一种同相储能供电系统及控制方法

技术领域

本发明涉及电气化铁路与城市轨道技术领域，尤其涉及一种同相储能供电系统及控制方法。

背景技术

电分相环节作为牵引供电系统中最薄弱的环节，列车过分相成为了高速铁路乃至整个电气化铁路牵引供电的瓶颈。采用同相供电技术可以在取消牵引变电所出口处电分相、消除供电瓶颈的同时，还能有效治理负序电流、达到以三相电压不平衡度(负序)限值为主的电能质量要求。

随着现代电力电子技术的发展，电力电子变压器作为一种采用电力电子器件和高频变换器的新型智能变压器，能够取代体积庞大的传统电力变压器，除了实现电压等级变换、电气隔离和能量传递的功能外，还可以实现无功补偿、谐波治理、电网互联等诸多功能。

同相供电技术可以使机车的回馈电能最大限度的直接被牵引网内的处于牵引工况的机车利用，有利于降低牵引变压器和储能的容量需求；而储能装置能够进行牵引负载的削峰填谷，进一步降低牵引变压器的容量需求，同时削峰可以降低负序。

如何将储能技术、电力电子变压器技术与同相供电结合实施电气化铁路安全可靠节能供电，是值得业界研究的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种同相储能供电系统及控制方法，其将储能技术、电力电子变压器技术与同相供电技术相结合，能实现铁路全线同相供电而无需分相，消除铁路牵引负荷对公用三相电网电能的负序影响，将基于电力电子变压器的储能设备通过电力电子变压器接入到供电系统的牵引母线，不仅可以进一步实现节能减排，提高牵引供电性能和经济性，还有利于控制基于电力电子变压器的储能设备的体积和重量。

本发明通过以下技术手段实现：

一种同相储能供电系统，包括同相供电设备、基于电力电子变压器的储能设备、协调控制单元，所述同相供电设备的输入侧连接三相电网，输出侧连接牵引母线，所述基于电力电子变压器的储能设备与所述牵引母线连接，所述牵引母线通过馈线提供电源给接触网；

其中，所述牵引母线上设置有电压互感器，所述馈线上设置有电流互感器，所述协调控制单元的测量端与所述电流互感器和电压互感器连接，所述协调控制单元的控制端与所述同相供电设备和基于电力电子变压器的储能设备连接。

进一步地，所述基于电力电子变压器的储能设备包括AC/DC型电力电子变压器、第一DC/DC变换器和储能单元，所述AC/DC型电力电子变压器的交流输入端与所述牵引母线连接，所述AC/DC型电力电子变压器的直流输出端与所述第一DC/DC变换器的输入端连接，所述第一DC/DC变换器的输出端与所述储能单元连接。

进一步地，所述储能单元为电磁储能、物理储能或电化学储能中的一种。

进一步地，所述AC/DC型电力电子变压器包括n组第一整流单元和n组第一电力电子变压器，所述n组第一整流单元的输入端级联后的一端与所述牵引母线连接，另一端接地，所述n组第一电力电子变压器的输入端分别对应连接n组第一整流单元的输出端，所述n组第一电力电子变压器的输出端并联后通过所述第一DC/DC变换器与所述储能单元连接，其中，n≥1。

进一步地，还包括第二DC/DC变换器和新能源发电单元，所述第二DC/DC变换器的输入端与所述AC/DC型电力电子变压器的直流输出端连接，所述第二DC/DC变换器的输出端与所述新能源发电单元连接。

进一步地，所述同相供电设备包括牵引变压器和基于电力电子变压器的同相供电装置，所述牵引变压器的一次侧接三相电网，二次侧分别接所述牵引母线和所述基于电力电子变压器的同相供电装置的输入端，所述基于电力电子变压器的同相供电装置的输出端连接所述牵引母线。

进一步地，所述同相供电设备采用单相组合式同相供电方案、单三相组合式同相供电方案、VV接线同相供电方案或全功率同相供电方案中的一种。

一种控制同相储能供电系统的方法，所述同相储能供电系统包括同相供电设备、基于电力电子变压器的储能设备和新能源发电单元，所述基于电力电子变压器的储能设备包括AC/DC型电力电子变压器和储能单元，所述AC/DC型电力电子变压器同时与储能单元和新能源发电单元连接，所述方法包括：

协调控制单元获取电压互感器测得的电压数据，获取电流互感器测得的电流数据；

根据所述电压数据和所述电流数据，计算牵引负荷有功功率PL；

获取新能源发电单元的输出功率Ppv，获取负载功率阈值Pth；

根据牵引负荷有功功率PL、新能源发电单元的输出功率Ppv和负载功率阈值Pth，控制与储能单元连接的第一DC/DC变换器使储能单元充电或放电。

进一步地，所述根据牵引负荷有功功率PL、新能源发电单元的输出功率Ppv和负载功率阈值Pth，控制与储能单元连接的第一DC/DC变换器使储能单元充电或放电包括：

当PL-Ppv<0时，协调控制单元传输给与储能单元连接的第一DC/DC变换器的充电功率指令为PL-Ppv，与储能单元连接的第一DC/DC变换器会根据储能介质的SOC状态，进行充电控制；

当PL-Ppv>Pth时，协调控制单元传输给与储能单元连接的第一DC/DC变换器的放电功率指令为PL-Ppv-Pth,与储能单元连接的第一DC/DC变换器会根据储能介质的SOC状态，进行放电控制；

当0＜PL-Ppv＜Pth时，储能单元既不充电也不放电。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

一、本发明在取消牵引变电所出口处的电分相环节、治理电网负序、提高电网功率因数的同时，通过合理配置新能源发电(比如光伏发电)和储能容量，最大程度利用机车回馈制动能量和新能源发电能量，达到节能减排的目的；

二、本发明所述系统可在列车加速时调度储能装置释放能量，同时新能源发电能量用于列车牵引，可降低牵引变压器的峰值功率，以及降低变电站的基本电费；

三、本发明所述系统中电力电子变压器可替代体积庞大的匹配变压器，技术先进，易于实施。

附图说明

图1是根据一示例性实施例提供的采用单相组合式牵引变压器的同相储能供电系统示意图。

图2是根据一示例性实施例提供的采用单三相组合式牵引变压器的同相储能供电系统示意图。

图3是根据一示例性实施例提供的采用VV接线式牵引变压器的同相储能供电系统示意图。

图4是根据一示例性实施例提供的采用全功率同相供电设备的同相储能供电系统示意图。

图5是根据一示例性实施例提供的采用全桥结构电力电子变压器的基于电力电子变压器的储能设备结构示意图。

图6是根据一示例性实施例提供的采用半桥结构电力电子变压器的基于电力电子变压器的储能设备结构示意图。

图7是根据一示例性实施例提供的同相储能供电系统控制方法流程图。

具体实施方式

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。

实施例1

如图1—图4所示，本实施例提供一种同相储能供电系统，包括同相供电设备、基于电力电子变压器的储能设备、协调控制单元，所述同相供电设备的输入侧连接三相电网，输出侧连接牵引母线，所述基于电力电子变压器的储能设备与所述牵引母线连接，所述牵引母线通过馈线提供电源给接触网；

其中，所述牵引母线上设置有电压互感器，所述馈线上设置有电流互感器，所述协调控制单元的测量端与所述电流互感器和电压互感器连接，所述协调控制单元的控制端与所述同相供电设备和基于电力电子变压器的储能设备连接。

本实施例中，基于电力电子变压器的储能设备采用电力电子变压器技术，通过电力电子变压器接入到牵引母线，不需要用到电力变压器来匹配电压，在减少基于电力电子变压器的储能设备体积和重量的同时，进一步实现节能减排，提高牵引供电性能和经济性。

作为优选，如图5所示，所述基于电力电子变压器的储能设备包括AC/DC型电力电子变压器、第一DC/DC变换器和储能单元，所述AC/DC型电力电子变压器的交流输入端与所述牵引母线连接，所述AC/DC型电力电子变压器的直流输出端与所述第一DC/DC变换器的输入端连接，所述第一DC/DC变换器的输出端与所述储能单元连接。

作为优选，所述储能单元为电磁储能、物理储能或电化学储能中的一种。

作为优选，所述AC/DC型电力电子变压器包括n组第一整流单元和n组第一电力电子变压器，所述n组第一整流单元的输入端级联后的一端与所述牵引母线连接，另一端接地，所述n组第一电力电子变压器的输入端分别对应连接n组第一整流单元的输出端，所述n组第一电力电子变压器的输出端并联后通过所述第一DC/DC变换器与所述储能单元连接，其中，n≥1。

本实施例中，所述第一整流单元可以采用两电平单相有源全桥结构，也可以采用三电平单相有源全桥结构。

作为一种实现方式，如图5所示，所述第一电力电子变压器可以包括依次连接的单相全桥逆变器、高频变压器和单相全桥整流器，所述单相全桥逆变器的输入端作为所述第一电力电子变压器的输入端，所述单相全桥整流器的输出端作为所述第一电力电子变压器的输出端；另外，所述单相全桥逆变器的输出端与所述高频变压器的一次侧之间可以设置串联谐振单元，所述高频变压器的二次侧与所述单相全桥整流器的输入端之间也可以设置串联谐振单元。

作为另一种实现方式，如图6所示，所述第一电力电子变压器可以包括依次连接的单相半桥逆变器、高频变压器和单相半桥整流器，所述单相半桥逆变器的输入端作为所述第一电力电子变压器的输入端，所述单相半桥整流器的输出端作为所述第一电力电子变压器的输出端；另外，所述单相半桥逆变器的输出端与所述高频变压器的一次侧之间可以设置串联谐振单元，所述高频变压器的二次侧与所述单相半桥整流器的输入端之间可以设置串联谐振单元。

这里，串联谐振单元可以是串联的电容器和电抗器，设置串联谐振单元可以减小中高频变压器绕组涡流损耗，进一步提高了电力电子变压器的效率。

作为优选，本实施例还包括第二DC/DC变换器和新能源发电单元，所述第二DC/DC变换器的输入端与所述AC/DC型电力电子变压器的直流输出端连接，所述第二DC/DC变换器的输出端与所述新能源发电单元连接。本实施设置新能源发电单元，可以实现新能源发电、储能优势互补，新能源发电可以是光伏发电等。

作为一种同相供电实现方式，本实施例中的同相供电设备方案可以采用电力电子变压器同相供电技术(可以参考与本申请同日申请的另一篇专利申请“一种基于电力电子变压器的同相供变电装置”)，具体地，所述同相供电设备包括牵引变压器和基于电力电子变压器的同相供电装置(“一种基于电力电子变压器的同相供变电装置”中的变流补偿器)，所述牵引变压器的一次侧接三相电网，二次侧分别接所述牵引母线和所述基于电力电子变压器的同相供电装置的输入端，所述基于电力电子变压器的同相供电装置的输出端连接所述牵引母线。这里，基于电力电子变压器的同相供电装置可以包括k个第二整流单元、k个第二电力电子变压器和k个逆变单元，所述k个第二整流单元的输入端级联后与所述牵引变压器二次侧连接，所述k个第二电力电子变压器的输入端分别与所述k个第二整流单元的输出端对应连接，所述k个第二电力电子变压器的输出端分别与所述k个逆变单元的输入端对应连接，所述k个逆变单元的输出端级联后与所述牵引母线连接，其中，k≥1。这里，第二电力电子变压器的结构可以采用第一电力电子变压器结构，具体的器件参数根据实际情况选择即可。

作为另几种同相供电实现方式，同相供电设备方案可以采用单相组合式同相供电方案(参考CN201310227591.1)、单三相组合式同相供电方案(参考CN201210583674.X)、VV接线同相供电方案(参考CN201310308559.6)或如图4所示的全功率同相供电方案(可以参考CN201210506968.2)。

具体地，如图1—图3所示的同相供电方案中，同相供电设备可以包括牵引变压器和同相供电装置，同相供电装置除了采用前面所述的基于电力电子变压器的同相供电装置，还可以采用单相组合式同相供电方案、单三相组合式同相供电方案或VV接线同相供电方案中的非电力电子变压器技术同相供电装置，即同相供电装置可以由变流器和牵引匹配变压器构成，具体地，同相供电设备可以包括牵引变压器和同相供电装置，同相供电装置包括变流器和牵引匹配变压器，牵引变压器的一次侧接三相电网，二次侧分别接牵引母线和变流器的输入端，变流器的输出端通过牵引匹配变压器连接所述牵引母线。这里，牵引变压器可以采用如图1所示的单相组合式牵引变压器，也可以采用如图2所示的单三相组合式牵引变压器，还可以采用如图3所示的VV接线式牵引变压器，具体地，以单相组合式牵引变压器为例，单相组合式牵引变压器包括第一变压器(相当于201310227591.1中的牵引变压器TT)和第二变压器(相当于201310227591.1中的高压匹配变压器HMT)，第二变压器原边绕组的一端与第一变压器原边绕组中点相接，第二变压器原边绕组的另一端和第一变压器原边绕组的两端作为所述单相组合式牵引变压器的一次侧接三相电网，第一变压器次边绕组的一端接地，另一端接牵引母线，第二变压器次边绕组的两端与同相供电装置中的变流器输入端连接。单三相组合式牵引变压器和VV接线式牵引变压器的具备接线方式可以参考图2及图3，也可以参考201210583674.X和201310308559.6。

实施例2

如图7所示，本实施例提供一种控制同相储能供电系统的方法，所述同相储能供电系统包括同相供电设备、基于电力电子变压器的储能设备和新能源发电单元，所述基于电力电子变压器的储能设备包括AC/DC型电力电子变压器和储能单元，所述AC/DC型电力电子变压器同时与储能单元和新能源发电单元连接，所述方法包括：

步骤S1：协调控制单元获取电压互感器测得的电压数据，获取电流互感器测得的电流数据；

步骤S2：根据所述电压数据和所述电流数据，计算牵引负荷有功功率PL；

步骤S3：获取新能源发电单元的输出功率Ppv，获取负载功率阈值Pth；

步骤S4根据牵引负荷有功功率PL、新能源发电单元的输出功率Ppv和负载功率阈值Pth，控制与储能单元连接的第一DC/DC变换器使储能单元充电或放电。

作为优选，所述根据牵引负荷有功功率PL、新能源发电单元的输出功率Ppv和负载功率阈值Pth，控制与储能单元连接的第一DC/DC变换器使储能单元充电或放电包括：

步骤S41：当PL-Ppv<0时，协调控制单元传输给与储能单元连接的第一DC/DC变换器的充电功率指令为PL-Ppv，与储能单元连接的第一DC/DC变换器会根据储能介质的SOC状态，进行充电控制；

步骤S42：当PL-Ppv>Pth时，协调控制单元传输给与储能单元连接的第一DC/DC变换器的放电功率指令为PL-Ppv-Pth,与储能单元连接的第一DC/DC变换器会根据储能介质的SOC状态，进行放电控制；

步骤S43：当0＜PL-Ppv＜Pth时，储能单元既不充电也不放电。

这里，步骤S3中，负载功率阈值Pth是预先设置的，设置这个值的目的在于削峰填谷，实施本实施例时，协调控制单元根据步骤S41～步骤S43的判断结果，传输充电或放电指令给第一DC/DC变换器并对储能单元进行控制，储能单元是否进行充电或放电，具体的充电量或放电量根据储能单元本身的充放电规则进行。

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。