CN112350377B - 一种同相牵引供电发电***及控制方法 - Google Patents

一种同相牵引供电发电***及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种同相牵引供电发电***及控制方法，涉及电气化铁路供电技术领域。牵引变压器的次边与牵引母线连接；n条上行馈线的首端均与牵引母线连接，n条上行馈线的尾端对应连接n条上行接触网，m条下行馈线的首端均与牵引母线连接，m条下行馈线的尾端对应连接m条下行接触网；协调控制器输入端同时与电压互感器和所述电流互感器的测量端连接，所述协调控制器输出端与所述新能源发电装置的控制端连接。新能源发电装置的交流输出端与牵引母线连接。本发明不仅有利于新能源就近消纳，促进铁路***的绿色发展，既避免了相关电能质量问题还可带来额外的经济收入。

Description

一种同相牵引供电发电***及控制方法
技术领域
本发明涉及交流电气化铁路供电技术领域。
背景技术
应用新能源和可再生能源发电在电力***已经大量应用，发电量逐年提高，进步显著。
新能源、可再生能源与电网并网发电的潮流是根据并网电压相位进行控制的，新能源列车发电是个独立小***，其潮流是调压和调频进行控制的。但显然新能源列车的功率受到自身重量和容积的严格限制，还不能达到大功率牵引的要求，因此需要提出适于牵引供电***特点的大功率新能源利用方案，同时，与牵引供电***并网的新能源发电潮流控制方法需要根据其牵引负荷特性制定，完全不同于与电网并网发电的潮流控制方法和新能源列车发电潮流控制方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种同相牵引供电发电***，它能有效地解决新能源发电装置与牵引母线并网的技术问题。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的： 一种同相牵引供电发电***，包括牵引变压器TT、牵引母线TB和馈线TF，牵引变压器TT的次边与牵引母线TB连接，所述牵引母线TB上设有电压互感器PT，新能源发电装置NES的交流输出端与牵引母线TB连接，所述馈线TF分为n条上行馈线TF11，TF12，…，TF1n和m条下行馈线TF21，TF22，…，TF2m，每条上行馈线和每条下行馈线上均设有电流互感器CT，n≥2,m≥2，其中：n条上行馈线TF11，TF12，…，TF1n的首端均与所述牵引母线TB连接，n条上行馈线TF11，TF12，…，TF1n的尾端对应连接n条上行接触网CW11，CW12，…，CW1n；m条下行馈线TF21，TF22，…，TF2m的首端均与牵引母线TB连接， m条下行馈线TF21，TF22，…，TF2m的尾端对应连接m条下行接触网CW21，CW22，…，CW2m；所述电压互感器PT的测量端和电流互感器CT的测量端均与协调控制器CCS输入端连接，所述协调控制器CCS输出端与所述新能源发电装置NES的控制端连接。
进一步地，所述新能源发电装置NES包括新能源发电单元GB和变流器CVT，变流器CVT的交流端作为新能源发电装置NES的交流输出端与牵引母线TB连接，变流器CVT的直流端与新能源发电单元GB的直流输出端连接。
进一步地，所述牵引母线TB为变流器CVT的交流输出端提供并网运行电压。
进一步地，所述新能源发电单元GB为风能发电单元、光伏发电单元、氢能发电单元和生物化学能发电单元中的一种或几种。
进一步地，所述新能源发电单元GB与储能单元PB并联，储能单元PB的直流端与变流器CVT的直流端连接，所述储能单元PB为电化学储能、物理储能和电磁储能中的一种或几种。
本发明的另一个目的是提供一种基于上述同相牵引供电发电***的控制方法，它能有效地解决控制新能源发电装置与牵引供电***并网的技术问题。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：包括：
协调控制器CCS获取电压互感器PT测得的电压信息和每个电流互感器CT测得的电流信息，并根据电压信息和电流信息，分别计算得到n条上行馈线TF11，TF12，…，TF1n的有功功率P11，P12，…，P1n和m条下行馈线TF21，TF22，…，TF2m的有功功率P21，P22，…，P2m，其中，有功功率流向接触网为牵引功率,记为正，有功功率流向牵引母线为再生功率，记为负；
对n条上行馈线TF11，TF12，…，TF1n的有功功率P11，P12,…，P1n求和得到上行馈线有功功率P1；对m条下行馈线TF21，TF22，…，TF2m的有功功率P21，P22，…，P2m求和得到下行馈线有功功率P2；对上行馈线有功功率P1和下行馈线有功功率P2求和得到馈线总有功功率P；
根据所述馈线总有功功率P控制新能源发电装置NES发出的有功功率P3达到预设条件。
进一步地，所述根据所述馈线总有功功率P控制新能源发电装置NES发出的有功功率P3达到预设条件包括：
判断馈线总有功功率P是否为牵引功率，若为否，则新能源发电装置NES发出的有功功率P3=0；若为是就判断馈线总有功功率P是否大于新能源发电装置NES能够发出的最大有功功率Ps，如果是，控制新能源发电装置NES发出的有功功率P3=Ps，否则，控制新能源发电装置NES发出的有功功率P3=P。
进一步地，所述方法还包括：
延长n条上行接触网CW11，CW12，…，CW1n和m条下行接触网CW21，CW22，…，CW2m的长度，使各馈线牵引功率之和≥各馈线再生功率之和。
进一步地，所述方法还包括：
所述协调控制器CCS控制新能源发电装置NES和变流器CVT协调出力，同时，协调控制器CCS的控制指令通过输出端下发，并检测新能源发电装置NES的执行结果，形成闭环控制，确保协调控制器CCS指令执行正确。
进一步地，所述方法还包括：
根据获得的电压信息和电流信息，计算得到n条上行馈线TF11，TF12，…，TF1n的无功功率Q11，Q12，…，Q1n和m条下行馈线TF21，TF22，…，TF2m的无功功率Q21，Q22，…，Q2m；
根据计算得到的无功功率总体情况，控制所述变流器CVT对牵引母线TB发出感性无功功率和/或容性无功功率进行无功补偿。
进一步地，所述方法还包括：
根据所述电压信息和电流信息，控制所述变流器CVT对牵引母线TB发出谐波电流进行牵引网电压谐波治理并向牵引母线TB提供电能，减小牵引变压器TT承担的负荷，使牵引变压器TT的负序电流达到预设要求。
本发明通过在地面设置与牵引母线相连的新能源发电装置，可以通过协调控制器控制新能源发电装置直接向牵引母线提供大功率电能供牵引供电***的列车使用，有利于新能源就近消纳，促进铁路***的绿色发展，既避免了相关电能质量问题还可带来额外的经济收入。
附图说明
图1为本发明一种同相牵引供电发电***结构示意图。
图2为本发明另一种同相牵引供电发电***结构示意图。
图3为本发明具体同相牵引供电发电***结构示意图。
图4为本发明控制方法流程图。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的描述。
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种同相牵引供电发电***，包括牵引变压器TT、牵引母线TB和馈线TF、牵引变压器TT的次边与牵引母线TB连接，其特征在于：所述牵引母线TB上设有电压互感器PT，新能源发电装置NES的交流输出端与牵引母线TB连接，所述馈线TF分为n条上行馈线TF11，TF12，…，TF1n和m条下行馈线TF21，TF22，…，TF2m，每条上行馈线和每条下行馈线上均设有电流互感器CT，n≥2,m≥2，其中：n条上行馈线TF11，TF12，…，TF1n的首端均与所述牵引母线TB连接，n条上行馈线TF11，TF12，…，TF1n的尾端对应连接n条上行接触网CW11，CW12，…，CW1n；m条下行馈线TF21，TF22，…，TF2m的首端均与牵引母线TB连接， m条下行馈线TF21，TF22，…，TF2m的尾端对应连接m条下行接触网CW21，CW22，…，CW2m；所述电压互感器PT的测量端和电流互感器CT的测量端均与协调控制器CCS输入端连接，所述协调控制器CCS输出端与所述新能源发电装置NES的控制端连接。
实施本实施例时，牵引变压器TT的原边作为所述同相牵引供电发电***的输入端可以直接与三相公共电网PS连接。本实施例中，n条上行馈线TF11，TF12，…，TF1n的首端均与牵引母线TB连接，n条上行馈线TF11，TF12，…，TF1n的尾端对应连接n条上行接触网CW11，CW12，…，CW1n是指：上行馈线TF11的首端与牵引母线TB连接，上行馈线TF11的尾端与上行接触网CW11连接，上行馈线TF12的首端与牵引母线TB连接，上行馈线TF12的尾端与上行接触网CW12连接，…，上行馈线TF1n的首端与牵引母线TB连接，上行馈线TF1n的尾端与上行接触网CW1n连接；同样的，m条下行馈线TF21，TF22，…，TF2m的首端均与牵引母线TB连接，m条下行馈线（TF21，TF22，…，TF2m）的尾端对应连接m条下行接触网CW21，CW22，…，CW2m是指：下行馈线TF21的首端与牵引母线TB连接，下行馈线TF21的尾端与下行接触网CW21连接，下行馈线TF22的首端与牵引母线TB连接，下行馈线TF22的尾端与下行接触网CW22连接，…，下行馈线TF2m的首端与牵引母线TB连接，下行馈线TF2m的尾端与下行接触网CW2m连接。这里，n条上行馈线TF11，TF12，…，TF1n和m条下行馈线TF21，TF22，…，TF2m均与同一牵引母线TB连接，可以实现同一牵引母线下制动列车产生的再生功率最大限度被牵引列车利用，使再生功率利用更为经济、高效。
另外，由于本实施例设置了与牵引母线TB连接的新能源发电装置NES，并通过协调控制器CCS来控制新能源发电装置NES向牵引母线TB提供电能，可以对同相牵引供电发电***的负荷进行削峰，实施本实施例不仅有利于新能源就近消纳，促进铁路***的绿色发展，既避免了相关电能质量问题还可带来额外的经济收入。
还需要说明的是，本实施例将新能源发电装置NES接入同相牵引供电发电***，可以分担牵引变压器TT的负荷量，负荷功率峰值时段，电压不平衡度（负序电流）表现最大，通过新能源发电装置NES “削峰”来平衡负荷，可降低电压不平衡度（负序电流），改善负序效果，因此，本实施例提供的同相牵引供电发电***可以取消牵引所出口处电分相，实现同相供电，原因主要在于，本实施例中牵引变压器TT承担的负荷减小，进而使三相公共电网PS的负序电流减小，电压不平衡度降低，即使取消牵引所出口处电分相，三相公共电网PS的电压不平衡度仍满足国标要求。
作为优选，所述新能源发电装置NES包括新能源发电单元GB和变流器CVT，所述变流器CVT的交流端作为所述新能源发电装置NES的交流输出端与所述牵引母线TB连接，所述变流器CVT的直流端与所述新能源发电单元GB的直流输出端连接。本实施例中，所述新能源发电单元GB可以为风能发电单元、光伏发电单元、氢能发电单元和生物化学能发电单元中的一种或几种。
作为优选，所述牵引母线TB为变流器CVT的交流输出端提供并网运行电压。
作为优选，如图2所示，本实施例还可以包括与所述新能源发电单元GB并联的储能单元PB，所述储能单元PB的直流端与所述变流器CVT的直流端连接，所述储能单元PB为电化学储能、物理储能和电磁储能中的一种或几种。
本实施例增设储能单元PB，不仅可以实现“削峰”，还可以实现“填谷”。当新能源发电单元GB发出的电能不能满足牵引列车需要的牵引功率时，可以控制储能单元PB放电来进一步为牵引列车提供牵引功率，当制动列车产生的再生功率大于牵引列车所需的牵引功率时，可以控制储能单元PB吸收多余再生功率，具体实施时，储能单元PB的放电功率和充电功率根据实际情况控制。
如图3所示，以新能源发电单元GB为氢能发电单元、储能单元PB为物理储能为例，氢能发电单元包括氢能发电模块H2和整流模块DC/DC，氢能发电模块H2和整流模块DC/DC均受协调控制器CCS控制，储能单元PB包括超级电容CC和整流模块DC/DC，氢能发电单元中的超级电容CC和整流模块DC/DC均受协调控制器CCS控制，氢能发电单元中的整流模块DC/DC和储能单元PB中的整流模块DC/DC通过直流母线与变流器CVT的直流端连接。
实施例2
如图4所示，本实施例提供一种基于实施例1所提供同相牵引供电发电***的控制方法，应用于协调控制器CCS，所述方法包括：
S1：协调控制器CCS获取电压互感器PT测得的电压信息和每个电流互感器CT测得的电流信息；S2：根据所述电压信息和电流信息，分别计算得到n条上行馈线TF11，TF12，…，TF1n的有功功率P11，P12，…，P1n和m条下行馈线TF21，TF22，…，TF2m的有功功率P21，P22，…，P2m，其中，有功功率流向接触网为牵引功率，记为正，有功功率流向牵引母线为再生功率，记为负；
S3：对n条上行馈线TF11，TF12，…，TF1n的有功功率P11，P12，…，P1n求和得到上行馈线有功功率P1，对m条下行馈线TF21，TF22，…，TF2m的有功功率P21，P22，…，P2m求和得到下行馈线有功功率P2，对所述上行馈线有功功率P1和所述下行馈线有功功率P2求和得到馈线总有功功率P；
S4：根据所述馈线总有功功率P控制新能源发电装置NES发出的有功功率P3达到预设条件。
这里，n条上行馈线TF11，TF12，…，TF1n的有功功率P11，P12，…，P1n是指：上行馈线TF11的有功功率P11，上行馈线TF12的有功功率P12，…，上行馈线TF1n的有功功率P1n；同样地，m条下行馈线TF21，TF22，…，TF2m的有功功率P21，P22，…，P2m是指：下行馈线TF21的有功功率P21，下行馈线TF22的有功功率P22，…，上行馈线TF1n的有功功率P1n。
作为优选，所述根据所述馈线总有功功率P控制新能源发电装置NES的发电功率P3达到预设条件，即步骤S4，包括：
S41：判断所述馈线总有功功率P是否为牵引功率，如果是，进行下一步，否则新能源发电装置NES发出的有功功率P3=0；
S42：判断所述馈线总有功功率P是否大于所述新能源发电装置NES能够发出的最大有功功率Ps，如果是，控制所述新能源发电装置NES发出的有功功率P3=Ps，否则，控制所述新能源发电装置NES发出的有功功率为P3=P。
作为优选，所述牵引母线TB为所述变流器CVT的交流输出端提供并网运行电压。这里，牵引母线TB通过牵引变压器TT接入公用电网，可以为新能源发电装置并网提供可靠、稳定、强大的电压支撑，并实现新能源发电装置“电流控制电流源”运行方式，即根据馈线总有功功率（≥0，视为电流源）控制新能源发电装置（作为电流源）输出特定的有功功率。
作为优选，所述方法还包括：延长n条上行接触网CW11，CW12，…，CW1n和m条下行接触网CW11，CW12，…，CW1n的长度（距离），使各馈线牵引功率之和≥各馈线再生功率之和。这里，对牵引供电***中运行的列车，根据工况，可分为用电的牵引列车、发电的再生（制动）列车和只有自用电的惰行及停站列车，由于运行阻力的存在，列车的用电功率总是大于发电功率，并且给列车供电的接触网（供电臂）越长，供电臂上的同行车中牵引列车吸收再生（制动）列车发电的概率就越高，因此，延长上下行接触网的长度可以使牵引功率之和≥再生功率之和，从而在不设置储能装置、不额外增加投资的情况下有望做到再生电能的全部利用，十分经济和环保。
作为优选，所述方法还包括：
所述协调控制器CCS控制所述新能源发电装置NES和所述变流器CVT协调出力，所述协调控制器CCS的控制指令通过输出端下发，并检测所述新能源发电装置NES的执行结果，形成闭环控制，确保所述协调控制器CCS指令执行正确。
作为优选，所述方法还包括：
根据获得的电压信息和电流信息，计算得到n条上行馈线TF11，TF12，…，TF1n的无功功率Q11，Q12，…，Q1n和m条下行馈线TF21，TF22，…，TF2m的无功功率Q21，Q22，…，Q2m；
根据计算得到的无功功率总体情况，控制变流器CVT对牵引母线TB发出感性无功功率和/或容性无功功率进行无功补偿。
这里，n条上行馈线TF11，TF12，…，TF1n的无功功率Q11，Q12，…，Q1n是指：上行馈线TF11的无功功率Q11，上行馈线TF12的无功功率Q12，…，上行馈线TF1n的无功功率Q1n；同样地，m条下行馈线TF21，TF22，…，TF2m的无功功率Q21，Q22，…，Q2m是指：下行馈线TF21的无功功率Q21，下行馈线TF22的无功功率Q22，…，上行馈线TF1n的无功功率Q1n。
作为优选，所述方法还包括：
根据获得的电压信息和电流信息，控制所述变流器CVT对牵引母线TB发出谐波电流进行牵引网电压谐波治理。
作为优选，所述方法还包括：
根据获得的电压信息和电流信息，控制所述新能源发电装置NES向牵引母线TB提供电能，减小牵引变压器TT承担的负荷，使牵引变压器TT的负序电流达到预设要求。
考虑到铁路用户在没有取得对电网发电资质情况下，不应向电网反馈电能，以免造成惩罚性收费和能源浪费，故采取了相应措施：（1）延长上下行接触网长度以便使各馈线牵引功率之和≥各馈线再生功率之和，即可使再生功率被牵引列车吸收；（2）根据总的牵引功率控制新能源发电装置出力；（3）增加储能单元等。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种同相牵引供电发电***，包括牵引变压器TT、牵引母线TB和馈线TF，牵引变压器TT的次边与牵引母线TB连接，其特征在于：所述牵引母线TB上设有电压互感器PT，新能源发电装置NES的交流输出端与牵引母线TB连接，所述馈线TF分为n条上行馈线TF11，TF12，…，TF1n和m条下行馈线TF21，TF22，…，TF2m，每条上行馈线和每条下行馈线上均设有电流互感器CT，n≥2,m≥2，其中：n条上行馈线TF11，TF12，…，TF1n的首端均与所述牵引母线TB连接，n条上行馈线TF11，TF12，…，TF1n的尾端对应连接n条上行接触网CW11，CW12，…，CW1n；m条下行馈线TF21，TF22，…，TF2m的首端均与牵引母线TB连接， m条下行馈线TF21，TF22，…，TF2m的尾端对应连接m条下行接触网CW21，CW22，…，CW2m；延长n条上行接触网CW11，CW12，…，CW1n和m条下行接触网CW11，CW12，…，CW1n的长度，使各馈线牵引功率之和≥各馈线再生功率之和；所述电压互感器PT的测量端和电流互感器CT的测量端均与协调控制器CCS输入端连接，所述协调控制器CCS输出端与所述新能源发电装置NES的控制端连接。
2.根据权利要求1所述的一种同相牵引供电发电***，其特征在于：所述新能源发电装置NES包括新能源发电单元GB和变流器CVT，变流器CVT的交流端作为新能源发电装置NES的交流输出端与牵引母线TB连接，变流器CVT的直流端与新能源发电单元GB的直流输出端连接。
3.根据权利要求2所述的一种同相牵引供电发电***，其特征在于：所述新能源发电单元GB为风能发电单元、光伏发电单元、氢能发电单元和生物化学能发电单元中的一种或几种。
4.根据权利要求2所述的一种同相牵引供电发电***，其特征在于：所述新能源发电单元GB与储能单元PB并联，储能单元PB的直流端与变流器CVT的直流端连接，所述储能单元PB为电化学储能、物理储能和电磁储能中的一种或几种。
5.一种基于权利要求2~4任意一项所述同相牵引供电发电***的控制方法，其特征在于：包括：
协调控制器CCS获取电压互感器PT测得的电压信息和每个电流互感器CT测得的电流信息；
根据获得的电压信息和电流信息，分别计算得到n条上行馈线TF11，TF12，…，TF1n的有功功率P11，P12,…，P1n和m条下行馈线TF21，TF22，…，TF2m的有功功率P21，P22,…，P2m，其中，有功功率流向接触网为牵引功率,记为正，有功功率流向牵引母线为再生功率，记为负；
对n条上行馈线TF11，TF12，…，TF1n的有功功率P11，P12,…，P1n求和得到上行馈线有功功率P1；对m条下行馈线TF21，TF22，…，TF2m的有功功率P21，P22,…，P2m求和得到下行馈线有功功率P2；对上行馈线有功功率P1和下行馈线有功功率P2求和得到馈线总有功功率P；
根据所述馈线总有功功率P控制新能源发电装置NES发出的有功功率P3需达到预设条件。
6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述根据所述馈线总有功功率P控制新能源发电装置NES发出的有功功率P3需达到预设条件包括：
判断馈线总有功功率P是否为牵引功率，若为否，新能源发电装置NES发出的有功功率P3=0；若为是，就判断馈线总有功功率P是否大于新能源发电装置NES能够发出的最大有功功率Ps，如果是，控制新能源发电装置NES发出的有功功率P3=Ps；否则，控制新能源发电装置NES发出的有功功率P3=P；延长n条上行接触网CW11，CW12，…，CW1n和m条下行接触网CW21，CW22，…，CW2m的长度，使各馈线牵引功率之和≥各馈线再生功率之和。
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