CN114362163B - 一种可再生能源微网供电的铁路能量路由调控方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种可再生能源微网供电的铁路能量路由调控方法，包括能量管理层，基于实时运行数据，切换系统当前运行模式并将计算得到各路由子系统补偿的电流和/或功率指令；区域决策层，用于分配各个路由子系统参考功率和/或参考电流；设备控制层，用于各路由子系统和直流微网的协调控制。本发明能够有效回收再利用列车再生制动能量；实现可再生能源接入牵引供电系统，降低三相电网的能耗；在牵引网发生短时故障时，能够保证一定时间的供电能力；具有容错能力；可有效改善牵引供电系统的电能质量问题；有助于缓解高压大容量环境下对内部电力电子器件的耐受要求。

Description

一种可再生能源微网供电的铁路能量路由调控方法
技术领域
本发明属于电气化铁路技术领域，特别是涉及一种可再生能源微网供电的铁路能量路由调控方法。
背景技术
当前世界能源日趋紧张，节能降耗已成为世界性的研究课题，而能量的回收再利用是节能降耗的有效手段，同样可再生能源的有效利用也是节能降耗的研究热点。
随着轨道交通的快速发展，铁路电气化占比越来越高，列车产生的再生制动能量越来越多。制动或者下坡恒速时，能量从电机往牵引网流动，如果回馈的能量没有被完全吸收，则有可能造成牵引网压上升而引起牵引系统保护。同时，当铁路沿线电网薄弱，供电困难时，能源问题成为制约铁路发展的首要原因。而我国太阳能、风能资源丰富，具有取之不尽用之不竭的特点，是当今可再生能源中发展速度最快的能源。但是光伏发电和风力发电受环境影响较大，波动性强，直接接入牵引供电系统，会给铁路系统运行稳定性带来威胁。另外，在高海拔山脉列车运行过程中，由于各种原因出现供电故障时，若列车停靠于隧道内将会大大增加救援难度，且等待救援的时间也很难把控。
现有技术提出通过背靠背变流器设备直流侧集成光伏发电系统与储能系统的新型供电模式。该系统可用有效改善牵引供电系统无功、负序、谐波等电能质量，同时兼顾消纳光伏电能和风电电能，回收再生制动能量。但是，目前的研究主要侧重于集中式的光伏储能背靠背变流器系统，这种系统不具备局部容错能力，若外置设备中局部元件异常或者发生故障，整体设备需要切出运行状态；并且既有系统容量较大，对系统内部电力电子器件的额定容量以及耐受水平等要求严苛。由此可见，现有技术无法充分发挥铁路能量路由器的功能。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种可再生能源微网供电的铁路能量路由调控方法，能够有效回收再利用列车再生制动能量；实现光伏和风电接入牵引供电系统，降低三相电网的能耗；在牵引网发生短时故障时，能够保证一定时间的供电能力；具有容错能力，即使遭受外部扰动或者局部故障情况下，也能保证系统正常运行；可有效改善牵引供电系统的电能质量问题；有助于缓解高压大容量环境下对内部电力电子器件的耐受要求。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种可再生能源微网供电的铁路能量路由调控方法，运用于可再生能源微网供电的铁路能量路由系统，可再生能源微网供电的铁路能量路由系统连接至牵引网，可再生能源微网供电的铁路能量路由系统包含有多个路由子系统和直流微网，直流微网中包含有储能系统和可再生能源发电系统，包括：
能量管理层，用于可再生能源微网供电的铁路能量路由系统综合能量管理；基于实时运行数据，切换系统当前运行模式并将计算得到各路由子系统补偿的电流和/或功率指令下发给区域决策层；将计算得到的储能系统的补偿电流和/或功率指令下发给设备控制层；
区域决策层，用于分配n个路由子系统参考功率和/或参考电流，并将指令下发给设备控制层；
设备控制层，用于n个路由子系统和直流微网的协调控制，控制目标为在实现直流微网母线电压稳定的同时动态跟踪给定的补偿电流和/或功率指令，满足可再生能源的高效消纳、再生制动能量的有效利用和牵引供电系统电能质量要求。
进一步的是，所述可再生能源发电系统包括但不仅限于光伏系统和风电系统，在所述能量管理层中，包括步骤：
S110，实时检测可再生能源微网供电的铁路能量路由系统的运行数据：当可再生能源微网供电的铁路能量路由系统投入运行时，实时检测牵引网两条供电臂电压、电流的幅值和相位，得到两供电臂的输出电压Uα和Uβ，两供电臂的输出电流Iα和Iβ，检测光伏系统输出电压UPV和IPV电流，检测风电系统输出电压UW和电流IW以及其他可再生能源系统输出电压和电流，检测储能系统的温度、荷电状态SOC和劣化程度SOH；
S120，实时处理所述运行数据：根据实时检测的运行数据，计算两供电臂等效负荷功率SLα＝Uα·Iα *＝PLα+jQLα和SLβ＝Uβ·Iβ *＝PLβ+jQLβ，计算光伏系统输出功率PPV，计算风电系统输出功率PW以及其他可再生能源系统输出功率PREN；
S130，能量管理策略；基于能量传输模式及多重运行约束进行全系统综合能量管理，决定系统当前运行模式并将计算得到的储能装置总功率指令下发给设备控制层；
S140，判断是否达到结束条件；若是，结束运行，反之，跳转至步骤S110。
进一步的是，步骤所述S130中，能量管理策略包括步骤：
S131模式分类；基于处理后的牵引负荷、光伏系统、风电系统和储能系统实时运行数据，将牵引负荷消纳光伏系统和风电系统后的运行工况划分为整体呈牵引态、制动态和空载态；整体呈牵引态，即(PLα+PLβ)-(PPV+PW+PREN)＞0；整体呈制动态，即(PLα+PLβ)-(PPV+PW+PREN)＜0；整体呈空载态，即(PLα+PLβ)-(PPV+PW+PREN)＝0；
S132运行约束；当整体呈牵引态时，负荷功率缺额部分由储能系统补偿；当整体呈制动态时，多余的制动能量和/或可再生能源电量存储于储能系统；当整体呈空载态时，储能系统基于内部能量状态进行状态恢复或待机运行；约束条件还包括充放电功率约束、荷电状态约束、储能系统/变流器容量约束及其他电气量平衡约束；
S133能量管理模型构建；全系统能量管理独立或者组合式地以最大化利用牵引侧再生制动能量、最大化消纳可再生能源、牵引负荷削峰填谷、负序补偿、无功补偿、最大化经济效益、和/或其他运行调度指标最优为控制目标，结合步骤S131和步骤S132的约束条件，构建全系统综合能量管理模型。
进一步的是，所述区域决策层，包括步骤：
S210，根据补偿原理，计算出n个路由子系统的参考功率和/或电流：
S220，采用功率和/或电流分配方法，给n个路由子系统分配参考功率和/或电流，然后将n路由子系统的参考功率和/或电流下发给设备控制层中各个路由子系统。
进一步的是，所述功率和/或电流分配方法，包括：
平均功率和/或电流分配法，包括直接按子模块数功率分配方法和/或按载荷率平均分配策略；
按比例功率和/或电流分配法，包括按容量比例或按健康状态比例分配方法；
基于状态功率和/或电流分配法，根据状态和/或效率确定子系统运行的优先级，若子系统优先级相同，则随机排序，然后先投入一个，功率和/或电流达到最大值后，再投入下一个，直至满足功率和/或电流要求；功率下降时，先投的先退；
基于系统效率最大化原则功率和/或电流分配法，以效率最大化为目标函数，温度和容量不超过阈值为约束条件，进行优化分配。
进一步的是，所述设备控制层，包括：
各子系统间的中间直流母线电压既可由背靠背变流器进行建立和稳定，也可以由双向DC/DC进行建立和稳定；
背靠背变流器可以采用电压电流双闭环控制策略、模型预测控制、滑膜变结构控制或其他控制策略；
储能双向DC/DC变流器采用下垂控制、电压电流双闭环控制、功率外环电流内环控制或其他控制策略；
光伏DC/DC变流器采用最大功率追踪控制或其他控制策略；
风电系统AC/DC整流器可采用电压电流双闭环控制、下垂控制、模型预测控制或者其他控制策略。
进一步的是，所述可再生能源微网供电的铁路能量路由系统通过多绕组降压变压器原边连接至牵引网；所述可再生能源微网供电的铁路能量路由系统通过多绕组降压变压器原边连接至牵引网；所述可再生能源微网供电的铁路能量路由系统通过各个路由子系统直流侧与直流微网的直流母线连接；所述中央集中控制系统通过通信信道与牵引网、直流微网和背靠背变流器系统进行信息交互；
所述牵引网包括α相供电臂、β相供电臂、钢轨、牵引负荷；所述α相供电臂和β相供电臂分别与钢轨构成回路，牵引负荷连接至α/β相供电臂和钢轨之间；
所述可再生能源微网供电的铁路能量路由系统包括多个具有背靠背变流器的路由子系统、α相多绕组降压变压器和β相多绕组降压变压器；背靠背变流器两交流侧分别接至α相多绕组降压变压器副边和β相多绕组降压变压器副边，α相多绕组降压变压器和β相多绕组降压变压器分别与牵引网中α供电臂、β供电臂和钢轨连接。
采用本技术方案的有益效果：
本发明所提为两侧供电臂提供了能量流通渠道，以及接入光伏系统、风电系统等可再生能源系统和储能系统的渠道，结合系统补偿原理和控制策略，能够有效改善牵引供电系统负序、无功、谐波、牵引网网压波动等电能质量问题，同时兼顾消纳光伏和风电等可再生能源产生的电量，有效回收列车再生制动产生的能量。本发明所提控制方法具有三层结构。能量管理层基于实时运行数据，结合补偿原理，可以使得整个系统达到回收再生制动能量，消纳光伏和风电等可再生能源电量，并且兼顾改善牵引供电系统电能质量问题。区域决策层，根据各个子模块的运行状况，实时消除局部故障，保证整个系统连续运行；采用系统效率最大化分配方法，可以提高背靠背变流器利用效率。设备控制层，采用先进的控制理论，能够较好的追踪参考电流和功率，快速响应上层功率或者电流指令，实现系统灵活稳定运行。
本发明使得每个子模块承受的容量减小，因此可以降低由于高压大容量环境下对系统电力电子器件性能的要求；可以在子模块发生局部故障的情况下及时切除运行状态，不影响整个系统的运行，有效提高牵引系统的供电可靠性，提高系统的容错能力；可以根据应用场景的容量需求，自由组织需要组串的子模块个数，因此提供系统利用率。
附图说明
图1为本发明的一种可再生能源微网供电的铁路能量路由调控方法流程示意图；
图2为本发明实施例中能量管理层的处理方法流程图；
图3为本发明实施例中可再生能源微网的铁路能量路由系统的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步阐述。
在本实施例中，本发明提出了一种可再生能源微网供电的铁路能量路由调控方法，运用于可再生能源微网供电的铁路能量路由系统，可再生能源微网供电的铁路能量路由系统连接至牵引网，可再生能源微网供电的铁路能量路由系统包含有多个路由子系统和直流微网，直流微网中包含有储能系统和可再生能源发电系统。
如图3所示，可再生能源微网供电的铁路能量路由系统2通过多绕组降压变压器原边连接至牵引网1；所述可再生能源微网供电的铁路能量路由系统2通过组串式背靠背变流器系统21直流侧与直流微网3的直流母线31连接；所述中央集中控制系统4通过通信信道42与牵引网1、直流微网3和组串式背靠背变流器系统21进行信息交互。
所述牵引网1包括α相供电臂11、β相供电臂12、钢轨13、牵引负荷14；所述α相供电臂11和β相供电臂12分别与钢轨13构成回路，牵引负荷14连接至α/β相供电臂11/12和钢轨13之间。
可再生能源微网供电的铁路能量路由系统2包括组串式背靠背变流器系统21、α相多绕组降压变压器22、β相多绕组降压变压器23；所述组串式背靠背变流器系统21的直流侧与直流微网3的直流母线31连接；组串式背靠背变流器系统21两交流侧分别接至α相多绕组降压变压器22副边和β相多绕组降压变压器23副边。
所述组串式背靠背变流器系统21包括若干(假设为n)个背靠背变流器子系统211并联，通过多绕组降压变压器接至牵引供电臂11/12与钢轨13；每个背靠背变流器子系统211通过α相断路器2114和β相断路器2115分别连接至α相多绕组降压变压器22和β相多绕组降压变压器23副边。
所述直流微网3包括但不限于直流母线31、可选的储能系统32、可选的光伏系统33、可选的风电系统34和/或其它电源或负荷；所述直流母线31一侧连接至组串式背靠背变流器系统直流侧，另一侧并联接入可选的储能系统32、可选的光伏系统33、可选的风电系统34和/或其它电源或负荷。
如图1所示，运用于可再生能源微网的铁路能量路由系统，一种可再生能源微网供电的铁路能量路由调控方法包括：
能量管理层，用于可再生能源微网供电的铁路能量路由系统综合能量管理；基于实时运行数据，切换系统当前运行模式并将计算得到各路由子系统补偿的电流和/或功率指令下发给区域决策层；将计算得到的储能系统的补偿电流和/或功率指令下发给设备控制层；
区域决策层，用于分配n个路由子系统参考功率和/或参考电流，并将指令下发给设备控制层；
设备控制层，用于n个路由子系统和直流微网的协调控制，控制目标为在实现直流微网母线电压稳定的同时动态跟踪给定的补偿电流和/或功率指令，满足可再生能源的高效消纳、再生制动能量的有效利用和牵引供电系统电能质量要求。
作为上述实施例的优化方案，如图2所示，所述可再生能源发电系统包括有光伏系统和风电系统，在所述能量管理层中，包括步骤：
S110，实时检测可再生能源微网供电的铁路能量路由系统的运行数据：当可再生能源微网供电的铁路能量路由系统投入运行时，实时检测牵引网两条供电臂电压、电流的幅值和相位，得到两供电臂的输出电压Uα和Uβ，两供电臂的输出电流Iα和Iβ，检测光伏系统输出电压UPV和IPV电流，检测风电系统输出电压UW和电流IW以及其他可再生能源系统输出电压和电流，检测储能系统的温度、荷电状态SOC和劣化程度SOH；
S120，实时处理所述运行数据：根据实时检测的运行数据，计算两供电臂等效负荷功率SLα＝Uα·Iα *＝PLα+jQLα和SLβ＝Uβ·Iβ *＝PLβ+jQLβ，计算光伏系统输出功率PPV，计算风电系统输出功率PW以及其他可再生能源系统输出功率PREN；
S130，能量管理策略；基于能量传输模式及多重运行约束进行全系统综合能量管理，决定系统当前运行模式并将计算得到的储能装置总功率指令下发给设备控制层；
S140，判断是否达到结束条件；若是，结束运行，反之，跳转至步骤S110。
其中，步骤所述S130中，能量管理策略包括步骤：
S131模式分类；基于处理后的牵引负荷、光伏系统、风电系统和储能系统实时运行数据，将牵引负荷消纳光伏系统和风电系统后的运行工况划分为整体呈牵引态、制动态和空载态；整体呈牵引态，即(PLα+PLβ)-(PPV+PW+PREN)＞0；整体呈制动态，即(PLα+PLβ)-(PPV+PW+PREN)＜0；整体呈空载态，即(PLα+PLβ)-(PPV+PW+PREN)＝0；
S132运行约束；当整体呈牵引态时，负荷功率缺额部分由储能系统补偿；当整体呈制动态时，多余的制动能量和/或可再生能源电量存储于储能系统；当整体呈空载态时，储能系统基于内部能量状态进行状态恢复或待机运行；约束条件还包括充放电功率约束、荷电状态约束、储能系统/变流器容量约束及其他电气量平衡约束；
S133能量管理模型构建；全系统能量管理独立或者组合式地以最大化利用牵引侧再生制动能量、最大化消纳可再生能源、牵引负荷削峰填谷、负序补偿、无功补偿、最大化经济效益、和/或其他运行调度指标最优为控制目标，结合步骤S131和步骤S132的约束条件，构建全系统综合能量管理模型。
优选的，在所述步骤S133能量管理模型构建中，包括步骤：
S1331，能量转移：①根据牵引变电站内α供电臂牵引功率
Figure BDA0003466251390000071
和β供电臂牵引功率
Figure BDA0003466251390000072
进行站内供电臂之间功率转移得到两臂等效牵引功率
Figure BDA0003466251390000073
和
Figure BDA0003466251390000074
②根据上一步求得的第i个牵引变电站α供电臂等效牵引功率
Figure BDA0003466251390000075
和第i-1个牵引变电站β供电臂等效功率
Figure BDA0003466251390000081
第i个牵引变电站β供电臂等效牵引功率
Figure BDA0003466251390000082
和第i+1个牵引变电站α供电臂等效功率
Figure BDA0003466251390000083
进行站间功率转移，得到两臂等效牵引功率
Figure BDA0003466251390000084
和
Figure BDA0003466251390000085
③根据上一步求得的两臂等效牵引功率
Figure BDA0003466251390000086
和
Figure BDA0003466251390000087
进行站内可再生能源功率分配，得到两臂等效牵引功率
Figure BDA0003466251390000088
和
Figure BDA0003466251390000089
站内未消纳的可再生能源功率为
Figure BDA00034662513900000810
④根据上一步求得的两臂等效牵引功率
Figure BDA00034662513900000811
和
Figure BDA00034662513900000812
进行站间可再生能源功率分配，得到两臂等效牵引功率
Figure BDA00034662513900000813
和
Figure BDA00034662513900000814
站间未消纳的可再生能源功率
Figure BDA00034662513900000815
被分区所铁路能量路由器系统的储能系统吸收；
S1332，能量分配：根据S1331求得的两臂等效牵引功率
Figure BDA00034662513900000816
和
Figure BDA00034662513900000817
进行能量管理。
优选的，所述步骤S1332中能量分配，包括：
①若
Figure BDA00034662513900000818
进入模式1：再生制动模式，包括：
若
Figure BDA00034662513900000819
1)如果牵引变电站内储能系统SOCt≤SOCtmax，牵引变电站内储能系统处于充电状态，充电功率
Figure BDA00034662513900000820
如果前后两侧分区所的储能系统在吸收了自身未消纳的可再生能源电量后均有多余容量，则两侧分区所的储能系统根据SOC实际情况按比例出力；如果前侧分区所的储能系统在吸收了自身未消纳的可再生能源电量后有多余容量而后侧无，则前侧分区所的储能系统再吸收一部分站内电量；如果后侧分区所的储能系统在吸收了自身未消纳的可再生能源电量后有多余容量而前侧无，则后侧分区所的储能系统再吸收一部分站内电量；如果前后侧分区所的储能系统在吸收了自身未消纳的可再生能源电量后均无多余容量，则前后分区所的储能系统均不再吸收站内多余电量；最后，剩余的电量返回牵引变电站三相电网；2)如果牵引变电站内储能系统SOCt＞SOCtmax，牵引变电站内储能系统充电功率
Figure BDA00034662513900000821
如果前后两侧分区所的储能系统在吸收了自身未消纳的可再生能源电量后均有多余容量，则两侧分区所的储能系统再根据SOC实际情况按比例出力；如果前侧分区所的储能系统在吸收了自身未消纳的可再生能源电量后有多余容量而后侧无，则前侧分区所的储能系统再吸收一部分站内电量；如果后侧分区所的储能系统在吸收了自身未消纳的可再生能源电量后有多余容量而前侧无，则后侧分区所的储能系统再吸收一部分站内电量；如果前后侧分区所的储能系统在吸收了自身未消纳的可再生能源电量后均无多余容量，则前后分区所的储能系统均不再吸收站内多余电量；最后，剩余的电量返回牵引变电站三相电网；
若
Figure BDA0003466251390000091
1)如果牵引变电站内储能系统SOCt≤SOCtmax，牵引变电站内储能系统处于充电状态，充电功率
Figure BDA0003466251390000092
此时前后侧分区所储能系统只根据自身容量吸收未消纳的可再生能源电量；2)如果牵引变电站内储能系统SOCt＞SOCtmax，牵引变电站内储能系统充电功率
Figure BDA0003466251390000093
如果前后两侧分区所的储能系统在吸收了自身未消纳的可再生能源电量后均有多余容量，则两侧分区所的储能系统根据SOC实际情况按比例出力；如果前侧分区所的储能系统在吸收了自身未消纳的可再生能源电量后有多余容量而后侧无，则前侧分区所的储能系统再吸收一部分站内电量；如果后侧分区所的储能系统在吸收了自身未消纳的可再生能源电量后有多余容量而前侧无，则后侧分区所的储能系统再吸收一部分站内电量；如果前后侧分区所的储能系统在吸收了自身未消纳的可再生能源电量后均无多余容量，则前后分区所的储能系统均不再吸收站内多余电量；最后，剩余的电量返回牵引变电站三相电网。
②若
Figure BDA0003466251390000094
进入模式2：填谷模式：如果牵引变电站内储能系统SOCt＜SOCt0，牵引变电站内储能系统充电功率
Figure BDA0003466251390000095
如果SOCt≥SOCt0，牵引变电站内储能系统处于空闲且充电功率
Figure BDA0003466251390000096
前后分区所储能系统系统只吸收自身未消纳的可再生能源电量。
③若
Figure BDA0003466251390000097
进入模式3：功率传输模式：牵引变电站内储能系统处于空闲状态且充放电功率
Figure BDA0003466251390000098
前后分区所储能系统系统只吸收自身未消纳的可再生能源电量。
④若
Figure BDA0003466251390000099
进入模式4：削峰模式：储能系统处于放电状态，包括：
若
Figure BDA00034662513900000910
1)如果牵引变电站内储能系统SOCt≥SOCtmin，牵引变电站内储能系统放电功率
Figure BDA00034662513900000911
前后分区所储能系统系统只吸收自身未消纳的可再生能源电量；2)如果牵引变电站内储能系统SOCt＜SOCtmin，牵引变电站内储能系统放电功率
Figure BDA00034662513900000912
若前后分区所储能系统均有多余的电量，则根据SOC按比例给牵引变电站供电臂提供一部分电量；若前分区所储能系统有多余电量而后侧无，则前侧分区所储能系统给牵引变电站供电臂提供一部分能量；如果后侧分区所储能系统有多余电量而前侧无，则后侧分区所储能系统给牵引变电站供电臂提供一部分电量；如果前后侧分区所储能均无多余的电量，则分区所储能系统不工作。
若
Figure BDA0003466251390000101
1)如果牵引变电站内储能系统SOCt≥SOCtmin，牵引变电站内储能系统放电功率
Figure BDA0003466251390000102
若前后分区所储能系统均有多余的电量，则根据SOC按比例给牵引变电站供电臂提供一部分能量；若前分区所储能系统有多余电量而后侧无，则前侧分区所储能系统给牵引变电站供电臂提供一部分能量；如果后侧分区所储能系统有多余电量而前侧无，则后侧分区所储能系统给牵引变电站供电臂提供一部分电量；如果前后侧分区所储能均无多余的电量，则分区所储能系统不工作；2)如果牵引变电站内储能系统SOCt＜SOCtmin，牵引变电站内储能系统放电功率
Figure BDA0003466251390000103
若前后分区所储能系统均有多余的电量，则根据SOC按比例给牵引变电站供电臂提供一部分能量；若前分区所储能系统有多余电量而后侧无，则前侧分区所储能系统给牵引变电站供电臂提供一部分能量；如果后侧分区所储能系统有多余电量而前侧无，则后侧分区所储能系统给牵引变电站供电臂提供一部分电量；如果前后侧分区所储能均无多余的电量，则分区所储能系统不工作。
优选的，步骤S132中，牵引变电站内功率转移具体情况如下：
①若
Figure BDA0003466251390000104
②若
Figure BDA0003466251390000105
③若
Figure BDA0003466251390000106
优选的，步骤S132中，牵引变电站间功率转移具体情况如下：
①若
Figure BDA0003466251390000107
②若
Figure BDA0003466251390000108
③若
Figure BDA0003466251390000109
④若
Figure BDA00034662513900001010
⑥若
Figure BDA00034662513900001011
⑥若
Figure BDA0003466251390000111
优选的，步骤S132中，牵引变电站内可再生能源功率分配具体情况如下：
①若
Figure BDA0003466251390000112
②若
Figure BDA0003466251390000113
③若
Figure BDA0003466251390000114
优选的，步骤S132中，牵引变电站间可再生能源功率分配具体情况如下：
①若
Figure BDA0003466251390000115
Figure BDA0003466251390000116
②若
Figure BDA0003466251390000117
Figure BDA0003466251390000118
③若
Figure BDA0003466251390000119
④若
Figure BDA00034662513900001110
Figure BDA00034662513900001111
⑤若
Figure BDA00034662513900001112
Figure BDA00034662513900001113
⑥若
Figure BDA00034662513900001114
作为上述实施例的优化方案，所述区域决策层，包括步骤：
S210，根据补偿原理，计算出各个路由子系统的参考功率和/或电流：
S220，采用功率和/或电流分配方法，给n个各个路由子系统分配参考功率和/或电流，然后将各个各个路由子系统的参考功率和/或电流下发给设备控制层中各个路由子系统。
所述功率和/或电流分配方法，包括：
平均功率和/或电流分配法，包括直接按子模块数功率分配方法和/或按载荷率平均分配策略；
按比例功率和/或电流分配法，包括按容量比例或按健康状态比例分配方法；
基于状态功率和/或电流分配法，根据状态和/或效率确定子系统运行的优先级，若子系统优先级相同，则随机排序，然后先投入一个，功率和/或电流达到最大值后，再投入下一个，直至满足功率和/或电流要求；功率下降时，先投的先退；
或基于系统效率最大化原则功率和/或电流分配法，以效率最大化为目标函数，温度和容量不超过阈值为约束条件，进行优化分配。
优选的，在所述设备控制层中：
各子系统间的中间直流母线电压既可由背靠背变流器进行建立和稳定，也可以由双向DC/DC进行建立和稳定；
背靠背变流器可以采用电压电流双闭环控制策略、模型预测控制、滑膜变结构控制或其他控制策略；
储能双向DC/DC变流器采用下垂控制、电压电流双闭环控制、功率外环电流内环控制或其他控制策略；
光伏DC/DC变流器采用最大功率追踪控制或其他控制策略；
风电系统AC/DC整流器可采用电压电流双闭环控制、下垂控制、模型预测控制或者其他控制策略。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种可再生能源微网供电的铁路能量路由调控方法，其特征在于，运用于可再生能源微网的铁路能量路由系统，可再生能源微网供电的铁路能量路由系统连接至牵引网，可再生能源微网供电的铁路能量路由系统包含有多个路由子系统n个和直流微网，直流微网中包含有储能系统和可再生能源发电系统，包括：
能量管理层，用于可再生能源微网供电的铁路能量路由系统综合能量管理；基于实时运行数据，切换系统当前运行模式并将计算得到各路由子系统补偿的电流和/或功率指令下发给区域决策层；将计算得到的储能系统的补偿电流和/或功率指令下发给设备控制层；
区域决策层，用于分配n个路由子系统参考功率和/或参考电流，并将指令下发给设备控制层；
设备控制层，用于n个路由子系统和直流微网的协调控制，控制目标为在实现直流微网母线电压稳定的同时动态跟踪给定的补偿电流和/或功率指令，满足可再生能源的高效消纳、再生制动能量的有效利用和牵引供电系统电能质量要求；
所述可再生能源发电系统包括但不仅限于光伏系统和风电系统，在所述能量管理层中，包括步骤：
S110，实时检测可再生能源微网供电的铁路能量路由系统的运行数据：当可再生能源微网供电的铁路能量路由系统投入运行时，实时检测牵引网两条供电臂电压、电流的幅值和相位，得到两供电臂的输出电压Uα和Uβ，两供电臂的输出电流Iα和Iβ，检测光伏系统输出电压UPV和IPV电流，检测风电系统输出电压UW和电流IW以及其他可再生能源系统输出电压和电流，检测储能系统的温度、荷电状态SOC和劣化程度SOH；
S120，实时处理所述运行数据：根据实时检测的运行数据，计算两供电臂等效负荷功率SLα＝Uα·Iα *＝PLα+jQLα和SLβ＝Uβ·Iβ *＝PLβ+jQLβ，计算光伏系统输出功率PPV，计算风电系统输出功率PW以及其他可再生能源系统输出功率PREN；
S130，能量管理策略；基于能量传输模式及多重运行约束进行全系统综合能量管理，决定系统当前运行模式并将计算得到的储能装置总功率指令下发给设备控制层；能量管理策略包括步骤：
S131模式分类；基于处理后的牵引负荷、光伏系统、风电系统和储能系统实时运行数据，将牵引负荷消纳光伏系统和风电系统后的运行工况划分为整体呈牵引态、制动态和空载态；整体呈牵引态，即(PLα+PLβ)-(PPV+PW+PREN)＞0；整体呈制动态，即(PLα+PLβ)-(PPV+PW+PREN)＜0；整体呈空载态，即(PLα+PLβ)-(PPV+PW+PREN)＝0；
S132运行约束；当整体呈牵引态时，负荷功率缺额部分由储能系统补偿；当整体呈制动态时，多余的制动能量和/或可再生能源电量存储于储能系统；当整体呈空载态时，储能系统基于内部能量状态进行状态恢复或待机运行；约束条件还包括充放电功率约束、荷电状态约束、储能系统/变流器容量约束及其他电气量平衡约束；
S133能量管理模型构建；全系统能量管理独立或者组合式地以最大化利用牵引侧再生制动能量、最大化消纳可再生能源、牵引负荷削峰填谷、负序补偿、无功补偿、最大化经济效益、和/或其他运行调度指标最优为控制目标，结合步骤S131和步骤S132的约束条件，构建全系统综合能量管理模型；
S140，判断是否达到结束条件；若是，结束运行，反之，跳转至步骤S110。
2.根据权利要求1所述的一种可再生能源微网供电的铁路能量路由调控方法，其特征在于，所述区域决策层，包括步骤：
S210，根据补偿原理，计算出n个路由子系统的参考功率和/或电流：
S220，采用功率和/或电流分配方法，给n个路由子系统分配参考功率和/或电流，然后将n路由子系统的参考功率和/或电流下发给设备控制层中各个路由子系统。
3.根据权利要求2所述的一种可再生能源微网供电的铁路能量路由调控方法，其特征在于，所述功率和/或电流分配方法，包括：
平均功率和/或电流分配法，包括直接按子模块数功率分配方法和/或按载荷率平均分配策略；
按比例功率和/或电流分配法，包括按容量比例或按健康状态比例分配方法；
基于状态功率和/或电流分配法，根据状态和/或效率确定子系统运行的优先级，若子系统优先级相同，则随机排序，然后先投入一个，功率和/或电流达到最大值后，再投入下一个，直至满足功率和/或电流要求；功率下降时，先投的先退；
基于系统效率最大化原则功率和/或电流分配法，以效率最大化为目标函数，温度和容量不超过阈值为约束条件，进行优化分配。
4.根据权利要求1所述的一种可再生能源微网供电的铁路能量路由调控方法，其特征在于，所述设备控制层，包括：
各子系统间的中间直流母线电压既由背靠背变流器进行建立和稳定，或者由双向DC/DC进行建立和稳定；
背靠背变流器采用电压电流双闭环控制策略、模型预测控制或滑膜变结构控制；
储能双向DC/DC变流器采用下垂控制、电压电流双闭环控制或功率外环电流内环控制；
光伏DC/DC变流器采用最大功率追踪控制；
风电系统AC/DC整流器采用电压电流双闭环控制、下垂控制或模型预测控制。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的一种可再生能源微网供电的铁路能量路由调控方法，其特征在于，所述可再生能源微网供电的铁路能量路由系统通过多绕组降压变压器原边连接至牵引网；所述可再生能源微网供电的铁路能量路由系统通过各个路由子系统直流侧与直流微网的直流母线连接；中央集中控制系统通过通信信道与牵引网、直流微网和背靠背变流器系统进行信息交互；
所述牵引网包括α相供电臂、β相供电臂、钢轨、牵引负荷；所述α相供电臂和β相供电臂分别与钢轨构成回路，牵引负荷连接至α/β相供电臂和钢轨之间；
所述可再生能源微网供电的铁路能量路由系统包括多个具有背靠背变流器的路由子系统、α相多绕组降压变压器和β相多绕组降压变压器；背靠背变流器两交流侧分别接至α相多绕组降压变压器副边和β相多绕组降压变压器副边，α相多绕组降压变压器和β相多绕组降压变压器分别与牵引网中α供电臂、β供电臂和钢轨连接。
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