一种接入牵引变电所的分布式发电系统及控制方法

1.本发明涉及交流电气化铁路供电技术领域，特别涉及一种接入牵引变电所的分布式发电系统及控制方法。


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.中国申请号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》，但该申请只考虑了单点异地发电，并未考虑铁路线路呈线状分布、多种发电系统并存的情况，也不涉及如何将多种分布式发电系统接入牵引供电系统，无法在牵引变电所接入所有分布式新能源和可再生能源发电装置，为此，如何将分布式设置的多种新能源和可再生能源发电装置接入牵引变电所成为值得研究的问题。
4.有相关文献提出将新能源发电装置和储能装置在直流母线进行并接的发电储能方案，该方案用于交流牵引供电领域，降低了新能源发电装置的发电功率对牵引负载供电的利用效率。
5.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。本发明提出一种新系统，沿铁路走向分布式设置的新能源发电装置就近就地接入电力电缆，电力电缆通过馈线接入牵引变电所的牵引母线，同时通过采用中央协调控制器，可以对多个新能源发电装置进行控制。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种接入牵引变电所的分布式发电系统，它能有效地解决分布式新能源发电装置接入牵引供电系统的技术问题。
7.本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种接入牵引变电所的分布式发电系统，包括牵引变电所ts和牵引网，牵引变电所ts的牵引侧通过导线分别与牵引母线tb1、牵引母线tb2连接，牵引母线tb1通过馈线tf1与牵引网的r线相连，牵引母线tb2通过馈线tf2与牵引网的t线相连，牵引母线tb1与牵引母线tb2之间设有电压互感器pt，馈线tf2设有电流互感器ct1，沿铁路走向平行敷设电力电缆cp线、电力电缆cn线，沿电力电缆cp线设置n个新能源发电装置，具体记为新能源发电装置g1、新能源发电装置g2、新能源发电装置gi、
…
、新能源发电装置gn；新能源发电装置gi正极通过馈线gpi与就近的电力电缆cp线连接、负极通过馈线gni与就近的电力电缆cn线连接；所述电力电缆cp线、电力电缆cn线在牵引变电所ts处分别通过馈线tg2、馈线tg1与牵引母线tb2、牵引母线tb1连接，馈线tg2设有电流互感器ct2；牵引变电所ts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sa1、光纤对sa2、光纤对sai、
…
、光纤对san分别与新能源发电装置g1、新能源发电装置
g2、新能源发电装置gi、
…
、新能源发电装置gn的测控端连接，电压互感器pt的测量端及电流互感器ct1和电流互感器ct2的测量端与中央协调控制器ccc输入端连接；其中，n≥2，i=1,2,3,
…
,n。
8.所述新能源发电装置g1、新能源发电装置g2、新能源发电装置gi、
…
、新能源发电装置gn为光伏发电系统、氢能发电系统、风力发电系统和生物化学能发电中的一种或几种。
9.牵引变电所ts处设置能量存储装置tes，能量存储装置tes分别与牵引母线tb1、牵引母线tb2连接，中央协调控制器ccc的测控端经光纤对ses与能量存储装置tes的测控端连接。
10.所述能量存储装置tes包括单相储能变压器、单相储能变流器、直流母线、燃料电池直直变换器、电解水直直变换器、电解水制氢储能单元和燃料电池发电单元；所述单相储能变压器的高压侧两端分别与牵引母线tb1和牵引母线tb2连接，所述单相储能变压器的低压侧与单相储能变流器交流侧连接，单相储能变流器直流侧与直流母线连接；电解水直直变换器一侧与直流母线连接，另一侧与电解水制氢储能单元连接；燃料电池直直变换器一侧与直流母线连接，另一侧与燃料电池发电单元连接；电解水制氢储能单元储存的氢气供给燃料电池发电单元。
11.所述能量存储装置tes还包括超级电容直直变换器、锂电池直直变换器、超级电容储能单元和锂电池储能单元；超级电容直直变换器一侧与直流母线连接，另一侧与超级电容储能单元连接；锂电池直直变换器一侧与直流母线连接，另一侧与锂电池储能单元连接。
12.本发明的另一个目的是提供一种基于上述接入牵引变电所的分布式发电系统的控制方法，它能有效地解决控制新能源发电装置与牵引供电系统并网的技术问题。
13.本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种接入牵引变电所的分布式发电系统的控制方法，包括：中央协调控制器ccc判断是否存在故障的新能源发电装置，如果存在，控制故障的新能源发电装置退出运行；中央协调控制器ccc控制处于正常工况的新能源发电装置独立自主发电运行。
14.所述中央协调控制器ccc控制处于正常工况的新能源发电装置独立自主发电运行包括：中央协调控制器ccc获取电压互感器pt测得的电压信号及电流互感器ct1测得的第一电流信号；根据获取的电压信号和第一电流信号计算牵引网功率p1，其中，牵引网功率p1流向牵引网为牵引功率,记为正，有功功率流向牵引变电所ts为反馈功率，记为负；中央协调控制器ccc根据牵引网功率p1控制新能源发电装置的输出功率pm。
15.所述根据牵引网功率p1控制新能源发电装置的输出功率pm包括：当牵引网功率p1为负数时，若电力部门允许牵引供电系统余电上网，中央协调控制器ccc控制新能源发电装置的输出功率pm为min（ptn+p1+ptss，pmmax）；若电力部门不允许牵引供电系统余电上网，则中央协调控制器ccc控制新能源发电装置的输出功率pm为min(ptss, pmmax)；其中，ptn为牵引变电所ts的额定功率，pmmax为新能源发电装置的最大发电功率, ptss为能量存储装置tes即时储能功率；min（*）代表求最小值；当牵引网功率p1为正数时，若电力部门允许牵引供电系统余电上网，中央协调控制器ccc控制新能源发电装置的输出功率pm为min（ptn+p1+ptss，pmmax）；若电力部门不允
许牵引供电系统余电上网，中央协调控制器ccc控制新能源发电装置的输出功率pm为min（p1+ptss，pmmax）；所述能量存储装置tes即时储能功率ptss由下式确定：其中，为锂电池储能单元额定功率、为超级电容储能单元额定功率、为电解水制氢储能单元额定功率；其中，为二值函数，中央协调控制器ccc获取能量存储装置tes工作状态，当锂电池储能单元具备储能能力时，设置为1，反之设置为0；当超级电容储能单元具备储能能力时，设置为1，反之设置为0；当电解水制氢储能单元具备储能能力时，设置为1，反之设置为0。
16.所述控制方法还包括：中央协调控制器ccc获取电流互感器ct2测得的第二电流信号；根据获取的电压信号和第二电流信号计算新能源发电装置的实际发出功率p2；判断新能源发电装置的实际发出功率p2是否满足要求，如果否，调整新能源发电装置的实际发出功率p2。
17.所述控制方法还包括：中央协调控制器ccc根据获取的电压信息、第一电流信息和第二电流信息控制能量存储装置tes运行于储能或释能工况；当牵引网功率p1为负数时，若电力部门不允许牵引供电系统余电上网时，控制能量存储装置tes运行于储能工况；若电力部门允许牵引供电系统余电上网，且当ptn+p1<pmmax时，控制能量存储装置tes运行于储能工况；当牵引网功率p1为正数时，若电力部门不允许牵引供电系统余电上网时，且当p1<pmmax时，控制能量存储装置tes运行于储能工况；若电力部门允许牵引供电系统余电上网时，且当ptn+p1<pmmax，控制能量存储装置tes运行于储能工况；当牵引网功率p1为正数时，且当p1>pref>pmmax时，控制能量存储装置tes运行于释能工况；其中，pref为牵引变电所ts削峰功率阈值。
18.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，将多个新能源发生装置分布式接入专用牵引电缆，通过牵引电缆集中接入牵引变电所。通过实时监测电力机车负载功率，动态控制新能源发电装置实际发出功率，优先使用新能源发电功率，其次使用牵引所功率，有利于新能源就近消纳，减少“弃风、弃光”现象，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。
19.与现有技术相比，本发明的有益效果是：一、本发明针对铁路线路呈现状分布，多个发电系统并存的情况，采用专用牵引电缆将多个新能源发生装置分布式接入牵引变电所，通过专用牵引电缆集中接入牵引变电所，从而解决了如何将多个分布式发电系统接入牵引供电系统，无法在牵引变电所处接入所有分布式新能源和可再生能源发电装置的问题。
20.二、通过实时监测电力机车负载功率，动态控制新能源发电装置实际发出功率，优先使用新能源发电功率，其次使用牵引所功率，有利于新能源就近消纳，减少“弃风、弃光”现象，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。
21.三、本发明将新能源发电装置在牵引母线上与储装置进行并接，新能源发电可直
接对交流牵引负载供电，能有效提高新能源发电的利用效率。
附图说明
22.图1为本发明示意图。
23.图2为本发明能量存储装置tes示意图。
24.图3为本发明控制方法流程图。
25.在图2中，涉及的标记分别为：1
‑
单相储能变压器、2
‑
单相储能变流器、3
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直流母线、4
‑
超级电容直直变换器、5
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超级电容储能单元、6
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锂电池直直变换器、7
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锂电池储能单元、8
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燃料电池直直变换器、9
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燃料电池发电单元、10
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电解水直直变换器、11
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电解水制氢储能单元。
具体实施方式
26.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。
27.实施例1如图1所示，本实施例提供一种接入牵引变电所的分布式发电系统，包括牵引变电所ts和牵引网，牵引变电所ts的牵引侧分别与牵引母线tb1、牵引母线tb2连接，牵引母线tb1通过馈线tf1与牵引网的r线相连，牵引母线tb2通过馈线tf2与牵引网的t线相连，牵引母线tb1与牵引母线tb2之间设有电压互感器pt，馈线tf2设有电流互感器ct1，沿铁路走向平行敷设电力电缆cp线、电力电缆cn线，沿电力电缆cp线设置n个新能源发电装置，具体记为新能源发电装置g1、新能源发电装置g2、新能源发电装置gi、
…
、新能源发电装置gn；牵引变电所ts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sa1、光纤对sa2、光纤对sai、
…
、光纤对san分别与新能源发电装置g1、新能源发电装置g2、新能源发电装置gi、
…
、新能源发电装置gn的测控端连接，电压互感器pt的测量端及电流互感器ct1和电流互感器ct2的测量端与中央协调控制器ccc输入端连接；其中，n≥2，i=1,2,3,
…
,n。所述新能源发电装置g1正极通过馈线gp1与就近的电力电缆cp线连接、负极通过馈线gn1与就近的电力电缆cn线连接，所述新能源发电装置g2正极通过馈线gp2与就近的电力电缆cp线连接、负极通过馈线gn2与就近的电力电缆cn线连接，
…
，所述新能源发电装置gn正极通过馈线gpn与就近的电力电缆cp线连接、负极通过馈线gnn与就近的电力电缆cn线连接，所述电力电缆cp线、电力电缆cn线在牵引变电所ts处分别通过馈线tg2、馈线tg1与牵引母线tb2、牵引母线tb1连接，馈线tg2设有电流互感器ct2；牵引变电所ts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sa1、光纤对sa2、光纤对sai、
…
、光纤对san分别与新能源发电装置g1、新能源发电装置g2、新能源发电装置gi、
…
、新能源发电装置gn的测控端连接，电压互感器pt的测量端以及电流互感器ct1、电流互感器ct2的测量端均与中央协调控制器ccc输入端连接；其中，n≥2。
28.本实施例中，牵引网的r线可以接地，各个新能源发电装置根据实际情况沿铁路走向设置，为了方便接入，本实施例采用就近就地原则将各个新能源发电装置接入电力电缆。
29.作为优选，所述新能源发电装置g1、新能源发电装置g2、新能源发电装置gi、
…
、新能源发电装置gn为光伏发电系统、风力发电系统和生物化学能发电中的一种或几种。
30.这里，新能源发电装置g1可以为光伏发电系统、风力发电系统和生物化学能发电中的一种或几种，新能源发电装置g2可以为光伏发电系统、风力发电系统和生物化学能发电中的一种或几种，新能源发电装置gi可以为光伏发电系统、风力发电系统和生物化学能发电中的一种或几种，
…
，新能源发电装置gn可以为光伏发电系统、风力发电系统和生物化学能发电中的一种或几种。
31.作为优选，牵引变电所ts处设置能量存储装置tes，能量存储装置tes与牵引母线tb1和牵引母线tb2连接，中央协调控制器ccc的测控端经光纤对ses与能量存储装置tes的测控端连接。
32.如图2所示，本实施例中的能量存储装置tes包括单相储能变压器1、单相储能变流器2、直流母线3、燃料电池直直变换器8、电解水直直变换器10、电解水制氢储能单元11和燃料电池发电单元9；所述单相储能变压器1的高压侧两端分别与牵引母线tb1和牵引母线tb2连接，所述单相储能变压器1的低压侧与单相储能变流器2交流侧连接，单相储能变流器2直流侧与直流母线3连接；电解水直直变换器10一侧与直流母线3连接，另一侧与电解水制氢储能单元11连接；燃料电池直直变换器8一侧与直流母线3连接，另一侧与燃料电池发电单元9连接；电解水制氢储能单元11储存的氢气供给燃料电池发电单元9。
33.实施本实施例时，将电解水制氢储能单元11和燃料电池发电单元9结合起来，一方面通过电解水制氢储能单元11能够实现储能作用，另一方面可以利用电解水制氢储能单元11产生的氢气为燃料电池发电单元9提供燃料，实现发电并提供电能的作用，从而提高能源利用率。
34.作为优选，所述能量存储装置tes还包括超级电容直直变换器4、锂电池直直变换器6、超级电容储能单元5和锂电池储能单元7；超级电容直直变换器4一侧与直流母线3连接，另一侧与超级电容储能单元5连接；锂电池直直变换器6一侧与直流母线3连接，另一侧与锂电池储能单元7连接。
35.实施本实施例时，牵引变电所ts处设置的能量存储装置tes，可以是电解水制氢储能单元11、燃料电池发电单元9、超级电容储能单元5、锂电池储能单元7以及对应的直直变换器其中部分组合，也可以包括上述所有的储能单元、燃料电池发电单元9以及对应的直直变换器。
36.本实施例中，将牵引变电所ts设置为同相牵引变电所，可以延长供电距离，提高列车再生电能的利用，接入新能源发电装置g1、新能源发电装置g2、新能源发电装置gi、
…
、新能源发电装置gn，可以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。还需要说明的是，牵引变电所ts为单相同相、单单组合式同相和单三组合式同相中的一种。同相牵引变电所的设置依据外部电源情况合理选择。根据gb/t 15543
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2008中对电压不平衡度限值要求，电力系统公共连接点电压不平衡度限值为：电网正常运行时，负序电压不平衡度不超过2%，短时不得超过4%。对于公共连接点的每个用户引起该点负序电压不衡度允许值一般为1.3%，短时不超过2.6%。而牵引负荷的三相电压不平衡度可用负序功率与公共连接点电力系统短路容量的比值描述。因此，在牵引负荷一定的情况下，电力系统短路容量直接决定了电压不衡度水平。若外部电源短路容量大，采用单相同相供电即可满足以负序为主的电能质量要求；若外部电源短路容量较小，采用单相同相供电不能满足电能质量要求时，可采用组合式同相供电（可参考专利文件201310227591.1公开的
一种单相组合式同相供变电构造），对电能质量加以补偿使之在国标范围内，推荐采用单单组合式同相供电，利用既有条件时可考虑单三组合式同相供电（可参考专利文件201210583674.x公开的一种单相三相组合式同相供变电装置）。
37.实施例2如图3所示，本实施例提供一种基于实施例1所提供接入牵引变电所的分布式发电系统的控制方法，应用于中央协调控制器ccc，通过以下技术方案来实现，具体涉及如下步骤：步骤s1：中央协调控制器ccc判断是否存在故障的新能源发电装置，如果存在，控制故障的新能源发电装置退出运行；步骤s2：中央协调控制器ccc控制处于正常工况的新能源发电装置独立自主发电运行。
38.优选地，如图3所示，所述中央协调控制器ccc控制处于正常工况的新能源发电装置独立自主发电运行，即步骤s2包括：步骤s21：中央协调控制器ccc获取电压互感器pt测得的电压信号及电流互感器ct1测得的第一电流信号；步骤s22：根据获取的电压信号和第一电流信号计算牵引网功率p1，其中，牵引网功率p1流向牵引网为牵引功率,记为正，有功功率流向牵引变电所ts为反馈功率，记为负；步骤s23：根据牵引网功率p1控制新能源发电装置的输出功率pm。
39.作为优选，所述根据牵引网功率p1控制新能源发电装置的输出功率pm，即步骤s23包括：步骤s231：当牵引网功率p1为负数时，若电力部门允许牵引供电系统余电上网，中央协调控制器ccc控制新能源发电装置的输出功率pm为min（ptn+p1+ptss，pmmax）；若电力部门不允许牵引供电系统余电上网，则中央协调控制器ccc控制新能源发电装置的输出功率pm为min(ptss, pmmax)；其中，ptn为牵引变电所ts的额定功率，pmmax为新能源发电装置的最大发电功率, ptss为能量存储装置tes即时储能功率；min（*）代表求最小值。
40.步骤s232：当牵引网功率p1为正数时，若电力部门允许牵引供电系统余电上网，中央协调控制器ccc控制新能源发电装置的输出功率pm为min（ptn+p1+ptss，pmmax）；若电力部门不允许牵引供电系统余电上网，中央协调控制器ccc控制新能源发电装置的输出功率pm为min（p1+ptss，pmmax）。
41.所述能量存储装置tes即时储能功率ptss由下式确定：其中，为锂电池储能单元额定功率、为超级电容储能单元额定功率、为电解水制氢储能单元额定功率。其中，为二值函数，中央协调控制器ccc获取能量存储装置tes工作状态，当锂电池储能单元具备储能能力时，设置为1，反之设置为0；当超级电容储能单元5具备储能能力时，设置为1，反之设置为0；当电解水制氢储能单元11具备储能能力时，设置为1，反之设置为0。
42.这里，输出功率pm为min（ptn+p1+ptss，pmmax）是指输出功率pm为ptn+p1+ptss、pmmax这两者中较小的值，相应地，输出功率pm为min（p1+ptss，pmmax）是指输出功率pm为p1
+ptss、pmmax这两者中较小的值。
43.为了更好的理解，如图3所示，步骤s23还包括以下步骤：步骤sp1：判断牵引网功率p1是否为负数，如果是，进行步骤sp2，否则进行步骤sp5；步骤sp2：判断电力部门是否允许牵引供电系统余电上网，如果是，进行步骤sp3,否则进行步骤sp4；步骤sp3：中央协调控制器ccc控制新能源发电装置的输出功率pm为min（ptn+p1+ptss，pmmax）；其中，ptn为牵引变电所ts的额定功率，pmmax为新能源发电装置的最大发电功率；步骤sp4：中央协调控制器ccc控制新能源发电装置的输出功率pm为min(ptss, pmmax)；步骤sp5：判断电力部门是否允许牵引供电系统余电上网，如果是，进行步骤sp6，否则进行步骤sp7；步骤sp6：中央协调控制器ccc控制新能源发电装置的输出功率pm为min（ptn+p1+ptss，pmmax）；步骤sp7：中央协调控制器ccc控制新能源发电装置的输出功率pm为min（p1+ptss，pmmax）。
44.作为优选，所述控制方法还包括：步骤s24：中央协调控制器ccc获取电流互感器ct2测得的第二电流信号；步骤s25：根据获取的电压信号和第二电流信号计算新能源发电装置的实际发出功率p2；步骤s26：判断新能源发电装置的实际发出功率p2是否满足要求，如果不满足，调整新能源发电装置的实际发出功率p2。
45.这里，步骤s26中判断新能源发电装置的实际发出功率p2是否满足要求可以是指，实际发出功率p2是否满足步骤s231或步骤s232中对输出功率pm的要求。
46.作为优选，所述控制方法还包括：中央协调控制器ccc根据获取的电压信息、第一电流信息和第二电流信息控制能量存储装置tes运行于储能或释能工况。
47.当牵引网功率p1为负数时，若电力部门不允许牵引供电系统余电上网时，控制能量存储装置tes运行于储能工况；若电力部门允许牵引供电系统余电上网，且当ptn+p1<pmmax时，控制能量存储装置tes运行于储能工况。
48.当牵引网功率p1为正数时，若电力部门不允许牵引供电系统余电上网时，且当p1<pmmax时，控制能量存储装置tes运行于储能工况；若电力部门允许牵引供电系统余电上网时，且当ptn+p1<pmmax，控制能量存储装置tes运行于储能工况。
49.当牵引网功率p1为正数时，且当p1>pref>pmmax时，控制能量存储装置tes运行于释能工况。其中，pref为牵引变电所ts削峰功率阈值。
50.牵引变电所ts削峰功率阈值pref根据列车运行图和牵引负荷数据确定，目的是对牵引负荷进行实时削峰，从而降低牵引负荷最大需量，节省牵引变电所基本电费。
51.这里，当在实施例1所提供的接入牵引变电所的分布式发电系统中设置有能量存储装置tes时，如果电力部门不允许牵引供电系统余电上网，新能源发电装置发出的电能除
了为列车提供牵引功率外，多余能量可以通过能量存储装置tes进行存储，相应地，当列车制动产生的制动能也可以通过能量存储装置tes进行存储，另外，当新能源发电装置发出的电能不能满足列车牵引用电时，如果能量存储装置tes内存储有电能，在牵引用电处于峰值时控制能量存储装置tes释能为列车提供牵引功率。
52.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。