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新型储能式铁路功率调节器的协调控制方案

作者:中国储能电站网 来源:电气新科技 时间:2019-06-05 浏览:

湘潭大学信息与工程学院、湖南大学电气与信息工程学院的研究人员马茜、郭昕、罗培、张志文,在2019年第4期《电工技术学报》上撰文(论文标题为“基于超级电容储能的新型铁路功率调节器协调控制策略设计”),为综合解决牵引供电系统电能质量问题,并提高电力机车再生制动能量利用率,在铁路功率调节器中增加超级电容储能系统,提出一种基于超级电容储能的新型铁路功率调节器。

为进一步提高该拓扑结构的再生制动能量利用率和削峰填谷的控制精度,并有效控制超级电容的充放电,从而减少系统损耗,深入研究超级电容与铁路功率调节器之间的功率转移特征,通过构建两种控制方式的等效电路,对比分析两种控制方式精度问题和超级电容放电失控问题,进而提出基于超级电容储能的新型铁路功率调节器协调控制策略。仿真结果证明了所提协调控制策略的正确性及有效性。

为解决电气化铁路面临的负序、谐波和无功问题,国内外学者进行了大量的研究。无源滤波器(Passive Filter, PF)作为最早的谐波与无功补偿装置,因其成本低而得到了广泛应用。静止无功补偿器(Static Var Compensator, SVC)可以动态补偿无功,但会引入谐波电流。静止同步补偿器(Static Synchronous Compensators, STATCOM)能够对牵引系统进行综合补偿,但STATCOM需要安装在三相高压侧,经济性低。

日本学者提出的铁路功率调节器(Railway Power Conditioner, RPC),通过重新分配牵引变压器出口处有功潮流,并独立补偿各相的无功和谐波,能有效解决两相或单相牵引供电系统的主要电能质量问题,具有较高的研究价值。目前很多学者对RPC进行了大量的研究,并在RPC的拓扑结构、信号检测方法以及补偿原理方面取得了很大的进展。

高速交流机车在制动过程中会产生很大的再生制动能量。若两臂中只有一臂为再生制动状态,则RPC可以通过功率转移将再生制动能量转移至牵引侧,实现再生制动能量的利用;若两臂均为再生制动状态,则RPC只能将再生制动能量反送给电网。由此可见,RPC不能完全解决再生制动能量的问题。

高速铁路牵引供电系统具有牵引负荷峰位功率越来越大的问题,这使得牵引变压器的额定功率增大,但实际运行中,牵引变压器负荷率并不大,这降低了牵引变压器的利用率。RPC可以通过功率转移来平衡两臂有功功率,这在一定程度上削弱了负载峰位负荷的影响,提高了变压器的利用率。

但是,RPC不能将谷时功率存储,用于补偿峰时负荷的需求,因此,RPC在解决牵引变压器的容量利用率较低的问题上略显不足。本文采用了一种由铁路功率调节器和超级电容储能系统构成的新型储能式铁路功率调节器(Railway Power Conditioner based on Super Capacitor energy storage system, SC-RPC),相比于传统的RPC,该补偿系统不仅能完成两供电臂能量双向流通,实现电能质量的治理,还能通过铁路功率调节器和储能系统的有功功率转移,提高再生制动能量利用率并实现削峰填谷。

RPC的控制方法很多,就电流控制而言,有采用PI控制,也有采用PR控制,还有采用滞环控制。但SC-RPC控制方法的研究还未见文献报道,考虑到SC-RPC相对RPC而言,增加了超级电容(Super Capacitor, SC),其控制的复杂程度大大增加,因此,有必要对其控制策略进行深入研究。

针对上述问题,本文提出一种基于超级电容储能的新型铁路功率调节器协调控制策略,该协调控制策略不仅可以有效控制RPC与SC之间有功功率的转移,还能实现多种模式转换,提高再生制动能量利用率以及牵引变压器削峰填谷的精度,并有效控制超级电容的充放电,减少其损耗,从而提高SC-RPC系统的经济性。

图1 SC-RPC补偿系统

图2 能量模式的关系转换图

图7 SC-RPC协调控制系统结构

图10 SC-RPC上层控制单元流程

结论

本文提出了一种基于超级电容储能的新型铁路功率调节器协调控制策略,其特点为:

1)系统控制切换条件由两供电臂牵引负荷的状态和大小,通过上层控制中心的协调,可以完成四种能量管理模式的控制和转换。

2)在系统处于再生制动能量控制模式、削峰放电模式和填谷充电模式时,RPC两臂采用功率控制,SC采用直流电压和电流控制,可以消除功率控制误差。在系统处于功率转移模式时,RPC两臂采用功率和直流电压控制,SC采用恒功率控制,可以有效解决超级电容放电失控问题。  

关键字:超级电容器储能

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