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CN115173397A - 一种铁路能量路由器电路拓扑及供电系统、控制方法 - Google Patents

一种铁路能量路由器电路拓扑及供电系统、控制方法 Download PDF

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CN115173397A
CN115173397A CN202210680751.7A CN202210680751A CN115173397A CN 115173397 A CN115173397 A CN 115173397A CN 202210680751 A CN202210680751 A CN 202210680751A CN 115173397 A CN115173397 A CN 115173397A
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train
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陈江
肖扬
陈林
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汪科
徐丽丽
郑勇
杨成
刘凯
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Abstract

本技术属于轨道交通牵引供电技术领域，公开了一种铁路能量路由器电路拓扑及供电系统、控制方法。系统包括柔性供电变流器单元，向中性区内的列车实行柔性供电；新能源接入单元，将新能源电能传递至直流母线；储能单元，接入直流母线实现与其它各单元之间的能量交互；交直交双向变流器单元，用于供电臂之间的无功补偿、能量融通以及与柔性供电变流器单元、储能单元和新能源之间的能量交互；控制保护系统，根据供电臂、中性区的电压和电流以及机车位置，控制相应单元的工作状态。本发明实现了牵引供电系统的电能质量治理、列车柔性过分相、新能源就地消纳、再生制动能量利用、功率“削峰填谷”，全面解决了电气化铁路牵引供电系统存在的各种问题。

Description

一种铁路能量路由器电路拓扑及供电系统、控制方法
技术领域
本技术属于轨道交通牵引供电技术领域，特别涉及一种铁路能量路由器电路拓扑及供电系统、控制方法。
背景技术
电气化铁路采用单相、工频、交流供电制式，主要由牵引变电所和接触网构成，如图1所示。公用电网三相110kV或220kV电源通过牵引变压器将转化为两相25kV电源分别给供电臂a和供电臂b供电，该传统供电方式结构简单、可靠，但是存在以下问题：
1）供电臂a和供电臂b的接触网电压相位、幅值不相同，因此两相之间必须设置电分相，列车需断电通过电分相，存在牵引力和速度损失，影响列车运营效率和安全。
2）列车为非线性负荷，存在功率因数低、谐波畸变、电压波动等电能质量问题，且供电臂a和供电臂b的负荷通常均不相等，造成公用电网三相不平衡问题严重。
3）列车是移动性、间隙性负荷，供电臂负荷波动大、冲击性大，对电网造成不利影响。
4）列车再生制动能量在同一供电臂其它列车吸收利用率低，大部分反馈至牵引网，不仅对电网造成污染而且铁路自身没有产生经济效益。
5）铁路沿线的光伏、风电等新能源资源丰富，然而目前没有对铁路沿线的新能源资源与铁路牵引用电结合起来进行有效开发利用。
上述单个问题，现有技术中有以下相应的解决措施。如为解决电能质量问题和电分相问题，现有技术提出了一种同相供电系统，可以取消变电所的电分相，使机车在运行过程中获得的电压相位和幅值保持连续而不会发生突变，过分相不需要断电。该系统牵引网的电源主要由牵引变压器直供回路提供，补偿回路通过变流器将异相电源变换为与直供回路电压相位和幅值完全相同的电源，从而实现同相供电。该变流器补偿回路主要实现负序治理，牵引网的电源主要由直供回路提供，其电压幅值是固定、不可控的。另外还有一种全功率型的贯通式同相供电装置，该系统进线电源全部经过AC-DC-AC变换器后向牵引网提供电源，该方式可以实现电压相位和幅值调节，但是全功率型贯通式同相供电的投资成本高、损耗偏大。
同时，现有技术还有采用RPC+储能方式，实现电能质量治理和再生制动能量利用；研究采用基于电力电子开关地面自动过分相和柔性地面自动过分相技术来实现列车带电过分相，解决了铁路电分相问题。
然而，上述各种技术都只能同时解决电气化铁路牵引供电系统中存在的一个或两个问题，还没有对上述各种问题的全面、系统性解决方案。
发明内容
针对上述电气化铁路传统交流牵引供电系统存在电能质量、电分相、新能源利用与再生制动能量利用等问题，而目前没有系统的解决方案的现状，本发明提供一种铁路能量路由器电路拓扑及供电系统，所述系统能够实现储能设备接入提高再生制动能量利用及功率“削峰填谷”，同时解决了电能质量问题和电分相问题。具体技术方案如下：
一种铁路能量路由器电路拓扑及供电系统，包括控制保护系统以及共用直流母线的交直交双向变流器单元、柔性供电变流器单元、新能源接入单元、储能单元；所述交直交双向变流器单元用于供电臂的无功补偿、两个供电臂之间的能量融通以及与柔性供电变流器单元、储能单元和新能源接入单元之间的能量交互；所述柔性供电变流器单元向电分相的中性区内的列车实行柔性供电；所述新能源接入单元将新能源电能传递至直流母线；所述储能单元用于与其它各单元之间进行能量交互；所述控制保护系统根据供电臂、中性区的电压和电流以及机车位置，控制相应单元的工作状态。
优选地，所述交直交双向变流器单元包括两个降压变压器和一个交直交双向变流器；所述交直交双向变流器为两个交直变流器通过共用直流侧而形成的背靠背结构，两个交直变流器的交流侧通过降压变压器分别接入两个供电臂。
优选地，所述柔性供电变流器单元包括柔性供电变流器和升压变压器；所述柔性供电变流器与所述交直交双向变流器共用直流母线，柔性供电变流器的交流侧通过升压变压器接入中性区。
优选地，所述新能源接入单元包括接入变流器以及新能源；所述新能源通过接入变流器与直流母线连接。
优选地，所述储能单元包括储能介质和DC/DC变流器；所述储能介质通过DC/DC变流器与直流母线连接。
优选地，所述控制保护系统包括总控制器和从控制器；所述总控制器包括信息采集单元和控制保护单元；所述总控制器通过所述信息采集单元采集供电臂、中性区的电压和电流以及电分相区段列车位置信息，并根据采集信息，通过所述控制保护单元控制从控制器从而实时控制各变流器的工作状态，并实现相应的器件保护。
优选地，所述从控制器包括第一从控制器、第二从控制器、第三从控制器、第四从控制器，分别用于控制交直交双向变流器、柔性供电变流器、DC/DC变流器以及接入变流器。
本发明的另一目的在于提供一种铁路能量路由器电路拓扑及供电系统的控制方法，应用了上述铁路能量路由器电路拓扑及供电系统；所述控制方法包括：
S1.柔性供电控制：当无列车通过电分相的中性区时，控制柔性供电变流器单元处于待机状态使其无电压输出；当有列车即将通过电分相的中性区时，通过柔性供电变流器输出交流电经升压变压器升压后输出电压至中性区给列车供电，并不断调整所述输出电压的相位、幅值；
S2.储能控制：当两供电臂功率、新能源发电功率和柔性供电功率之和小于0时，控制储能单元吸收能量进行存储；当两供电臂功率、新能源发电功率和柔性供电功率之和大于0，且任一供电臂的功率大于设定的峰值时，控制储能单元释放能量，进行削峰填谷。
优选地，所述输出电压的相位、幅值的调整方法包括：当列车即将通过电分相的中性区时，控制柔性供电变流器单元启动，其输出电压的相位、幅值与起始供电臂电压的相位、幅值完全一致，列车带电驶入中性区；当列车完全驶入中性区位置时，控制柔性供电变流器单元以终点供电臂的电压为目标逐渐调整输出电压的幅值、相位，从而使列车驶出中性区之前，输出至中性区电压与终点供电臂电压的相位、幅值完全相等，列车带电驶入终点供电臂。
优选地，所述以终点供电臂的电压为目标逐渐调整输出电压的幅值、相位的方法包括：在t0时刻开始调节，此时令Ud0=Ua；柔性供电变流器单元输出电压在n个周期T内由Ua调节至Ub， 每个周期的调节量为△u，在第n个周期T 时，Udn=Ua+n△u=Ub；
其中，t0为列车完全驶入中性区的时刻，tn为列车驶出中性区前的时刻；Ud0、Udn分别为t0、tn时柔性供电变流器单元的输出电压，Ua、Ub分别为起始供电臂、终点供电臂的电压，△u为列车运行1个周期T内的相位和幅值差。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明铁路能量路由器电路拓扑及供电系统可以实现牵引供电系统的电能质量治理、列车柔性过分相、新能源就地消纳、再生制动能量利用、功率“削峰填谷”等功能，全面解决了电气化铁路牵引供电系统存在的各种问题。各单元之间共直流母线，能量相互耦合，提高了电能的利用率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。
图1为现有技术电气化铁路牵引供电示意图。
图2为实施例1铁路能量路由器电路拓扑及供电系统结构原理示意图。
图3为实施例1两电平交直交变流器拓扑结构示意图。
图4为实施例1控制保护系统结构示意图。
图5为实施例1柔性供电变流器单元电压输出相量图。
图6为实施例1储能单元运行区间划分示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图2所示，本实施例提供一种铁路能量路由器电路拓扑及供电系统，包括控制保护系统以及交直交双向变流器单元、柔性供电变流器单元、新能源接入单元、储能单元。交直交双向变流器单元用于供电臂之间的无功补偿、能量融通以及与柔性供电变流器单元、储能单元和新能源之间的能量交互；柔性供电变流器单元向电分相的中性区内的列车实行柔性供电；新能源接入单元将新能源电能传递至直流母线；储能单元接入直流母线实现与其它各单元之间的能量交互，实现能量存储再利用、削峰填谷功能；各单元共用直流母线；控制保护系统根据供电臂、中性区的电压和电流以及机车位置，控制相应单元的工作状态。
作为一种较佳的实施方式，交直交双向变流器单元包括降压变压器T1、降压变压器T2和一个交直交双向变流器。如图3所示，交直交双向变流器由网侧变流器U1和网侧变流器U2通过共用直流侧而形成的背靠背结构。交直交双向变流器为两电平结构，可以理解的是，也可以为三电平结构。交直交双向变流器的组成器件包括IGBT、IEGT、IGCT的一种或多种。
网侧变流器U1和网侧变流器U1为交直变流器，网侧变流器U1的交流侧通过降压变压器T1、开关Ka接入供电臂a，网侧变流器U2的交流侧通过降压变压器T2、开关Kb接入供电臂b。
柔性供电变流器单元包括柔性供电变流器U3和升压变压器T3；柔性供电变流器U3为逆变器；柔性供电变流器U3的直流侧与直流母线L连接，其交流侧通过升压变压器T3、开关Kd接入中性区。
新能源接入单元包括接入变流器U5以及新能源；新能源通过接入变流器U5与直流母线连接。本实施例中，新能源为光伏发电和/或风电发电。接入变流器为DC/DC变流器和/或AC/DC变流器。
储能单元包括储能介质和DC/DC变流器U4；储能介质通过DC/DC变流器U4与直流母线L连接。储能介质可以为锂电池、超级电容、飞轮等储能设备的一种或多种。
如图4所示，控制保护系统包括总控制器和从控制器。总控制器包括信息采集单元和控制保护单元，信息采集单元采集的信息包括供电臂a、供电臂b、中性区的电压信号PTa、PTb、PTd，供电臂a、供电臂b的电流信号CTa、CTb，直流母线电压信号Udc，列车即将驶入、完全驶入、驶离中性区的位置信息PS1、PS2、PS3。总控制器通过从控制器向相应的变流器单元发出控制指令以实时控制各变流器的工作状态，并进行相应的器件保护。具体地，从控制器包括第一从控制器、第二从控制器、第三从控制器、第四从控制器，分别用于控制交直交双向变流器的网侧变流器U1和网侧变流器U2、柔性供电变流器U3、DC/DC变流器U4、接入变流器U5。
本实施例的铁路能量路由器电路拓扑及供电系统能实现电能治理、中性区柔性供电、新能源接入以及储能功能，具体工作原理如下。
（1）电能治理功能
一方面网侧变流器U1和网侧变流器U2可以分别对供电臂a和供电臂b的无功功率进行补偿，从而提高功率因数和稳定供电臂网压；另一方面，网侧变流器U1和网侧变流器U2之间可以进行有功功率融通，实现两个供电臂的功率平衡，从而实现三相不平衡治理功能。如Pa＞Pb，则融通功率Pc为（Pa-Pb）/2，即从供电臂b转移Pc至供电臂a，从而实现两个供电臂有功功率达到平衡，且功率因数为1。其中，Pa、Pb分别为供电臂a和供电臂b的功率。
（2）中性区柔性供电功能
柔性供电变流器单元实现输出交流电源Ud至电分相的中性区，向中性区内的列车提供电源。柔性供电变流器U3从其直流侧取电，当无列车通过中性区时，控制柔性供电变流器U3处于待机状态无电压输出；当有列车即将通过电分相时，通过柔性供电变流器U3输出交流电经变压器T3升压后输出电压Ud至中性区给列车供电，且输出电压Ud的相位和幅值不断调整以实现列车柔性过分相。
以列车从供电臂a驶向供电臂b为例，中性区柔性供电的具体控制方法如下所述：当列车到达PS1位置时，柔性供电变流器单元启动工作，其输出电压Ud的相位和幅值与供电臂a的电压相位与幅值完全一致，列车带电驶入中性区；待列车完全驶入中性区PS2位置时，柔性供电变流器单元以供电臂b的电压为目标逐渐调整Ud的幅值和相位，从而使列车驶出中性区之前，输出至中性区电压Ud与供电臂b的电压相位和幅值完全相等，从而列车带电驶入供电臂b。
柔性供电变流器单元输出电压Ud的控制调节过程其矢量如图5所示，调节时间从t0、t1……tm，一直到tn，相应输出电压由Ud0、Ud1……Udm，一直到Udn。具体地，在t0时刻开始调节，此时令Ud0=Ua；柔性供电变流器单元输出电压Ud在n个周期T内由Ua调节至Ub；每个周期的调节量为△u，即1个周期T后的输出电压Ud1=Ua+△u, 在第n个周期T 时，Udn=Ua+n△u=Ub，在列车驶出中性区前，此时柔性供电变流器单元输出电压Ud与供电臂b电压达到完全一致。本实施例中T为20ms。
其中，t0为列车完全驶入中性区的时刻，tn为列车驶出中性区前的时刻；Ud0、Udn分别为t0、tn时柔性供电变流器单元的输出电压，Ua、Ub分别为起始供电臂a、终点供电臂b的电压，△u为列车运行1个周期内的相位和幅值差。
（3）新能源接入功能
铁路沿线的光伏发电经过DC/DC变流器接入直流母线，风力发电经过AC/DC变流器接入直流母线，然后通过网侧变流器U1、网侧变流器U2将新能源电输送至两个供电臂；当两个供电臂负荷之和小于新能源功率时，由储能单元进行存储。
（4）储能功能
储能单元是牵引供电系统、新能源之间的“功率缓冲器”，主要功能是进一步提高铁路再生制动能量和新能源利用率，降低铁路的能耗。
本实施例的储能介质以电池储能为例，其储能单元运行区间如图6所示，按其能量预设电池能量最小值SOCBat_min、电池能量低值SOCBat_low、电池能量高值SOCBat_up、电池能量最大值SOCBat_max进行能量吸收或释放。其运行状态如表1所示。具体地储能功能控制方法如下：当供电臂a功率Pa、供电臂b功率Pb、新能源发电功率P3和柔性供电功率P5之和小于0，且储能介质未充满时，储能单元吸收功率；当供电臂a功率Pa、供电臂b功率Pb、新能源发电功率P3和柔性供电功率P5之和大于0，且储能介质储存有能量时，储能单元进行能量释放。
Figure 198372DEST_PATH_IMAGE001
本实施例的铁路能量路由器电路拓扑及供电系统各单元之间共直流母线，能量相互耦合，能够实现电气化铁路电能质量治理、中性区柔性供电、新能源接入和储能等功能，从而全面解决了电气化铁路牵引供电面临的各种问题。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明的技术方案所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护之内。

Claims (10)

1.一种铁路能量路由器电路拓扑及供电系统，其特征在于，所述系统包括控制保护系统以及共用直流母线的交直交双向变流器单元、柔性供电变流器单元、新能源接入单元、储能单元；所述交直交双向变流器单元用于供电臂的无功补偿、两个供电臂之间的能量融通以及与柔性供电变流器单元、储能单元和新能源接入单元之间的能量交互；所述柔性供电变流器单元向电分相的中性区内的列车实行柔性供电；所述新能源接入单元将新能源电能传递至直流母线；所述储能单元用于与其它各单元之间进行能量交互；所述控制保护系统根据供电臂、中性区的电压和电流以及机车位置，控制相应单元的工作状态。
2.根据权利要求1所述的铁路能量路由器电路拓扑及供电系统，其特征在于，所述交直交双向变流器单元包括两个降压变压器和一个交直交双向变流器；所述交直交双向变流器为两个交直变流器通过共用直流侧而形成的背靠背结构，两个交直变流器的交流侧通过降压变压器分别接入两个供电臂。
3.根据权利要求2所述的铁路能量路由器电路拓扑及供电系统，其特征在于，所述柔性供电变流器单元包括柔性供电变流器和升压变压器；所述柔性供电变流器与所述交直交双向变流器共用直流母线，柔性供电变流器的交流侧通过升压变压器接入中性区。
4.根据权利要求3所述的铁路能量路由器电路拓扑及供电系统，其特征在于，所述新能源接入单元包括接入变流器以及新能源；所述新能源通过接入变流器与直流母线连接。
5.根据权利要求4所述的铁路能量路由器电路拓扑及供电系统，其特征在于，所述储能单元包括储能介质和DC/DC变流器；所述储能介质通过DC/DC变流器与直流母线连接。
6.根据权利要求1至5任意一项所述的铁路能量路由器电路拓扑及供电系统，其特征在于，所述控制保护系统包括总控制器和从控制器；所述总控制器包括信息采集单元和控制保护单元；所述总控制器通过所述信息采集单元采集供电臂、中性区的电压和电流以及电分相区段列车位置信息，并根据采集信息，通过所述控制保护单元控制从控制器从而实时控制各变流器的工作状态，并实现相应的器件保护。
7.根据权利要求6所述的铁路能量路由器电路拓扑及供电系统，其特征在于，所述从控制器包括第一从控制器、第二从控制器、第三从控制器、第四从控制器，分别用于控制交直交双向变流器、柔性供电变流器、DC/DC变流器以及接入变流器。
8.一种铁路能量路由器电路拓扑及供电系统的控制方法，其特征在于，应用了上述权利要求1至7任意一项铁路能量路由器电路拓扑及供电系统；所述控制方法包括：
S1.柔性供电控制：当无列车通过电分相的中性区时，控制柔性供电变流器单元处于待机状态使其无电压输出；当有列车即将通过电分相的中性区时，通过柔性供电变流器输出交流电经升压变压器升压后输出电压至中性区给列车供电，并不断调整所述输出电压的相位、幅值；
S2.储能控制：当两供电臂功率、新能源发电功率和柔性供电功率之和小于0时，控制储能单元吸收能量进行存储；当两供电臂功率、新能源发电功率和柔性供电功率之和大于0，且任一供电臂的功率大于设定的峰值时，控制储能单元释放能量，进行削峰填谷。
9.根据权利要求8所述的铁路能量路由器电路拓扑及供电系统的控制方法，其特征在于，所述输出电压的相位、幅值的调整方法包括：当列车即将通过电分相的中性区时，控制柔性供电变流器单元启动，其输出电压的相位、幅值与起始供电臂电压的相位、幅值完全一致，列车带电驶入中性区；当列车完全驶入中性区位置时，控制柔性供电变流器单元以终点供电臂的电压为目标逐渐调整输出电压的幅值、相位，从而使列车驶出中性区之前，输出至中性区电压与终点供电臂电压的相位、幅值完全相等，列车带电驶入终点供电臂。
10.根据权利要求9所述的铁路能量路由器电路拓扑及供电系统的控制方法，其特征在于，所述以终点供电臂的电压为目标逐渐调整输出电压的幅值、相位的方法包括：在t0时刻开始调节，此时令Ud0=Ua；柔性供电变流器单元输出电压在n个周期T内由Ua调节至Ub， 每个周期的调节量为△u，在第n个周期T 时，Udn=Ua+n△u=Ub；
其中，t0为列车完全驶入中性区的时刻，tn为列车驶出中性区前的时刻；Ud0、Udn分别为t0、tn时柔性供电变流器单元的输出电压，Ua、Ub分别为起始供电臂、终点供电臂的电压，△u为列车运行1个周期内的相位和幅值差。
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