一种电气化铁路储能同相供电装置及其控制方法与流程

本发明涉及一种电气化铁路牵引供电技术领域，尤其涉及电气化铁路同相供电和电力系统削峰填谷负荷管理及电能质量控制技术领域。

背景技术：

削峰填谷是电力系统负荷管理的重要举措，对于电网而言，削峰有利于提高发输变电设备利用率，节省设备扩容、更新费用，降低供电成本，对于一般用户而言，可以利用峰谷差价取得降低电费的经济效益。储能系统具备电能储存和释放的双重功能，即具有对负荷削峰和填谷的双重作用，其中电池储能系统、超级电容储能系统及其混合储能系统有着独到的优势，在实际应用中发挥着不可替代的、巨大作用，并在发挥着越来越大的作用。

电气化铁路属于大宗工业用户，牵引负荷波动剧烈。技术上，负荷峰值引起电能质量问题并备受关注，例如，由于相对于三相电网企业负荷具有单相性而产生负序，因负序造成的电压不平衡为主的电能质量问题较为突出，国标中电压不平衡度的两个限值(见gb/t15543—2008电能质量三相电压不平衡)就是分别针对负荷峰值和95％概率最大值制定的，另一个国标关于谐波允许值的两个限值也是如此；经济上，负荷峰值与两部制电价中主变压器容量计费和最大需量计费密切相关，铁路用户将付出额外代价，直接关系着用户效益。因此削峰—降低负荷峰值具有技术经济兼优的潜力：既可以降低负序、谐波等不良影响，改善电能质量，又可以在执行两部制电价中取得效益，即或者降低最大需量取得效益，或者降低主变压器容量进而降低固定容量收费来取得效益。

理论和实践均表明，电气化铁路牵引变电所同相供电装置在取消分相的同时能有效地解决负序等电能质量问题，电池等储能系统能有效地进行负荷削峰填谷，现在要解决的技术问题是：以削峰为主兼顾负序治理，当负序治理不达标时，再行补充，并且做到技术经济兼优。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种电气化铁路储能同相供电装置，它能有效地解决牵引负荷削峰与负序治理相统一的设备的技术问题。

本发明的另一个目的是提供一种电气化铁路储能同相供电装置的控制方法，它能有效地解决在削峰与负序治理相统一的控制与管理的技术问题，并使负序治理达到国标要求。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种电气化铁路储能同相供电装置，包括高压匹配变压器、系统交直变流器、储能器、牵引交直变流器、电压互感器、电流互感器及测控单元；牵引主变压器原边连接三相高压电网，次边连接牵引母线和地；牵引母线经馈线连接牵引网给列车供电；高压匹配变压器原边连接三相高压电网；高压匹配变压器与牵引主变压器的电压相位呈90°；电压互感器测量牵引母线对地电压；电流互感器测量馈线负荷；系统交直变流器的交流端口连接高压匹配变压器次边，牵引交直变流器的交流端口连接牵引母线和地，或者牵引交直变流器的交流端口经牵引匹配变压器连接牵引母线连接和地；系统交直变流器的直流端口和牵引交直变流器的直流端口均与储能器连接。

所述电压互感器的测量端、电流互感器的测量端连接测控单元输入接口，测控单元输出接口与系统交直变流器的控制端、牵引交直变流器的控制端相连接。

本发明的另一个目的是通过以下技术方案来实现的，一种电气化铁路储能同相供电装置的控制方法：测控单元经电压互感器和电流互感器获得牵引负荷功率，并计算往日牵引负荷的均值，统计往日牵引负荷的最大值；选择：均值≤基准值＜最大值；高于基准值的负荷功率曲线为峰，低于基准值的负荷功率曲线为谷；以牵引负荷削峰为目标；(a)当牵引负荷功率＜基准值时，测控单元控制系统交直变流器整流、牵引交直变流器待机，系统交直变流器给储能器充电，此时整流充电的功率＝此时基准值与牵引负荷功率之差；或者，当牵引负荷功率＜0即为再生反馈时，测控单元控制牵引交直变流器整流、系统交直变流器待机，牵引交直变流器给储能器充电，此时整流充电的功率＝此时再生反馈功率；当0＜牵引负荷功率＜基准值时，测控单元控制系统交直变流器整流、牵引交直变流器待机，系统交直变流器给储能器充电，此时整流充电的功率＝此时基准值与牵引负荷功率之差；(b)当牵引负荷功率＞基准值时，测控单元控制牵引交直变流器逆变、系统交直变流器待机，使储能器放电，牵引交直变流器将逆变后的交流电馈入牵引母线，此时放电逆变的功率＝此时牵引负荷功率与基准值之差；(c)当牵引负荷功率＝基准值时，系统交直变流器和牵引交直变流器均待机。

如果负荷削峰没有达到电压不平衡度国标限值要求，则测控单元同时控制系统交直变流器处于整流工况，同时控制牵引交直变流器处于逆变工况，在三相高压电网和牵引母线之间形成另一个与牵引主变压器并联的功率传递通路，即经高压匹配变压器、系统交直变流器和牵引交直变流器的交直交功率通路，以补偿负序功率，使电压不平衡度达到国标限值要求。

考虑到牵引负荷波动具有剧烈波动的鲜明特点，峰谷交替频繁，要求储能器具有较高的充放电循环次数，以保证较长的使用寿命。因此储能器应优先考虑超级电容器。

本发明的工作原理是：电气化铁路牵引负荷波动剧烈，许多技术和经济问题都伴随着牵引负荷峰值同时出现的：经济上，负荷峰值与行两部制电价中的主变压器容量计费和最大需量计费密切相关，直接影响用户效益；技术上,牵引负荷峰值引起的电能质量问题备受关注，如《gb/t15543—2008电能质量三相电压不平衡》中规定了短时(最大值)电压不平衡作为限值。因此削峰—降低负荷峰值可以在降低电费、取得经济效益的同时，治理负序、改善电能质量，做到技术经济兼优。电气化铁路运行图以日为单位，周期性极强，参考以往日牵引负荷的均值进行削峰填谷具有较好的稳定性和准确性。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

一、削峰—降低牵引负荷峰值可以在降低电费、取得经济效益的同时，治理负序、改善电能质量，做到技术经济兼优。

二、在削峰没有达到电压不平衡度国标限值要求时，开通三相高压电网和牵引母线之间的系统交直变流器与牵引交直变流器形成的交直交通路转移负荷，进一步补偿负序功率，使电压不平衡度达到国标限值要求。

三、技术先进，易于实施。

附图说明

图1是本发明实施例的结构示意图。

图2是本发明实施例的测控单元连接关系示意图。

图3是本发明实施例的控制方法与控制流程之一示意图。

图4是本发明实施例的控制方法与控制流程之二示意图。

具体实施方式

实施例

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的描述。

图1示出，本发明的一种具体实施方式为：一种电气化铁路储能同相供电装置，包括高压匹配变压器1、系统交直变流器2、储能器3、牵引交直变流器4、电压互感器5、电流互感器6及测控单元7；牵引主变压器8原边连接三相高压电网abc，次边连接牵引母线9和地；牵引母线9经馈线10连接牵引网给列车供电；高压匹配变压器1原边连接三相高压电网abc；高压匹配变压器1与牵引主变压器8的电压相位呈90°；电压互感器5测量牵引母线9对地电压；电流互感器6测量馈线10负荷；系统交直变流器2交流端口连接高压匹配变压器1次边，牵引交直变流器4交流端口连接牵引母线9和地，系统交直变流器2直流端口和牵引交直变流器4直流端口均与储能器3连接。

图2是本发明实施例的测控单元连接关系示意图。测控单元7输入接口与电压互感器5的测量端、电流互感器6的测量端相连接，测控单元7输出接口与系统交直变流器2的控制端、牵引交直变流器4的控制端相连接。

图3是本发明实施例的控制方法与控制流程之一示意图。循环测控单元7经电压互感器5和电流互感器6获得牵引负荷功率，并计算往日(如7日)牵引负荷的均值，统计往日(如7日)牵引负荷的最大值；选择：均值≤基准值＜最大值；高于基准值的负荷功率曲线为峰，低于基准值的负荷功率曲线为谷；以负荷削峰为目标；取时间t步长△(s)，当时刻t牵引负荷功率＜基准值时，测控单元7命令系统交直变流器2整流、牵引交直变流器4待机，系统交直变流器2给储能器3充电，此时整流充电的功率＝此时基准值与牵引负荷功率之差；当牵引负荷功率＞基准值时，测控单元7命令牵引交直变流器4逆变、系统交直变流器2待机，使储能器3放电，牵引交直变流器2将逆变后的交流电馈入牵引母线9，此时放电逆变的功率＝此时牵引负荷功率与基准值之差；当牵引负荷功率＝基准值时，系统交直变流器2和牵引交直变流器4均待机；以日(24h)为单位循环。

图4是本发明实施例的控制方法与控制流程之二示意图。测控单元7经电压互感器5和电流互感器6获得牵引负荷功率，并计算往日(如7日)牵引负荷的均值，统计往日(如7日)牵引负荷的最大值；选择：均值≤基准值＜最大值；高于基准值的负荷功率曲线为峰，低于基准值的负荷功率曲线为谷；以牵引负荷削峰为目标；取时间t步长△(s)，当时刻t牵引负荷功率＜0即为再生反馈时，测控单元7控制牵引交直变流器4整流、系统交直变流器2待机，给储能器3充电，此时整流充电的功率＝此时再生反馈功率；当0＜牵引负荷功率＜基准值时，测控单元7控制系统交直变流器2整流、牵引交直变流器4待机，系统交直变流器2给储能器3充电，此时整流充电的功率＝此时基准值与牵引负荷功率之差；当牵引负荷功率＞基准值时，测控单元7控制牵引交直变流器4逆变、系统交直变流器2待机，使储能器3放电，牵引交直变流器4将逆变后的交流电馈入牵引母线9，此时放电逆变的功率＝此时牵引负荷功率与基准值之差；当牵引负荷功率＝基准值时，系统交直变流器2和牵引交直变流器4均待机；以日(24h)为单位。

可见，图4中的牵引负荷功率＜0与0＜牵引负荷功率＜基准值工况是图3中的牵引负荷功率＜基准值工况的细化，所不同的是，图3中的再生反馈(负荷功率＜0)的功率要经过牵引主变压器8再到系统交直变流器2和储能器3，这样会被牵引主变压器8原边的电表计量，同时还会增加功率损失。

如果负荷削峰没有达到电压不平衡度国标限值要求，则测控单元同时控制系统交直变流器处于整流工况，同时控制牵引交直变流器处于逆变工况，在三相高压电网和牵引母线之间形成另一个与牵引主变压器8并联的功率传递通路，即经高压匹配变压器1、系统交直变流器2和牵引交直变流器4的交直交功率通路，以补偿负序功率，使电压不平衡度达到国标限值要求。

考虑到牵引负荷波动具有剧烈波动的鲜明特点，峰谷交替频繁，要求储能器3具有较高的充放电循环次数，以保证较长的使用寿命。因此储能器3应优先考虑超级电容器。