一种电气化铁路牵引网供电构造及其控制方法与流程

本发明属于电气化铁路牵引网供电技术领域。

背景技术：

目前传统的铁路电力系统中铁路用电取自110kv三相交流母线，一方面经过变配电所的三相变压器降压至10kv后输出到贯通线为铁路沿线负荷供电，另一方面经过牵引变电所的三相-两相牵引变压器输出到牵引网为列车供电。

既有铁路的供配电系统虽然结构简单，但是其相较于公用电网10kv配电系统，其负荷比较单一、负载率不高、空载损耗大。尤其是在当前大力发展可再生能源替代化石能源、降低碳排放，实现“能源转型”的大趋势下，可再生能源发电技术研究持续深入，可再生能源种类和应用形式也变得日益复杂，分布式发电凭借其低污染、低成本以及安装地点灵活等特点在配电网中的比重逐年上升，分布式发电以及系统集成技术也得到日益完善。然而现有铁路供配电系统电压变换全部依赖于变压器，电能流向单一，难以接入储能系统，可再生能源在该系统中也很难得到利用。此外，牵引网与贯通线完全隔离，牵引网上大量的再生制动能量也难以得到充分利用。因此传统的铁路供配电系统迫切需要升级换代。

本发明提出的铁路牵引网供电构造方案，可解决或改进上述问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供出一种电气化铁路牵引网供电构造及其控制方法，它能有效地解决不同类型电源接入牵引网以及向交、直流负载供电的技术问题。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种电气化铁路牵引网供电构造，包括牵引网tc以及从牵引变电所引出的交流母线ac-bus和直流母线dc-bus，蓄电池储能系统bat和超级电容储能系统sc以及光伏发电系统pv-dc通过直直变换器dc/dc与直流母线连接，再生制动能量re-e通过多绕组降压变压器mu-t与整流器ac/dc与直流母线连接，牵引网tc通过逆变器dc/ac和直直变换器dc/dc与直流母线连接，直流负载dc-l通过直直变换器dc/dc与直流母线dc-bus连接，风力发电系统wt-ac和交流负载ac-l通过变压器ac/ac与交流母线连接。

本发明的目的是通过以下控制实现的：当牵引网tc无再生制动re-e时，由光伏发电系统pv-dc和风力发电系统wt-ac以最大功率向牵引网tc和交ac-l、直流负载dc-l输出功率，蓄电池储能系统bat通过充/放电操作调节直流母线dc-bus电压，超级电容储能系统sc处于监控交、直流母线状态。当牵引网tc有再生制动时，光伏发电系统和风力发电系统停止向牵引网tc和交、直流负载输出功率，超级电容充电吸收功率，再生制动结束后超级电容放电输出功率，蓄电池处于监控交、直流母线状态。

所述交流母线ac-bus和直流母线dc-bus之间通过双向变换器bid-c连接。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提出的电气化铁路牵引网供电构造方案，既便于交、直流电源接入，也可向交、直流负荷供电，减少供电过程功率转换环节；

2、本发明提出的电气化铁路牵引网供电构造方案，可根据交流大电网运行情况实现并网模式与孤岛模式切换；

3、本发明提出的电气化铁路牵引网供电构造方案，基于双向ac/dc潮流控制器的双向功率流动功能，可实现交流子网与直流子网功率相互支撑。

因此，本发明构成的交直流混合微电网兼具直流微电网和交流微电网的优势，可更加高效地优化不同类型电源、负荷与储能配置。可以负荷具有高度可控性和灵活性、可靠性高、电能质量高，能独立满足各类可再生能源、储能系统和多元负荷的接入，同时充分利用铁路牵引网再生制动能量的电气化铁路牵引网供电系统。该系统可以提高铁路供配电系统的电能质量、可靠性、经济性和运行效率。本发明通过设计光伏、风能、再生制动能量与储能系统接入铁路电网的方案，提出了电气化铁路牵引网供电构造结构。其中光伏发电系统、可再生能量与储能系统接到直流母线上，为牵引网负载和铁路沿线部分直流负载供电；风能发电系统和配电网接入交流母线，为铁路沿线部分交流负载供电，同时系统还可以向配电网输出功率。

附图说明

图1为本发明一种电气化铁路牵引网供电构造图。

图2为本发明的再生制动接入直流母线电路拓扑图。

图3为本发明的牵引网接入直流母线电路拓扑图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明。本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

图1是一种电气化铁路牵引网供电构造，该牵引网同时含有交流母线和直流母线，在为铁路10kv贯通线、铁路27.5kv牵引网供电的同时，还能独立满足各类可再生能源发电系统、储能系统和多元负荷的接入以及实现铁路牵引网再生制动能量的充分利用。具体结构包括：光伏、风力等新能源发电系统与再生制动能量构成的可再生能源系统；蓄电池、超级电容构成的储能系统；各类直流负载和交流负载构成多元负荷系统；交流母线与直流母线；其中各部分具体接入方法：

a、光伏发电系统通过直直变换器dc/dc与直流母线dc-bus连接，直直变换器采用闭环控制策略将光伏电池输出的低压直流电变换为稳定的较高电压等级的直流电接入dc-bus；风力发电系统通过变压器ac/ac与交流母线ac-bus连接；图2所示的再生制动接入直流母线电路可实现再生制动能量的及时消耗利用，再生制动能量通过多绕组降压变压器mtu-1与整流器ac/dc与直流母线连接，其中多绕组变压器mtu-1将27.5kv交流电降压为4路较低电压等级的交流电，接入整流器ac/dc后将交流电整流为直流电接入dc-bus，整流器采用闭环控制策略保证输出直流电的电压稳定。

b、蓄电池储能系统bat通过直直变换器dc/dc与直流母线连接，通过蓄电池的充放电可以保证用户在短时间停电时的供电连续性，并起到平抑电网波动的作用，保证直流母线电压的稳定；超级电容储能系统sc通过直直变换器dc/dc与直流母线连接，在再生制动能量过大时进行调节，减小对直流母线电压的冲击。

c、直流负载通过直直变换器dc/dc与直流母线dc-bus连接；交流负载通过变压器ac/ac与交流母线ac-bus连接；这种将交流负载ac-l、直流负载dc-l分别接入交流母线ac-bus直流母线dc-bus的连接方式省去了换流环节，降低系统运行损耗，提高了能源的利用率。

d、图3所示的直流母线接入牵引网电路拓扑图，直流母线通过逆变器dc/ac和直直变换器dc/dc接入牵引网，这种逆变器前端接入闭环直直变换电路可以抑制直流母线电压波动对牵引网电压的影响，为机车负载提供稳定、高质量的交流电。

e、交流母线ac-bus和直流母线dc-bus之间通过三电平双向变换器bid-c连接实现功率传输，双向功率变换器bid-c通过在直流母线dc-bus和交流母线ac-bus之间传输功率，调节系统内部功率平衡。

图1中的电气化铁路牵引网供电构造，具体结构包括：光伏、风力等新能源发电系统与再生制动能量构成的可再生能源系统；蓄电池、超级电容构成的储能系统；各类直流负载和交流负载构成多元负荷系统；交流母线与直流母线。光伏发电系统pv-dc通过隔离型直直变换器dc/dc与直流母线dc-bus连接，直直变换器采用闭环控制策略将光伏电池输出的低压直流电变换为稳定的较高电压等级的直流电接入直流母线；风力发电系统通过变压器ac/ac与交流母线ac-bus连接；再生制动re-e通过多绕组降压变压器mu-t1与单相电压型整流器ac/dc与直流母线dc-bus连接，其中多绕组变压器将27.5kv交流电降压为4路较低电压等级的交流电，接入单相电压型整流器后将交流电整流为直流电接入直流母线，单相电压型整流器采用闭环控制策略保证输出直流电的电压稳定。蓄电池储能系统bat通过半桥隔离型直直变换器dc/dc与直流母线dc-bus连接，同时结合全控型直直变换器双向控制策略进行充放电，可以保证用户在短时间停电时的供电连续性，并起到平抑电网波动的作用，保证直流母线电压的稳定；超级电容储能系统sc通过隔离型全桥直直变换器dc/dc与直流母线dc-bus连接，在再生制动能量过大时进行调节，减小对直流母线电压的冲击。直流负载dc-l通过半桥隔离型直直变换器dc/dc与直流母线dc-bus连接；交流负载ac-l通过变压器ac/ac与交流母线ac-bus连接；这种将交、直流负载分别接入交、直流母线的连接方式省去了换流环节，降低系统运行损耗，提高了能源的利用率。交流母线ac-bus和直流母线dc-bus之间通过双向变换器连接，双向功率变换器通过在直流母线电压和交流母线之间传输功率，调节系统内部功率平衡。

本发明的电气化铁路牵引网供电构造是通过如下控制实现的，当牵引网tc无再生制动re-e时，由光伏发电系统pv-dc和风力发电系统wt-ac以最大功率向牵引网tc和交ac-l、直流dc-l负载输出功率，蓄电池通过充/放电调节直流母线dc-bus电压，超级电容sc处于监控交、直流母线状态(通过检测交、直流母线电压，随时可以投入工作的状态)。其中，交流母线ac-bus和直流母线dc-bus电压均高于额定电压时时，蓄电池bat充电吸收功率，交流母线向直流母线输出功率；交流母线和直流母线电压均低于额定电压时，蓄电池放电输出功率，直流母线向交流母线传输功率；交流母线电压高于额定电压且直流母线低于额定电压时，蓄电池放电输出功率,交流母线向直流母线传输功率；交流母线电压低于额定电压且直流母线高于额定电压时，蓄电池充电吸收功率,直流母线向交流母线传输功率。当牵引网tc有再生制动时，光伏发电系统和风力发电系统停止向牵引网和交、直流负载输出功率，超级电容充电吸收功率，再生制动结束后超级电容放电输出功率，蓄电池处于监控交、直流母线状态。

本发明提出的一种电气化铁路牵引网供电构造及其控制方法同时含有交流母线和直流母线，在铁路27.5kv牵引网、铁路10kv贯通线供电的同时，还能独立满足各类可再生能源发电系统、储能系统和多元负荷的接入以及实现铁路牵引网再生制动能量的充分利用，达到多种能量来源的互联互通、友好互动目的。该系统具有高度可控性、灵活性和可靠性，可以提高铁路供配电系统的电能质量，经济性和运行效率。