一种三相牵引网分布式发电供电系统及控制方法

1.本发明属于交流电气化铁路供电技术领域，特别涉及一种三相牵引网分布式发电供电系统及控制方法。


背景技术：

2.新能源和可再生能源发电在电力系统中已有大量成功应用案例，铁路系统也进行了初探。在铁路沿线按因地制宜、多能互补等原则推广、应用新能源和可再生能源发电。
3.三相牵引供电作为新一代轨道交通牵引供电方案，供电能力强，是同电压等级架空线路的7倍。相比传统直流牵引供电系统而言，可能避免杂散电流及其危害，能够最大限度直接利用再生制动能量；相比传统交流牵引供电系统而言，可有效解决电分相（无电区）存在带来的不利影响，且不产生负序，用电环境友好。中国专利申请号：201711265295.5公开了《一种三相牵引供电系统》），然而该申请并没有考虑新能源和可再生能源发电接入三相牵引供电系统的方案。
4.分布式新能源和可再生能源发电装置接入牵引网，会涉及到复杂的连接结构和控制方法。在同时存在新能源发电功率、牵引所功率时，如何控制和使用新能源发电功率、牵引所功率，以满足新能源就近消纳，减少“弃风、弃光”现象，提高新能源发电利用率，也是新能源发电装置并网后亟需解决的问题。
5.另外，中国专利202110028103.9公开了《一种同相牵引供电与异地发电并网系统及控制方法》：涉及一处发电系统，且远离牵引变电所，通过供电线将发电装置接入牵引变电所，以此推广到多处异地发电并网系统，则表现为以牵引变电所为中心的辐射状构造，各处发电系统均需通过各自供电线接入牵引变电所。由于铁路呈线状分布，势必造成供电线过长和浪费。考虑到铁路沿线走廊具有安装风光等新能源、可再生能源的巨大优势，本发明利用铁路沿线线状分布走廊进行风光等新能源、可再生能源发电，解决分布式、独立的新能源和可再生能源发电装置接入三相牵引供电系统并进行发电控制的技术问题，同时有利于牵引网电压支撑，通过同相供电延长供电距离，提高列车再生电能利用，增加新能源和可再生能源对牵引负荷的供电，并减少风光新能源和可再生能源弃风、弃光现象。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种三相牵引网分布式发电供电系统，它能有效解决铁路沿线分布式新能源和可再生能源发电装置直接并网接入三相牵引网参与牵引供电的技术问题。
7.本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种三相牵引网分布式发电供电系统，主变电所ms的主母线mba、主母线mbb和主母线mbc通过馈线fa、馈线fb和馈线fc与三相牵引电缆tc相连，三相牵引网tn包括供电轨tna、供电轨tnb和钢轨tnc，牵引变电所的原边与三相牵引电缆tc相连，次边与三相牵引网tn相连，在主变电所ms的主母线mba、主母线mbb、主母线mbc上对应设有电压互感器ya、电压
互感器yb、电压互感器yc，在馈线fa、馈线fb、馈线fc上对应设有电流互感器la、电流互感器lb、电流互感器lc；所述三相牵引网分布式发电供电系统包括沿铁路线走向设置的功率发生装置gi，功率发生装置通过就近的牵引变电所接入三相牵引网tn；主变电所ms设置中央协调控制器ccc，中央协调控制器ccc的测控端经光纤对与功率发生装置的测控端连接，电压互感器ya、电压互感器yb和电压互感器yc的测量端及电流互感器la、电流互感器lb和电流互感器lc的测量端均与中央协调控制器ccc输入端连接；所述牵引变电所的数量为n，具体为牵引变电所ts1、牵引变电所ts2、
…
、牵引变电所tsi、
…
、牵引变电所tsn；牵引变电所tsi包含三相牵引变压器ti,在牵引变电所tsi的牵引母线tbai、牵引母线tbbi和牵引母线tbci上对应设置电压互感器yai、电压互感器ybi和电压互感器yci，电压互感器yai、电压互感器ybi和电压互感器yci的测量端分别通过光纤对sai、光纤对sbi和光纤对sci与中央协调控制器ccc输入端连接，牵引变电所的母线电压为功率发生装置提供支撑电压；所述功率发生装置的数量为n，具体记为功率发生装置g1、功率发生装置g2、
…
、功率发生装置gi、
…
、功率发生装置gn；功率发生装置gi通过导线与牵引变电所tsi内的牵引母线tbai、牵引母线tbbi和牵引母线tbci连接；中央协调控制器ccc的测控端经光纤对sg1、光纤对sg2、
…
、光纤对sgi、
…
、光纤对sgn分别与功率发生装置g1、功率发生装置g2、
…
、功率发生装置gi、
…
、功率发生装置gn的测控端连接，其中，n≥2，i=1,2,3,
…
,n。
8.所述功率发生装置gi包括三相匹配变压器mti、三相交直变换装置gci和新能源发电装置gnei；所述新能源发电装置gnei的数量为h，h≥1，具体记为新能源发电装置gnei1、新能源发电装置gnei2、
…
、新能源发电装置gneih；所述新能源发电装置gnei的直流侧通过直流母线dcbi并联后与三相交直变换装置gci的直流端口连接；三相匹配变压器mti的次边绕组与三相交直变换装置gci交流端口连接，三相匹配变压器mti的原边绕组与牵引变电所tsi的牵引母线tbai、牵引母线tbbi和牵引母线tbci连接。
9.所述功率发生装置gi的测控端的光纤对sgi分别与三相交直变换装置gci的控制端及h个新能源发电装置gnei的控制端连接。
10.所述功率发生装置g1、功率发生装置g2、
…
、功率发生装置gi、
…
、功率发生装置gn的安装容量分别对应为s1、s2、
…
、si、
…
、sn，最大有功发电量分别对应为e1、e2、
…
、ei、
…
、en，最大无功补偿量分别对应为q1、q2、
…
、qi、
…
、qn，满足：。
11.所述新能源发电装置gnei为光伏发电装置、光热发电装置、氢能发电装置、风力发电装置和生物化学能发电装置中的一种或几种。
12.本发明的另一个目的是提供一种基于上述三相牵引网分布式发电供电系统的控制方法，它能有效解决控制分布式新能源发电装置与牵引网并网及支撑牵引网电压的技术问题。
13.本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种三相牵引网分布式发电供电系统的控制方法，包括：中央协调控制器ccc根据n个功率发生装置g1、功率发生装置g2、
…
、功率发生装置gi、
…
、功率发生装置gn的安装容量s1、s2、
…
、si、
…
、sn计算功率发生装置总安装容量s，其中，s；中央协调控制器ccc通过电压互感器ya、电压互感器yb、电压互感器yc和电流互感器la、电流互感器lb、电流互感器lc计量含n个功率发生装置sn的牵引网即时总功
率，并区分用电状态和发电状态；中央协调控制器ccc根据所述含n个功率发生装置sn的牵引网即时总功率和功率发生装置总安装容量s，确定n个功率发生装置sn的总有功发电量e，e≤s；此时，中央协调控制器ccc控制功率发生装置gi发出的有功发电量为ei，ei=e*si/s。
14.所述中央协调控制器ccc通过电压互感器yai、电压互感器ybi和电压互感器yci获取牵引变电所tsi的电压upai、电压upbi和电压upci；并根据电压upai、电压upbi和电压upci控制功率发生装置gi发出无功补偿量qi，其绝对值|qi|≤qi，对牵引网功率因数和牵引变电所的网压进行补偿。
15.所述中央协调控制器ccc具有判断功率发生装置是否存在故障或不具备发电条件的功能，当功率发生装置存在故障或不具备发电条件时，控制功率发生装置退出运行，其中，功率发生装置g1、功率发生装置g2、
…
、功率发生装置gi、
…
、功率发生装置gn之中有p个功率发生装置故障或不具备发电条件，统记为故障功率发生装置gk1、故障功率发生装置gk2、
…
、故障功率发生装置gkz、
…
、故障功率发生装置gkp(kz∈{1,2,3,
…
,n})；1≤p≤n；z=1,2,3,
…
,p；i=1,2,3,
…
,n；i≠kz；中央协调控制器ccc计算未退出运行的功率发生装置的总安装容量sa，sa=；中央协调控制器ccc通过电压互感器ya、电压互感器yb、电压互感器yc和电流互感器la、电流互感器lb、电流互感器lc计量含n
‑
p个功率发生装置的牵引网即时总功率，并区分用电状态和发电状态；中央协调控制器ccc根据所述含n
‑
p个功率发生装置的牵引网即时总功率和功率发生装置的总安装容量sa，确定未退出运行的功率发生装置的总有功发电量ea，ea≤sa；中央协调控制器ccc控制功率发生装置gi发出的有功发电量为eai，eai=ea*si/sa；当功率发生装置存在故障或不具备发电条件时，中央协调控制器ccc重新通过电压互感器yai、电压互感器ybi和电压互感器yci获取未退出运行的功率发生装置gi对应的牵引变电所tsi的电压upaai、电压upabi和电压upaci；再根据电压upaai、电压upabi和电压upaci控制功率发生装置gi发出无功补偿量qai，其绝对值|qai|≤qi，对牵引网功率因数和牵引变电所的网压进行补偿；功率发生装置gi能够分别对有功发电量或无功补偿量进行控制，或者同时对有功发电量和无功补偿量进行控制。
16.本发明的工作原理是：结合铁路沿线走廊新能源和再生能源分布式特点，利用牵引网沿线设置的牵引变电所，将多个功率发生装置分布式接入牵引网，通过检测功率发生装置与电力机车的叠加功率，分配和控制功率发生装置有功和无功出力，实现新能源和可再生能源对牵引负荷的直接供电，并实时支撑牵引网电压，延长供电距离，提高列车再生电能利用率和新能源与可再生能源发电利用率。
17.与现有技术相比，本发明的有益效果是：一、新能源和再生能源能够分布式接入牵引网，有利于铁路沿线新能源和再生能源直接并入牵引网参与牵引供电，而无需通过各自的供电线将新能源和再生能源发电装置接入牵引变电所；二、有利于实时支撑铁路沿线牵引网电压，为列车通行提供良好供电条件；三、有利于延长供电距离，在提高列车再生电能利用的同时，提高新能源和可再生能源利用率，减少“弃风、弃光”现象。
附图说明
18.图1为本发明整体结构示意图。
19.图2为本发明功率发生装置结构示意图。
20.图3为本发明控制方法流程图。
具体实施方式
21.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。
22.实施例1如图1所示，本实施例提供一种三相牵引网分布式发电供电系统，包括主变电所ms、三相牵引电缆tc、牵引变电所和三相牵引网tn，三相牵引网tn沿铁路走行轨铺设，包括供电轨tna、供电轨tnb和钢轨tnc，主变电所ms的主母线mba、主母线mbb和主母线mbc通过馈线fa、馈线fb和馈线fc与三相牵引电缆tc相连，牵引变电所的原边与三相牵引电缆tc相连，次边与三相牵引网tn，在主母线mba、主母线mbb、主母线mbc对应设有电压互感器ya、电压互感器yb、电压互感器yc，在馈线fa、馈线fb、馈线fc对应设有电流互感器la、电流互感器lb、电流互感器lc，三相牵引网分布式发电供电系统还包括沿铁路沿线走向设置的功率发生装置，功率发生装置通过牵引变电所分布式接入三相牵引网tn；主变电所ms设置中央协调控制器ccc，中央协调控制器ccc的测控端经光纤对与功率发生装置的测控端连接，电压互感器ya、电压互感器yb、电压互感器yc测量端以及电流互感器la、电流互感器lb、电流互感器lc的测量端均与中央协调控制器ccc输入端连接。
23.作为优选，所述牵引变电所的数量为n，具体为牵引变电所ts1牵引变电所ts2、
…
、牵引变电所tsi、
…
、牵引变电所tsn；牵引变电所tsi包含三相牵引变压器ti,在牵引变电所tsi的牵引母线tbai、牵引母线tbbi和牵引母线tbci分别设置电压互感器yai、电压互感器ybi、电压互感器yci；电压互感器yai、电压互感器ybi、电压互感器yci的测量端分别通过光纤对sai、sbi和sci与中央协调控制器ccc输入端连接，其中，n≥2，i=1,2,3,
…
,n，牵引变电所的母线电压为功率发生装置提供支撑电压。
24.本实施例中，牵引变电所并行运行，实施双边供电，保证供电的可靠性、灵活性，降低电压损失范围，延长供电距离。当某一牵引变电所因故障失电退出运行时，由相邻牵引变电所进行供电支援。
25.作为优选，所述功率发生装置的数量为n，具体为功率发生装置g1、功率发生装置g2、
…
、功率发生装置gi、
…
、功率发生装置gn；所述功率发生装置gi与牵引变电所tsi的牵引母线tbai、牵引母线tbbi、牵引母线tbci连接；中央协调控制器ccc的测控端经光纤对sg1、光纤对sg2、
…
、光纤对sgi、
…
、光纤对sgn分别与功率发生装置g1、功率发生装g2、
…
、功率发生装gi、
…
、功率发生装gn的测控端连接，n≥2，i=1,2,3,
…
,n。
26.本实施例中，采用三相牵引供电取消了传统牵引供电的电分相，增加牵引网供电距离，新能源发电装置通过牵引变电所分布式接入牵引网，一方面可以就近消纳，促进铁路系统的绿色发展，另一方面也可以避免在通过变电所集中接入牵引网方案中需要长距离输送至变电所带来的线路损耗问题，从而提高新能源利用效率。
27.作为优选，功率发生装置g1、功率发生装置g2、
…
、功率发生装置gi、
…
、功率发生
装置gn的安装容量分别对应为s1、s2、
…
、si、
…
、sn，最大有功发电量分别对应为e1、e2、
…
、ei、
…
、en，最大无功补偿量分别对应为q1、q2、
…
、qi、
…
、qn，满足：。
28.作为优选，复线铁路时，上下行三相牵引网tn通过牵引变电所的次边并联。此实例方式下，上下行牵引网全并联，牵引网电压损失和电能损失最小，有利于提高电网电压水平。
29.实施本例时，通过三相牵引供电延长供电距离，提高列车再生电能利用的同时，增加新能源和可再生能源对牵引负荷的供电，提高新能源和可再生能源利用率，减少风光新能源和可再生能源弃风、弃光等现象。
30.如图2所示，一种三相牵引网分布式发电供电系统，所述功率发生装置gi包括三相匹配变压器mti、三相交直变换装置gci和新能源发电装置gnei；所述新能源发电装置gnei的数量为h，h≥1，具体记为新能源发电装置gnei1、新能源发电装置gnei2、
…
、新能源发电装置gneih；所述新能源装置gnei的直流侧通过直流母线dcbi并联后与三相交直变换装置gci的直流端口连接；三相匹配变压器mti的次边绕组与三相交直变换装置gci交流端口连接，三相匹配变压器mti的原边绕组与牵引变电所tsi的牵引母线tbai、牵引母线tbbi和牵引母线tbci连接，n≥2，i=1,2,3,
…
,n。
31.作为优选，所述功率发生装置gi的测控端的光纤对sgi具体分别与三相交直变换装置gci的控制端及h个新能源发电装置gnei1、新能源发电装置gnei2、
…
、新能源发电装置gneih的控制端相连接。
32.作为优选，新能源发电装置gnei为光伏发电装置、光热发电装置、氢能发电装置、风力发电装置和生物化学能发电装置中的一种或几种。
33.实施本例时，可根据电力部门对牵引供电系统的不同要求选择性设置储能装置。储能装置可为电解水制氢储能、超级电容储能、飞轮储能、液流电池储能和锂电池储能中的一种或几种。若电力部门允许牵引供电系统余电上网时，可不设置储能装置；若电力部门限制牵引供电系统余电上网时，在主变电所ms的主母线mba、主母线mbb和主母线mbc上设置储能装置。通过设置储能装置既有利于提高新能源和可再生能源利用率，同时也可进行牵引负荷削峰填谷，降低基本电费。
34.实施例2如图3所示，本实施例提供一种基于实施例1的三相牵引网分布式发电供电系统的控制方法，应用于中央协调控制器ccc，通过以下技术方案来实现的：所述方法包括：中央协调控制器ccc根据n个功率发生装置g1、功率发生装置g2、
…
、功率发生装置gi、
…
、功率发生装置gn的安装容量s1、s2、
…
、si、
…
、sn计算功率发生装置总安装容量s，其中，s；中央协调控制器ccc通过电压互感器pt和电流互感器ca、电流互感器cb和电流互感器cc计量含n个功率发生装置的牵引网即时总功率，并区分用电状态和发电状态；线路上运行的列车有三种运行工况：牵引、再生和惰行。牵引相当于用电，再生相当于发电，再生的列车可为牵引的列车提供电能。当牵引网所有新能源发电装置发电能量及列车再生能量之和小于列车牵引能量之和，通过电压互感器pt和电流互感器ct计量的牵
引网即时总功率大于0，记为用电状态；当牵引网所有新能源发电装置发电能量及列车再生能量之和大于列车牵引能量之和，则牵引网即时总功率小于0，记为发电状态。发电状态可以是再生的列车产生的，也可以是新能源发电装置产生的。
35.中央协调控制器ccc根据所述含n个功率发生装置的牵引网即时总功率和功率发生装置总安装容量s，确定n个功率发生装置的总有功发电量e，e≤s；此时，中央协调控制器ccc控制功率发生装置gi发出的有功发电量为ei，ei=e*si/s。
36.作为优选，通过电压互感器yai、电压互感器ybi和电压互感器yci获取牵引变电所tsi的电压upai、电压upbi和电压upci；再根据电压upai、电压upbi和电压upci控制功率发生装置gi发出无功补偿量qi，其绝对值|qi|≤qi，对牵引网功率因数和牵引变电所的网压进行补偿。
37.需要说明的是，可根据电力部门对牵引供电系统的不同要求调整总有功发电量e。若电力部门允许牵引供电系统余电上网时，则提高总有功发电量e，控制功率发生装置按最大功率发电；若电力部门限制牵引供电系统余电上网时，则调节总有功发电量e，控制此时的牵引网即时总功率的发电（再生）功率在电力部门的允许范围内。另外，对无功补偿量qi的控制，根据电压upai、电压upbi和电压upci进行全局优化，控制功率发生装置发出满足电压upai、电压upbi和电压upci要求的全局无功补偿量qi。
38.作为优选，中央协调控制器ccc判断功率发生装置是否存在故障或不具备发电条件，当功率发生装置存在故障或不具备发电条件时，功率发生装置退出运行，其中，功率发生装置g1、 功率发生装置g2、
…
、功率发生装置gi、
…
、功率发生装置gn之中有p个功率发生装置故障或不具备发电条件，统记为故障功率发生装置gk1，故障功率发生装置gk2，
…
，故障功率发生装置gkz，
…
，故障功率发生装置gkp(kz∈{1,2,3,
…
,n})；1≤p≤n；z=1,2,3,
…
,p；i=1,2,3,
…
,n；i≠kz；中央协调控制器ccc计算未退出运行的功率发生装置的总安装容量sa，sa=；中央协调控制器ccc通过电压互感器pt和电流互感器ca、电流互感器cb、电流互感器cc计量含n
‑
p个功率发生装置的牵引网即时总功率，并区分用电状态和发电状态；中央协调控制器ccc根据所述含n
‑
p个功率发生装置的牵引网即时总功率和功率发生装置的总安装容量sa，确定未退出运行的功率发生装置的总有功发电量ea，ea≤sa；中央协调控制器ccc控制功率发生装置gi发出的有功发电量为eai，eai=ea*si/sa。
39.作为优选，当功率发生装置存在故障或不具备发电条件时，所述方法还包括：中央协调控制器ccc重新通过电压互感器yai、电压互感器ybi和电压互感器yci获取未退出运行的功率发生装置gi对应的牵引变电所tsi的电压upaai、电压upabi和电压upaci；中央协调控制器ccc根据电压upaai、电压upabi和电压upaci控制功率发生装置gi发出无功补偿量qai，其绝对值|qai|≤qi，对牵引网功率因数和牵引变电所的网压进行补偿。
40.需要说明的是，可根据电力部门对牵引供电系统的不同要求调整总有功发电量ea。若电力部门允许牵引供电系统余电上网时，则提高总有功发电量ea，控制具备发电条件
的功率发生装置按最大功率发电；若电力部门限制牵引供电系统余电上网时，则调节总有功发电量ea，控制此时的牵引网即时总功率的发电（再生）功率在电力部门的允许范围内。另外，对无功补偿量qai的控制，根据电压upaai、电压upabi和电压upaci进行全局优化，控制具备发电条件的功率发生装置发出满足电压upaai、电压upabi和电压upaci要求的全局无功补偿量qai。
41.作为优选，功率发生装置gi能够分别对有功发电量或无功补偿量进行控制，或者同时对有功发电量和无功补偿量进行控制。
42.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。