CN116388143A - 基于能量路由器的柔性直流牵引供电系统及其控制架构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于能量路由器的柔性直流牵引供电系统及其控制架构，属于直流牵引供电系统领域，柔性直流牵引供电系统包括多个牵引所、与多个牵引所连接的外电源，机车通过接触网与牵引所连接，牵引所包括多个能量路由器，能量路由器包括至少三个端口，第一端口通过牵引所交流母线与外电源连接，第二端口通过牵引母线与接触网连接，其余端口与光伏、风电、储能、直流负载、交流负载中的一项或多项连接。本发明的方案克服既有的采用二极管整流机组作为核心供电设备的直流牵引供电系统和既有的基于能量路由器的直流牵引供电系统在系统结构设计方面的不足，提供一种相应的协同控制技术方案。
Description
技术领域
本发明涉及直流牵引供电系统技术领域，特别涉及一种基于能量路由器的柔性直流牵引供电系统及其控制架构。
背景技术
传统直流牵引供电系统以二极管整流机组为核心供电装备的供电系统，但是随着城市轨道交通的迅速发展，牵引供电系统的发展面临着新的挑战。随着地铁、轻轨等城市轨道交通运载能力和里程的迅速增长，其对直流牵引供电系统的供电容量和供电距离随之提升。直流牵引供电系统对外部电源的供电能力提出了更高的要求，对外部电网建设的经济性造成了严重的影响。同时，直流牵引供电的能耗越来越大，为响应“绿色发展”理念亟需提高能量利用率。为了克服传统直流牵引供电系统的不足，需要调控直流牵引供电系统内的潮流分布，优化电压、能量分布。而二极管整流机组缺乏可控性，导致系统内的潮流分布无法被控。因此有必要研究可控性强的柔性直流牵引供电系统。柔性直流牵引供电方案，以可控性强的变流器作为供电主设备，去掉不可控的二极管整流机组，以降低直流牵引供电系统的外电源需求，提高机车再生制动能量利用率，治理交直流系统的电能质量，给牵引供电系统带来很多优点。
目前与柔性直流牵引供电方案相关的研究成果，主要集中于基于双向变流器的柔性直流牵引供电系统方案。传统双向变流器只能连接电网侧和牵引网侧，而多端口能量路由器可以连接外电源、牵引网，并综合接入了光伏、储能和动力照明负载。基于能量路由器的柔性直流牵引供电系统方案，将双向变流器替换为多端口能量路由器，在基于双向变流器的柔性直流牵引供电系统的基础上进一步提升系统可靠性、经济性、节能效益，更便于接入、消纳新能源，优化牵引所能耗，降低供电设备体积。
相关文献中虽然在直流牵引供电系统内引入了能量路由器，便于接入可再生能源、储能等新型设备，但是仍然保留了二极管整流机组作为供电的核心设备。由于二极管整流机组的工作特性为一条固定的伏安特性曲线，其工作点不具备可控性，因此，整个系统的潮流难以灵活调控。若依赖储能装置的频繁充放电来调控系统潮流，会降低储能装置的寿命，导致很高的经济成本。由于系统潮流的调节能力不够强，这一类技术的经济节能效益受限。这类技术仍然需要根据二极管不可控整流机组的固有特性设计外电源配置方案，导致外电源建设成本难以降低；且系统内的机车再生能量、可再生能源出力无法得到经济、高效地消纳。
相关文献中采用能量路由器替代了既有的牵引所变压器和二极管整流机组，其电力电子拓扑包括高压变换模块、中压变压器模块和低压变换模块，设备造价高。如果在牵引所内部保留变压器，只用能量路由器替代二极管整流机组，则可以大大降低能量路由器的复杂度和系统成本，但是设计结果需要太多从高压变低压的能量路由器，系统造价过高。
发明内容
本发明提供一种基于能量路由器的柔性直流牵引供电系统及其控制架构，克服了既有的采用二极管整流机组作为核心供电设备的直流牵引供电系统和既有的基于能量路由器的直流牵引供电系统在系统结构设计方面的不足，并提供了相应的协同控制技术方案。
本发明第一方面实施例提供一种基于能量路由器的柔性直流牵引供电系统，所述柔性直流牵引供电系统包括多个牵引所、与所述多个牵引所连接的外电源，机车通过接触网与所述牵引所连接，所述牵引所包括多个能量路由器，所述能量路由器包括至少三个端口，第一端口通过牵引所交流母线与所述外电源连接，第二端口通过牵引母线与所述接触网连接，其余端口与光伏、风电、储能、直流负载、交流负载中的一项或多项连接。
可选地，在本发明的一个实施例中，所述能量路由器内部包括多个分立的独立变流器，所述能量路由器包括分散式结构和集中式结构，所述分散式结构的能量路由器的变流器之间不共用电力电子器件或桥臂，所述集中式结构的能量路由器的变流器各个端口所对应的能量转换过程共用相同的电力电子器件或桥臂。
可选地，在本发明的一个实施例中，在所述牵引所交流母线与所述能量路由器件构成两个向交流负载的通路，以仅通过能量路由器向交流负载供电或仅通过牵引所交流母线向交流负载供电。
本发明第二方面实施例提供一种基于能量路由器的柔性直流牵引供电系统的控制架构，包括：系统级协同控制层、牵引所级协同控制层和端口级协同控制层；
其中，所述系统级协同控制层与所述牵引所级协同控制层连接，用于从所述牵引所级协同控制层获取量测信息，将生成的控制指令发送至所述牵引所级协同控制层；
所述牵引所级协同控制层与所述端口级协同控制层连接，用于从所述端口级协同控制层获取量测信息，并将生成的控制指令发送至所述端口级协同控制层；
所述端口级协同控制层与能量路由器连接，用于从所述能量路由器获取量测信息，并将生成的控制指令发送至所述能量路由器。
可选地，在本发明的一个实施例中，所述端口级协同控制层直接控制所述能量路由器的多个端口，对于与直流负载和交流负载连接的能量路由器端口进行恒电压控制；
在正常运行情况下，对于与光伏、风电、连接的能量路由器端口进行最大功率点跟踪控制；
在正常运行情况下，对于与牵引母线连接的能量路由器端口进行定电压控制，电压参考指令由所述牵引所级协同控制层提供，在所述能量路由器的功率与最大容量的差小于预设阈值时，所述能量路由器按照恒定功率进行控制；
在正常运行情况下，对于与外电源连接的能量路由器端口，按照定交流电压定无功功率进行控制；
对于与储能连接的能量路由器端口，按照定功率控制调控储能装置的输出功率，功率参考指令由所述牵引所级协同控制层提供。
可选地，在本发明的一个实施例中，所述系统级协同控制层进一步用于在柔性直流牵引供电系统层面进行能量管理和运行优化，调控各个牵引所的电压和功率，进而调控柔性直流牵引供电系统的潮流分布。
可选地，在本发明的一个实施例中，所述系统级协同控制层的控制指令包括牵引网侧的直流电压参考指令，储能的功率参考指令和外电源侧的无功功率参考指令，在牵引所内的能量路由器数目大于1时，将所述牵引所级协同控制层作为中间控制层，以使同一牵引所内的能量路由器运行在相同的工作点上。
本发明实施例的基于能量路由器的柔性直流牵引供电系统及其控制架构，具有以下有益效果：
相比于既有的采用二极管整流机组作为核心供电设备的直流牵引供电系统，本发明的方案能更加灵活、经济地调控系统潮流，优化牵引供电系统的经济节能效益，降低对外电源的建设需求。
相比于既有的基于双向变流器的柔性直流牵引供电系统，能量路由器更便于接入新能源和储能，便于为车站的直流负载提供电源，可以节省冗余器件，优化电力电子装置的控制效果，降低设备体积，降低能耗。
相比于既有的基于能量路由器的直流牵引供电系统，保留了变压器结构，从而降低了单个能量路由器的复杂度和设备造价；优化了牵引所的结构设计，避免牵引所内能量路由器数量过多。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明实施例提供的一种基于能量路由器的柔性直流牵引供电系统结构示意图；
图2为根据本发明实施例提供的一种基于能量路由器的柔性直流牵引供电系统的控制架构示意图。
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，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
图1为根据本发明实施例提供的一种基于能量路由器的柔性直流牵引供电系统结构示意图。
如图1所示，该基于能量路由器的柔性直流牵引供电系统包括多个牵引所100、与多个牵引所100连接的外电源200，机车300通过接触网与牵引所100连接。
牵引所100包括多个能量路由器101，能量路由器101包括至少三个端口，第一端口通过牵引所交流母线与外电源200连接，第二端口通过牵引母线与接触网连接，其余端口与光伏、风电、储能、直流负载、交流负载中的一项或多项连接。
牵引供电系统内有若干个牵引所100。机车由接触网或者第三轨供电，接触网或者第三轨与牵引所100内的牵引母线连接。牵引母线、接触网、第三轨的电压等级包括但不限于750V、1500V和3000V。每个牵引所100内有若干个牵引所交流母线，设第i个牵引所的牵引所交流母线个数为X i（牵引所交流母线个数包括但不限于2个，图1中X i=2）。牵引所交流母线连接外电源和牵引所，其电压等级包括但不限于35kV、10kV。
每个牵引所交流母线连接1台能量路由器101。能量路由器101至少有1个连接牵引所交流母线的端口和1个连接牵引母线的端口，还可以有连接光伏、风电、储能、直流负载、交流负载的端口。其中，不同储能、直流负载、交流负载的电压等级可能不同。为了适应不同电压等级的储能、直流负载、交流负载接入。能量路由器101连接储能、直流负载、交流负载的端口可以多于1个。
能量路由器101内部包括多个分立的独立变流器，能量路由器101包括分散式结构和集中式结构，分散式结构的能量路由器的变流器之间不共用电力电子器件或桥臂，集中式结构的能量路由器的变流器各个端口所对应的能量转换过程共用相同的电力电子器件或桥臂。能量路由器的设计可以采用图1中的分散式结构，即多个变流器分散设计、独立运行，也可以采用集中式结构，多个端口集成设计、共用电力电子器件。集中式结构的能量路由器可以减少器件冗余，进一步综合优化装置损耗和体积。
传统直流牵引供电系统内，牵引所内的交流负载由牵引所交流母线供电。在本技术方案中，交流负载的供电通路可以有不同选择：用牵引所交流母线和能量路由器构成两个向交流负载供电的通路，仅依赖能量路由器向交流负载供电，仅依赖牵引所交流母线向交流负载供电。如果用牵引所交流母线向交流负载供电，若外电源发生故障，需要较长的时间才能恢复供电。但是如果用牵引所交流母线和能量路由器构成两个向交流负载供电的通路，两个通路可以互为备用，提升向交流负载供电的可靠性。
本发明实施例的基于能量路由器的柔性直流牵引供电系统，能更加灵活、经济地调控系统潮流，优化牵引供电系统的经济节能效益，降低对外电源的建设需求。能量路由器更便于接入新能源和储能，便于为车站的直流负载提供电源，可以节省冗余器件，优化电力电子装置的控制效果，降低设备体积，降低能耗。基于能量路由器的直流牵引供电系统，保留了变压器结构，从而降低了单个能量路由器的复杂度和设备造价；优化了牵引所的结构设计，避免牵引所内能量路由器数量过多。
其次参照附图描述根据本发明实施例提出的基于能量路由器的柔性直流牵引供电系统的控制架构。
图2为根据本发明实施例提供的一种基于能量路由器的柔性直流牵引供电系统的控制架构示意图。
如图2所示，该基于能量路由器的柔性直流牵引供电系统的控制架构包括：系统级协同控制层、牵引所级协同控制层和端口级协同控制层。
其中，系统级协同控制层与牵引所级协同控制层连接，用于从牵引所级协同控制层获取量测信息，将生成的控制指令发送至牵引所级协同控制层；牵引所级协同控制层与端口级协同控制层连接，用于从端口级协同控制层获取量测信息，并将生成的控制指令发送至端口级协同控制层；端口级协同控制层与能量路由器连接，用于从能量路由器获取量测信息，并将生成的控制指令发送至能量路由器。
系统级协同控制需要的量测信息由下层的牵引所级协同控制提供，向下层的牵引所级协同控制发送控制指令。牵引所级协同控制需要的量测信息由下层的端口级协同控制提供，向下层的端口级协同控制发送控制指令。端口级协同控制需要的量测信息为能量路由器及相关设备的实时量测信息，并向能量路由器发送控制指令。
可选地，在本发明的一个实施例中，端口级协同控制层直接控制能量路由器的多个端口，对于与直流负载和交流负载连接的能量路由器端口进行恒电压控制；
在正常运行情况下，对于与光伏、风电、连接的能量路由器端口进行最大功率点跟踪控制；
在正常运行情况下，对于与牵引母线连接的能量路由器端口进行定电压控制，电压参考指令由牵引所级协同控制层提供，在能量路由器的功率与最大容量的差小于预设阈值时，能量路由器按照恒定功率进行控制；
在正常运行情况下，对于与外电源连接的能量路由器端口，按照定交流电压定无功功率进行控制；
对于与储能连接的能量路由器端口，按照定功率控制调控储能装置的输出功率，功率参考指令由牵引所级协同控制层提供。
具体而言，端口级协同控制直接控制多端口能量路由器的各个端口。对于向车站内、牵引所内的直流负载、交流负载供电的端口，在正常运行情况下，端口进行恒电压控制，确保直流负载、交流负载的电压平稳，能量需求得到满足；在紧急或故障运行情况下，部分端口可以闭锁并断开断路器，切除3级负荷。对于与光伏、风电连接的端口，在正常运行情况下，进行MPPT控制，确保光伏、风电能够尽可能最大化功率输出；在紧急或故障运行情况下，部分端口可以弃风弃光，从而保证系统的安全可靠运行。对于与牵引网连接的端口，在正常运行情况下，能量路由器按照定电压进行控制，电压参考指令由牵引所级协同控制提供；当能量路由器的功率接近或等于最大容量时，能量路由器按照恒定功率进行控制，确保能量路由器不违反容量限幅。对于与外电源连接的端口，在正常运行情况下，能量路由器按照定交流电压定无功功率进行控制，其中无功功率的指令可以简单控制为0，也可以接受牵引所级协同控制的控制指令来优化交流网络的电压-无功问题。对于与储能连接的端口，按照定功率控制调控储能装置的输出功率，功率参考指令由牵引所级协同控制提供。
顶层为系统级协同控制。该层在整个牵引供电系统层面进行能量管理和运行优化，调控各个牵引所的电压和功率，进而调控整个系统的潮流分布。系统级协同控制可以采用基于最优化的方式求解系统状态变量的最优控制决策，实现全系统的最优控制。系统级协同控制也可以采用简化的控制方法来降低控制的实现难度，如采用下垂控制、主从控制等。
系统级协同控制的输出控制指令为各个牵引所的指令，指令包括牵引网侧的直流电压参考指令，储能的功率参考指令和外电源侧的无功功率参考指令。而一个牵引所内有若干台能量路由器，当牵引所内的能量路由器数目大于一时，需要牵引所级协同控制作为承上启下的中间控制层。牵引所级协同控制的控制目的是保证同一牵引所内的能量路由器运行在相同的工作点上，即保证同一牵引所内的多台能量路由器具有相同的能量流动关系和输出电压。
需要说明的是，前述对基于能量路由器的柔性直流牵引供电系统实施例的解释说明也适用于该实施例的基于能量路由器的柔性直流牵引供电系统的控制架构，此处不再赘述。
根据本发明实施例提出的基于能量路由器的柔性直流牵引供电系统的控制架构，提供了三级协同控制架构，实现全系统的最优控制。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、 “示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或N个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“N个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
Claims (7)
1.一种基于能量路由器的柔性直流牵引供电系统，所述柔性直流牵引供电系统包括多个牵引所、与所述多个牵引所连接的外电源，机车通过接触网与所述牵引所连接，其特征在于，
所述牵引所包括多个能量路由器，所述能量路由器包括至少三个端口，第一端口通过牵引所交流母线与所述外电源连接，第二端口通过牵引母线与所述接触网连接，其余端口与光伏、风电、储能、直流负载、交流负载中的一项或多项连接。
2.根据权利要求1所述的基于能量路由器的柔性直流牵引供电系统，其特征在于，所述能量路由器内部包括多个分立的独立变流器，所述能量路由器包括分散式结构和集中式结构，所述分散式结构的能量路由器的变流器之间不共用电力电子器件或桥臂，所述集中式结构的能量路由器的变流器各个端口所对应的能量转换过程共用相同的电力电子器件或桥臂。
3.根据权利要求1所述的基于能量路由器的柔性直流牵引供电系统，其特征在于，在所述牵引所交流母线与所述能量路由器件构成两个向交流负载的通路，以仅通过能量路由器向交流负载供电或仅通过牵引所交流母线向交流负载供电。
4.一种基于能量路由器的柔性直流牵引供电系统的控制架构，其特征在于，包括：系统级协同控制层、牵引所级协同控制层和端口级协同控制层；
其中，所述系统级协同控制层与所述牵引所级协同控制层连接，用于从所述牵引所级协同控制层获取量测信息，将生成的控制指令发送至所述牵引所级协同控制层；
所述牵引所级协同控制层与所述端口级协同控制层连接，用于从所述端口级协同控制层获取量测信息，并将生成的控制指令发送至所述端口级协同控制层；
所述端口级协同控制层与能量路由器连接，用于从所述能量路由器获取量测信息，并将生成的控制指令发送至所述能量路由器。
5.根据权利要求4所述的基于能量路由器的柔性直流牵引供电系统的控制架构，其特征在于，所述端口级协同控制层直接控制所述能量路由器的多个端口，对于与直流负载和交流负载连接的能量路由器端口进行恒电压控制；
在正常运行情况下，对于与光伏、风电、连接的能量路由器端口进行最大功率点跟踪控制；
在正常运行情况下，对于与牵引母线连接的能量路由器端口进行定电压控制，电压参考指令由所述牵引所级协同控制层提供，在所述能量路由器的功率与最大容量的差小于预设阈值时，所述能量路由器按照恒定功率进行控制；
在正常运行情况下，对于与外电源连接的能量路由器端口，按照定交流电压定无功功率进行控制；
对于与储能连接的能量路由器端口，按照定功率控制调控储能装置的输出功率，功率参考指令由所述牵引所级协同控制层提供。
6.根据权利要求4所述的基于能量路由器的柔性直流牵引供电系统的控制架构，其特征在于，所述系统级协同控制层进一步用于在柔性直流牵引供电系统层面进行能量管理和运行优化，调控各个牵引所的电压和功率，进而调控柔性直流牵引供电系统的潮流分布。
7.根据权利要求4所述的基于能量路由器的柔性直流牵引供电系统的控制架构，其特征在于，所述系统级协同控制层的控制指令包括牵引网侧的直流电压参考指令，储能的功率参考指令和外电源侧的无功功率参考指令，在牵引所内的能量路由器数目大于1时，将所述牵引所级协同控制层作为中间控制层，以使同一牵引所内的能量路由器运行在相同的工作点上。
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- 2023-06-06 CN CN202310660727.1A patent/CN116388143B/zh active Active
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