CN115333105A - 一种电气化铁路交直流储能供电系统及能量控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电气化铁路交直流储能供电系统及能量控制方法，涉及电气化铁路牵引供电技术领域。牵引‑控制变压器的次边共有三组绕组，其中第一次边绕组ab为交流牵引端口，第二次边绕组a1b1中的b1端子与第三次边绕组b2c中的b2端子相连接；第二次边绕组a1b1与第三次边绕组b2c电压大小相等，第二、第三次边绕组中的a1端子和c端子构成第一变流端口，第三次边绕组b2c为第二变流端口，第二次边绕组a1b1为第三变流端口，第一变流器的交流侧与第一变流端口相连，第二变流器的交流侧与第二变流端口相连，第三变流器的交流侧与第三变流端口相连，第一变流器、第二变流器以及第三变流器的直流侧相互并联且与储能器并接。

Description

一种电气化铁路交直流储能供电系统及能量控制方法

技术领域

本发明涉及电气化铁路牵引供电技术领域，特别涉及一种交直流储能牵引供电技术。

背景技术

目前，电气化铁路所采用的供电制式为工频单相交流制，现代地铁、轻轨等城市轨道交通大多采用直流制。随着电气化铁路和城市轨道交通网络进一步扩大和完善，不可避免地会出现交流牵引供电系统和直流牵引供电系统在某一交通枢纽并存的情况。传统的两者独立的供电制式已无法满足一体化需求，交直流双制式牵引变电所方案可用于在交流电力牵引车辆与直流城轨牵引车辆过渡的地段，也可用于对部分铁路现有牵引变电所的多制式进行供电改造。该方案能避免大量的重复建设和资源浪费，降低建造成本的同时还能减小负序功率。再者机车车辆制造企业需要满足不同类型电气化轨道车辆的市场需求，建设交直流牵引供电系统，能降低投资成本，使其更加高效、经济的运行。

新型动车组/电力机车在制动过程中优先采用再生制动方式，产生了大量的再生制动功率，若能对其进行合理利用，可有效降低铁路的耗电量。对于使用储能系统实现负荷的再生利用，现有研究主要集中在电网领域，其通过控制储能的充放电降低用电成本。因此本发明提供了一种电气化铁路交直流储能供电系统及能量控制策略。

发明内容

本发明的目的是提供一种电气化铁路交直流储能供电系统及能量控制方法，它能够兼容直流和交流供电，并且储能系统在对再生制动功率回收利用的同时还能够使得负序达到国标要求。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种电气化铁路交直流储能供电系统，包括电网提供的三相高压母线HB、牵引-控制变压器TCT、储能系统ESS、测控装置MCS；牵引-控制变压器TCT的原边两绕组设有第一原边绕组AB和第二原边绕组BC，它们分别接入三相高压母线HB的两个不同线电压；牵引-控制变压器TCT的次边共有三组绕组，记为第一次边绕组ab、第二次边绕组a1b1和第三次边绕组b2c；第一次边绕组ab为交流牵引端口，第二次边绕组a1b1中的b1端子与第三次边绕组b2c中的b2端子相连接；第二次边绕组a1b1与第三次边绕组b2c的电压相等，第二次边绕组中的a1端子和第三次边绕组c端子构成第一变流端口，第三次边绕组b2c为第二变流端口，第二次边绕组a1b1为第三变流端口；储能系统ESS中，第一变流器CON1的交流侧与第一变流端口相连，第二变流器CON2的交流侧与第二变流端口相连，第三变流器CON3的交流侧与第三变流端口相连；第一变流器CON1、第二变流器CON2以及第三变流器CON3的直流侧相互并联且与储能器ESD并接；交流牵引端口的一端串接电流互感器CT后接入接触线T，另一端并接电压互感器PT后接入钢轨R；直流牵引端口的一端串接分流器RW后接入接触线T，另一端并接电压变送器VD后接入钢轨R；所述测控系统MCS中控制器CD的信号输入端分别与电压互感器PT、电压变送器VD、电流互感器CT、分流器RW和储能器状态监控器的信号输出端相连，控制器CD的信号输出端与储能系统ESS的控制端相连。

牵引-控制变压器TCT的ab端口为交流机车负荷提供功率，储能系统ESS中第一变流器CON1、第二变流器CON2、第三变流器CON3的直流侧与储能器ESD并接于直流牵引端口，为直流机车负荷提供所需功率的同时还储存多余的再生制动功率实现削峰填谷。

交流牵引供电系统中，若牵引网供电方式为直供方式或者带回流线的直供方式，所述交流牵引端口的一端接至接触线T，另一端接至钢轨R并接地；若牵引网供电方式为AT供电方式，所述交流牵引端口的一端接至接触线T，另一端接至负馈线F。

测控系统MCS由电压互感器PT、电压变送器VD、电流互感器CT、分流器RW、储能器状态监控器和控制器CD共同构成。

储能器中储能介质为化学储能和物理储能中的任一种。储能器的最大充放电功率S_E的值大于等于交流端口牵引功率或再生功率S_L1的值与负序允许量S_ε的差，即：S_E≥S_L1-S_ε。

基于一种交直流储能供电系统，提出了一种交直流储能供电系统的控制方法，直流端口的牵引或再生功率由电网通过第一变流器CON1、第二变流器CON2、第三变流器CON3提供或通过储能器提供并且通过三个变流器的功率相等。具体为：

步骤一、设定以使三相高压母线HB的负序功率小于负序允许量S_ε及列车再生功率利用率最高为目标对储能系统进行控制；

步骤二、设定储能器的放电下限TH₁和充电上限TH₂，利用测控系统MCS的控制器CD对电压互感器PT、电压变送器VD、电流互感器CT、分流器RW的电压、电流进行测量，并利用储能器状态监控器对其进行检测和计算，得到交流牵引功率或再生功率S_L1、三相高压母线HB的负序功率S^-、直流牵引功率或再生功率S_L2、交流侧功率因数

交直流端口机车工况、储能器荷电状态SOC来对储能系统进行控制，具体流程如下：

若交流端口牵引负荷功率因数

则直接开始以下运算；若

则通过第三变流器CON3将功率因数补偿到1，再开始以下运算：

(1)当仅直流端口存在列车且工况为牵引时，若SOC≤TH₁，储能器待机；电网通过第一变流器CON1、第二变流器CON2、第三变流器CON3提供直流端口全部所需直流牵引功率且三个变流器的功率相等；若SOC＞TH₁且S_E≥S_L2，储能器提供直流端口牵引功率使得S^-＝0；若SOC＞TH₁且S_E＜S_L2，储能器为直流端口提供最大放电功率S_E，由电网通过第一变流器CON1、第二变流器CON2、第三变流器CON3为直流端口提供剩余所需牵引功率，并且三个变流器的功率相等使得S^-＝0；

(2)当仅直流端口存在列车且工况为再生时，若SOC≥TH₂，储能器待机；再生功率通过第一变流器CON1、第二变流器CON2、第三变流器CON3送入电网且通过三个变流器的功率相等；若SOC＜TH₂且S_E≥S_L2，储能器储存直流端口再生功率使得S^-＝0；若SOC＜TH₂且S_E＜S_L2，储能器以最大充电功率S_E储存直流端口部分再生功率，剩下的再生功率通过第一变流器CON1、第二变流器CON2、第三变流器CON3送入电网，每个变流器通过的功率相等使得S^-＝0；

(3)当仅交流端口存在列车且工况为牵引时，若SOC≤TH₂且S^-≤S_ε，储能器和变流器待机；交流端口全部所需功率由电网通过牵引-控制变压器TCT提供；若SOC≤TH₁且S^-＞S_ε，储能器待机；交流端口全部所需功率由电网通过牵引-控制变压器TCT提供，第一变流器CON1在交流侧发出

的感性无功功率，第二变流器CON2在交流侧发出

的容性无功功率使得S^-≤S_ε；若SOC＞TH₁且S_E≥S_L1，储能器通过第三变流器CON3为交流端口提供交流牵引功率使得S^-＝0；若SOC＞TH₁且S_E＜S_L1，储能器通过第三变流器CON3为交流端口提供最大放电功率S_E，交流端口剩余所需功率由电网通过牵引-控制变压器TCT提供使得S^-≤S_ε；

(4)当仅交流端口存在列车且工况为再生时，若SOC≥TH₂且S^-≤S_ε，储能器和变流器待机，再生功率通过牵引-控制变压器TCT送入电网；若SOC≥TH₂且S^-＞S_ε，储能器待机；再生功率通过牵引-控制变压器TCT送入电网，第一变流器CON1在交流侧发出

的容性无功功率，第二变流器CON2在交流侧发出

的感性无功功率使得S^-≤S_ε；若SOC＜TH₂且S_E≥S_L1，控制CON3使再生功率流入储能器使得S＝0；若SOC＜TH₂且S_E＜S_L1，储能器通过第三变流器CON3以最大充电功率S_E储存交流端口部分再生功率，多余再生功率直接通过牵引-控制变压器TCT送入电网使得S^-≤S_ε；

(5)当交流端口列车工况为牵引且直流端口列车工况亦为牵引时，若SOC≤TH₁且S^-≤S_ε，储能器待机；交流端口所需功率由电网通过牵引-控制变压器TCT提供，直流端口所需功率由电网通过第一变流器CON1、第二变流器CON2、第三变流器CON3提供，并且通过三个变流器的功率相等；若SOC≤TH₁且S^-＞S_ε，储能器待机；交流端口所需功率由电网通过牵引-控制变压器TCT提供，直流端口所需功率由电网通过第一变流器CON1、第二变流器CON2、第三变流器CON3提供，并且通过三个变流器的功率相等；第一变流器CON1在交流侧发出

的感性无功功率，第二变流器CON2在交流侧发出

的容性无功功率使得S^-≤S_ε；若SOC＞TH₁且S_E≥S_L1+S_L2，储能器通过第三变流器CON3提供交流端口全部所需功率的同时直接提供直流端口全部所需功率使得S^-＝0；若SOC＞TH₁且S_L1≤S_E＜S_L1+S_L2，储能器首先通过第三变流器CON3为交流端口提供全部所需功率，剩余功率提供给直流端口，直流端口剩余所需功率由电网通过第一变流器CON1、第二变流器CON2、第三变流器CON3提供，并且通过三个端口的功率相等使得S^-＝0；若SOC＞TH₁且S_E＜S_L1，储能器通过CON3给交流端口提供最大放电功率S_E，交流端口剩余所需功率由电网直接通过牵引-控制变压器TCT提供，直流端口所需功率由电网通过第一变流器CON1、第二变流器CON2、第三变流器CON3提供且通过每个变流器的功率相等使得S^-≤S_ε；

(6)当交流端口列车工况为牵引且直流端口列车工况为再生时，若S_L1＞S_L2且SOC≤TH₁，储能器待机；控制第三变流器CON3将全部直流再生功率提供给交流端口，此时若S^-≤S_ε，交流端口剩余所需功率由电网直接通过牵引-控制变压器TCT提供，若S^-＞S_ε，第一变流器CON1在交流侧发出

的感性无功功率，第二变流器CON2在交流侧发出

的容性无功功率使得S^-≤S_ε；若SOC＞TH₁且S_E＜S_L1-S_L2，控制第三变流器CON3将全部直流再生功率提供给交流端口，储能器通过第三变流器CON3给交流端口提供最大放电功率S_E，交流端口剩余所需功率由电网直接通过牵引-控制变压器TCT提供使得S^-≤S_ε；若SOC＞TH₁且S_E≥S_L1-S_L2，控制第三变流器CON3将全部直流再生功率提供给交流端口，交流端口剩余所需功率由储能器通过第三变流器CON3提供使得S＝0；当S_L1＝S_L2时，储能器待机；控制第三变流器CON3将全部直流再生功率提供给交流端口使得S＝0；当S_L1＜S_L2时，若SOC≥TH₂，储能器待机；控制第三变流器CON3将直流再生功率提供交流端口牵引功率，直流端口多余再生功率通过第一变流器CON1、第二变流器CON2、第三变流器CON3返给电网且通过每个变流器的功率相等；若SOC＜TH₂且S_E＜S_L2-S_L1，直流端口部分再生功率通过第三变流器CON3为交流端口提供全部牵引功率，储能器以最大充电功率S_E储存直流端口部分再生功率，直流端口多余再生功率通过第一变流器CON1、第二变流器CON2、第三变流器CON3返给电网且通过每个变流器的功率相等使得S^-＝0；若SOC＜TH₂且S_E≥S_L2-S_L1，控制第三变流器CON3将直流再生功率给交流端口提供交流牵引功率，直流端口多余再生功率由储能器储存使得S^-＝0；

(7)当交流端口列车工况为再生且直流端口列车工况为牵引时，若S_L1＜S_L2且SOC≤TH₁时，储能器待机；控制第三变流器CON3将全部交流再生功率提供给直流端口，直流端口剩余所需功率由电网通过第一变流器CON1、第二变流器CON2、第三变流器CON3提供且通过每个变流器的功率相等；若SOC＞TH₁且S_E＜S_L2-S_L1，控制第三变流器CON3将全部交流再生功率提供给直流端口，储能器给直流端口提供最大放电功率S_E，直流端口剩余所需功率由电网通过第一变流器CON1、第二变流器CON2、第三变流器CON3提供且通过每个变流器的功率相等使得S^-＝0；若SOC＞TH₁且S_E≥S_L2-S_L1，控制第三变流器CON3将全部交流再生功率提供给直流端口，储能器给直流端口提供全部所需再生功率使得S^-＝0；S_L1＝S_L2时，储能器待机；控制第三变流器CON3将全部交流再生功率提供给直流端口使得S^-＝0；S_L1＞S_L2时，若SOC≥TH₂，储能器待机；控制第三变流器CON3将部分交流再生功率提供给直流端口，若此时S^-≤S_ε，交流端口多余再生功率通过牵引-控制变压器TCT返给电网，若S^-＞S_ε，第一变流器CON1在交流侧发出

的容性无功功率，第二变流器CON2在交流侧发出

的感性无功功率使得S^-≤S_ε；若SOC＜TH₂且S_E＜S_L1-S_L2，控制第三变流器CON3将交流再生功率为直流端口提供所需牵引功率，储能器通过第三变流器CON3以最大充电功率S_E储存交流端口部分再生功率，交流端口多余再生功率通过牵引-控制变压器TCT返给电网使得S^-≤S_ε；若SOC＜TH₂且S_E≥S_L1-S_L2，部分交流再生功率通过第三变流器CON3给直流端口提供所需牵引功率，交流端口剩余再生功率由储能器通过第三变流器CON3储存使得S^-＝0；

(8)当交流端口列车工况为再生且直流端口列车工况亦为再生时，若SOC≥TH₂且S^-≤S_n，储能器待机；交流端口全部再生功率通过牵引-控制变压器TCT返给电网，直流端口全部再生功率通过第一变流器CON1、第二变流器CON2、第三变流器CON3返给电网且通过三个变流器的功率相等；若SOC≥TH₂且S^-＞S_ε，储能器待机；交流端口全部再生功率通过牵引-控制变压器TCT返给电网，直流端口全部再生功率通过第一变流器CON1、第二变流器CON2、第三变流器CON3返给电网且通过三个变流器的功率相等；第一变流器CON1在交流侧发出

的容性无功功率，第二变流器CON2在交流侧发出

的感性无功功率使得S^-≤S_ε；若SOC＜TH₂且S_E≥S_L1+S_L2，交流端口全部再生功率通过第三变流器CON3提供给储能器储存且直流端口全部的再生功率由储能器储存使得S^-＝0；若SOC＜TH₂且S_L1≤S_E＜S_L1+S_L2，首先交流端口通过第三变流器CON3将全部再生功率提供给储能器储存，同时储能器也储存直流端口的部分再生功率，直流端口多余的再生功率通过第一变流器CON1、第二变流器CON2、第三变流器CON3返给电网，并且通过三个端口的功率相等使得S^-＝0；若SOC＜TH₂且S_E＜S_L1，储能器通过第三变流器CON3以最大充电功率S_E储存交流端口部分再生功率，交流端口多余再生功率通过牵引-控制变压器TCT返给电网，直流端口全部的再生功率通过第一变流器CON1、第二变流器CON2、第三变流器CON3返给电网且通过每个变流器的功率相等使得S^-≤S_ε。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

一、本发明可实现交流和直流的同所供电，利用储能系统为直流端口供电，有效地减少牵引变电所的建设面积和成本；

二、本发明可实现列车再生制动功率在直流系统和交流系统之间的相互利用，并且通过储能器的充放电可实现再生制动功率的高效利用。

三、本发明无需额外增加负序补偿装置，通过储能系统可实现负序的有效补偿使得交流系统能够取消电分相实现同相运行。

附图说明

图1是本发明实施例一中所述的适合直供方式的电气化铁路交直流储能供电系统拓扑结构示意图。

图2是本发明实施例一中所述的适合AT供电方式的电气化铁路交直流储能供电系统拓扑结构示意图。

具体实施方式

为了更好理解本发明的创造思想，在此简要说明本发明的工作原理：以使三相高压母线HB的负序功率小于负序允许量S_ε及列车再生功率利用率最高为目标，通过储能系统ESS，兼顾交流和直流供电，并对储能系统进行控制，使高压母线负序功率达到国标要求的同时实现交流系统和直流系统再生功率的回收利用。下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步描述。

实施例一

如图1所示，本发明实施例提供了一种电气化铁路交直流储能供电系统，包括电网提供的三相高压母线HB、牵引-控制变压器TCT、储能系统ESS、测控装置MCS；牵引-控制变压器TCT的原边两绕组设有第一原边绕组AB和第二原边绕组BC，它们分别接入三相高压母线HB的两个不同线电压；牵引-控制变压器TCT的次边共有三组绕组，记为第一次边绕组ab、第二次边绕组a1b1和第三次边绕组b2c，第一次边绕组ab为交流牵引端口，第二次边绕组a1b1中的b1端子与第三次边绕组b2c中的b2端子相连接；第二次边绕组a1b1与第三次边绕组b2c的电压相等，第二次边绕组中的a1端子和第三次边绕组c端子构成第一变流端口，第三次边绕组b2c为第二变流端口，第二次边绕组a1b1为第三变流端口；储能系统ESS中，第一变流器CON1的交流侧与第一变流端口相连，第二变流器CON2的交流侧与第二变流端口相连，第三变流器CON3的交流侧与第三变流端口相连；第一变流器CON1、第二变流器CON2以及第三变流器CON3的直流侧相互并联且与储能器ESD并接；交流牵引端口的一端串接电流互感器CT后接入接触线T，另一端并接电压互感器PT后接入钢轨R；直流牵引端口的一端串接分流器RW后接入接触线T，另一端并接电压变送器VD后接入钢轨R；所述测控系统MCS中控制器CD的信号输入端分别与电压互感器PT、电压变送器VD、电流互感器CT、分流器RW和储能器状态监控器的信号输出端相连，控制器CD的信号输出端与储能系统ESS的控制端相连。若电气化铁路为AT供电方式，则牵引-控制变压器TCT的第一次边绕组ab中的a端接接触线T，b端接负馈线F。

实施例二

本发明实施例提供了一种交直流储能供电系统的能量控制方法，直流端口的牵引或再生功率由电网通过第一变流器CON1、第二变流器CON2、第三变流器CON3提供或通过储能器提供并且通过三个变流器的功率相等。具体为：

步骤一、设定以使三相高压母线HB的负序功率小于负序允许量S_ε及列车再生功率利用率最高为目标对储能系统进行控制；

步骤二、设定储能器的放电下限TH₁和充电上限TH₂，利用测控系统MCS的控制器CD对电压互感器PT、电压变送器VD、电流互感器CT、分流器RW的电压、电流进行测量，并利用储能器状态监控器对其进行检测和计算，得到交流牵引功率或再生功率S_L1、三相高压母线HB的负序功率S、直流牵引功率或再生功率S_L2、交流侧功率因数

交直流端口机车工况、储能器荷电状态SOC来对储能系统进行控制，具体流程如下：

若交流端口牵引负荷功率因数

则直接开始以下运算；若

则通过第三变流器CON3将功率因数补偿到1，再开始以下运算：

(1)当仅直流端口存在列车且工况为牵引时，若SOC≤TH₁，储能器待机；电网通过第一变流器CON1、第二变流器CON2、第三变流器CON3提供直流端口全部所需直流牵引功率且三个变流器的功率相等；若SOC＞TH₁且S_E≥S_L2，储能器提供直流端口牵引功率使得S^-＝0；若SOC＞TH₁且S_E＜S_L2，储能器为直流端口提供最大放电功率S_E，由电网通过第一变流器CON1、第二变流器CON2、第三变流器CON3为直流端口提供剩余所需牵引功率，并且三个变流器的功率相等使得S^-＝0；

(2)当仅直流端口存在列车且工况为再生时，若SOC≥TH₂，储能器待机；再生功率通过第一变流器CON1、第二变流器CON2、第三变流器CON3送入电网且通过三个变流器的功率相等；若SOC＜TH₂且S_E≥S_L2，储能器储存直流端口再生功率使得S^-＝0；若SOC＜TH₂且S_E＜S_L2，储能器以最大充电功率S_E储存直流端口部分再生功率，剩下的再生功率通过第一变流器CON1、第二变流器CON2、第三变流器CON3送入电网，每个变流器通过的功率相等使得S^-＝0；

(3)当仅交流端口存在列车且工况为牵引时，若SOC≤TH₂且S^-≤S_ε，储能器和变流器待机；交流端口全部所需功率由电网通过牵引-控制变压器TCT提供；若SOC≤TH₁且S^-＞S_ε，储能器待机；交流端口全部所需功率由电网通过牵引-控制变压器TCT提供，第一变流器CON1在交流侧发出

的感性无功功率，第二变流器CON2在交流侧发出

的容性无功功率使得S^-≤S_ε；若SOC＞TH₁且S_E≥S_L1，储能器通过第三变流器CON3为交流端口提供交流牵引功率使得S^-＝0；若SOC＞TH₁且S_E＜S_L1，储能器通过第三变流器CON3为交流端口提供最大放电功率S_E，交流端口剩余所需功率由电网通过牵引-控制变压器TCT提供使得S^-≤S_ε；

(4)当仅交流端口存在列车且工况为再生时，若SOC≥TH₂且S^-≤S_ε，储能器和变流器待机，再生功率通过牵引-控制变压器TCT送入电网；若SOC≥TH₂且S^-＞S_ε，储能器待机；再生功率通过牵引-控制变压器TCT送入电网，第一变流器CON1在交流侧发出

的容性无功功率，第二变流器CON2在交流侧发出

的感性无功功率使得S^-≤S_ε；若SOC＜TH₂且S_E≥S_L1，控制CON3使再生功率流入储能器使得S^-＝0；若SOC＜TH₂且S_E＜S_L1，储能器通过第三变流器CON3以最大充电功率S_E储存交流端口部分再生功率，多余再生功率直接通过牵引-控制变压器TCT送入电网使得S^-≤S_ε；

(5)当交流端口列车工况为牵引且直流端口列车工况亦为牵引时，若SOC≤TH₁且S^-≤S_ε，储能器待机；交流端口所需功率由电网通过牵引-控制变压器TCT提供，直流端口所需功率由电网通过第一变流器CON1、第二变流器CON2、第三变流器CON3提供，并且通过三个变流器的功率相等；若SOC≤TH₁且S^-＞S_ε，储能器待机；交流端口所需功率由电网通过牵引-控制变压器TCT提供，直流端口所需功率由电网通过第一变流器CON1、第二变流器CON2、第三变流器CON3提供，并且通过三个变流器的功率相等；第一变流器CON1在交流侧发出

的感性无功功率，第二变流器CON2在交流侧发出

的容性无功功率使得S^-≤S_ε；若SOC＞TH₁且S_E≥S_L1+S_L2，储能器通过第三变流器CON3提供交流端口全部所需功率的同时直接提供直流端口全部所需功率使得S^-＝0；若SOC＞TH₁且S_L1≤S_E＜S_L1+S_L2，储能器首先通过第三变流器CON3为交流端口提供全部所需功率，剩余功率提供给直流端口，直流端口剩余所需功率由电网通过第一变流器CON1、第二变流器CON2、第三变流器CON3提供，并且通过三个端口的功率相等使得S^-＝0；若SOC＞TH₁且S_E＜S_L1，储能器通过CON3给交流端口提供最大放电功率S_E，交流端口剩余所需功率由电网直接通过牵引-控制变压器TCT提供，直流端口所需功率由电网通过第一变流器CON1、第二变流器CON2、第三变流器CON3提供且通过每个变流器的功率相等使得S^-≤S_ε；

(6)当交流端口列车工况为牵引且直流端口列车工况为再生时，若S_L1＞S_L2且SOC≤TH₁，储能器待机；控制第三变流器CON3将全部直流再生功率提供给交流端口，此时若S^-≤S_ε，交流端口剩余所需功率由电网直接通过牵引-控制变压器TCT提供，若S^-＞S_ε，第一变流器CON1在交流侧发出

的感性无功功率，第二变流器CON2在交流侧发出

的容性无功功率使得S^-≤S_ε；若SOC＞TH₁且S_E＜S_L1-S_L2，控制第三变流器CON3将全部直流再生功率提供给交流端口，储能器通过第三变流器CON3给交流端口提供最大放电功率S_E，交流端口剩余所需功率由电网直接通过牵引-控制变压器TCT提供使得S^-≤S_ε；若SOC＞TH₁且S_E≥S_L1-S_L2，控制第三变流器CON3将全部直流再生功率提供给交流端口，交流端口剩余所需功率由储能器通过第三变流器CON3提供使得S^-＝0；当S_L1＝S_L2时，储能器待机；控制第三变流器CON3将全部直流再生功率提供给交流端口使得S^-＝0；当S_L1＜S_L2时，若SOC≥TH₂，储能器待机；控制第三变流器CON3将直流再生功率提供交流端口牵引功率，直流端口多余再生功率通过第一变流器CON1、第二变流器CON2、第三变流器CON3返给电网且通过每个变流器的功率相等；若SOC＜TH₂且S_E＜S_L2-S_L1，直流端口部分再生功率通过第三变流器CON3为交流端口提供全部牵引功率，储能器以最大充电功率S_E储存直流端口部分再生功率，直流端口多余再生功率通过第一变流器CON1、第二变流器CON2、第三变流器CON3返给电网且通过每个变流器的功率相等使得S^-＝0；若SOC＜TH₂且S_E≥S_L2-S_L1，控制第三变流器CON3将直流再生功率给交流端口提供交流牵引功率，直流端口多余再生功率由储能器储存使得S^-＝0；

(7)当交流端口列车工况为再生且直流端口列车工况为牵引时，若S_L1＜S_L2且SOC≤TH₁时，储能器待机；控制第三变流器CON3将全部交流再生功率提供给直流端口，直流端口剩余所需功率由电网通过第一变流器CON1、第二变流器CON2、第三变流器CON3提供且通过每个变流器的功率相等；若SOC＞TH₁且S_E＜S_L2-S_L1，控制第三变流器CON3将全部交流再生功率提供给直流端口，储能器给直流端口提供最大放电功率S_E，直流端口剩余所需功率由电网通过第一变流器CON1、第二变流器CON2、第三变流器CON3提供且通过每个变流器的功率相等使得S^-＝0；若SOC＞TH₁且S_E≥S_L2-S_L1，控制第三变流器CON3将全部交流再生功率提供给直流端口，储能器给直流端口提供全部所需再生功率使得S^-＝0；S_L1＝S_L2时，储能器待机；控制第三变流器CON3将全部交流再生功率提供给直流端口使得S^-＝0；S_L1＞S_L2时，若SOC≥TH₂，储能器待机；控制第三变流器CON3将部分交流再生功率提供给直流端口，若此时S^-≤S_ε，交流端口多余再生功率通过牵引-控制变压器TCT返给电网，若S^-＞S_ε，第一变流器CON1在交流侧发出

的容性无功功率，第二变流器CON2在交流侧发出

的感性无功功率使得S^-≤S_ε；若SOC＜TH₂且S_E＜S_L1-S_L2，控制第三变流器CON3将交流再生功率为直流端口提供所需牵引功率，储能器通过第三变流器CON3以最大充电功率S_E储存交流端口部分再生功率，交流端口多余再生功率通过牵引-控制变压器TCT返给电网使得S^-≤S_ε；若SOC＜TH₂且S_E≥S_L1-S_L2，部分交流再生功率通过第三变流器CON3给直流端口提供所需牵引功率，交流端口剩余再生功率由储能器通过第三变流器CON3储存使得S^-＝0；

(8)当交流端口列车工况为再生且直流端口列车工况亦为再生时，若SOC≥TH₂且S^-≤S_ε，储能器待机；交流端口全部再生功率通过牵引-控制变压器TCT返给电网，直流端口全部再生功率通过第一变流器CON1、第二变流器CON2、第三变流器CON3返给电网且通过三个变流器的功率相等；若SOC≥TH₂且S^-＞S_ε，储能器待机；交流端口全部再生功率通过牵引-控制变压器TCT返给电网，直流端口全部再生功率通过第一变流器CON1、第二变流器CON2、第三变流器CON3返给电网且通过三个变流器的功率相等；第一变流器CON1在交流侧发出

的容性无功功率，第二变流器CON2在交流侧发出

的感性无功功率使得S^-≤S_ε；若SOC＜TH₂且S_E≥S_L1+S_L2，交流端口全部再生功率通过第三变流器CON3提供给储能器储存且直流端口全部的再生功率由储能器储存使得S^-＝0；若SOC＜TH₂且S_L1≤S_E＜S_L1+S_L2，首先交流端口通过第三变流器CON3将全部再生功率提供给储能器储存，同时储能器也储存直流端口的部分再生功率，直流端口多余的再生功率通过第一变流器CON1、第二变流器CON2、第三变流器CON3返给电网，并且通过三个端口的功率相等使得S^-＝0；若SOC＜TH₂且S_E＜S_L1，储能器通过第三变流器CON3以最大充电功率S_E储存交流端口部分再生功率，交流端口多余再生功率通过牵引-控制变压器TCT返给电网，直流端口全部的再生功率通过第一变流器CON1、第二变流器CON2、第三变流器CON3返给电网且通过每个变流器的功率相等使得S^-≤S_ε。

Claims (8)

1.一种电气化铁路交直流储能供电系统，包括电网提供的三相高压母线HB、牵引-控制变压器TCT、储能系统ESS、测控装置MCS；牵引-控制变压器TCT的原边两绕组设有第一原边绕组AB和第二原边绕组BC，它们分别接入三相高压母线HB的两个不同线电压；牵引-控制变压器TCT的次边共有三组绕组，记为第一次边绕组ab、第二次边绕组a1b1和第三次边绕组b2c，其特征在于：第一次边绕组ab为交流牵引端口，第二次边绕组a1b1中的b1端子与第三次边绕组b2c中的b2端子相连接；第二次边绕组a1b1与第三次边绕组b2c的电压相等，第二次边绕组中的a1端子和第三次边绕组c端子构成第一变流端口，第三次边绕组b2c为第二变流端口，第二次边绕组a1b1为第三变流端口；储能系统ESS中，第一变流器CON1的交流侧与第一变流端口相连，第二变流器CON2的交流侧与第二变流端口相连，第三变流器CON3的交流侧与第三变流端口相连；第一变流器CON1、第二变流器CON2以及第三变流器CON3的直流侧相互并联且与储能器ESD并接；交流牵引端口的一端串接电流互感器CT后接入接触线T，另一端并接电压互感器PT后接入钢轨R；直流牵引端口的一端串接分流器RW后接入接触线T，另一端并接电压变送器VD后接入钢轨R；所述测控系统MCS中控制器CD的信号输入端分别与电压互感器PT、电压变送器VD、电流互感器CT、分流器RW和储能器状态监控器的信号输出端相连，控制器CD的信号输出端与储能系统ESS的控制端相连。

2.根据权利要求1所述的一种电气化铁路交直流储能供电系统，其特征在于：所述牵引-控制变压器TCT的ab端口为交流机车负荷提供功率，储能系统ESS中第一变流器CON1、第二变流器CON2、第三变流器CON3的直流侧与储能器ESD并接于直流牵引端口，为直流机车负荷提供所需功率的同时还储存多余的再生制动功率实现削峰填谷。

3.根据权利要求1所述的一种电气化铁路交直流储能供电系统，其特征在于：所述交流牵引供电系统中，若牵引网供电方式为直供方式或者带回流线的直供方式，所述交流牵引端口的一端接至接触线T，另一端接至钢轨R并接地；若牵引网供电方式为AT供电方式，所述交流牵引端口的一端接至接触线T，另一端接至负馈线F。

4.根据权利要求1所述的一种电气化铁路交直流储能供电系统，其特征在于：所述储能器中储能介质为化学储能和物理储能中的任一种。

5.根据权利要求1所述的一种电气化铁路交直流储能供电系统，其特征在于：所述储能器的最大充放电功率S_E的值大于等于交流端口牵引功率或再生功率S_L1的值与负序允许量S_ε的差，即：S_E≥S_L1-S_ε。

6.根据权利要求1所述的一种电气化铁路交直流储能供电系统，其特征在于：所述测控系统MCS由电压互感器PT、电压变送器VD、电流互感器CT、分流器RW、储能器状态监控器和控制器CD共同构成。

7.一种基于权利要求1所述的电气化铁路交直流储能供电系统的能量控制方法，其特征在于：所述直流端口的牵引功率或再生功率由电网通过第一变流器CON1、第二变流器CON2、第三变流器CON3提供或通过储能器提供，并且通过三个变流器的功率相等。

8.根据权利要求7所述的一种电气化铁路交直流储能供电系统的能量控制方法，具体步骤为：

步骤一、设定以使三相高压母线HB的负序功率小于负序允许量S_ε及列车再生功率利用率最高为目标对储能系统进行控制；

步骤二、设定储能器的放电下限TH₁和充电上限TH₂，利用测控系统MCS的控制器CD对电压互感器PT、电压变送器VD、电流互感器CT、分流器RW的电压、电流进行测量，并利用储能器状态监控器对其进行检测和计算，得到交流牵引功率或再生功率S_L1、三相高压母线HB的负序功率S^-、直流牵引功率或再生功率S_L2、交流侧功率因数

交直流端口机车工况、储能器荷电状态SOC来对储能系统进行控制，具体流程如下：

若交流端口牵引负荷功率因数

则直接开始以下运算；若

则通过第三变流器CON3将功率因数补偿到1，再开始以下运算：

(1)当仅直流端口存在列车且工况为牵引时，若SOC≤TH₁，储能器待机；电网通过第一变流器CON1、第二变流器CON2、第三变流器CON3提供直流端口全部所需直流牵引功率且三个变流器的功率相等；若SOC＞TH₁且S_E≥S_L2，储能器提供直流端口牵引功率使得S^-＝0；若SOC＞TH₁且S_E＜S_L2，储能器为直流端口提供最大放电功率S_E，由电网通过第一变流器CON1、第二变流器CON2、第三变流器CON3为直流端口提供剩余所需牵引功率，并且三个变流器的功率相等使得S^-＝0；

(2)当仅直流端口存在列车且工况为再生时，若SOC≥TH₂，储能器待机；再生功率通过第一变流器CON1、第二变流器CON2、第三变流器CON3送入电网且通过三个变流器的功率相等；若SOC＜TH₂且S_E≥S_L2，储能器储存直流端口再生功率使得S^-＝0；若SOC＜TH₂且S_E＜S_L2，储能器以最大充电功率S_E储存直流端口部分再生功率，剩下的再生功率通过第一变流器CON1、第二变流器CON2、第三变流器CON3送入电网，每个变流器通过的功率相等使得S^-＝0；

(3)当仅交流端口存在列车且工况为牵引时，若SOC≤TH₂且S^-≤S_ε，储能器和变流器待机；交流端口全部所需功率由电网通过牵引-控制变压器TCT提供；若SOC≤TH₁且S^-＞S_ε，储能器待机；交流端口全部所需功率由电网通过牵引-控制变压器TCT提供，第一变流器CON1在交流侧发出

的感性无功功率，第二变流器CON2在交流侧发出

的容性无功功率使得S^-≤S_ε；若SOC＞TH₁且S_E≥S_L1，储能器通过第三变流器CON3为交流端口提供交流牵引功率使得S^-＝0；若SOC＞TH₁且S_E＜S_L1，储能器通过第三变流器CON3为交流端口提供最大放电功率S_E，交流端口剩余所需功率由电网通过牵引-控制变压器TCT提供使得S^-≤S_ε；

(4)当仅交流端口存在列车且工况为再生时，若SOC≥TH₂且S^-≤S_ε，储能器和变流器待机，再生功率通过牵引-控制变压器TCT送入电网；若SOC≥TH₂且S^-＞S_ε，储能器待机；再生功率通过牵引-控制变压器TCT送入电网，第一变流器CON1在交流侧发出

的容性无功功率，第二变流器CON2在交流侧发出

的感性无功功率使得S^-≤S_ε；若SOC＜TH₂且S_E≥S_L1，控制CON3使再生功率流入储能器使得S^-＝0；若SOC＜TH₂且S_E＜S_L1，储能器通过第三变流器CON3以最大充电功率S_E储存交流端口部分再生功率，多余再生功率直接通过牵引-控制变压器TCT送入电网使得S^-≤S_ε；

(5)当交流端口列车工况为牵引且直流端口列车工况亦为牵引时，若SOC≤TH₁且S^-≤S_ε，储能器待机；交流端口所需功率由电网通过牵引-控制变压器TCT提供，直流端口所需功率由电网通过第一变流器CON1、第二变流器CON2、第三变流器CON3提供，并且通过三个变流器的功率相等；若SOC≤TH₁且S^-＞S_ε，储能器待机；交流端口所需功率由电网通过牵引-控制变压器TCT提供，直流端口所需功率由电网通过第一变流器CON1、第二变流器CON2、第三变流器CON3提供，并且通过三个变流器的功率相等；第一变流器CON1在交流侧发出

的感性无功功率，第二变流器CON2在交流侧发出

的容性无功功率使得S^-≤S_ε；若SOC＞TH₁且S_E≥S_L1+S_L2，储能器通过第三变流器CON3提供交流端口全部所需功率的同时直接提供直流端口全部所需功率使得S^-＝0；若SOC＞TH₁且S_L1≤S_E＜S_L1+S_L2，储能器首先通过第三变流器CON3为交流端口提供全部所需功率，剩余功率提供给直流端口，直流端口剩余所需功率由电网通过第一变流器CON1、第二变流器CON2、第三变流器CON3提供，并且通过三个端口的功率相等使得S^-＝0；若SOC＞TH₁且S_E＜S_L1，储能器通过CON3给交流端口提供最大放电功率S_E，交流端口剩余所需功率由电网直接通过牵引-控制变压器TCT提供，直流端口所需功率由电网通过第一变流器CON1、第二变流器CON2、第三变流器CON3提供且通过每个变流器的功率相等使得S^-≤S_ε；

(6)当交流端口列车工况为牵引且直流端口列车工况为再生时，若S_L1＞S_L2且SOC≤TH₁，储能器待机；控制第三变流器CON3将全部直流再生功率提供给交流端口，此时若S^-≤S_ε，交流端口剩余所需功率由电网直接通过牵引-控制变压器TCT提供，若S^-＞S_ε，第一变流器CON1在交流侧发出

的感性无功功率，第二变流器CON2在交流侧发出

的容性无功功率使得S^-≤S_ε；若SOC＞TH₁且S_E＜S_L1-S_L2，控制第三变流器CON3将全部直流再生功率提供给交流端口，储能器通过第三变流器CON3给交流端口提供最大放电功率S_E，交流端口剩余所需功率由电网直接通过牵引-控制变压器TCT提供使得S^-≤S_ε；若SOC＞TH₁且S_E≥S_L1-S_L2，控制第三变流器CON3将全部直流再生功率提供给交流端口，交流端口剩余所需功率由储能器通过第三变流器CON3提供使得S^-＝0；当S_L1＝S_L2时，储能器待机；控制第三变流器CON3将全部直流再生功率提供给交流端口使得S^-＝0；当S_L1＜S_L2时，若SOC≥TH₂，储能器待机；控制第三变流器CON3将直流再生功率提供交流端口牵引功率，直流端口多余再生功率通过第一变流器CON1、第二变流器CON2、第三变流器CON3返给电网且通过每个变流器的功率相等；若SOC＜TH₂且S_E＜S_L2-S_L1，直流端口部分再生功率通过第三变流器CON3为交流端口提供全部牵引功率，储能器以最大充电功率S_E储存直流端口部分再生功率，直流端口多余再生功率通过第一变流器CON1、第二变流器CON2、第三变流器CON3返给电网且通过每个变流器的功率相等使得S^-＝0；若SOC＜TH₂且S_E≥S_L2-S_L1，控制第三变流器CON3将直流再生功率给交流端口提供交流牵引功率，直流端口多余再生功率由储能器储存使得S^-＝0；

(7)当交流端口列车工况为再生且直流端口列车工况为牵引时，若S_L1＜S_L2且SOC≤TH₁时，储能器待机；控制第三变流器CON3将全部交流再生功率提供给直流端口，直流端口剩余所需功率由电网通过第一变流器CON1、第二变流器CON2、第三变流器CON3提供且通过每个变流器的功率相等；若SOC＞TH₁且S_E＜S_L2-S_L1，控制第三变流器CON3将全部交流再生功率提供给直流端口，储能器给直流端口提供最大放电功率S_E，直流端口剩余所需功率由电网通过第一变流器CON1、第二变流器CON2、第三变流器CON3提供且通过每个变流器的功率相等使得S^-＝0；若SOC＞TH₁且S_E≥S_L2-S_L1，控制第三变流器CON3将全部交流再生功率提供给直流端口，储能器给直流端口提供全部所需再生功率使得S^-＝0；S_L1＝S_L2时，储能器待机；控制第三变流器CON3将全部交流再生功率提供给直流端口使得S^-＝0；S_L1＞S_L2时，若SOC≥TH₂，储能器待机；控制第三变流器CON3将部分交流再生功率提供给直流端口，若此时S^-≤S_ε，交流端口多余再生功率通过牵引-控制变压器TCT返给电网，若S^-＞S_ε，第一变流器CON1在交流侧发出

的容性无功功率，第二变流器CON2在交流侧发出

的感性无功功率使得S^-≤S_ε；若SOC＜TH₂且S_E＜S_L1-S_L2，控制第三变流器CON3将交流再生功率为直流端口提供所需牵引功率，储能器通过第三变流器CON3以最大充电功率S_E储存交流端口部分再生功率，交流端口多余再生功率通过牵引-控制变压器TCT返给电网使得S^-≤S_ε；若SOC＜TH₂且S_E≥S_L1-S_L2，部分交流再生功率通过第三变流器CON3给直流端口提供所需牵引功率，交流端口剩余再生功率由储能器通过第三变流器CON3储存使得S^-＝0；

(8)当交流端口列车工况为再生且直流端口列车工况亦为再生时，若SOC≥TH₂且S^-≤S_ε，储能器待机；交流端口全部再生功率通过牵引-控制变压器TCT返给电网，直流端口全部再生功率通过第一变流器CON1、第二变流器CON2、第三变流器CON3返给电网且通过三个变流器的功率相等；若SOC≥TH₂且S^-＞S_ε，储能器待机；交流端口全部再生功率通过牵引-控制变压器TCT返给电网，直流端口全部再生功率通过第一变流器CON1、第二变流器CON2、第三变流器CON3返给电网且通过三个变流器的功率相等；第一变流器CON1在交流侧发出

的容性无功功率，第二变流器CON2在交流侧发出

的感性无功功率使得S^-≤S_ε；若SOC＜TH₂且S_E≥S_L1+S_L2，交流端口全部再生功率通过第三变流器CON3提供给储能器储存且直流端口全部的再生功率由储能器储存使得S^-＝0；若SOC＜TH₂且S_L1≤S_E＜S_L1+S_L2，首先交流端口通过第三变流器CON3将全部再生功率提供给储能器储存，同时储能器也储存直流端口的部分再生功率，直流端口多余的再生功率通过第一变流器CON1、第二变流器CON2、第三变流器CON3返给电网，并且通过三个端口的功率相等使得S^-＝0；若SOC＜TH₂且S_E＜S_L1，储能器通过第三变流器CON3以最大充电功率S_E储存交流端口部分再生功率，交流端口多余再生功率通过牵引-控制变压器TCT返给电网，直流端口全部的再生功率通过第一变流器CON1、第二变流器CON2、第三变流器CON3返给电网且通过每个变流器的功率相等使得S^-≤S_ε。

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