【《重载铁路牵引变电所储能装置的拓扑结构和控制策略分析概述》5000字】

重载铁路牵引变电所储能装置的拓扑结构和控制策略分析概述目录TOC\o"1-3"\h\u1574重载铁路牵引变电所储能装置的拓扑结构和控制策略分析概述 1253101.1储能方案拓扑结构 1320651.2重载铁路储能方案典型运行工况 2275611.3重载铁路储能系统交-直-交变流器控制策略 4148901.1.1含储能的牵引供电系统负序电流补偿 4189841.1.2含储能的牵引供电系统谐波电流补偿 634851.1.3重载铁路储能系统交-直-交变流器控制策略 6305001.4储能装置拓扑结构 7133871.5储能装置变换器控制方法 739211.6储能系统能量管理策略 8如何实现将储能装置接入牵引供电系统，并且采用适合的控制策略，对于再生制动能量的有效回收利用以及牵引供电系统的稳定运行十分重要。因此本章对重载铁路储能方案的研究，主要分析储能装置接入牵引供电系统的拓扑结构，并推导储能装置接入后储能系统交-直-交变流器的控制策略。1.1储能方案拓扑结构本文所采用的重载铁路牵引供电系统储能方案拓扑结构如图3-1所示[2]。该拓扑结构主要由牵引供电系统、交-直-交变流器和储能装置三部分构成。在牵引供电系统中，110/220kV三相电压经牵引变压器降压为2*25kV单相电压。交-直-交变流器经调压变压器连接到牵引供电系统25kV母线，通过控制交-直-交变流器实现两供电臂能量的双向流动，牵引供电系统负序和谐波电流的动态补偿，并可为储能电路的接入提供稳定的直流电压。储能装置由双向DC-DC变换器和储能介质构成，双向DC-DC变换器接入交-直-交变流器的中间直流环节。根据牵引负荷的特性，控制双向DC-DC变换器的作状态，实现储能装置的充电或放电。图3-1牵引供电系统储能系统拓扑结构1.2重载铁路储能方案典型运行工况分析储能装置接入牵引供电系统后，典型运行工况下的能量流动路径是推导交-直-交变流器控制策略的重要基础。当储能装置投入运行时，牵引供电系统的典型运行工况可归纳为如下四种[2]。图3-2含储能装置的重载铁路牵引供电系统典型运行工况（1）工况1两个供电臂上的列车组均处于牵引工况。其功率流动规律如图3-2(a)所示，图中PL为左供电臂有功功率功率，PR为右供电臂有功功率，PT（2）工况2两个供电臂上的列车组均处于再生制动工况。其功率流动规律如图3-2(b)所示，储能装置工作在充电状态，两个供电臂动车组产生的制动能量均可通过交-直-交变流器流入储能装置进行存储。（3）工况3两个供电臂上的列车组分别处于制动工况和牵引工况，且制动列车组功率小于牵引列车组功率。其功率流动规律如图3-2(c)所示，制动工况列车组产生的再生能量将直接被牵引列车组使用。同时，储能装置处于放电状态，为牵引列车组运行提供部分能量。（4）工况4两个供电臂上的动车组分别处于制动工况和牵引工况，且制动列车组功率大于牵引列车组功率。其功率流动如图3-2(d)所示，处于制动工况列车组产生的再生能量一部分被处于牵引工况列车组使用，剩余部分通过交-直-交变流器流入储能装置进行存储，储能装置工作在充电状态。1.3重载铁路储能系统交-直-交变流器控制策略控制储能系统中交-直-交变流器，对牵引供电系统电能质量进行补偿的原理主要包括两部分：（1）负序电流补偿；（2）谐波电流补偿。下面将分别对这两部分的补偿原理进行详细论述。1.1.1含储能的牵引供电系统负序电流补偿交-直-交变流器负序电流补偿原理为：通过对牵引供电系统左右供电臂电流分别进行有功和无功补偿，使补偿后V/x变压器一次侧三相电流完全对称，进而达到消除负序的目的。以C相为公共相，A相电压为相角基准，补偿前牵引供电系统左右供电臂的电流如式(3-1)所示[35]。IL式中，IL和IR分别为左供电臂和右供电臂基波电流相量，IL假设V/x变压器电压比为kV/xIA由式（3-2）可以得到补偿前V/x变压器一次侧三相电压、电流向量图如图3-3所示。图3-3V/x变压器补偿前向量图通过图3-3可以看出，此时IA有功电流补偿假设在一个列车机组处于牵引运行的情况下时列车机组的功率分别为正（PL>0，PR>0）；处在再生制动状态时的功率为负（PL<0，PL式中，PL'和根据式(3-3)中的有功功率补偿原理可得，补偿后V/x变压器的一次侧三相电压、电流向量图如图3-4所示。其中ISL和ISR为储能装置充放电时在左右供电臂引入的有功补偿电流，IA'图3-4有功电流补偿向量图（2）无功电流补偿经过有功电流补偿后，网侧三相电流中IA'=IB'≠IC',并且A、B相电压与电流之间还存在有30°的相位差，因此负序电流的不平衡度为50%，还需要进行无功电流补偿。其补偿的向量图如图3-5所示，即为A相电流IA'补偿一个超前其90°的无功电流Iaq，使补偿后的A相电流IA''图3-5无功电流补偿向量图1.1.2含储能的牵引供电系统谐波电流补偿储能系统的交-直交变流器谐波电流补偿原理为：通过产生与列车组谐波电流大小相等，相位相反的补偿电流，达到消除列车组谐波电流的目的，即左右供电臂需要产生的谐波补偿电流大小如式(3-4)所示：IL式中，ILh_c和IRh_c分别是左右供电臂的谐波电流补偿值。IL1.1.3重载铁路储能系统交-直-交变流器控制策略牵引供电系统储能装置交-直-交变流器控制策略可分为三个部分：一是根据1.3节所提出的补偿原理，推导计算其负序和谐波补偿电流；二是加入电压外环，并通过PI调节保持中间直流环节电压的稳定；三是采取合适的调制方法产生脉冲信号控制左右供电臂变流器[2]。1.4储能装置拓扑结构重载铁路牵引供电系统储能装置拓扑结构如图3-6所示，超级电容组通过储能装置变换器，即Buck-Boost型双向DC/DC变换器连接到交-直-交变流器的中间直流环节，其中，储能装置变换器负责进行电压变换和能量管理，实现储能介质和牵引供电系统之间能量的双向流动；选取超级电容作为储能介质是由于其能够实现大功率电能的快速存储和释放，较好地匹配了牵引负荷再生功率大，制动时间短的特性。图3-6储能装置拓扑结构图1.5储能装置变换器控制方法储能装置变换器是超级电容组与牵引供电系统进行能量交换的关键器件，当牵引供电系统中存在多余的再生制动能量，需要启动超级电容对其进行存储，此时储能装置变换器将工作在BUCK降压模式，T1周期性导通；当列车组牵引功率过大，需要超级电容放电削减牵引供电系统峰值功率，储能装置变换器将工作在BOOST升压模式，T2周期性导通；若牵引供电系统功率处于超级电容充放电阈值之间时，储能装置变换器T1和T2都处于关断状态。超级电容的双向充放电主要依赖于可以同时支持能量双向流动的DC/DC直流变换器，图3-7所示的这是一种基于buck/boost双向流动变换器的基本拓扑物理结构，通过控制T1和T2两个开关管的通断来控制双向变换器工作于Buck或Boost状态，进而直接实现了对超级电容器的充、放电[36]。图3-7双向DC/DC变换器拓扑结构图在两个开关管上分别并联一个电容器就可以让整个电路在不连续的情况下通过这个电容器来实现其通路，以及当整个电路上流过的一个电流超出了零点时也就可以使用这个电容器来实现其通路，完成放电的工作。1.6储能系统能量管理策略重载铁路采用地面式的储能系统，目前国内外学者针对用于轨道交通的地面式超级电容器储能系统展开诸多研究，提出几种能量管理策略。（1）双环控制型。双环式控制是通过直流网的输出电压和传感器的输入电流两个指标,实现对双向DC/DC变换器的控制,进而完成对储能系统的功率和能源管理。这种方式不但使我们可以根据需要自动切换存储系统的工作状态,同时也可以对直流网的电压情况进行检测和控制,为三环路径控制模块奠定了基础。目前我国已经出版了相关专著和学术论文,针对在超级电容器存储系统中的能源和质量控制问题展开了研究,并就这种控制方式进行了详尽的介绍和阐述。双环控制的能源管理结构如图3-8所示。图3-8双环控制能量管理策略由于重载铁路是交流网，因此还需要添加一个降压器和PWM全桥整流电流来模拟直流网压。直流网压和自动充放电开关电压之间的直流阈下峰值瞬时偏移系数可以通过一个PI并行控制器处理来直接获得整个存储电源系统直流充放电开关电流的控制指令;A是作为一个限幅环节，控制整个存储电源系统的直流充放电和直流输出的开关功率,并可以保证其在安全的功率范围内正常运行;反馈的电感电流与电流指令值偏差通过PI控制器对DC/DC双向逆变器开关进行控制;B为限定控制的开关信号输入占空比。但是这种方式还有不足之处,它没有和轨道交通供电系统的运营特性进行有机地结合,同时由于列车的发车时刻、变电站的空载输出电压均非定值,导致用一个恒定输出电压为阈值的双环控制方式无法实现最佳的节能效果。（2）三环控制型基于双环控制，文献[37]提出三环控制策略，分别对直流母线电压、超级电容电压、斩波电感电流控制。但是这种方式依然没有充分考虑到发车期的时间和其运行属性,控制的目标简单,无法实现对各个储能系统之间的协同工作。三环节控制的能量管理战略结构如图3-9所示。图3-9三环控制能量管理策略（3）优化控制型为更好地实现超级电容器存储系统的能源和温度控制，克服了传统的控制策略中存在的缺点，许多专家对此研究提出了不同的控制目标和控制办法。文献[38]中不仅首次明确提出了一种基于超级列车荷电速度的储能控制策略,建立了超级列车荷电速度和超级列车电容器的荷载充电速度状态(soc)的对数关系式,列车的荷电速度控制是由超级列车电容器输出负荷利用电流的状态速度决定的实时充放电控制指令;相关文献[39]通过实时遥控监视超级列车电容器速度soc与超级列车运行时的速度,对其中的两种储能系统控制信号分别进行了实时充放电和储能自动控制;相关文献[40]中不仅首次明确提出了基于动储能蓄电系统通过动态阈计峰值自动控制调节储能控制策略,使得列车再生制动储能系统中储电能量的综合利用率提高达到了可能最大化,并且还首次提出了基于动储电蓄能系统阈计峰值自动控制调节的储能控制策略;相关文献[41]首次确立了有效减少电力变电站的网络供电电能消耗和实现网络供电功率自动优化的技术目标,通过控制减少储电蓄能后新供电系统的最大输出利用电流而有效降低系统网损。图3-10储能装置变换器控制框图上图3-10为储能系统变换器控制框图，图中Pes∗和Ies∗分别为超级电容充放电功率和电流期望值，其中能量管理模块的主要功能为以下三个方面：一是计算储能装置的充电阈值和充电功率；二是计算储能装置的放电阈值和放电功率；三是储能荷电状态(stateofcharge,SOC)管理，防止过充或过放。合理的能量管理策略是制动能量回收过程是否具有经济效益的关键。