CN114498671B - 一种柔性牵引供电系统及其能量协调控制方法 - Google Patents

一种柔性牵引供电系统及其能量协调控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种柔性牵引供电系统及其能量协调控制方法，其系统包括依次连接的多端口能量路由器和牵引网；多端口能量路由器与不同电压等级的三相电力系统连接，并对输入电能进行变换，不同端口分别输出单相交流电为牵引网供电以及三相交流电向多端口能量路由器的配电设备供电；牵引网用于向机车供电。本发明提出的柔性牵引供电系统，通过引入多端口能量路由器，实现铁路全线贯通并彻底取消电分相，通过多端口能量路由器可对输入能量进行任意变换，向牵引网以及所内用电供能，可节约能量，提升能量利用率。

Description

一种柔性牵引供电系统及其能量协调控制方法
技术领域
本发明属于牵引供电技术领域，具体涉及一种柔性牵引供电系统及其能量协调控制方法。
背景技术
目前，国内外的既有电气化铁路牵引供电系统均基本采取三相-两相(异相)供电模式。变电所经牵引变压器从三相电网取电降压后分两供电臂输出，为牵引网供电。由于供电臂电压相位、幅值和频率难以完全一致，因此各供电臂间需设置电分相。随着近年来高速铁路、重载铁路飞速发展，如下问题将更加突出：
(1)电能质量问题：既有牵引供电系统单相负荷反映至三相电网会产生负序电流，造成三相电压不平衡，高速重载列车牵引功率增大，使负序问题愈发突出，同时，还还会造成无功和谐波等问题。(2)过电分相问题：既有牵引供电系统中必然存在电分相，而电分相装置结构复杂、可靠性低，是牵引供电系统的薄弱环节与事故多发点。(3)供电能力问题：由于存在电分相装置，使得各既有牵引变电所间能量难以实现能量互联互通和跨区供电，因此目前每个既有牵引变电所的牵引变压器均需设置一主一备，牵引变压器容量难以得到充分利用，使其供电能力受限。(4)新能源难以接入：目前既有牵引供电系统的结构决定该系统难以接入新能源和储能系统。如何解决既有铁路牵引供电系统电能质量问题、如何取消电分相装置以及如何实现新能源利用是当前牵引供电领域的研究热点。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种柔性牵引供电系统及其能量协调控制方法。
本发明的技术方案是：一种柔性牵引供电系统包括依次连接的多端口能量路由器和牵引网；
多端口能量路由器与不同电压等级的三相电力系统连接，并对输入电能进行变换，不同端口分别输出单相交流电为牵引网供电以及三相交流电向多端口能量路由器的配电设备供电；牵引网用于向机车供电。
本发明的有益效果是：
(1)本发明提出的柔性牵引供电系统，通过引入多端口能量路由器，实现铁路全线贯通并彻底取消电分相，通过多端口能量路由器可对输入能量进行任意变换，向牵引网以及所内用电供能，可节约能量，提升能量利用率；
(2)本发明提出的柔性牵引供电系统，具备在未来接入不同电压等级、不同频率任意相交流电以及任意电压等级直流电的能力，并可输出不同电压等级不同频率的单相交流电、不同电压等级直流电乃至不同电压等级不同频率的任意相交流电。
基于以上系统，本发明还提出一种柔性牵引供电系统的能量协调控制方法，包括以下步骤：
S1：确定机车运行工况；
S2：根据机车运行工况，利用多端口能量路由器实现其与三相电力系统和牵引网之间的能量协调控制。
进一步地，步骤S2中，机车的运行工况包括牵引工况和再生制动工况；
其中，若机车处于牵引工况，则由多端口能量路由器向牵引网输出单相交流电，并由牵引网向机车供电；
若机车处于再生制动工况，则经牵引网将列车再生制动能量返送至多端口能量路由器，并由多端口能量路由器对再生制动能量进行协调控制。
进一步地，步骤S2中，在机车处于牵引工况中，若牵引网所需能量小于多端口能量路由器输出能量时，则柔性牵引供电系统采用第一工作状态，具体为：将多端口能量路由器的输出能量中除牵引网所需能量以外的其余能量用于向多端口能量路由器的配电设备供电；
若牵引网所需能量大于或等于多端口能量路由器输出能量时，则柔性牵引供电系统采用第二工作状态，具体为：将多端口能量路由器的输出能量全部向牵引网供电，并停止向多端口能量路由器的配电设备供电。
进一步地，步骤S2中，在机车处于再生制动工况中，若牵引网所需能量和多端口能量路由器的配电设备所需能量之和小于或等于多端口能量路由器的输出能量时，则柔性牵引供电系统采用第三工作状态，具体为：利用多端口能量路由器将再生制动能量转换为对应三相电力系统的电压等级电能，并返回至三相电力系统；
若牵引网所需能量和多端口能量路由器的配电设备所需能量之和大于多端口能量路由器的输出能量时，则柔性牵引供电系统采用第四工作状态，具体为：利用多端口能量路由器将再生制动能量转换为牵引网所需电能，并向牵引网供电。
本发明的有益效果是：本发明提出适用于柔性牵引供电系统的能量协调控制方法，可实现多端口能量路由器与三相电力系统、列车再生制动能量、牵引网所需能量以及多端口能量路由器的配电设备用电之间的能量协调，确保柔性牵引供电系统安全稳定运行。
附图说明
图1为柔性牵引供电系统的结构图；
图2为柔性牵引供电系统结构示意图；
图3为柔性牵引供电系统的能量协调控制方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作进一步的说明。
在描述本发明的具体实施例之前，为使本发明的方案更加清楚完整，首先对本发明中出现的缩略语和关键术语定义进行说明：
三相电力系统：由三相电源、三相负载和三相输电线路三部分组成。
牵引网：专为电力机车或电动车组提供电力的供电回路。
如图1所示，本发明提供了一种柔性牵引供电系统，包括依次连接的多端口能量路由器和牵引网；
多端口能量路由器与不同电压等级的三相电力系统连接，并对输入电能进行变换，不同端口分别输出单相交流电为牵引网供电以及三相交流电向多端口能量路由器的配电设备供电；
牵引网用于向机车供电。
如图2所示，按照既有系统规划，多端口能量路由器可与三相电力系统直接相连(包括电压等级为110kV、220kV和330kV的三相电网)，经多端口能量路由器变换后可稳定输出单相27.5kV/50Hz交流电向牵引网供电，同时通过多端口能量路由器变换，可向多端口能量路由器(柔性牵引变电所)内的配电设备提供三相交流电。给当机车处于再生制动状态时，机车动能可转换为再生制动能量，多端口能量路由器可对再生制动能量进行利用。随着电力系统发展，若未来电力系统供电制式发生变化，不同电压等级、不同频率任意相交流电以及任意电压等级直流电等均可接入多端口能量路由器。同样地，若未来牵引供电系统供电制式发生改变，多端口能量路由器可输出不同电压等级不同频率的单相交流电、不同电压等级直流电乃至不同电压等级不同频率任意相交流电为牵引网供能。
基于以上系统，本发明还提出一种柔性牵引供电系统的能量协调控制方法，如图3所示，包括以下步骤：
S1：确定机车运行工况；
S2：根据机车运行工况，利用多端口能量路由器实现其与三相电力系统和牵引网的能量协调控制。
在本发明实施例中，步骤S2中，机车的运行工况包括牵引工况和再生制动工况；
其中，若机车处于牵引工况，则由多端口能量路由器向牵引网输出单相交流电，并由牵引网向机车供电；
若机车处于再生制动工况，则经牵引网将列车再生制动能量返送至多端口能量路由器，并由多端口能量路由器对再生制动能量进行协调控制。
在本发明实施例中，步骤S2中，在机车处于牵引工况中，若牵引网所需能量小于多端口能量路由器输出能量时，则柔性牵引供电系统采用第一工作状态，具体为：将多端口能量路由器的输出能量中除牵引网所需能量以外的其余能量用于向多端口能量路由器的配电设备供电；
若牵引网所需能量大于或等于多端口能量路由器输出能量时，则柔性牵引供电系统采用第二工作状态，具体为：将多端口能量路由器的输出能量全部向牵引网供电，并停止向多端口能量路由器的配电设备供电。
在本发明实施例中，步骤S2中，在机车处于再生制动工况中，若牵引网所需能量和多端口能量路由器的配电设备所需能量之和小于或等于多端口能量路由器的输出能量时，则柔性牵引供电系统采用第三工作状态，具体为：利用多端口能量路由器将再生制动能量转换为对应三相电力系统的电压等级电能(即110kV、220kV、330kV的三相电网)，并返回至三相电力系统；
若牵引网所需能量和多端口能量路由器的配电设备所需能量之和大于多端口能量路由器的输出能量时，则柔性牵引供电系统采用第四工作状态，具体为：利用多端口能量路由器将再生制动能量转换为牵引网所需电能(即符合牵引网供电制式电能，具体为单相交流50Hz，27.5kV)，并向牵引网供电。
本发明的工作原理及过程为：多端口能量路由器(柔性牵引变电所)以电力电子装置为核心设备，可对多端口能量路由器输入输出能量进行任意调控。通过判定系统中机车运行工况，根据机车运行工况的不同来决定系统工作状态；在不同工作状态下，实现对多端口能量路由器与三相电力系统、列车再生制动能量、牵引网以及多端口能量路由器配电设备之间的能量协调。
本发明的有益效果为：
(1)本发明提出柔性牵引供电系统，通过引入多端口能量路由器，实现铁路全线贯通并彻底取消电分相，通过多端口能量路由器可对输入能量进行任意变换，向牵引网以及多端口能量路由器配电设备供能，可节约能量，提升能量利用率；
(2)本发明提出的柔性牵引供电系统，具备在未来接入不同电压等级、不同频率任意相交流电以及任意电压等级直流电的能力，并可输出不同电压等级不同频率的单相交流电、不同电压等级直流电乃至不同电压等级不同频率的任意相交流电；
(3)本发明提出适用于柔性牵引供电系统的能量协调控制方法，可实现多端口能量路由器与三相电力系统、列车再生制动能量、牵引网所需能量以及多端口能量路由器配电设备之间的能量协调，确保柔性牵引供电系统安全稳定运行。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种柔性牵引供电系统，其特征在于，包括依次连接的多端口能量路由器和牵引网；
通过所述柔性牵引供电系统进行能量协调控制的方法包括以下步骤：
S1：确定机车运行工况；
S2：根据机车运行工况，利用多端口能量路由器实现其与三相电力系统和牵引网的能量协调控制；
所述步骤S2中，机车的运行工况包括牵引工况和再生制动工况；
其中，若机车处于牵引工况，则由多端口能量路由器向牵引网输出单相交流电，并由牵引网向机车供电；
若机车处于再生制动工况，则经牵引网将列车再生制动能量返送至多端口能量路由器，并由多端口能量路由器对再生制动能量进行协调控制；
所述步骤S2中，在机车处于牵引工况中，若牵引网所需能量小于多端口能量路由器输出能量时，则柔性牵引供电系统采用第一工作状态，具体为：将多端口能量路由器的输出能量中除牵引网所需能量以外的其余能量用于向多端口能量路由器的配电设备供电；
若牵引网所需能量大于或等于多端口能量路由器输出能量时，则柔性牵引供电系统采用第二工作状态，具体为：将多端口能量路由器的输出能量全部向牵引网供电，并停止向多端口能量路由器的配电设备供电；
所述步骤S2中，在机车处于再生制动工况中，若牵引网所需能量和多端口能量路由器的配电设备所需能量之和小于或等于多端口能量路由器的输出能量时，则柔性牵引供电系统采用第三工作状态，具体为：利用多端口能量路由器将再生制动能量转换为对应三相电力系统的电压等级电能，并返回至三相电力系统；
若牵引网所需能量和多端口能量路由器的配电设备所需能量之和大于多端口能量路由器的输出能量时，则柔性牵引供电系统采用第四工作状态，具体为：利用多端口能量路由器将再生制动能量转换为牵引网所需电能，并向牵引网供电；
所述柔性牵引供电系统的能量协调控制方法基于柔性牵引供电系统实现，系统包括依次连接的多端口能量路由器和牵引网；
所述多端口能量路由器与不同电压等级的三相电力系统连接，并对输入电能进行变换，不同端口分别输出单相交流电为牵引网供电以及三相交流电向多端口能量路由器的配电设备供电；
所述牵引网用于向机车供电。
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