计及再生制动能量回收和电能质量改善的铁路背靠背混合储能系统及其控制方法

为有效回收电气化铁路交流传动型机车产生的大量再生制动电能,同时兼顾改善牵引供电系统电能质量的目的,提出一种背靠背混合储能系统及其控制方法。首先,理论分析系统整体能量分配关系及优化补偿机理;然后,逐一提出混合储能系统目标出力值分配策略,含电能质量指标参数约束的背靠背变流器优化补偿数学模型及限幅功率动态调整的混合储能系统内部协调控制策略,共同构成该系统的复合优化控制方法;最后,基于预设工况及某牵引变电站典型日实测负荷数据,从功率流分配、电能质量改善效果、蓄电池/超级电容全时间段出力情况、不同储能混合度下的制动电能回收率等方面进行仿真分析与验证。结果表明:所提系统及其控制方法能够协调控制制动能量多向按需转移、存储和释放,实现了再生制动能量的合理利用;能够有效降低系统侧负序电流、提高平均功率因数;同时,不同储能介质间能够进行合理的功率分配,有利于提高混合储能系统供电可靠性及长期稳定运行的能力。     

计及电网电压不平衡的储能型铁路功率调节器负序优化补偿策略

针对偏远地区电网电压不平衡条件下牵引供电系统负序补偿及再生制动能量回收利用问题,基于储能型铁路功率调节器,提出一种在补偿装置容量有限时,计及电网电压不平衡条件的再生制动能量利用及负序综合补偿优化策略。分析了电网电压不平衡时储能型铁路功率调节器负序完全补偿机理,引入储能系统补偿系数,有功、无功电流补偿系数,以负序补偿度和牵引变电所补偿容量及供电臂负荷平衡度作为优化目标,提出储能型铁路功率调节器优化补偿模型。采用序列二次规划法对优化模型进行求解,最后通过仿真验证,表明该策略可以在电网电压不平衡时,使电网侧负序不平衡度降低的同时提高再生制动能量利用率,减少牵引负荷对牵引变电所的能量需求。     

城轨交通混合型再生制动能量利用系统及其控制策略

针对城轨交通再生制动能量利用问题,结合城轨交通供电系统负荷特性,提出一种含能馈系统与储能系统的混合型再生制动能量利用系统及其控制策略。结合城轨交通供电系统架构与负荷特性,提出混合型再生制动能量利用系统拓扑结构并分析其运行原理。以充分利用再生制动能量为目标制定系统能量管理策略,实现在多种运行模式和运行工况下的功率潮流管理。提出计及牵引网母线电压控制和系统动态功率分配的分层控制策略。通过仿真分析验证所提系统及其控制策略的正确性和有效性,并借助相关技术指标和经济性指标对不同再生制动能量利用方案进行对比。结果表明,所提分层控制策略能协调控制系统按需回馈、存储/释放再生制动能量,实现城轨交通再生制动能量高效利用,并有效抑制牵引网母线电压波动;同时,所提混合型再生制动能量利用方案能较好地兼顾技术效果和经济性,相比储能方案和能馈方案有一定优势,可作为城轨交通再生制动能量利用方案的选择之一。     

复杂电气化铁路牵引用光伏发电系统综合优化控制方法研究

川藏线属于典型复杂电气化铁路,薄弱外部电网和大量长大坡道使得牵引供电系统面临正反向潮流冲击、电能质量恶化、再生制动能量回收难等严峻挑战。为充分利用川藏线太阳能资源、减轻外部电网压力、改善牵引侧电能质量及回收再生制动能量,提出一种适应复杂电气化铁路的牵引用光伏发电系统及其综合优化控制方法。首先,结合川藏线路特性,理论分析系统整体能量控制模式及电能质量优化补偿原理;然后,针对系统综合优化控制方法,分别在系统层设计考虑相间制动能量转移的综合能量管理策略,在器件层建立含电能质量指标约束的背靠背变流器补偿模型,并给出基于粒子群算法的补偿功率计算方法;最后,基于典型工况及实测算例,从综合能源利用及转移情况、电能质量改善效果、背靠背变流器容量利用率等方面进行对比分析与验证。结果表明:所提方法能够达到有效消纳光伏电能、实现相间制动能量合理优化利用、改善牵引侧无功负序等多重功能;在提高变流器容量利用率的同时,实现牵引用光伏设备多功能集约一体化的目的。     

能量回馈型电力电子负载的控制方法

提出一种新颖的基于电压源型变流器(voltage source converter,VSC)能量回馈型电力电子负载主电路拓扑。其由背靠背H桥构成,负荷侧变流器采用H桥级联以提高电压等级,并网侧变流器采用H桥并联以提高电流容量。网侧变流器和负荷侧变流器采用解耦控制方法,负荷侧变流器采用PQ解耦控制模拟负载消耗功率;网侧变流器采用直流电压稳定并保证并单位功率因数并网,并将负荷侧吸收的有功功率馈送回电网。建立基于PSCAD/EMTDC软件的电力电子负载仿真模型,设计制作一台400V/100kVA低压原理样机进行实验验证,仿真和实验结果表明提出的电力电子负载的主电路拓扑和控制方法是有效可行的。     

不同位置再生制动能量吸收装置下直流牵引网潮流计算对比分析

城市轨道交通列车运行时广泛采用再生制动方式,再生制动能量回馈至接触网后被附近运行列车吸收,剩余再生制动能量通过再生制动能量吸收装置吸收以限制接触网压过高。目前,再生制动能量吸收装置安装位置主要有列车安装和变电所安装,不同安装位置下,列车再生制动能量引起对直流牵引供电系统的影响不同。分别建立两种再生制动类型下直流牵引供电系统潮流计算模型,仿真分析了多列车多变电所并列运行下,不同位置再生制动能量吸收装置对牵引供电系统电压、电流及再生制动功率分配的影响。     

电气化铁路再生制动能量利用系统保护方案研究

再生制动能量利用系统在实现电气化铁路再生能量回收利用、节能减碳中发挥着重要作用。然而，基于潮流控制技术的再生制动能量利用系统将改变牵引供电系统原始功率潮流，其故障保护对保障电气化铁路的运行安全至关重要。为此，该文针对电气化铁路再生制动利用系统的故障保护方案开展研究。首先，根据再生制动能量利用系统的运行原理分析系统接入对牵引供电系统既有保护的影响。然后，结合影响分析结果提出基于“故障导向安全”原则的再生制动能量利用系统保护方案。该方案对不同类型系统故障制定分级保护策略，在此基础上通过系统自保护与牵引供电系统既有保护的协同配合保障再生制动能量利用系统的运行安全。最后，选取牵引变电所和分区所2种典型应用案例对所提保护方案进行验证。结果表明，所提保护方案能够实现再生制动能量利用系统在不同应用案例中的有效保护，保障了再生制动能量的安全利用。     

组合式同相供电系统的网侧功率因数和不平衡度分析

组合式同相供电系统容量配置对补偿效果和工程造价至关重要,在牵引负荷无功和负序全补偿、欠补偿的情况下,分析了单相以及单三相组合式同相供电系统中,补偿后电网侧的功率因数和不平衡度与补偿装置和牵引变压器的容量比、无功补偿度、以及牵引负荷功率因数之间的关系。以补偿后网侧功率因数和不平衡度是否满足国标作为满意补偿的约束条件,分别以补偿装置容量、补偿装置以及牵引变压器容量和最小为目标函数,建立2种优化模型。最后,通过Matlab/Simulink仿真结果验证了建立的目标函数、设置约束条件以及优化结果的正确性。计算和仿真结果分析表明,相同牵引负荷条件下,单三相组合式补偿后的网侧功率因数高于单相组合式;单三相组合式同相供电系统的网侧电流不平衡度高于单相组合式;牵引变压器和补偿装置的容量比为1时,网侧负序不平衡度为0。     

高速铁路再生制动能量储存与利用技术研究

随着我国高速铁路的快速发展,牵引供电系统能耗高、再生制动能量利用率低等问题日益突出。为实现高速铁路的节能降耗,该文结合实测数据分析枢纽牵引变电所、长大坡道/重载线路以及铁路10k V配电所的负荷特性。针对不同牵引变电所负荷特性的差异,提出储能型和储能(10)能量回馈型2种再生制动能量利用方案,并制定相应的能量管理策略及控制方法。对所提方案进行节能效果和经济性分析,分析结果表明提出的方案能有效提高再生制动能量利用率,且具有明显的节能效果和经济性。最后,通过实验验证所提方案能量管理策略及控制方法的正确性和可行性。     

基于背靠背双PWM变流器的飞轮储能系统并网控制方法研究

采用带LCL滤波器的背靠背双PWM变流器作为飞轮电机与电网进行能量交换的接口,提出一种飞轮储能系统并网控制方法。该方法由电网侧变流器控制和电机侧变流器控制两部分组成,并经过充电、预并网和并网运行三个阶段。在充电和预并网阶段,电网侧变流器采用不控整流方式,电机侧变流器先后采用速度外环和电压外环控制方式;在并网运行阶段,电网侧变流器控制采用基于电网侧电流外环、变流器侧电流内环的直接功率控制策略,控制并网有功功率的大小及流向;电机侧变流器控制采用直流母线电压外环、电流内环的双闭环控制策略,维持直流母线电压恒定。采用零极点对消降阶法及对称优化函数等效法分别设计电机侧内外环控制器参数。进行了飞轮储能系统的充电、预并网和并网运行实验。实验结果验证了所提飞轮储能系统并网控制方法的可行性。     

列车再生制动能量管理及控制系统研究

为回收利用交流电气化铁路列车产生的再生制动能量,研究了再生制动能量管理及控制系统.提出一种基于牵引负荷状态的能量综合管理策略,以牵引变压器两供电臂负荷功率为信息载体表示系统的不同工作模式,多种工作模式可相互切换.在混合储能装置内部功率分配中,通过引入锂电池荷电状态SOC(state of charge)及超级电容中间调...     

牵引供电系统光储接入方案及其控制策略

为了实现光伏发电在牵引供电系统中的有效利用,提出了一种基于铁路功率调节器的牵引供电系统光储接 入方案及其控制策略.介绍了系统拓扑结构并分析其工作原理,根据分区所两供电臂负荷情况划分多种运行模式和运 行工况,不仅可以实现再生制动能量的利用、负荷削峰填谷以及光伏发电的消纳,同时能够有效调节供电臂末端网 压.仿真结果证明了所提方案及其控制策略的正确性和有效性.     

一种考虑再生制动能量反馈的混合铁路功率调节器

为低成本地解决高速铁路或重载铁路牵引供电系统中的三相电流不平衡问题,提出了一种考虑电力机车再生制动能量反馈的混合铁路功率调节器HRPC（hybrid railway power conditioner）对负序电流进行补偿。HRPC由模块化RPC和所提的一种新型静止无功补偿器SVC（static var compensator）组成。首先,详细介绍了HRPC的拓扑结构及其工作原理,分析了列车不同运行工况下的三相电流不平衡度及负序补偿原理。然后,设计了模块化RPC和新型SVC的控制策略。最后进行了仿真验证。仿真结果表明,所提HRPC具有较好的负序补偿能力,且降低了补偿装置的成本,易于工程应用。     

新一代智能化城市轨道交通牵引供电系统关键技术

正长期以来,北京交通大学联合多家单位成立了多个创新及研究成果转化平台,致力于轨道交通牵引供电技术的创新与应用。2011年,中压能馈牵引供电系统被率先提出,随后,该系统又陆续加入了整流、分散式功率因数补偿、智能融冰等功能,并于2017年引入大数据和智能化功能。新一代智能化城市轨道交通牵引供电系统包括整流、逆变、无功补偿和智能融冰等功能,功率器件为IGBT智能功率模块,功率因数大于0.99,变流器效率大于98%(额定功率下),电     

间接电流控制可调功率因数电流型PWM变流器

电流型PWM变流器（PWM-CSC）因其良好的功率因数和直流电流源特性，可望在某些场合取代产生大量谐波的二极管或晶闸管相控整流装置，但是，PWM-CSC本身的强耦合非线性特性，使得变流器常采用复杂的直接电流控制策略，实现功率因数可调和能量回馈非常困难。提出一种基于dq坐标系的间接电流控制方法，该方法将变流器的直流输出作为网侧电流有功分量的给定值，通过此给定值和tgj的乘积调节无功电流的大小，然后利用PWM-CSC交流侧电流的离散方程，求出当前变流器的控制量，间接控制变流器的网侧电流，从而控制了变流器的有功功率和无功功率，实现了变流器的可调功率因数和能量回馈。论文最后对变流器的稳定运行范围进行了讨论，得出变流器提供的无功功率受有功功率限制的结论。     

再生制动对同相供电系统电能质量影响研究

同相供电系统可提供牵引供电网中的负序电流、无功电流、谐波的补偿以及解决电分相问题。本文介绍了单相组合式同相供电系统和列车再生制动工作原理,通过建立仿真模型,分析了列车处于再生制动工况下对同相牵引供电系统及电力系统三相不平衡度、功率因数和谐波的影响,验证了同相供电系统在列车再生制动工况下,不改变控制策略解决电能质量问题的有效性。     

中压并联型DVR链式变流器主电路及参数设计

中压并联型动态电压恢复器(DVR)由快速开关(HSS)和并联电压源变流器组成。电网发生故障时HSS关断,并联变流器转入负荷电压控制运行模式,并联变流器内置的超级电容器向负荷释放能量。此处对并联链式变流器主电路进行分析与比较,设计了链式变流器功率模块直流侧滤波电路,给出了滤波电路参数设计方法,并通过仿真和实验验证了直流侧滤波电路滤波效果,给出了链式变流器并网运行实验结果。     

基于Matlab和YALMIP的V/v型牵引供电系统负序电流优化方法

针对电气化铁路牵引供电系统负荷不对称引起的负序电流问题,本文提出一种基于铁路功率调节器补偿的负序电流优化方法。以含V/v牵引变压器的供电系统为对象,分析负序电流产生以及铁路功率调节器功率补偿的机理,构造基于铁路功率调节器功率补偿的V/v型牵引供电系统的负序电流优化模型。基于Matlab平台和YALMIP工具箱,调用IPOPT优化工具求解该模型,并通过仿真分析验证所提模型和方法的正确性和有效性。结果表明,采用铁路功率调节器功率补偿能够有效抑制牵引供电系统中的负序电流,保证了电气化铁路的电能质量。     

一种基于储能系统的混合铁路功率调节器及其控制策略

为充分利用交直交型电力机车产生的再生制动能量,提高V/v牵引供电系统的电能质量,并提高其经济性,提出一种基于储能系统的混合铁路功率调节器(ESS-HRPC).储能装置通过双向DC-DC变换器与铁路功率调节器(RPC)的直流侧相连接,以回收利用多余的再生制动能量.一组晶闸管投切电容器(TSC)和一组晶闸管控制电抗器(TCR)用于辅助RPC提供无功功率,以降低负序电流补偿的成本.首先,分析ESS-HRPC的结构组成和工作原理,研究TCR、TSC和RPC的装置容量配置,推导系统电压、电流和功率关系;然后,设计ESS-HRPC各部分的给定参考信号和控制策略;最后,通过三种系统工况仿真验证所提ESS-HRPC及其控制策略的可行性和有效性.     

基于器件结温的同相补偿变流器可靠性评估

以5 MW模块化同相补偿变流器为例,基于同相补偿变流器的相关电热参数,建立变流器整流侧和逆变侧IGBT模块的结温仿真模型,分析同相补偿变流器在额定工况时的损耗和结温。结合实测的高速铁路和重载铁路牵引负荷数据,利用Bayerer模型和线性疲劳累积损伤理论评估全时补偿和需时补偿下同相补偿变流器的可靠性。研究结果表明,由于高速铁路和重载铁路2种牵引负荷波动程度的不同,重载铁路全时补偿和需时补偿下变流器故障率的差异远低于高速铁路全时补偿和需时补偿下变流器故障率的差异。同时针对重载铁路负荷,提出了一种新的能提高同相补偿变流器可靠性的运行方式。