CN115085295B - 一种基于变流器能量管理的无功调节方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于变流器能量管理的无功调节方法，通过利用双向变流器的电力电子调制能力，可以灵活快速调整交流系统的电流相位差，实现系统无功功率的调节。在附图中呈现的变流器C1‑Cn一般具备极大的额定容量，在实现有功潮流的供给的同时，可以利用剩余无功能力进行多种无功模式调节，根据各个变流器距离并网点远近的顺序，使最接近并网点的变流器优先执行无功补偿，在补偿未到位的情况下动用次接近并网点的变流器进行无功补偿，以此类推，直到动用完毕全场的无功容量。本发明还提供了一种基于变流器能量管理的无功调节系统，不需加装额外的无功补偿装置，有效降低轨道交通系统的投入成本和维护难度。

Description

一种基于变流器能量管理的无功调节方法及系统

技术领域

本发明属于轨道交通供电技术领域，尤其涉及一种基于变流器能量管理的无功调节方法及系统。

背景技术

随着轨道交通建设的迅速发展，其社会用电比例也在迅速提升。在城市轨道交通供电系统中存在大量自然功率因数较低的用电设备，供电系统的整体功率因数较低，变压器供电能力不能被充分利用，电能和电压损耗较大，特别是在城市轨道交通的运营高峰期，需占用较大的电力供应，也加剧了电能质量的波动，对城市电网产生诸多不良影响，因此必须对城市轨道交通供电系统进行适当的无功功率补偿。

在轨道交通系统的供电中，感性负荷产生感性无功，容性负荷产生容性无功。系统中的感性无功增大会导致电压下降，容性无功增大则导致电压升高，过高或过低的电压均会给设备埋下安全隐患，冲击性的无功功率负载还会使电压产生剧烈波动。轨道交通系统应在提高用电自然功率因数的基础上，设计和安装无功补偿设备来实现系统无功潮流平衡，从而提高功率因数，稳定系统并网电压，减少对电力系统的冲击。然而，一般集中补偿与就地补偿的方法相结合运用，通过在各个牵引供电所设置多个有源滤波系统实现降低集中补偿装置无功容量的方法，但是现有的无功补偿技术均针对传统电气化铁路，且均需要加装对应的无功补偿装置，使建设成本和维护成本增加，一定程度上也影响了轨道交通系统的正常运行。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种可以通过牵引供电的双向变流器直接实现、无需加装额外的无功补偿装置和快速响应的基于变流器能量管理的无功调节方法及系统，来解决上述存在的技术问题，具体采用以下技术方案来实现。

第一方面，本发明提供了一种基于变流器能量管理的无功调节方法，包括以下具体步骤：

获取轨道交通系统中用于牵引供电的总容量，其中，所述轨道交通系统包括多组连接在电网母线上的变流器组群、并网点、以及连接所述变流器组群和所述并网点的能量管理系统，所述变流器组群包括多组串联的配电变压器和双向变流器；

获取所述并网点的第一容量和所述变流器组群的第二容量，当所述总容量大于所述第一容量和所述第二容量之和时，获取所述双向变流器运行时的有功功率和无功功率；

当所述有功功率和所述无功功率构成的视在功率超过所述双向变流器的额定容量时，所述能量管理系统采取并网点补偿原则向所述轨道交通系统进行无功补偿；

所述能量管理系统接收所述无功补偿对应的控制模式和所述控制模式对应的无功的目标增量，通过所述双向变流器、所述并网点反馈的状态值计算出所述双向变流器的无功设定值；

根据所述无功设定值下发无功调节指令至所述双向变流器以完成所述变流器能量管理的无功调节，其中，所述控制模式包括电压调节、功率因数调节和无功直接调度，所述状态值包括实时采集的有功功率、无功功率和电压。

作为上述技术方案的进一步改进，所述能量管理系统采取并网点补偿原则向所述轨道交通系统进行无功补偿，包括：

所述并网点就近补偿原则包括根据各个所述双向变流器距离所述并网点的顺序，将最接近并网点的双向变流器优先执行无功补偿，在补偿未完成时动用次接近所述并网点的双向变流器进行无功补偿，直至动用全场的无功容量。

作为上述技术方案的进一步改进，根据所述无功设定值下发无功指令至所述双向变流器以完成所述变流器能量管理的无功调节，包括：

所述能量管理系统判断当前的双向变流器是否退出无功调节功能；

若是，不执行无功调节；

若否，基于所述控制模式判断所述目标增量是否处于控制死区范围；

若是，所述能量管理系统处于待命状态，进入下一次无功调节；

若否，则进入对应的无功调节的控制模式。

作为上述技术方案的进一步改进，所述能量管理系统处于待命状态，进入下一次无功调节，包括：

在每一轮无功调节开始时将每一台双向变流器的初始无功出力置零；

将原始无功下发值加入目标增量得到目标无功增量，重新分配所述目标无功增量到各台双向变流器中。

作为上述技术方案的进一步改进，重新分配所述目标无功增量到各台双向变流器中，包括：

按照距离并网点由远到近的顺序，以各台双向变流器的正负无功出力上下限位为边界约束，将目标无功增量分配至各台双向变流器出力，直至动用完所有双向变流器的无功容量。

作为上述技术方案的进一步改进，将所述双向变流器的无功功能的启动，到无功调节的控制模式选择，再到无功增量的计算以及分配视为一个调节循环。

作为上述技术方案的进一步改进，进入对应的无功调节的控制模式，包括：

控制模式为电压调节时，电压比例调节的过程包括通过实时判断并网点电压与目 标电压的差值计算无功的目标增量，若计算电压偏差值表达式为

，那么计算 无功下发增量的表达式为

，其中，

为目标电压，

为实时电压值，

为电 压偏差值，

为无功-电压比例系数，Q为无功下发增量；

控制模式为功率因数调节时，功率因数的调节过程包括通过实时采集并网点的有 功、无功、实时功率因数计算无功的目标增量，若计算等效无功值的表达式为

，则计算无功功率下发增量的表达式为

，其中，

为目标功率因数，

为实时并网点有功，

为等效无功值，

为当前实时无 功值，Q为无功功率下发增量；

控制模式为无功直接调度时，无功直接调度的过程包括通过实时判断并网点无功 与目标无功的差值进行无功的目标增量计算，若计算无功偏差值的表达式为

， 则计算无功下发增量的表达式为

，其中，

为目标无功调度值，

为实时无功功率 值，

为无功偏差值，Q为无功功率下发增量。

作为上述技术方案的进一步改进，电压比例调节、功率因数调节和无功直接调度过程中的最后一步均为无功增量的下发与分配，即将无功目标下发总增量分配至各台双向变流器中，其中，采取并网点就近补偿原则，优先从距离并网点最近的双向变流器开始下发无功，直至本台双向变流器对应的机组无功下发值达到上限，再动用次近机组进行剩余无功增量的下发。

作为上述技术方案的进一步改进，所述双向变流器包括整流、逆变回馈和无功补偿功能，现场所需的分布式无功补偿的容量小于所述双向变流器容量的三分之一。

第二方面，本发明还提供了一种基于变流器能量管理的无功调节系统，包括：

获取单元，用于获取轨道交通系统中用于牵引供电的总容量，其中，所述轨道交通系统包括多组连接在电网母线上的变流器组群、并网点、以及连接所述变流器组群和所述并网点的能量管理系统，所述变流器组群包括多组串联的配电变压器和双向变流器；

第一比较单元，用于获取所述并网点的第一输出容量和所述变流器组群的第二输出容量，当所述总容量大于所述第一输出容量和所述第二输出容量之和时，获取所述双向变流器运行时的有功功率和无功功率；

第二比较单元，用于当所述有功功率和所述无功功率构成的视在功率超过所述双向变流器的额定容量时，所述能量管理系统采取并网点补偿原则向所述轨道交通系统进行无功补偿；

计算单元，用于所述能量管理系统接收所述无功补偿对应的控制模式和所述控制模式对应的无功的目标增量，通过所述双向变流器、所述并网点反馈的状态值计算出所述双向变流器的无功设定值；

调节单元，用于根据所述无功设定值下发无功调节指令至所述双向变流器以完成所述变流器能量管理的无功调节，其中，所述控制模式包括电压调节、功率因数调节和无功直接调度，所述状态值包括实时采集的有功功率、无功功率和电压。

本发明提供了一种基于变流器能量管理的无功调节方法及系统，相对于现有技术，具有以下有益效果：

（1）轨道交通的无功调节可以通过牵引供电变流器直接实现，不需加装额外的无功补偿装置（包括集中式、就地式的SVC、SVG等），在大型轨道交通系统中，无功补偿装置的投入成本往往以百万为单位计算，有效降低轨道交通系统的投入成本和维护难度；

（2）在双向变流器提供牵引供电的结构下，基于变流器能量管理的无功调节方法具有极强灵活性，可以打破传统无功补偿定点调节地域局限性，在不同能量管理算法策略控制下可以实现不同的调节方式，灵活实现集中式、就地式补偿的等效效果，也可以由用户自定义补偿方式；

（3）在灵活实现无功补偿以及降低建设设备购置成本的同时，可有效配合轨道交通双向变流器的其他调节功能，如融冰、防冰以及局域能量调整等，充分发挥轨道交通双向变流器的能力，加速电网友好型轨道交通系统的发展。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明提出的轨道交通系统的供电拓扑图；

图2为本发明提出的双向变流器的无功出力曲线图；

图3为本发明提出的控制模式的逻辑控制框图；

图4为本发明提出的轨道交通无功调节的通信拓扑图；

图5为本发明提出的无功调节的流程图；

图6a为本发明提出的电压调节的流程图；

图6b为本发明提出的功率因数调节的流程图；

图6c为本发明提出的无功直接调度的流程图；

图7为本发明提出的无功分配过程的流程图；

图8为本发明提出的基于变流器能量管理的无功调节方法的流程图；

图9为本发明提出的基于变流器能量管理的无功调节系统的结构框图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

参阅图1、图4和图8，本发明提供了一种基于变流器能量管理的无功调节方法，包括以下具体步骤：

S1：获取轨道交通系统中用于牵引供电的总容量，其中，所述轨道交通系统包括多组连接在电网母线上的变流器组群、并网点、以及连接所述变流器组群和所述并网点的能量管理系统，所述变流器组群包括多组串联的配电变压器和双向变流器；

本实施例中，轨道交通系统常见的无功补偿方法为就地补偿和集中补偿，就地补偿是直接在需要无功补偿的用电设备附近加装无功补偿设备，如小型SVC、SVG等设备，在用电设备投运时候开启对应的无功补偿设备，在用电设备关闭的时候切除对应的无功补偿设备，这种方式既能提高供电回路的功率因素，又能改善电压质量。集中补偿是在变电所母线上加装大容量的无功补偿装置，一般为电容器组。由于中压网络无功返送等原因，导致主变电所功率因数，提高降压变电所电压，对变压器进行无功补偿。在实际应用中，一般将集中补偿与就地补偿的方法相结合运用。而本实施例中的基于变流器能量管理的无功调节方法可应用于变流器提供牵引供电的轨道交通系统，直接通过能量管理系统对多台牵引供电变流器进行控制，以实现无功功率的补偿。

需要说明的是，用于提供牵引供电的轨道交通变流器额定无功容量较大，一般可以对轨道交通系统所需的无功补偿容量，无需加装额外的无功补偿装置，即无需安装应用于传统电气化铁路的集中式补偿装置和就地补偿装置，从而减少了轨道交通系统的运维成本。

S2：获取所述并网点的第一容量和所述变流器组群的第二容量，当所述总容量大于所述第一容量和所述第二容量之和时，获取所述双向变流器运行时的有功功率和无功功率；

参阅图1和图4，本实施例中，并网点可以是分布式电源升压站高压侧母线或节点，也可以是分布式电源的输出汇总点。并网点的第一容量是给轨道交通系统出力，第二容量是双向变流器给轨道交通系统出力。双向变流器除了具备整流、逆变回馈两种基本功能外，还具有一定的无功补偿功能，所提供的无功补偿容量还需要受整流、逆变回馈时的功率限制，在都需要较大功率工作时，优先保证整流、逆变回馈的功率，一般来说现场所需的分布式无功补偿的容量为双向变流器容量的三分之一以内。无功功率的单位是“乏尔”（var）简称“乏”，或“乏”的1000倍“千乏”(Kvar)。如果电压与电流相位差正好为90度（正交）那么电压与电流相位差的正弦值等于1（功率因数即余弦值等于0），“视在功率”与“无功功率”相等，有功功率等于零。

S3：当所述有功功率和所述无功功率构成的视在功率超过所述双向变流器的额定容量时，所述能量管理系统采取并网点补偿原则向所述轨道交通系统进行无功补偿；

参阅图2，本实施例中，所述能量管理系统采取并网点补偿原则向所述轨道交通系统进行无功补偿，包括：所述并网点就近补偿原则包括根据各个所述双向变流器距离所述并网点的顺序，将最接近并网点的双向变流器优先执行无功补偿，在补偿未完成时动用次接近所述并网点的双向变流器进行无功补偿，直至动用全场的无功容量。无功功率是指在具有电抗的交流电路中，电场或磁场在一周期的一部分时间内从电源吸收能量，另一部分时间则释放能量，在整个周期内平均功率为零，但能量在电源和电抗元件（电容、电感）之间不停地交换。所能补偿的最大无功与双向变流器的容量和运行时的有功功率共同决定，变流器的无功出力极限理论上可以达到视在功率的额定值。若以视在功率的大小为半径画圆，有功与无功功率的关系可以用圆内的任意一点表示。双向变流器具有电能整流、逆变的功能，实现轨道交通系统的及时供电和能量反馈，利用双向变流器的电力电子调制能力，可以灵活快速调整交流系统的电流相位差，实现系统无功功率的调节。

S4：所述能量管理系统接收所述无功补偿对应的控制模式和所述控制模式对应的无功的目标增量，通过所述双向变流器、所述并网点反馈的状态值计算出所述双向变流器的无功设定值；

本实施例中，无功功率需求来自三种控制模式：因并网点电压超过允许偏差、系统功率因数需要固定在某一值或者限制在某一范围、接收到外部电网调度的无功指令。无功补偿对应的并网点电压调节、体统功率因数调节、电网无功功率调度三种控制模式应用于不同的场景，能量管理系统负责实时判断轨道交通系统运作期间是否有上述无功补偿的需求以及需要的无功补偿量，从而下发无功指令至双向变流器。

S5：根据所述无功设定值下发无功调节指令至所述双向变流器以完成所述变流器能量管理的无功调节，其中，所述控制模式包括电压调节、功率因数调节和无功直接调度，所述状态值包括实时采集的有功功率、无功功率和电压。

参阅图3，本实施例中，电压调节过程是轨道交通系统运作期间，频繁的列车启停动作容易造成电压波动，从而影响35kV并网点的电压水平，给上级配电网造成一定的冲击，能量管理系统利用双向变流器自身的无功能力，向35kV母线输送感性或容性无功，利用无功功率与交流电压的物理关系，实现并网点电压的调节。能量管理系统包括用于获取并网点电压波动情况的PI调节器、用于根据逻辑判断运行何种模式并根据双向变流器运行状态分配无功功率指令的PID控制器。能量管理系统可通过实时检测并网点用户侧的电压水平，一旦电压波动超出设定值，根据变流器的无功裕度下发无功出力，在遵照功率分配优先级的情况下，通过无功出力稳定并网点电压水平。功率因数调节过程是轨道交通系统作为负荷系统，应能保证系统功率因数处于标准范围内，减少因功率因数过低而造成的考核，功率因数是有功功率与视在功率的比值（衡量实际电能消耗的部分为有功功率，视在功率乘以电压与电流相位差的余弦值即功率因数），提高功率因数需要降低系统内的无功。同样地，能量管理系统可通过调节双向变流器的无功出力，利用感性或容性无功出力抵消系统内过高的容性或感性无功，实现功率因数的提高。无功直接调度的过程是接收上级电网的调度指令，向电网输送定量的无功功率，该功能属于电网辅助调节功能，以辅助调节电网的电能质量，该控制模式调用的前提是具备接收外部电网调度指令的条件。

参阅图4，需要说明的是，双向变流器的无功功率可以接收外部和内部的调度指令，能量管理系统在接收到相应的控制模式和目标值即目标增量后，通过双向变流器实时反馈的状态值和并网点反馈的有功、无功和电压等状态值，并考虑无功能力约束等信息，计算出变流器组群的无功设定值，并下发至单台设备执行，快速响应目标指令。

可选地，根据所述无功设定值下发无功指令至所述双向变流器以完成所述变流器能量管理的无功调节，包括：

所述能量管理系统判断当前的双向变流器是否退出无功调节功能；

若是，不执行无功调节；

若否，基于所述控制模式判断所述目标增量是否处于控制死区范围；

若是，所述能量管理系统处于待命状态，进入下一次无功调节；

若否，则进入对应的无功调节的控制模式。

本实施例中，所述能量管理系统处于待命状态，进入下一次无功调节，包括：在每一轮无功调节开始时将每一台双向变流器的初始无功出力置零；将原始无功下发值加入目标增量得到目标无功增量，重新分配所述目标无功增量到各台双向变流器中。重新分配所述目标无功增量到各台双向变流器中，包括：按照距离并网点由远到近的顺序，以各台双向变流器的正负无功出力上下限位为边界约束，将目标无功增量分配至各台双向变流器出力，直至动用完所有双向变流器的无功容量。将所述双向变流器的无功功能的启动，到无功调节的控制模式选择，再到无功增量的计算以及分配视为一个调节循环。

需要说明的是，轨道交通无功调节详细过程可参考附图5中的流程图，步骤①为能量管理系统判断当前是否退出无功调节功能。若当前系统非退出无功调节功能，则执行后续的无功调节过程。否则，不执行无功调节。步骤②是判断当前无功调节的模式。基于能量管理的无功调节有三种控制模式，包括并网点电压调节、系统功率因数调节、电网无功功率调度，判断用户当前设定的模式，并进入对应的模式中。进入上述三种模式的第一步均为控制死区的判断，若当前的电压偏差、功率因数偏差、无功调度偏差处于控制死区范围内，系统则处于待命状态，进入下一次循环；若偏差超出控制死区范围，则进入对应的无功调节模式控制中。

可选地，进入对应的无功调节的控制模式，包括：

控制模式为电压调节时，电压比例调节的过程包括通过实时判断并网点电压与目标电压的差值计算无功的目标增量；

控制模式为功率因数调节时，功率因数的调节过程包括通过实时采集并网点的有功、无功、实时功率因数计算无功的目标增量；

控制模式为无功直接调度时，无功直接调度的过程包括通过实时判断并网点无功与目标无功的差值进行无功的目标增量计算。

本实施例中，电压比例调节、功率因数调节和无功直接调度过程中的最后一步均为无功增量的下发与分配，即将无功目标下发总增量分配至各台双向变流器中，其中，采取并网点就近补偿原则，优先从距离并网点最近的双向变流器开始下发无功，直至本台双向变流器对应的机组无功下发值达到上限，再动用次近机组进行剩余无功增量的下发。

需要说明的是，附图6a为无功-电压比例调节的过程即电压调节，通过实时判断并网 点电压与目标电压的差值计算无功的目标增量，具体过程可以为：获取目标电压Uo和实时电 压值Ur，计算电压偏差值

，执行比例控制调节从而获取无功-电压比例系数 Kp，计算无功下发增量

，无功功率增量下发，判断是否成功下发，若成功下发则 结束，否则发送错误报告终止本轮无功调节；附图6b为无功-功率因数的调节过程，通过实时 采集并网点的有功、无功、实时功率因数等计算无功的目标增量，具体过程可以为：获取目标 功率因数

和实时并网点有功

，计算等效无功值

， 获取当前实时无功值Qr并计算无功功率下发增量

，无功功率增量下发，判断是 否成功下发，若成功下发则结束，否则发送错误报告终止本轮无功调节；图6c为无功直接调 度的过程，通过实时判断并网点无功与目标无功的差值，进行无功目标增量计算，具体过程 可以为：获取目标无功调度值Qt和实时无功功率值Qr，计算无功偏差值

，计算 无功下发增量

，无功功率增量下发，判断是否成功下发，若成功下发则结束，否则发 送错误报告终止本轮无功调节。考虑到轨道交通沿线较长，若动用距离较远的变流器进行 无功补偿可导致较大的能量损耗。因此，本发明采取并网点就近补偿原则，优先从距离并网 点最近的变流器开始下发无功，直至本台机组无功下发值达到上限，再动用次近机组进行 剩余无功增量的下发。

此外，为了避免相邻变流器之间出现一正一负的无功下发现象（感性与容性无功相互抵消，浪费机组出力），本发明加入了初始化机制，即在每一轮调节开始时将每一台变流器的初始无功出力置零，并将原始无功下发值加入目标增量里，最后再重新分配到各台变流器中。按照距离并网点由远及近的顺序，以各台变流器的正负无功出力上下限为边界约束，将目标无功增量分配至各台变流器出力，直至动用完所有变流器的无功容量。上述过程从无功功能的启动，到无功调节模式的选择，再到无功增量的计算以及分配，可视为一个调节循环。在实际的应用中，无功调节过程需要不断循环该过程，形成一个闭环调节回路，保证无功功率实现实时的补偿，维持电能质量的稳定。调节的周期间隔可视实际的系统调节效果而定。

为了更加方便直接地说明本发明提出的方法，将基于变流器能量管理的无功调节方法作算例说明，并按照无功-电压调节、无功-功率因数调节、无功直接调度的顺序分别以三个算例进行说明，阐述本方法在实际案例如何实现轨道交通系统的无功调节功能，具体过程结合附图7说明如下：

一、无功-电压调节算例：

【1】以附图1中呈现的轨道交通拓扑为例，本用例的系统中一共包含n台用于牵引供电的双向变流器，变流器进线从35kV的交流母线接入，出线接入至1500V的直流母线，且每台均处于正常可使用状态。假设每台双向变流器的额定无功功率上下限为-1500kvar～1500kvar。该35kV母线的并网点位置靠近变流器C1的位置，且剩余变流器C2、C3、...、Cn与并网点的距离依次增加；

【2】考虑到长距离无功传输的损耗问题，采取本发明提出的并网点就近补偿原则，由变流器C1优先下发无功功率，C1无功容量不足时再依次动用C2～Cn的无功能力；

【3】当前系统启动了无功-电压调节模式，目的在于利用变流器的无功补偿稳定并网点电压。目标电压值为35000V，当前实时电压值为34300V，电压调节死区为±100V。当前电压偏差△U=700V，超出电压死区调节范围，程序进入无功-电压调节过程；

【4】按照附图6a所示过程，无功-电压调节采取比例调节的方式，当前设定的比例系数Kp=3，由△U=700V可得，目标无功增量Q = Kp×△U = + 2100kvar，并将该增量下发至无功分配模块；

【5】当前各台变流器的实时无功出力分别为：C1=-100kvar，C2=-50kvar，C3、C4...Cn出力均为0；

【6】按照附图7所示过程，无功分配过程项统计各台变流器当前的实时无功总出力Q0 = -150kvar。将加入至目标无功增量中Q = Q + Q0 = +1950kvar。将所有变流器的初始无功出力记为0，实现出力置零初始化。此时基于置零的变流器初始化状态，下发的总目标无功增量为Q = +1950kvar；

【7】从距离并网点最近距离的变流器C1开始分配无功，由于变流器C1正处于运营工作状态，剩余实时可用的无功容量为±1200kvar。+1950kvar的无功增量超出C1的实时无功可用容量，因此C1按照最大可用无功容量下发无功，即无功下发设定为+1200kvar。此时剩余目标增量Q = Q - 1200 = +750kavr；

【8】此时开始动用C2的无功容量。当前C2的实时无功可用容量为±900kvar，可以满足剩余的无功容量下发，因此C2的无功下发设定为+750kvar。此时本轮目标无功增量已经分配完毕；

【9】由于本轮无功的下发仍然未将电压差值拉回至死区范围内，当前实时电压为34800V，仍有△U=200V。因此根据最新的△U，继续重复【4】-【8】的过程，本轮结束后，电压值为34950V，偏差范围处于调节死区范围内，因此可视作已调节回稳定电压范围，此时系统继续监测并网点电压波动，一旦偏差再次超出控制死区，则继续重复执行【4】-【8】的过程，维持电压的动态稳定。

二、无功-功率因数调节算例：

【1】以附图1中呈现的轨道交通拓扑为例，本用例的系统中一共包含n台用于牵引供电的双向变流器，变流器进线从35kV的交流母线接入，出线接入至1500V的直流母线，且每台均处于正常可使用状态。假设每台双向变流器的额定无功功率上下限为-1500kvar～1500kvar。该35kV母线的并网点位置靠近变流器C1的位置，且剩余变流器C2、C3、...、Cn与并网点的距离依次增加；

【2】考虑到长距离无功传输的损耗问题，采取本发明提出的并网点就近补偿原则，由变流器C1优先下发无功功率，C1无功容量不足时再依次动用C2～Cn的无功能力；

【3】当前系统启动了无功-功率因数调节模式，目的在于利用变流器的无功补偿稳定并网点电压。目标功率因数为0.99，当前实时功率因数为0.93，功率因数调节死区为±0.005V。当前偏差超出功率因数死区调节范围，程序进入无功-功率因数调节过程；

【4】按照附图6b所示过程，无功-功率因数调节采取公式法计算，即按照以下公式：

，当前实时并网点有功为5000kW，因此计算得目标无功增量 Q = +1976kvar。并将该增量下发至无功分配模块；

【5】当前各台变流器的实时无功出力分别为：C1=+200kvar，C2=+120kvar，C3、C4...Cn出力均为0；

【6】按照附图7所示过程，无功分配过程项统计各台变流器当前的实时无功总出力Q0 = +320kvar。将加入至目标无功增量中Q = Q + Q0 = +2296kvar。将所有变流器的初始无功出力记为0，实现出力置零初始化。此时基于置零的变流器初始化状态，下发的总目标无功增量为Q = +2296kvar；

【7】从距离并网点最近距离的变流器C1开始分配无功，由于变流器C1正处于运营工作状态，剩余实时可用的无功容量为±500kvar。+2296kvar的无功增量超出C1的实时无功可用容量，因此C1按照最大可用无功容量下发无功，即无功下发设定为+500kvar。此时剩余目标增量Q = Q - 500 = +1796kavr；

【8】此时开始动用C2的无功容量。当前C2的实时无功可用容量为±1200kvar，+1796kvar的无功增量超出C2的实时无功可用容量，因此C2按照最大可用无功容量下发无功，即无功下发设定为+1200kvar。此时剩余目标增量Q = Q-1200 = +596kvar；

【9】此时开始动用C3的无功容量。当前C3的实时无功可用容量为±1000kvar，可以满足剩余的无功容量下发，因此C3的无功下发设定为+596kvar，此时本轮目标无功增量已经分配完毕。

【10】由于本轮无功的下发仍然未将功率因数差值拉回至死区范围内，当前实时功率因数为0.97。因此根据最新偏差，继续重复【4】-【9】的过程，经过多轮重复后，功率因数维持在0.988，偏差范围处于调节死区范围内，因此可视作已调节到位。此时系统继续监测功率因数的波动，一旦偏差再次超出控制死区，则继续重复执行【4】-【9】的过程。

三、无功直接调度算例：

【1】以附图1中呈现的轨道交通拓扑为例，本用例的系统中一共包含n台用于牵引供电的双向变流器，变流器进线从35kV的交流母线接入，出线接入至1500V的直流母线，且每台均处于正常可使用状态。假设每台双向变流器的额定无功功率上下限为-1500kvar～1500kvar。该35kV母线的并网点位置靠近变流器C1的位置，且剩余变流器C2、C3、...、Cn与并网点的距离依次增加；

【2】考虑到长距离无功传输的损耗问题，采取本发明提出的并网点就近补偿原则，由变流器C1优先下发无功功率，C1无功容量不足时再依次动用C2～Cn的无功能力；

【3】当前系统启动了无功直接调度模式，目的在于直接响应电网的无功补偿要求；

【4】按照附图6c所示过程，无功直接调度模式将直接计算并网点无功实时值与调度目标值的差，作为目标无功增量Q。假设某一时刻Q = +900kvar，超出了控制死区±50kvar，因此进入无功直接调度程序；

【5】当前各台变流器的实时无功出力分别为：C1=+1100kvar，C2=+100kvar，C3、C4...Cn出力均为0；

【6】按照附图-7所示过程，无功分配过程项统计各台变流器当前的实时无功总出力Q0 = +1200kvar。将加入至目标无功增量中Q = Q + Q0 = +2100kvar。将所有变流器的初始无功出力记为0，实现出力置零初始化。此时基于置零的变流器初始化状态，下发的总目标无功增量为Q = +2100kvar；

【7】从距离并网点最近距离的变流器C1开始分配无功，由于变流器C1正处于某工作状态，剩余实时可用的无功容量为±1400kvar。+2100kvar的无功增量超出C1的实时无功可用容量，因此C1按照最大可用无功容量下发无功，即无功下发设定为+1400kvar。此时剩余目标增量Q = Q - 1400 = +700kavr；

【8】此时开始动用C2的无功容量。当前C2的实时无功可用容量为±1200kvar，可以满足剩余的无功容量下发，因此C2的无功下发设定为+700kvar。此时本轮目标无功增量已经分配完毕；

【9】本轮无功的下发已将无功值拉回至死区范围内。此时系统继续监测并网点电压波动，一旦偏差再次超出控制死区，则继续重复执行【4】-【8】的过程。

参阅图9，本发明还提供了一种基于变流器能量管理的无功调节系统，包括：

获取单元，用于获取轨道交通系统中用于牵引供电的总容量，其中，所述轨道交通系统包括多组连接在电网母线上的变流器组群、并网点、以及连接所述变流器组群和所述并网点的能量管理系统，所述变流器组群包括多组串联的配电变压器和双向变流器；

第一比较单元，用于获取所述并网点的第一输出容量和所述变流器组群的第二输出容量，当所述总容量大于所述第一输出容量和所述第二输出容量之和时，获取所述双向变流器运行时的有功功率和无功功率；

第二比较单元，用于当所述有功功率和所述无功功率构成的视在功率超过所述双向变流器的额定容量时，所述能量管理系统采取并网点补偿原则向所述轨道交通系统进行无功补偿；

计算单元，用于所述能量管理系统接收所述无功补偿对应的控制模式和所述控制模式对应的无功的目标增量，通过所述双向变流器、所述并网点反馈的状态值计算出所述双向变流器的无功设定值；

调节单元，用于根据所述无功设定值下发无功调节指令至所述双向变流器以完成所述变流器能量管理的无功调节，其中，所述控制模式包括电压调节、功率因数调节和无功直接调度，所述状态值包括实时采集的有功功率、无功功率和电压。

本实施例中，通过能量管理系统的有效管理，既可实现双向变流器在轨道交通非运营时段充分利用变流器的额定无功容量进行无功调节，又可以实现在列车运行期间根据变流器实时状态，动态调节实时无功。同时可根据电力系统的实时需求，实现系统并网点电压、功率因数、直接无功调度三种模式的调度，在实现建设成本降低的同时，又可以迎合国家发展新型电力系统对用电负荷稳定性的要求。

在这里示出和描述的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制，因此，示例性实施例的其他示例可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于变流器能量管理的无功调节方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取轨道交通系统中用于牵引供电的总容量，其中，所述轨道交通系统包括多组连接在电网母线上的变流器组群、并网点、以及连接所述变流器组群和所述并网点的能量管理系统，所述变流器组群包括多组串联的配电变压器和双向变流器；

获取所述并网点的第一容量和所述变流器组群的第二容量，当所述总容量大于所述第一容量和所述第二容量之和时，获取所述双向变流器运行时的有功功率和无功功率；

当所述有功功率和所述无功功率构成的视在功率超过所述双向变流器的额定容量时，所述能量管理系统采取并网点补偿原则向所述轨道交通系统进行无功补偿；

所述能量管理系统接收所述无功补偿对应的控制模式和所述控制模式对应的无功的目标增量，通过所述双向变流器、所述并网点反馈的状态值计算出所述双向变流器的无功设定值；

根据所述无功设定值下发无功调节指令至所述双向变流器以完成所述变流器能量管理的无功调节，其中，所述控制模式包括电压调节、功率因数调节和无功直接调度，所述状态值包括实时采集的有功功率、无功功率和电压。

2.根据权利要求1所述的基于变流器能量管理的无功调节方法，其特征在于，所述能量管理系统采取并网点补偿原则向所述轨道交通系统进行无功补偿，包括：

所述并网点就近补偿原则包括根据各个所述双向变流器距离所述并网点的顺序，将最接近并网点的双向变流器优先执行无功补偿，在补偿未完成时动用次接近所述并网点的双向变流器进行无功补偿，直至动用全场的无功容量。

3.根据权利要求1所述的基于变流器能量管理的无功调节方法，其特征在于，根据所述无功设定值下发无功指令至所述双向变流器以完成所述变流器能量管理的无功调节，包括：

所述能量管理系统判断当前的双向变流器是否退出无功调节功能；

若是，不执行无功调节；

若否，基于所述控制模式判断所述目标增量是否处于控制死区范围，

若是，所述能量管理系统处于待命状态，进入下一次无功调节；

若否，则进入对应的无功调节的控制模式。

4.根据权利要求3所述的基于变流器能量管理的无功调节方法，其特征在于，所述能量管理系统处于待命状态，进入下一次无功调节，包括：

在每一轮无功调节开始时将每一台双向变流器的初始无功出力置零；

将原始无功下发值加入目标增量得到目标无功增量，重新分配所述目标无功增量到各台双向变流器中。

5.根据权利要求4所述的基于变流器能量管理的无功调节方法，其特征在于，重新分配所述目标无功增量到各台双向变流器中，包括：

按照距离并网点由远到近的顺序，以各台双向变流器的正负无功出力上下限位为边界约束，将目标无功增量分配至各台双向变流器出力，直至动用完所有双向变流器的无功容量。

6.根据权利要求4所述的基于变流器能量管理的无功调节方法，其特征在于，将所述双向变流器的无功功能的启动，到无功调节的控制模式选择，再到无功增量的计算以及分配视为一个调节循环。

7.根据权利要求3所述的基于变流器能量管理的无功调节方法，其特征在于，进入对应的无功调节的控制模式，包括：

控制模式为电压调节时，电压比例调节的过程包括通过实时判断并网点电压与目标电 压的差值计算无功的目标增量，若计算电压偏差值表达式为

，那么计算无功 功率下发增量的表达式为

，其中，

为目标电压，

为实时电压值，

为电压 偏差值，

为无功-电压比例系数，Q为无功功率下发增量；

控制模式为功率因数调节时，功率因数的调节过程包括通过实时采集并网点的有功、 无功、实时功率因数计算无功的目标增量，若计算等效无功值的表达式为

，则计算无功功率下发增量的表达式为

，其中，

为目标功率因数，

为实时并网点有功，

为等效无功值，

为实时无功功 率值，Q为无功功率下发增量；

控制模式为无功直接调度时，无功直接调度的过程包括通过实时判断并网点无功与目 标无功的差值进行无功的目标增量计算，若计算无功偏差值的表达式为

，则计 算无功功率下发增量的表达式为

，其中，

为目标无功调度值，

为实时无功功率 值，

为无功偏差值，Q为无功功率下发增量。

8.根据权利要求7所述的基于变流器能量管理的无功调节方法，其特征在于，电压比例调节、功率因数调节和无功直接调度过程中的最后一步均为无功增量的下发与分配，即将无功目标下发总增量分配至各台双向变流器中，其中，采取并网点就近补偿原则，优先从距离并网点最近的双向变流器开始下发无功，直至本台双向变流器对应的机组无功下发值达到上限，再动用次近机组进行剩余无功增量的下发。

9.根据权利要求1所述的基于变流器能量管理的无功调节方法，其特征在于，所述双向变流器包括整流、逆变回馈和无功补偿功能，现场所需的分布式无功补偿的容量小于所述双向变流器容量的三分之一。

10.一种基于变流器能量管理的无功调节系统，其特征在于，包括：

获取单元，用于获取轨道交通系统中用于牵引供电的总容量，其中，所述轨道交通系统包括多组连接在电网母线上的变流器组群、并网点、以及连接所述变流器组群和所述并网点的能量管理系统，所述变流器组群包括多组串联的配电变压器和双向变流器；

第一比较单元，用于获取所述并网点的第一输出容量和所述变流器组群的第二输出容量，当所述总容量大于所述第一输出容量和所述第二输出容量之和时，获取所述双向变流器运行时的有功功率和无功功率；

第二比较单元，用于当所述有功功率和所述无功功率构成的视在功率超过所述双向变流器的额定容量时，所述能量管理系统采取并网点补偿原则向所述轨道交通系统进行无功补偿；

计算单元，用于所述能量管理系统接收所述无功补偿对应的控制模式和所述控制模式对应的无功的目标增量，通过所述双向变流器、所述并网点反馈的状态值计算出所述双向变流器的无功设定值；

调节单元，用于根据所述无功设定值下发无功调节指令至所述双向变流器以完成所述变流器能量管理的无功调节，其中，所述控制模式包括电压调节、功率因数调节和无功直接调度，所述状态值包括实时采集的有功功率、无功功率和电压。

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