CN110562101B - 一种接触网电能质量以及能量利用效率优化方法 - Google Patents

一种接触网电能质量以及能量利用效率优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种接触网电能质量以及能量利用效率优化方法，其接触网中采用背靠背结构的AC‑DC‑AC装置(RPC)连接不同的供电臂，车辆牵引或者制动时RPC提供电能或回收制动能量，本发明中根据采集同一接触网中每段换相臂中牵引或制动功率采用协同优化算法计算每个换相节点处RPC所要提供或吸收的功率，抑制接触网三相不平衡，并提高能量利用率。

Description

一种接触网电能质量以及能量利用效率优化方法
技术领域
本发明涉及高铁接触网领域，特别是涉及一种接触网电能质量以及效率利用方法。
背景技术
随着铁路行业的大力发展，电力牵引供电已近成为铁路最为主要的供电方式，电力牵引采用单相交流工频供电制式，由当地供电网降压为车辆供电，但由于车辆接触网采用单向供电，因此造成电网的三相不平衡，对于电网的安全运行造成一定的安全隐患。而且车辆制动时将产生大量的制动能量，若将制动能量直接回馈到电网，有可能增加电网的三相不平衡度，且含有大量的谐波将影响电能质量，目前车辆制动时制动能量大部分都被制动电阻等设备消耗，严重影响能量的利用率，且不符合目前节能环保的要求，因此再生制动能量回收的研究已经成为轨道交通领域的研究热点，能量回收率的提升将使车辆拥有更好的行驶经济性，而且将降低电网侧三相不平衡度，对电网侧的运行将拥有更好的安全性。
发明内容
本发明的目的是提供一种可以抑制车辆运行时导致的接触网三相不平衡，提高能量利用率的接触网电能质量以及能量利用效率优化方法。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案
一种接触网电能质量以及能量利用效率优化方法，接触网中采用背靠背结构的AC-DC-AC铁路功率调节装置(RPC)连接不同的供电臂，实现不同供电臂之间电能的流动，AC-DC-AC装置为两个AC-DC装置背靠背连接，实现功率的双向流动，AC-DC装置采用模块化多电平换流器(MMC)；
优化各个换相节点处RPC功率流动，其方法如下，采集每个供电臂上车辆需求功率，中央控制器根据各点功率优化传输功率，对接触网中各牵引变电站以及供电臂进行编号，牵引变电站依次编号为TS1、TS2、…TSn，各供电臂上车辆依次编号为M1、M2、…Mn，每条供电臂上车辆牵引功率依次编号为P1、P2、…Pn，车辆牵引时为正，制动时为负，两供电臂之间RPC传输功率依次为S1、S2、…Sn，功率从左到右流动为正，从右往左为负，从牵引变电站到供电臂的功率编号为N1、N2、…Nn，若相邻奇偶供电臂功率之和大于零步骤如下，
Step1：测量功率各节点处功率P1、P2、…Pn，S1、S2、…Sn，N1、N2、…Nn，由于每套RPC装置连接两条供电臂，左边供电臂排序为奇数，记为2k-1，右边供电臂排序为偶数，记为2k，
Step2：如果车辆从接触网获得的功率奇数项与偶数项之积小于0，则每个RPC装置转换的功率计算方法如下，否则进行下一步，
若N2k-1<0，N2k>0
S2k-1＝min{N2k/η,|N2k-1|}
若N2k-1>0，N2k<0
S2k-1＝-ηmin{N2k-1/η,|N2k|}
Step3：从接触网测得的所有数据中找出小于零的项，
若小于零的项为偶数，当Nk-1大于零时，RPC装置传输功率为：
Sk＝-ηmin{Nk-1/η,|Nk|}
若小于零的项为奇数当Nk-1大于零时当Nk-1大于零时RPC装置传输功率为：
Sk＝ηmin{Nk+1/η,|Nk|}
η表示DC/AC效率；
若相邻奇偶供电臂功率之和小于零，其方法如下，采集每个供电臂上车辆需求功率，中央控制器根据各点功率优化传输功率，其目的为控制所有从接触网传输的功率N1、N2、…Nn之和趋近于零，当从接触网传输的功率N1、N2、…Nn之和趋近于零时接触网对电网的影响将降到最小，中央控制器需要对每个RPC的出力做同一调配，其算法采用功率从两端往中间传输为原则，且尽量保证三相功率平衡，步骤如下
Step1：测量接触网中车辆需求功率，牵引表示为正，制动表示为负，对其供电臂L1,L2区间车辆运行功率N1，N2，Nn-1，Nn，判断N1，N2，Nn-1，Nn的大小，
Step2：若N1，N2一正一负，
若N1，N2之和为正，则
S1＝-sgn(N1-N2)min{|N1|，|N2|}
对下一条供电臂上功率N3的计算，若之和大于零则执行步骤4，若之和小于零则说明制动功率大于牵引功率，能量需要向下一供电臂继续传输，依次类推，可得下面优化公式，
S1＝-sgn(N1-N2)min{|N1|，|N2|}
S2＝sgn(S1-N2)(S1+N3)
……
Sn-1＝sgn(Sn-2-Nn-1)(Sn-2+Nn)
若N1，N2之和为负，则说明有多余的制动功率，则第一二个RPC装置需要传输的功率为，判断第三条供电臂上功率情况，将三条供电臂上的功率相加，若为正，说明制动能量能完全吸收，若为负则说明还需要向后传递制动功率，
S1＝-sgn(N1-N2)min{|N1|，|N2|}
S2＝sgn(S1-N2)(S1+N3)
……
Sn-1＝sgn(Sn-2-Nn-1)(Sn-2+Nn)
Step3：若N1，N2都为负，则，
S1＝-N1
S2＝-(N1+N2)
S1＝-sgn(N1-N2)min{|N1|，|N2|}
S2＝sgn(S1-N2)(S1+N3)
……
Sn-1＝sgn(Sn-2-Nn-1)(Sn-2+Nn)
Step4：若N1，N2都为正，则将两段供电臂看作一条供电臂，判断第三条供电臂上的功率N3，若N3为负则将第三条上的功率与其前面两条供电臂的功率相加，若之和为正则一二个RPC传输功率如下，若N3为正，则进入下一步，
S2＝N3
S1＝min(0，S2+N2)
Step5：将N1，N2，N3作为一个整体，判断第四条供电臂上的功率N4，若N4为负则将第三条上的功率与其前面两条供电臂的功率相加，若之和为正则一二个RPC传输功率为，若N4为正，则进入下一步，
S3＝N4
S2＝min(0，S3+N4)
Step6,：根据接触网上供电臂的数量依次类推，可以得到下面的计算公式，
Sn-1＝Nn
Sn-2＝min(0，Sn-1+Nn-1)
……
S1＝min(0，S2+N2)。
本发明基于接触网中已有的背靠背结构的AC-DC-AC铁路功率调节装置(RPC)，根据采集得到的同一接触网中每段换相臂中的牵引或制动功率采用协同优化算法计算每个换相节点处RPC所要提供或吸收的功率，车辆牵引或者制动时RPC提供电能或回收制动能量，每个RPC将电能从一侧的供电臂传输到另一侧的供电臂，牵引车辆吸收制动车辆发出的制动能量，从而抑制接触网三相不平衡，并提高能量利用率。
附图说明
图1所示为本发明的结构示意图。
图2所示为本发明的背靠背RPC装置示意图。
图3所示为本发明的能量流图。
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做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。
一种接触网电能质量以及能量利用效率优化方法，接触网在换相点处中采用背靠背结构的AC-DC-AC铁路功率调节装置(RPC)连接不同的供电臂，根据采集同一接触网中每段换相臂中的牵引或制动功率采用协同优化算法计算每个换相节点处RPC所要提供或吸收的功率，车辆牵引或者制动时RPC装置提供电能或回收制动能量，每个RPC将电能从一侧的供电臂传输到另一侧的供电臂，目的使牵引车辆吸收制动车辆发出的制动能量，从而抑制接触网三相不平衡，并提高能量利用率，其***结构如图1所示。
牵引变电站将电网侧110KV交流电变为27.5KV，分为左右供电臂，每条供电臂由110KV电网三相中的两相经变压器降压得到，为保证电网侧电能的三相平衡，牵引变电站需要依次选择三相中不同的两相组合进行降压，如TS1(AB,BC),TS2(BC,CA),TS3(AB,CA)……TSn(AB,CA)，由于不同供电臂代表着不同的三相电中的两项组合，因此要使电网三相电压平衡，车辆从相邻三个供电臂上抽取的功率得一致，所提算法中的中央控制中心根据每段接触网上功率的大小，分配车辆再生制动能量，减小电网的三相不平衡度。
AC-DC-AC铁路功率调节装置连接不同的供电臂，实现不同供电臂之间电能的流动，AC-DC-AC装置为两个AC-DC装置背靠背连接，实现功率的双向流动，AC-DC装置采用模块化多电平换流器(MMC),左边AC-DC装置控制流动功率，其中PLL为锁相环控制输出电压的相角，RMS为信号测量单元，检测电压、电流信号的有效值，对逆变器的控制方法采用滞环比较法，右边AC-DC装置控制中间直流侧电压，测量中间直流测电压与给定值作比较，再经PI控制器控制逆变器输出，RPC装置结构如图2所示,其中u1，u2为两条供电臂的电压，i1，i2为两条供电臂的电流。
优化各个换相节点处RPC功率流动，其方法如下，采集每个供电臂上车辆需求功率，中央控制器根据各点功率优化传输功率，其如图3所示对接触网中各牵引变电站以及供电臂进行编号，牵引变电站依次编号为TS1、TS2、…TSn，各供电臂上车辆依次编号为M1、M2、…Mn，每条供电臂上车辆牵引功率依次编号为P1、P2、…Pn，车辆牵引时为正，制动时为负，两供电臂之间RPC传输功率依次为S1、S2、…Sn，功率从左到右流动为正，从右往左为负，从牵引变电站到供电臂的功率编号为N1、N2、…Nn，若相邻奇偶供电臂功率之和大于零步骤如下，
Step1：测量功率各节点处功率P1、P2、…Pn，S1、S2、…Sn，N1、N2、…Nn，由于每套RPC装置连接两条供电臂，左边供电臂排序为奇数，记为2k-1，右边供电臂排序为偶数，记为2k，
Step2：如果车辆从接触网获得的功率奇数项与偶数项之积小于0，则每个RPC装置转换的功率计算方法如下，否则进行下一步，
若N2k-1<0，N2k>0
S2k-1＝min{N2k/η,|N2k-1|}
若N2k-1>0，N2k<0
S2k-1＝-ηmin{N2k-1/η,|N2k|}
Step3：从接触网测得的所有数据中找出小于零的项，
若小于零的项为偶数，当Nk-1大于零时，RPC装置传输功率为：
Sk＝-ηmin{Nk-1/η,|Nk|}
若小于零的项为奇数当Nk-1大于零时当Nk-1大于零时RPC装置传输功率为：
Sk＝ηmin{Nk+1/η,|Nk|}
η表示DC/AC效率；
若相邻奇偶供电臂功率之和小于零，其方法如下，采集每个供电臂上车辆需求功率，中央控制器根据各点功率优化传输功率，其目的为控制所有从接触网传输的功率N1、N2、…Nn之和趋近于零，当从接触网传输的功率N1、N2、…Nn之和趋近于零时接触网对电网的影响将降到最小，中央控制器需要对每个RPC的出力做同一调配，其算法采用功率从两端往中间传输为原则，且尽量保证三相功率平衡，步骤如下
Step1：测量接触网中车辆需求功率，牵引表示为正，制动表示为负，对其供电臂L1,L2区间车辆运行功率N1，N2，Nn-1，Nn，判断N1，N2，Nn-1，Nn的大小，
Step2：若N1，N2一正一负，
若N1，N2之和为正，则
S1＝-sgn(N1-N2)min{|N1|，|N2|}
对下一条供电臂上功率N3的计算，若之和大于零则执行步骤4，若之和小于零则说明制动功率大于牵引功率，能量需要向下一供电臂继续传输，依次类推，可得下面优化公式，
S1＝-sgn(N1-N2)min{|N1|，|N2|}
S2＝sgn(S1-N2)(S1+N3)
……
Sn-1＝sgn(Sn-2-Nn-1)(Sn-2+Nn)
若N1，N2之和为负，则说明有多余的制动功率，则第一二个RPC装置需要传输的功率为，判断第三条供电臂上功率情况，将三条供电臂上的功率相加，若为正，说明制动能量能完全吸收，若为负则说明还需要向后传递制动功率，
S1＝-sgn(N1-N2)min{|N1|，|N2|}
S2＝sgn(S1-N2)(S1+N3)
……
Sn-1＝sgn(Sn-2-Nn-1)(Sn-2+Nn)
Step3：若N1，N2都为负，则，
S1＝-N1
S2＝-(N1+N2)
S1＝-sgn(N1-N2)min{|N1|，|N2|}
S2＝sgn(S1-N2)(S1+N3)
……
Sn-1＝sgn(Sn-2-Nn-1)(Sn-2+Nn)
Step4：若N1，N2都为正，则将两段供电臂看作一条供电臂，判断第三条供电臂上的功率N3，若N3为负则将第三条上的功率与其前面两条供电臂的功率相加，若之和为正则一二个RPC传输功率如下，若N3为正，则进入下一步，
S2＝N3
S1＝min(0，S2+N2)
Step5：将N1，N2，N3作为一个整体，判断第四条供电臂上的功率N4，若N4为负则将第三条上的功率与其前面两条供电臂的功率相加，若之和为正则一二个RPC传输功率为，若N4为正，则进入下一步，
S3＝N4
S2＝min(0，S3+N4)
Step6,：根据接触网上供电臂的数量依次类推，可以得到下面的计算公式，
Sn-1＝Nn
Sn-2＝min(0，Sn-1+Nn-1)
……
S1＝min(0，S2+N2)。

Claims (1)

1.一种接触网电能质量以及能量利用效率优化方法，其特征在于，接触网中采用背靠背结构的AC-DC-AC铁路功率调节装置RPC连接不同的供电臂，
实现不同供电臂之间电能的流动，AC-DC-AC装置为两个AC-DC装置背靠背连接，实现功率的双向流动，AC-DC装置采用模块化多电平换流器MMC；
优化各个换相节点处功率调节装置RPC功率流动，其方法如下，采集每个供电臂上车辆需求功率，中央控制器根据各点功率优化传输功率，对接触网中各牵引变电站以及供电臂进行编号，牵引变电站依次编号为TS1、TS2、…TSn，各供电臂上车辆依次编号为M1、M2、…Mn，每条供电臂上车辆牵引功率依次编号为P1、P2、…Pn，车辆牵引时为正，制动时为负，两供电臂之间功率调节装置RPC传输功率依次为S1、S2、…Sn，功率从左到右流动为正，从右往左为负，从牵引变电站到供电臂的功率编号为N1、N2、…Nn，若相邻奇偶供电臂功率之和大于零步骤如下，
Step1：测量功率各节点处功率P1、P2、…Pn，S1、S2、…Sn，N1、N2、…Nn，由于每套功率调节装置RPC连接两条供电臂，左边供电臂排序为奇数，记为2k-1，右边供电臂排序为偶数，记为2k，
Step2：如果车辆从接触网获得的功率奇数项与偶数项之积小于0，则每个功率调节装置RPC转换的功率计算方法如下，否则进行下一步，
若N2k-1<0，N2k>0
S2k-1＝min{N2k/η,|N2k-1|}
若N2k-1>0，N2k<0
S2k-1＝-ηmin{N2k-1/η,|N2k|}
Step3：从接触网测得的所有数据中找出小于零的项，
若小于零的项为偶数，当Nk-1大于零时，功率调节装置RPC功率为：
Sk＝-ηmin{Nk-1/η,|Nk|}
若小于零的项为奇数当Nk-1大于零时当Nk-1大于零时功率调节装置RPC传输功率为：
Sk＝ηmin{Nk+1/η,|Nk|}
η表示DC/AC效率；
若相邻奇偶供电臂功率之和小于零，其方法如下，采集每个供电臂上车辆需求功率，中央控制器根据各点功率优化传输功率，其目的为控制所有从接触网传输的功率N1、N2、…Nn之和趋近于零，当从接触网传输的功率N1、N2、…Nn之和趋近于零时接触网对电网的影响将降到最小，中央控制器需要对每个功率调节装置RPC的出力做同一调配，其算法采用功率从两端往中间传输为原则，且尽量保证三相功率平衡，步骤如下
Step1：测量接触网中车辆需求功率，牵引表示为正，制动表示为负，对其供电臂L1,L2区间车辆运行功率N1，N2，Nn-1，Nn，判断N1，N2，Nn-1，Nn的大小，
Step2：若N1，N2一正一负，
若N1，N2之和为正，则
S1＝-sgn(N1-N2)min{|N1|，|N2|}
对下一条供电臂上功率N3的计算，若之和大于零则执行步骤4，若之和小于零则说明制动功率大于牵引功率，能量需要向下一供电臂继续传输，依次类推，可得下面优化公式，
S1＝-sgn(N1-N2)min{|N1|，|N2|}
S2＝sgn(S1-N2)(S1+N3)
……
Sn-1＝sgn(Sn-2-Nn-1)(Sn-2+Nn)
若N1，N2之和为负，则说明有多余的制动功率，则第一二个功率调节装置RPC需要传输的功率为，判断第三条供电臂上功率情况，将三条供电臂上的功率相加，若为正，说明制动能量能完全吸收，若为负则说明还需要向后传递制动功率，
S1＝-sgn(N1-N2)min{|N1|，|N2|}
S2＝sgn(S1-N2)(S1+N3)
……
Sn-1＝sgn(Sn-2-Nn-1)(Sn-2+Nn)
Step3：若N1，N2都为负，则，
S1＝-N1
S2＝-(N1+N2)
S1＝-sgn(N1-N2)min{|N1|，|N2|}
S2＝sgn(S1-N2)(S1+N3)
……
Sn-1＝sgn(Sn-2-Nn-1)(Sn-2+Nn)
Step4：若N1，N2都为正，则将两段供电臂看作一条供电臂，判断第三条供电臂上的功率N3，若N3为负则将第三条上的功率与其前面两条供电臂的功率相加，若之和为正则一二个功率调节装置RPC传输功率如下，若N3为正，则进入下一步，
S2＝N3
S1＝min(0，S2+N2)
Step5：将N1，N2，N3作为一个整体，判断第四条供电臂上的功率N4，若N4为负则将第三条上的功率与其前面两条供电臂的功率相加，若之和为正则一二个功率调节装置RPC传输功率为，若N4为正，则进入下一步，
S3＝N4
S2＝min(0，S3+N4)
Step6：根据接触网上供电臂的数量依次类推，可以得到下面的计算公式，
Sn-1＝Nn
Sn-2＝min(0，Sn-1+Nn-1)
……
S1＝min(0，S2+N2)。
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