胡海涛：新能源和储能接入的轨道交通“源-网-车-储”供电技术-西南交通大学

新能源和储能接入的■国铁集团/铁总项目(课题):·铁总重大：电气化铁路交流牵引供电系统再生制动能量利用技术研究(2017J005-A)·铁总重点：牵引供电系统综合能耗分析与能效提升技术研究(2017J005-D)■国家重点研发计划项目(课题):MM胡海涛陈俊字何正友高仕斌◎著·高速铁路再生制动储能系统及其综合潮流控制方法研究(面上，52077179)四川省、上海铁路局、太原铁路局、中车等项目10余项汇报提纲汇报提纲“双碳”目标下新型电力系统关键技术与挑战2023年7月7-8日(一)背景及意义(二)再生制动能量与新能源利用技术(三)研究展望44能源的发展是人类经济发展的基础，每一次能源的变革都促进了交通的创新交通的发展推动能源变革，每一次交通的发展需求都对能源的供给形式提出了新的挑战极速膨胀的私家车出行需求推动了内燃机的技术更新与石油开采进程庞大的客运需求推动了高铁和城轨的建设刺激了磁悬浮等新型交通工具的技术研发交通系统的节能减排需求推动了储能、新能源的技术研发与消纳■轨道交通承担32%客运、9%货运，年约1200亿kWh轨道交通亟需调整用能结构，实现低碳供能一、背景及意义—交通/能源变革驱动国家藏6世界第一条电气化铁路德国西门子DC150V1898年德国三相交流机车德国、奥地利、瑞士、挪威等单相交流15铁路自备电厂110/132kV1912年日本鹿儿岛本线2×25kVAT供电如何适应10-15km2010年一、背景及意义一再生制动能量利用行业需求7再生占比(再生/牵引)CG高铁XC高铁JW高铁CY高铁HY高铁BC铁路、XC高铁HH、JH高铁HW、NX、FL铁路(长大坡道)DQ铁路DQ铁路SS铁路DQ铁路DQ铁路XY铁路BC铁路JH铁路一、背景及意义一再生制动能量利用行业需求8■城轨系统因变流器单相能量流动，再生能量(约30%)必须“消耗、储存、转移”,城轨再生利用主要包括：电阻/闸瓦消耗、能馈技术和储能技术双向双向中牵引网一、背景及意义一再生制动能量利用行业需求牵引网单电源3相→单相电气化铁路需充分利用再生制动能量，提升能源利用效率以高速铁路“四纵四横”为研究案例，评估了铁路建设光伏发电潜力车站建筑面积(万平米)线路长度(千米)可安装容量年可发电量可安装容量年可发电量线坡道安装总容量超过30GW,年发电量约90亿kWh(用电约200亿kWh)一、背景及意义—如何实现节能儒碳?为实现低碳、绿色发展，轨道交通亟需发展新型牵引供电技术牵引变电所牵引变电所牵引网列车车站屋顶光伏雨棚、边坡光伏接入新能源实现低碳供能发展节能技术实现高效用能一、背景及意义—如何实现节能假碳?依托功率变换与储能技术，构建新型“源-网-车-储”一体化供电系统高效供电新能源绿色能源功率变应急供电换设备储能平抑新能源波动促进再生能量利用供电技术新体系汇报提纲汇报提纲“双碳”目标下新型电力系统关键技术与挑战2023年7月7-8日(一)背景及意义(二)再生制动能量与新能源利用技术(三)研究展望二、再生制动能量与新能源利用一技术难题15储能功率>风、光等多类新能源>如何可靠接入单相/分段电铁控制目标控制目标系统变流设备多样如何高效多目标管控何种方案?如何管控?牵引源、荷(牵引/再生)波动大如何稳定控制、可靠保护?创新思路二、再生制动能量与新能源利用一总体思路创新思路■研究目标：实现新能源接入电气化铁路的安全、稳定运行创新思路全局阻尼增强补偿与“源网车储”协同控制◆全局阻尼多频段增强补偿网压振荡抑制多目标协调优化Ob=min|u(Poad+Ppv)+u₂(Inse有功转移无功补偿负荷调整阻尼支撑互补工况再生能量比例互补工况再生能量比例■电气化铁路负荷建模：根据负荷特性分为三个类别(I类：普通线路普速铁路；Ⅱ类：普通线路条件的高速铁路和铁路枢纽；Ⅲ类：长大坡道线路)总返送再生制动能量单个再生持续时间牵引供电负荷特性互补工况比例再生频次互补工况再生能量再生能量互补工况再生能量比例有功功率有功功率负荷特性负荷特性■电气化铁路负荷建模—典型线路负荷特性评估案例胡海涛，陈俊宇，葛银波等.高速铁路再生制动能量储存与利用技术研究[J].中国电机工程学报，2020,40(01):246-256+391.■基于各类电铁负荷特性，提出了多场景适用的再生制动能量利用方案频次高，枢纽所EEBB互补的连续分布多牵引变电所，直流牵引供电方案交流贯通供电方案储能电缆贯通供电方案主变电站储能能源直流牵引供电方案交流贯通供电方案储能电缆贯通供电方案主变电站储能能源AC110/220kV貌并貌并网变流器引变电所贯通接触网牵引变电所并网并网引变电所并网并网—2多对象高效能量管控“系统级+设备级”分层协调控制架构特殊运行目标正常运行目标特殊运行目标系统重构设备容量约束系统重构设备容量约束运行指标约束设备容量约束运行指标约束二、再生制动能量与新能源利用一2多对象高效能量管控24设备级控制：基于主从控制的多对象协调控制策略—2多对象高效能量管控25系统级能量管控：有功/无功联合优化方法优化BTBC和储能有功输出功率>Fss,F,P供电臂-/最大无功输出最优无功约束牵引网电压最大偏差约束PhQMin,上边甲牵引变在器测(Qr."Max'下边界N.Nmin∑(Isc[A-Isc)+(PF₂[A]-PF)+(U[]-U)+(U[]-U)AQraAQrak-I设备层控制负序电流抑制功率因数提升牵引网电压波动抑制YinboGe,HaitaoHu,etal.CombinedActiveandReactivePowerFlowControlStrategyforElectricRailwayFlexibleTractionSubstationIntegratedwithESSandPVIEEETrans运行成本最优更新储能工作计划—2多对象高效能量管控运行成本最优更新储能工作计划■多时间尺度行车组织(负荷特性)—精准调峰、降需量：新能源(再生制动负荷)发电与牵引负荷的“日前(24h)-日内(15min)-实时(1s)”匹配调度控制十联络线功率十十粗：确定最大需量时间超短期向前滚动预测值日计划控制时域控制时域细：修正行车误差11精准调峰、负序最小优化前优化后80.49%80.49%,实现了有效利用能量管理层→十变流器控制层十能量管理层→十变流器控制层十LLB变电所#1P.P电流解耦ABC变电所#2大需量削减s.t.分区所变流器层系统层二、再生制动能量与新能源利用—2多对象高效能量管控29变流器层系统层1安时囊知安时囊知-ww运行预式管理中央控制器③率生成盐22分区所/牵引列车/分区所/牵引列车/TTT7,再生制动列车了2优化目标：最优再生制动能量利用不二次规划算法求解—2多对象高效能量管控30受电弓失电，车载储能启动，提供自应急电能控制直流环节电压稳定RPC转为逆变模式，恢复牵引网压受电弓复电，列车从牵引网取电，车载储能退出运行中性线电压移相开始地面传感器：工作过程牵引网重构RPC右侧变流器直流电压极性对调左右侧变流器串联输出5300V直流电压融冰(融冰电流1000A)2lde=2kA400.5一3多端口稳定保护控制33“源-网-车-储"系统无法直接简化为“源-荷”模型，传统分析方法难以适用背靠背储能系统变流器源侧Z机车直流侧支撑电容机车直流侧等效电阻RPC直流侧支撑电容直流电压N区出一3多端口稳定保护控制36直流电压N区出稳定性分析：基于广义Nyquist准则的稳定性判别方法及其案例“源-网-车-储”系统闭环控制框图tt(不稳定案例)(不稳定案例)(稳定案例)开环增益矩阵特征值的奈奎斯特曲线示意图光伏出力越大，系统越可能不稳定储能系统可使得系统更加稳定一3多端口稳定保护控制37■宽频带振荡抑制与系统稳定性提升方法(利用背靠背变流器实现有源阻尼补偿)牵引供电系统故障压器以及联络线故障口区域A₆:储能系统区域，反应储能系统故障降压变压器油箱轻瓦斯降压变压器油箱过温预警级背靠背变流器IGBT过温背靠背变流器IGBT过流背靠背变流器IGBT过压联络线短路中间直流环节短路设备级A₆A设备级一3多端口稳定保护控制39GTGT.B基于式(13}(15)B基于式(13}(15)f阶梯时间限制位SOC[1]杨凯，胡海涛，陈俊宇，等.电气化铁路再生制动能量利用系统保护方案研究[J].中国电机工程学报，2022.(网络刊出)二、再生制动能量与新能源利用一实验验证、工程应用40根据实际参数搭建，实现全系统动态实时仿真、控制算法及能量管理策略验证，故障模拟及保护配置左臂负荷功率(MW)右臂负荷功率(MW)左臂负荷功率(MW)直流母线电压(V)控制面板统统外部电网MVar储能设备二、再生制动能量与新能源利用一实验验证、工湿应用41根据牵引供电系统实际结构搭建，可实现不同运行场景下全系统的控制算法及能量管理策略验证，故障模拟及保护配置国内首套基于超级电容储能的电气化铁路再生制研能二、再生制动能量与新能源利用一实验验证、工程应用43■工程案例—DQ线SFG分区所：基于锂电池的再生制动储能系统(6MVA