本发明涉及牵引供电系统领域，特别是一种高速铁路储能系统及其控制方法。
背景技术：
高速铁路具有速度快，运量大，安全性好等优点，近年来得到了迅速发展。高速动车组在制动过程中，优先采用再生制动的方式，产生了大量再生能量。当前，这部分再生能量主要有3种处理方式：1)被同一供电臂上处于非再生工况的动车组消耗；2)以热能的形式被制动电阻消耗；3)返送回电力系统，但电力系统不对其进行计费或反向正计。这使得再生能量未得到充分的利用，同时给铁路部门带来了一定的经济损失，不符合我国建设资源节约型社会的发展需求。因此，研究高速铁路牵引供电系统再生能量的回收利用，对实现节能减排降耗具有重要的现实意义。储能型再生制动能量回收方案具有削峰填谷，灵活性高等优势，是近年来研究的热点，实现高速铁路再生制动能量存储和再利用的关键在于接口电路拓扑结构及其控制策略的设计。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种高速铁路储能系统及其控制方法，实现高速列车再生制动能量的存储与再利用。
实现本发明目的的技术方案如下：
一种高速铁路储能系统，v/x牵引变压器左供电臂连接到左侧多绕组降压变压器的初级，左侧多绕组降压变压器的一个次级对应连接到左侧多重四象限变流器的一个输入端，左侧多重四象限变流器的所有输出端并联后连接到双向dc/dc变换器的输入端；v/x牵引变压器右供电臂连接到右侧多绕组降压变压器的初级，右侧多绕组降压变压器的一个次级对应连接到右侧多重四象限变流器的一个输入端，右侧多重四象限变流器的所有输出端并联后连接到双向dc/dc变换器的输入端；支撑电容并联连接到双向dc/dc变换器的输入端；双向dc/dc变换器的输出端连接到超级电容。
进一步地，还包括左侧交流开关柜和右侧交流开关柜；所述v/x牵引变压器左供电臂通过左侧交流开关柜连接到左侧多绕组降压变压器的初级，所述v/x牵引变压器右供电臂通过右侧交流开关柜连接到右侧多绕组降压变压器的初级。
一种高速铁路储能系统的控制方法，包括
步骤1：采集v/x接线牵引变压器左供电臂和右供电臂瞬时电压和电流，计算得到左供电臂瞬时功率pl和右供电臂瞬时功率pr；
步骤2：令有功功率分配关系为
步骤3：计算负序和谐波电流补偿后，左侧和右侧多重四象限变流器的各重输出电流参考值，包括：
3-1计算负序和谐波电流完全补偿后左供电臂和右供电臂的参考电流瞬时值i′l和i′r，
式中，ul和ur分别为左供电臂和右供电臂基波电压的有效值；cosωt为左供电臂电压同步信号，
3-2计算左侧和右侧多重四象限变流器的输出补偿电流参考值irl和irr，
式中，il和ir分别为左供电臂和右供电臂电流实际值，k为多绕组降压变压器电压比，il和ir分别为左供电臂和右供电臂基波电流的有效值，ilh和irh分别为左供电臂和右供电臂h次谐波电流有效值，φlh和φrh分别为左供电臂和右供电臂h次谐波电流相位；
3-3计算左侧和右侧多重四象限变流器的各重输出电流参考值为irl/n和irr/n；其中n为四象限变流器并联重数；
步骤4.加入电压电流双闭环，计算左侧和右侧多重四象限变流器的各重调制信号
4-1将左侧和右侧多重四象限变流器输出的直流电压实际值与给定的直流电压期望值的差值送入pi调节器后，与左供电臂同步余弦信号cosωt和右供电臂同步余弦信号
4-2将左侧和右侧直流侧电压控制的有功电流分量分别与irl/n和irr/n叠加后，与左侧和右侧多重四象限变流器输出的各重电流实际值分别做差，并送入pi调节器，求得左侧和右侧多重四象限变流器的各重调制信号
步骤5.采用载波移相脉宽调制技术对
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：(1)有效存储和再利用高速动车组产生的大量再生制动能量，平抑牵引负荷波动性；(2)实现两供电臂能量双向流动、动态补偿牵引供电系统负序和谐波电流；(3)交-直-交模块采用并联多重化结构，并通过双向dc/dc变流器错降低储能装置的纹波电流；(4)两供电臂共用一套储能装置，并为新能源接入预留了接口；(5)超级电容采用模块化的结构，可以根据不同功率或者能量进行增减。
附图说明
图1为v/x接线牵引变压器下高速铁路储能系统拓扑结构示意图；
图2为储能集装箱并联多重化四象限变流器控制原理图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步说明。
图1所示为v/x接线牵引变压器下高速铁路储能系统拓扑结构示意图。该系统主要由交流开关柜，多绕组降压变压器以及储能集装箱组成。具有如下几种功能：1)动车组制动时，对牵引供电系统中的剩余再生制动能量进行存储；2)动车组牵引时，储能装置放电为动车组运行提供部分电能；3)实现v/x牵引变压器左右供电臂间能量双向流动和负荷平衡；4)对储能装置投入运行后，牵引供电系统负序和谐波电流进行补偿。
储能集装箱包括：多组并联结构的四象限变流器，双向dc/dc变换器以及超级电容柜依次相连，每个部分均采用集装箱安装。其中，变流器模块采用多组四象限变流器并联，左侧变流器模块经多绕组降压变压器跨接在v/x牵引变压器左供电臂t线和r线之间，右侧变流器模块经多绕组降压变压器跨接在v/x牵引变压器右供电臂t线和r线之间，左右两组变流器模块通过中间直流电容和二次滤波环节相连，构成交-直-交结构。双向dc/dc变换器接入交-直-交结构的中间直流环节，并采用交错并联的方式，以减小超级电容充放电的纹波电流。超级电容柜选用标准模组，20个模组串联组成一组。可根据需存储的再生制动功率密度及能量密度对超级电容柜进行串联或并联。超级电容箱配有均压控制器，保证超级电容箱内各模组间的电压均衡，保证超级电容箱的稳定工作。
还包括左侧交流开关柜和右侧交流开关柜；v/x牵引变压器左、右供电臂分别通过左、右侧交流开关柜连接到左、右侧多绕组变压器，出现故障的时候将储能系统和牵引供电系统的连接断开，起到保护作用。
上述高速铁路储能系统的控制方法，其控制框图如图2所示，包括以下步骤：
步骤1：计算v/x接线牵引变压器左供电臂瞬时功率pl和右供电臂瞬时功率pr，获得储能集装箱投入运行后，牵引供电系统典型运行工况；
步骤2：为实现两臂负荷平衡和能量的双向流动，根据步骤1中计算得到的四种典型运行工况，推导计算中左右供电臂有功功率分配关系；
步骤3：根据交-直-交结构的负序和谐波电流补偿原理，推导储能集装箱中每重四象限变流器的输出电流参考值；
步骤4：根据步骤3计算得到的输出电流参考值，加入电压电流双闭环产生的有功分量，得到每重四象限变流器的电压调制信号；
步骤5：采用载波移相技术产生脉冲波控制四象限变流器。
其中，
步骤1.计算v/x接线牵引变压器左供电臂瞬时功率pl和右供电臂瞬时功率pr，获得牵引供电系统典型运行工况，包括以下四种：
1-1两供电臂动车组均处于牵引工况，此时超级电容工作在放电状态，为动车组的运行提供部分电能。
1-2两供电臂动车组均处于再生制动工况，超级电容工作在充电状态，两个供电臂动车组产生的制动能量均可通过四象限变流器流入超级电容进行存储。
1-3两个供电臂上的动车组分别处于制动工况和牵引工况，且牵引动车组功率大于制动动车组功率。制动工况动车组产生的再生能量将直接被牵引动车组使用。同时，超级电容处于放电状态，为牵引动车组运行提供部分能量。
1-4两个供电臂上的动车组分别处于制动工况和牵引工况，且牵引动车组功率小于制动动车组功率。制动工况动车组产生的再生能量一部分被牵引工况动车组使用，剩余部分通过变流器流入超级电容进行存储，超级电容工作在充电状态。
步骤2.设动车组处于再生制动工况时有功功率为负(pl<0,pr<0)；处于非制动工况时有功功率为正(pl>0,pr>0)；设储能装置充电时功率为正(pes>0)，储能装置放电时功率为负(pes<0)。在储能装置投入运行后，为实现两供电臂负荷平衡，步骤1中四种典型工况下的有功功率分配关系为
式(1)中，p′l和p′r分别为两臂负荷平衡后的左供电臂和右供电臂的有功功率；
步骤3.计算负序和谐波电流补偿后，每重交-直-交变流器的输出电流参考值，包括：
3-1计算负序和谐波电流完全补偿后左供电臂和右供电臂的参考电流瞬时值i′l和i′r：
式(2)中ul和ur分别为左供电臂和右供电臂基波电压的有效值；cosωt为左供电臂电压同步信号，
3-2计算交-直-交变流器输出补偿电流参考值irl和irr：
式(3)中，il为左供电臂电流实际值，ir为右供电臂电流实际值，k为多绕组降压变压器电压比。
3-3根据式(3)可计算得到每重交-直-交模块的左变流器输出电流参考值为irl/n，右变流器电流参考值为irr/n。
步骤4.加入电压电流双闭环，并计算每重交-直-交变流器调制信号
4-1为保证中间直流环节电压稳定及双向dc/dc变换器的顺利接入，将各重交-直-交变流器中间直流环节电压期望值与检测到的直流电压实际值的差值送入pi调节器后，与左供电臂同步余弦信号cosωt和右供电臂同步余弦信号
4-2将直流侧电压控制的有功电流分量分别与irl/n和irr/n叠加后，与实际检测得到的变流器输出电流做差，并送入pi调节器，求得各重交-直-交变流器调制信号
步骤5.采用载波移相脉宽调制技术对电压指令值