备I、III以及储能系统参考功率P_{trans1_ref}、P_{trans3_ref}、P_{ESS_ref}的分配，具体如下：

4.1如图4所示，储能放电模式功率分配的策略及计算详细如下：

S100，对储能系统的参考功率进行分配，式中P_max.dis为储能系统放电限制功率；

P_{ESS_ref}＝mi_n{P_max.dis,∑P} (2)

此模式中储能系统工作于放电模式，其参考功率称为储能系统放电功率；

S101，判断P_s1P_s3>0是否成立，若是，进入S102；若否，进入S107；

S102，判断P_s1<0且P_s3<0是否成立，若是，进入S103；若否，进入S104；

S103，牵引变电所I、III的再生功率以及储能系统放电功率皆供给牵引变电所II；牵引变电所I、II、III之间的功率交换是通过潮流控制设备I、III来进行的，故而，潮流控制设备I、III的参考功率可由下式计算：

功率分配完成；

S104，判断P_s2>0是否成立，若是，进入S105；若否，进入S106；

S105，储能系统放电功率按照优先级提供给各变电所：若P_s1≥P_s3，优先顺序为牵引变电所II、牵引变电所I、牵引变电所III；若P_s3≥P_s1，优先顺序为牵引变电所II、牵引变电所III、牵引变电所I；牵引变电所I、II、III之间的功率交换是通过潮流控制设备I、III来进行的，故而，潮流控制设备I、III的参考功率可由下式计算：

式中，v_x为优先级参数，当|P_s1|≥|P_s3|时，v_x为1，|P_s1|<|P_s3|时，v_x为0；

功率分配完成；

S106，若P_s1≥P_s3，牵引变电所II的再生功率及储能放电功率优先给牵引变电所I，再给牵引变电所III；若P_s3≥P_s1，牵引变电所II的再生功率及储能放电功率优先给牵引变电所III，再给牵引变电所I；牵引变电所I、II、III之间的功率交换是通过潮流控制设备I、III来进行的，故而，潮流控制设备I、III的参考功率可由式(4)计算得到，功率分配完成；

对S105、S106过程，计算结果需满足约束条件

当不满足相应约束条件时，对应参考功率取0；

S107，判断P_s2>0是否成立，若是，进入S108；若否，进入S109；

S108，若P_s1<0，则牵引变电所I中的再生功率、储能放电功率先供给牵引变电所II，再供给牵引变电所III；若P_s3<0，则牵引变电所III中的再生功率、储能放电功率先供给牵引变电所II，再供给牵引变电所I；牵引变电所I、II、III之间的功率交换是通过潮流控制设备I、III来进行的，故而，潮流控制设备I、III的参考功率由下式计算：

式中，v₁、v₃分别为P_s1、P_s3的符号，即v_i＝sgn(P_si)，i＝1，3；

然后进入S110；

S109，若P_s1<0，则牵引变电所III由储能放电功率、牵引变电所II与牵引变电所I同时供给；若P_s3<0，则牵引变电所I由储能放电功率、牵引变电所II与牵引变电所III同时供给；牵引变电所I、II、III之间的功率交换是通过潮流控制设备I、III来进行的，故而，潮流控制设备I、III的参考功率由式(5)进行计算，然后进入S110；

对S108、S109过程，计算结果需满足约束条件

当不满足相应约束条件时，对应参考功率取0；

S110，计算牵引变电所I、III间交换功率大小P_exchn1-3：

若P_exchn1-3大于设定的牵引变电所I、III间交换功率阈值P_ex-L，则结束功率分配；

否则，牵引变电所I、III之间不进行功率交换：若P_s1<0，牵引变电所I不提供此部分功率，牵引变电所III此部分功率由储能系统放电承担；若P_s3<0，牵引变电所III不提供此部分功率，牵引变电所I此部分功率由储能系统放电承担；根据以上策略，潮流控制设备I、III以及储能系统的参考功率按照下式进行修正；

功率分配完成；

4.2如图5所示，储能充电模式功率分配的策略及计算详细如下：

S200，对储能系统的参考功率进行分配，式中P_max.ch为储能系统充电限制功率：

P_{ESS_ref}＝max{P_max.ch,∑P} (8)

此模式中储能系统工作于充电模式，其参考功率称为储能系统充电功率；

S201，判断P_s1P_s3>0是否成立，若是，进入S202；若否，进入S207；

S202，判断P_s1>0且P_s3>0是否成立，若是，进入S203；若否，进入S204；

S203，牵引变电所II再生功率供电的顺序为：牵引变电所I、牵引变电所III、储能系统；牵引变电所I、II、III之间的功率交换是通过潮流控制设备I、III来进行的，故而潮流控制设备I、III的参考功率由式(3)计算，参考功率分配完成；

S204，判断P_s2<0是否成立，若是，进入S205；若否，进入S206；

S205，此时储能系统按优先级从各牵引变电所吸收再生功率：若P_s1≤P_s3，优先顺序为牵引变电所II、牵引变电所I、牵引变电所III；若P_s3≤P_s1，优先顺序为牵引变电所II、牵引变电所III、牵引变电所I；牵引变电所I、II、III之间的功率交换是通过潮流控制设备I、III来进行的，故而，潮流控制设备I、III的参考功率由下式计算：

功率分配完成；

S206，牵引变电所I、III中再生功率先供给牵引变电所II牵引负荷，剩余功率再由储能吸收；功率转移时，若P_s1≤P_s3，先将牵引变电所I的再生功率完全转移，再从牵引变电所III转移功率；功率转移时，若P_s3≤P_s1，先将牵引变电所III的再生功率完全转移，再从牵引变电所I获取功率；牵引变电所I、II、III之间的功率交换是通过潮流控制设备I、III来进行的，故而，潮流控制设备I、III的参考功率由式(9)计算，功率分配完成；

对S205、S206过程，计算结果需满足约束条件

当不满足相应约束条件时，对应参考功率取0；

S207，判断P_s2>0是否成立，若是，进入S208；若否，进入S209；

S208，若P_s1<0，牵引变电所I中再生功率转移的优先顺序为牵引变电所II、牵引变电所III、储能系统；若P_s3<0，牵引变电所III中再生功率转移的优先顺序为牵引变电所II、牵引变电所I、储能系统；牵引变电所I、II、III之间的功率交换是通过潮流控制设备I、III来进行的，故而，潮流控制设备I、III的参考功率由式(5)进行计算，然后进入S210；

S209，若P_s1<0，牵引变电所I、牵引变电所II的再生功率供给的优先顺序为牵引变电所III、储能系统；若P_s3<0，牵引变电所II、牵引变电所III的再生功率供给的优先顺序为牵引变电所I、储能系统；转移再生功率时，先将牵引变电所II的再生功率完全转移；牵引变电所I、II、III之间的功率交换是通过潮流控制设备I、III来进行的，故而，潮流控制设备I、III的参考功率由式(5)进行计算，然后进入S210；

对S208、S209过程，计算结果需满足约束条件

当不满足相应约束条件时，对应参考功率取0；

S210，牵引变电所I、III间交换功率大小P_exchn1-3根据式(6)进行计算；

若P_exchn1-3大于设定的牵引变电所I、III间交换功率阈值P_ex-L，则结束功率分配；

否则，牵引变电所I、III之间不进行功率交换；若P_s1>0，牵引变电所I不得到此部分功率，牵引变电所III此部分功率由储能系统吸收；若P_s3>0，牵引变电所III不得到此部分功率，牵引变电所I此部分功率由储能系统吸收；根据所述策略，可由下式进行功率修正：

功率分配完成；

4.3如图6所示，无储能模式下功率分配的策略及计算详细如下：

S300，储能系统不工作，即：

P_{ESS_ref}＝0 (11)

S301，判断P_s1P_s2>0且P_s2P_s3>0是否成立，若是，进入S302；若否，进入S303；

S302，牵引牵引变电所I、II、III之间不进行功率交换，潮流控制设备I、III不动作；牵引变电所I、II、III之间的功率交换是通过潮流控制设备I、III来进行的，故而，潮流控制设备I、III的参考功率由下式得到：

功率分配完成；

S303，判断P_s1P_s3>0是否成立，若是，进入S304；若否，进入S307；

S304，判断P_s2<0是否成立，若是，进入S305；若否，进入S306；

S305，若P_s1≥P_s3，牵引变电所II再生功率转移的优先顺序为I、牵引变电所III；若P_s3≥P_s1，牵引变电所II再生功率转移的优先顺序为III、牵引变电所I；牵引变电所I、II、III之间的功率交换是通过潮流控制设备I、III来进行的，故而，潮流控制设备I、III的参考功率可由下式得到：

功率分配完成；

对S305过程，计算结果需满足约束条件

当不满足相应约束条件时，对应参考功率取0；

S306，若P_s1≤P_s3，牵引变电所II先从牵引变电所I吸收再生能量，若无法满足牵引需求，再从牵引变电所III吸收再生功率；若P_s3≤P_s1，牵引变电所II先从牵引变电所III吸收再生能量，再从牵引变电所I吸收再生功率；牵引变电所I、II、III之间的功率交换是通过潮流控制设备I、III来进行的，故而，潮流控制设备I、III的参考功率可由下式得到：

功率分配完成；

对S306过程，计算结果需满足约束条件

当不满足相应约束条件时，对应参考功率取0；

S307，判断P_s2>0是否成立，若是，进入S308；若否，进入S309；

S308，若P_s1<0，牵引变电所I再生功率转移的优先顺序为牵引变电所II、牵引变电所III；若P_s3<0，牵引变电所III再生功率转移的优先顺序为牵引变电所II、牵引变电所I；牵引变电所I、II、III之间的功率交换是通过潮流控制设备I、III来进行的，故而，潮流控制设备I、III的参考功率可由下式得到：

然后进入S310；

S309，若P_s1<0，牵引变电所III吸收功率顺序：牵引变电所II、牵引变电所I；若P_s3<0，牵引变电所I吸收功率顺序：牵引变电所II、牵引变电所III；牵引变电所I、II、III之间的功率交换是通过潮流控制设备I、III来进行的，故而潮流控制设备I、III的参考功率可由式(15)计算得到，然后进入S310；

对S308、S309过程，计算结果需满足约束条件

当不满足相应约束条件时，对应参考功率取0；

S310，牵引变电所I、III间交换功率大小P_exchn1-3根据式(6)进行计算；

若P_exchn1-3大于设定的牵引变电所I、III间交换功率阈值P_ex-L，则结束功率分配；

否则，牵引变电所I、III之间不进行功率交换，潮流控制设备I、III转移时需减去此部分功率；通过下式对参考功率进行修正：

功率分配完成；

步骤5中，以平衡两臂负荷为目的，分配潮流控制设备II的左变流器、右变流器参考功率。潮流控制设备II的左、右变流器参考功率P_{trans2_L_ref}、P_{trans2_R_ref}(以向供电臂注入功率为正方向)由下式计算：

步骤6中，按照储能系统参考功率P_{ESS_ref}、潮流控制设备I参考功率P_{trans1_ref}、潮流控制设备III参考功率P_{trans3_ref}和潮流控制设备II的左变流器、右变流器参考功率P_{trans2_L_ref}、P_{trans2_R_ref}，执行潮流控制。

实施例

能量控制过程中，设定SoC_min为0.1，SoC_max为0.9，P_max.dis为5MW，P_ex-L为1MW。

步骤1中，通过设置在变电所/分区所的分布式电压、电流检测装置，检测各变电所左供电臂及右供电臂、各分区所潮流控制设备以及变电所II中潮流控制设备、储能系统的实时电压、电流信号；

步骤2中，计算检测功率得到：牵引变电所I中P_FL1为2MW、P_FR1为1MW，牵引变电所II中P_FL2为3MW、P_FR2为1MW，牵引变电所III中P_FL3为-3MW、P_FR3为1.5MW，潮流控制设备I转移功率P_trans1＝2MW，潮流控制设备III转移功率P_trans3＝-1MW，储能系统放电功率为3MW；此外，SoC为0.5。

可计算得到各牵引变电所内负荷功率分别为：

步骤3中，三所负荷功率和为ΣP＝4.5MW，SoC大于SoC_min，则此时进入储能放电模式；

步骤4中，S100，储能放电功率由式(2)得到：

P_{ESS_ref}＝min{5,4.5}＝4.5MW

然后，由S101中P_s1P_s3<0，判断进入S107；此时P_s2>0，则进入S108；利用式(5)计算潮流控制设备的参考功率；

然后转S110；

S110中，得到变电所I、III之间交换功率P_exchn1-3为0.5MW，小于变电所I、III之间的功率交换阈值P_ex-L(1MW)，则此时变电所III不向变电所I提供此部分功率，即潮流控制设备III不转移P_exchn1-3；变电所I的此部分功率由储能系统提供；利用式(7)对潮流控制设备I、III参考功率进行修正为：

步骤5中，根据式(17)计算得到潮流控制设备II左、右变流器的参考功率为：

步骤6中，将上述参考功率值传输给相应的潮流控制设备、储能系统的本地控制系统，由各设备的本地控制系统进行实时控制，完成再生制动能量利用系统的控制。

Claims (1)

1.一种多所协同的再生制动能量利用系统的控制方法，所述多所协同的再生制动能量利用系统，左供电臂I、牵引变电所I、右供电臂I、分区所I、左供电臂II、牵引变电所II、右供电臂II、分区所II、左供电臂III、牵引变电所III和右供电臂III依次连接；还包括左、右四象限变流器共直流环节构成的潮流控制设备I、潮流控制设备II和潮流控制设备III；其中，潮流控制设备I的左交流端口和右交流端口分别连接到分区所I处的右供电臂I和左供电臂II，潮流控制设备II的左交流端口和右交流端口分别连接到变电所II处的左供电臂II和右供电臂II，潮流控制设备III的左交流端口和右交流端口分别连接到分区所II处右供电臂II和左供电臂III；还包括连接到潮流控制设备II的直流环节的储能系统；其特征在于，包括，

步骤一：计算牵引变电所I、牵引变电所II和牵引变电所III的实时负荷功率P_s1、P_s2和P_s3，

其中，P_FL1、P_FR1分别为左供电臂I、右供电臂I的实时功率，P_FL2、P_FR2分别为左供电臂II、右供电臂II的实时功率，P_FL3、P_FR3分别为左供电臂III、右供电臂III的实时功率；从牵引变电所流向供电臂的实时功率为正，反向为负；P_trans1为潮流控制设备I的实时转移功率，从牵引变电所II向牵引变电所I转移为正，反向为负；P_trans3为潮流控制设备III的实时转移功率，从牵引变电所II向牵引变电所III转移为正，反向为负；

步骤二：根据实时负荷功率总和∑P＝P_s1+P_s2+P_s3与储能系统荷电状态SoC判定工作模式：如∑P>0且SoC>SoC_min则为储能放电模式，否则进一步判定：如∑P<0且SoC<SoC_max则为储能充电模式，否则为无储能模式；其中，SoC_min和SoC_max分别为储能系统荷电水平下限和上限；

步骤三：根据工作模式进行储能系统参考功率P_{ESS_ref}、潮流控制设备I参考功率P_{trans1_ref}和潮流控制设备III参考功率P_{trans3_ref}的分配；

3.1当工作模式为储能放电模式，功率分配为：

3.1.1，令P'_{ESS_ref}＝min{P_max.dis,∑P}，其中，P_max.dis为储能系统放电限制功率；

3.1.2，如P_s1P_s3>0，则继续，否则转3.1.4；

3.1.3，如P_s1<0且P_s3<0，则令P_{trans1_ref}＝P_s1，P_{trans3_ref}＝P_s3，P_{ESS_ref}＝P'_{ESS_ref}，转3.1.7；

否则，令P_{trans1_ref}＝min{P_s1,P'_{ESS_ref}-P_s2-(1-v_x)P_s3}，P_{trans3_ref}＝min{P_s3,P'_{ESS_ref}-P_s2-v_xP_s1}，P_{ESS_ref}＝P'_{ESS_ref}，计算结果需满足约束条件

转3.1.7；

式中，v_x为优先级参数，当|P_s1|≥|P_s3|时v_x为1，|P_s1|<|P_s3|时v_x为0；

3.1.4，令P'_{trans1_ref}＝v₁min{v₁P_s1,v₁(P'_{ESS_ref}-P_s2-P_s3)}，P'_{trans3_ref}＝v₃min{v₃P_s3,v₃(P'_{ESS_ref}-P_s2-P_s1)}，计算结果需满足约束条件

式中，v₁＝sgn(P_s1),v₃＝sgn(P_s3)；

3.1.5，计算牵引变电所I、牵引变电所III间交换功率P_exchn1-3：

P_exchn1-3＝min(P_x,|P_s1|,|P_s3|)，其中，P_x＝max{|min(P_s1,P_s3)|-P_s2,0}；

3.1.6，若P_exchn1-3>P_ex-L，则令P_{trans1_ref}＝P'_{trans1_ref}，P_{trans3_ref}＝P'_{trans3_ref}，P_{ESS_ref}＝P'_{ESS_ref}，转3.1.7；

否则，令

其中，P_ex-L为预设的变电所I、变电所III之间交换功率阈值；

3.1.7，结束功率分配；

3.2当工作模式为储能充电模式，功率分配为：

3.2.1，令P'_{ESS_ref}＝max{P_max.ch,∑P}，其中，P_max.ch为储能系统充电限制功率；

3.2.2，如P_s1P_s3>0，则继续，否则转3.2.4；

3.2.3，如P_s1>0且P_s3>0，则令P_{trans1_ref}＝P_s1，P_{trans3_ref}＝P_s3，P_{ESS_ref}＝P'_{ESS_ref}，转3.2.7；

否则，令P_{trans1_ref}＝max{P_s1,P'_{ESS_ref}-P_s2-(1-v_x)P_s3}，P_{trans3_ref}＝max{P_s3,P'_{ESS_ref}-P_s2-v_xP_s1}，P_{ESS_ref}＝P'_{ESS_ref}，计算结果需满足约束条件

转3.2.7；式中，v_x为优先级参数，当|P_s1|≥|P_s3|时v_x为1，|P_s1|<|P_s3|时v_x为0；

3.2.4，令P'_{trans1_ref}＝v₁min{v₁P_s1,v₁(P'_{ESS_ref}-P_s2-P_s3)}，P'_{trans3_ref}＝v₃min{v₃P_s3,v₃(P'_{ESS_ref}-P_s2-P_s1)}，

计算结果需满足约束条件

式中，v₁＝sgn(P_s1),v₃＝sgn(P_s3)；

3.2.5，计算牵引变电所I、牵引变电所III间交换功率P_exchn1-3：

P_exchn1-3＝min(P_x,|P_s1|,|P_s3|)，其中，P_x＝max{|min(P_s1,P_s3)|-P_s2,0}；

3.2.6，若P_exchn1-3>P_ex-L，则令P_{trans1_ref}＝P'_{trans1_ref}，P_{trans3_ref}＝P'_{trans3_ref}，P_{ESS_ref}＝P'_{ESS_ref}，转3.2.7；

否则，令

其中，P_ex-L为预设的牵引变电所I、牵引变电所III之间交换功率阈值；

3.2.7，结束功率分配；

3.3当工作模式为无储能模式，功率分配为：

3.3.1，令P_{ESS_ref}＝0；

3.3.2，如P_s1P_s2>0且P_s2P_s3>0，则令P_{trans1_ref}＝0，P_{trans3_ref}＝0，转3.3.7；否则，继续；

3.3.2，如P_s1P_s3>0，则继续，否则转3.3.4；

3.3.3，如P_s2<0，令P_{trans1_ref}＝min{P_s1,-P_s2-(1-v_x)P_s3}，P_{trans3_ref}＝min{P_s3,-P_s2-v_xP_s1}，计算结果需满足约束条件

转3.3.7；式中，v_x为优先级参数，当|P_s1|≥|P_s3|时v_x为1，|P_s1|<|P_s3|时v_x为0；

否则，令P_{trans1_ref}＝max{P_s1,-P_s2-(1-v_x)P_s3}，P_{trans3_ref}＝max{P_s3,-P_s2-v_xP_s1}，计算结果需满足约束条件

转3.3.7；

3.3.4，令P'_{trans1_ref}＝v₁min{v₁P_s1,v₁(-P_s2-P_s3)}，P'_{trans3_ref}＝v₃min{v₃P_s3,v₃(-P_s2-P_s1)}，计算结果需满足约束条件

式中，v₁＝sgn(P_s1),v₃＝sgn(P_s3)；

3.3.5，计算牵引变电所I、牵引变电所III间交换功率P_exchn1-3：

P_exchn1-3＝min(P_x,|P_s1|,|P_s3|)，其中，P_x＝max{|min(P_s1,P_s3)|-P_s2,0}；

3.3.6，若P_exchn1-3>P_ex-L，则令P_{trans1_ref}＝P'_{trans1_ref}，P_{trans3_ref}＝P'_{trans3_ref}，转3.3.7；

否则，令

其中，P_ex-L为预设的变电所I、变电所III之间交换功率阈值；

3.3.7，结束功率分配；

步骤四：分配潮流控制设备II的左变流器、右变流器参考功率P_{trans2_L_ref}、P_{trans2_R_ref}；从变流器流入供电臂的参考功率为正，反之为负；

其中，P_g2＝P_s2+P_{trans1_ref}+P_{trans3_ref}-P_{ESS_ref}；

步骤五：按照储能系统参考功率P_{ESS_ref}、潮流控制设备I参考功率P_{trans1_ref}、潮流控制设备III参考功率P_{trans3_ref}和潮流控制设备II的左变流器、右变流器参考功率P_{trans2_L_ref}、P_{trans2_R_ref}，执行潮流控制。

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