用于改善网压的电力机车电传动控制方法和电力机车

技术领域

本公开涉及电力机车电传动技术领域，尤其涉及一种用于改善网压的电力机车电传动控制方法和电力机车。

背景技术

随着我国轨道交通行业的迅猛发展，轨道列车对电气化铁路接触网网压的平稳提出了更高要求。四象限整流器是电力机车电传动系统中重要组成部分。在牵引工况，将来自牵引变压器的交流电转换为直流电，为中间电路提供电能；在再生制动工况时，通过中间直流电路进行直-交变换，将电能回馈给电网。

为提高受电弓处的功率因数，减小接触网的谐波电流，现有四象限整流器都以功率因数“1”为目标进行控制。这种控制策略可有效补偿机车自身产生的无功功率，从而减轻对电网的无功影响。而实际情况中，电网供电系统中存在非线性负载和感性元件，电网自身也会产生一定量的无功功率，这些无功功率会使输电线路上产生额外的电流，从而导致线路损耗增加。尤其当多个电力机车同时运行时，可能导致末端接触网网压过低，限制电力机车的功率输出，影响运行效率。甚至导致供电系统跳闸，造成列车失速甚至停车，对行车秩序造成不利影响，影响运输安全。

现有技术中，电力机车的四象限整流器主要用于补偿机车自身产生的无功，以减少对电网的影响。然而，现有方法很难实现对电网自身产生的无功进行补偿，因为电力机车无法准确获取电网的实时参数。为此，现有技术对电网进行无功进行补偿，通常采用一些专门的设备和技术，如静止无功补偿器(SVC)、动态无功补偿器(DVC)或者柔性交流输电系统(FACTS)。这些设备和技术可以根据电网的实际需求实时调整补偿量，提高电网自身的功率因数，提高电力系统的稳定性和可靠性。但这些无功补偿设备(SVC、DVC和FACTS)的投资和维护成本较高，给电力企业和用户带来较大的经济负担。此外由于这些无功补偿设备操作较为复杂，需要专业知识和技能的人进行设计、安装和维护，增加了人工成本和工作量。

基于以上问题，如何通过调整电力机车的控制策略实现对电网无功的实时补偿，以进一步提高电力机车的电力系统的稳定性和可靠性是本技术领域人员需要解决的问题。

发明内容

为解决上述技术问题，本公开实施例一个方面提供了一种用于改善网压的电力机车电传动控制方法，包括：

S1：获取电网的单位长度阻抗值，以及电力机车的实时运行参数；

S2：通过电网的单位长度阻抗值和电力机车的实时运行参数，实时计算电网的无功功率补偿值；

S3：将电网的无功功率补偿值输入给电力机车的四象限整流器，并通过调整电力机车的四象限整流器的控制策略以对电网实时进行无功功率补偿。

进一步地，S3包括：当电网的无功功率补偿值大于电力机车的补偿能力时，电力机车按最大能力进行补偿，当电网的无功功率补偿值小于或等于多个电力机车的补偿能力时，电力机车按电网的无功功率补偿值进行补偿。

进一步地，控制策略包括对多个电力机车的分时运行和动态调度。

进一步地，动态调度包括：负荷较大、受电弓网压较低的电力机车，不对电网进行无功功率补偿，低负荷或电网前端网压较高的电力机车，对电网进行无功功率补偿。

进一步地，控制策略还包括动力电池协同机制，动力电池协同机制包括：电力机车的动力电池与四象限整流器协同并对对电网进行无功功率补偿。

进一步地，S3还包括：通过监测装置监测电力机车对电网的无功功率补偿效果。

进一步地，控制策略调整指令由电力系统控制中心发出并通过通讯链路传输给电力机车。

进一步地，设置在供电站或电网沿线电流电压传感器实时采集电网电流和电压，并通过通讯链路传输给电力系统控制中心以用于计算电网的单位长度阻抗值。

进一步地，设置在电力机车上的运行参数传感器实时采集电力机车的运行参数，并通过通讯链路传输给电力系统控制中心以用于计算电网所需的无功功率补偿值。

本公开实施例的另一方面提供了一种电力机车，包括：采用上述的用于改善网压的电力机车电传动控制方法以对电网进行无功功率补偿。

根据上述技术方案，本发明提供的一种用于改善网压的电力机车电传动控制方法和电力机车，控制方法通过结合电网阻抗值和电力机车的实时运行参数，实现对电网的实时无功功率补偿，提高电力系统的稳定性和能源利用率；无需额外安装设备，降低了电网无功补偿系统的成本和复杂性；通过实时监测和协同控制，可以精确地为电力系统提供所需的无功功率补偿，从而提高电力系统的稳定性和可靠性；通过动力电池的功率输出和充放电状态，维持电网稳定性的同时提高能源利用效率。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例公开的控制方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本公开的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本公开的原理，但不能用来限制本公开的范围，本公开可以以许多不同的形式实现，不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

本公开提供这些实施例是为了使本公开透彻且完整，并且向本领域技术人员充分表达本公开的范围。应注意到：除非另外具体说明，这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、材料的组分、数字表达式和数值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。

需要说明的是，在本公开的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是大于或等于两个；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

此外，本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的部分。“垂直”并不是严格意义上的垂直，而是在误差允许范围之内。“平行”并不是严格意义上的平行，而是在误差允许范围之内。“包括”或者“包含”等类似的词语意指在该词前的要素涵盖在该词后列举的要素，并不排除也涵盖其他要素的可能。

还需要说明的是，在本公开的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。当描述到特定器件位于第一器件和第二器件之间时，在该特定器件与第一器件或第二器件之间可以存在居间器件，也可以不存在居间器件。

本公开使用的所有术语与本公开所属领域的普通技术人员理解的含义相同，除非另外特别定义。还应当理解，在诸如通用字典中定义的术语应当被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义相一致的含义，而不应用理想化或极度形式化的意义来解释，除非这里明确地这样定义。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

如在以上背景技术中所提到的，电力机车的电网供电系统中存在非线性负载和感性元件，电网自身也会产生一定量的无功功率，这些无功功率会使输电线路上产生额外的电流，从而导致线路损耗增加。尤其当多个电力机车同时运行时，可能导致末端接触网网压过低，限制电力机车的功率输出，影响运行效率。甚至导致供电系统跳闸，造成列车失速甚至停车，对行车秩序造成不利影响，影响运输安全。若采用无功补偿设备对电网进行无功功率补偿，存在投资和维护成本较高，给电力企业和用户带来较大的经济负担。因此，本申请的发明人在一个或多个实施例中提供了一种用于改善网压的电力机车电传动控制方法和电力机车，相信其能解决现有技术中的一个或多个问题。同时，本领域技术人员也可以理解，本发明的技术方案同样也适用于高铁和动车组等采用交流接触网供电的列车。

针对前述提出的技术问题，本发明的一个方面给出了一种用于改善网压的电力机车电传动控制方法，如图1所示，控制方法的步骤为：S1：获取电网的单位长度阻抗值，以及电力机车的实时运行参数；S2：通过电网的单位长度阻抗值和电力机车的实时运行参数，实时计算电网的无功功率补偿值；S3：将电网的无功功率补偿值输入给电力机车的四象限整流器，并通过调整电力机车的四象限整流器的控制策略以对电网实时进行无功功率补偿。

具体地，控制系统包括电力系统控制中心和通讯链路，首先，力系统控制中心获取电网单位长度阻抗值和机车实时运行参数，并根据电网单位长度阻抗值和机车实时运行参数，计算电网的无功功率补偿值。进一步地，可通过采用建立数学模型来计算电网的无功功率补偿值，机车实时运行参数包括机车负载、电压、受电弓距离供电站的距离和速度等。另外，模型可以采用在线计算或者离线预测的方式均可，具体根据实际需求进行选择；然后，电力系统控制中心将计算出的无功功率补偿值通过通信链路发送给电力机车，电力机车接收到无功功率补偿值后，根据四象限整流器控制策略，对电网进行无功功率补偿。

相对于现有技术，本发明提供的一种用于改善网压的电力机车电传动控制方法，通过结合电网阻抗值和电力机车的实时运行参数，实现对电网的实时无功补偿，提高电力系统的稳定性和能源利用率。

在一些实施例中，如图1所示，S3还包括：当电网的无功功率补偿值大于电力机车的补偿能力时，电力机车按最大能力进行补偿，当电网的无功功率补偿值小于或等于多个电力机车的补偿能力时，电力机车按电网的无功功率补偿值进行补偿。根据电力机车的补偿能力对电网的无功功率进行补偿，即保证了电力机车的正常运行的同时，又提高了能源利用率。

在一些实施例中，控制策略包括对多个电力机车的分时运行和动态调度。具体地，在多个电力机车的四象限整流器之间建立通信和协调机制，可以通过协调各车的运行状态和四象限整流器的控制策略，实现对电网的无功功率补偿。通过实时通信和数据交换，可以实现设备间的协调和优化，避免相互干扰和过度补偿。并在多个电力机车之间实现负载均衡和优化，以确保整个电网的稳定性和高效性，实现一个整体的能量管理系统，对整个电网中的电力机车进行实时控制，优化整个电网的能量消耗和功率因数。此外通过控制策略使电力机车可实时获得供电站提供的电网功率因数，结合电力机车自身通过单位长度阻抗计算的功率因数，对应补偿的无功功率进行校核优化。

在一些实施例中，动态调度包括：负荷较大、受电弓网压较低的电力机车，不对电网进行无功功率补偿，低负荷或电网前端网压较高的电力机车，对电网进行无功功率补偿。为适应不同规模的电力机车运行场景，本发明可以采用多级控制策略，根据电网负荷、电力机车数量等因素动态调整控制策略。具体地，可以设置多个控制优先级，对于负荷较大、受电弓网压较低的电力机车，可以不进行电网功率补偿，优先确保自身需要，对于低负荷机车或电网前端网压较高的机车进行电网无功补偿，从而确保整个系统的稳定运行。

在一些实施例中，控制策略还包括动力电池协同机制，动力电池协同机制包括：电力机车的动力电池与四象限整流器协同并对对电网进行无功功率补偿。具体地，还可将动力电池、超级电容器等能量存储设备集成到电力机车上，与四象限整流器协同工作，实现对电网的无功补偿。当电网需要无功功率补偿时，这些能量存储设备可以向电网提供有功功率，同时补偿无功，进而实现提升网压。在电力机车制动时回收能量，并将其存储在储能设备中，在需要时，将回收的能量重新投入到电网中，从而减少对电网的负担，避免多个电力机车同时对电网反馈能量，导致网压过高。

在一些实施例中，S3还包括：通过监测装置监测电力机车对电网的无功功率补偿效果。通过监测实际无功功率的补偿效果，对控制策略进行动态调整，以实现更精确的无功补偿。具体地，可通过实时获取电力系统的电压和电流等参数，并与预测值进行对比，根据实际情况对控制策略进行优化。进一步地，电力系统控制中心根据实时监测数据，评估无功功率补偿效果，根据评估结果可以进一步调整控制策略和协调多个电力机车的协同工作，以实现更优的无功功率补偿效果。

在一些实施例中，控制策略调整指令由电力系统控制中心发出并通过通讯链路传输给电力机车。具体地，电力系统控制中心，实时监测和分析来自电力机车的数据，根据电网的无功需求和机车的实际运行情况，计算出各电力机车应补偿的无功功率。电力系统控制中心将计算出的无功补偿需求通过通信链路发送给电力机车。机车接收到需求后，根据自身的四象限整流器控制策略，调整无功补偿水平。进一步地，电力控制中心可采用分布式控制系统或者集中式控制系统，以便在多车情况下实现对电网无功的协同补偿；通讯链路采用实时、高速和双向的通信方式连接电力机车与电力系统，具体地，采用无线和有线均可，如：局域网、蓝牙、Wi-Fi。

在一些实施例中，设置在供电站或电网沿线电流电压传感器实时采集电网电流和电压，并通过通讯链路传输给电力系统控制中心以用于计算电网的单位长度阻抗值。

在一些实施例中，设置在电力机车上的运行参数传感器实时采集电力机车的运行参数，并通过通讯链路传输给电力系统控制中心以用于计算电网所需的无功功率补偿值。

另一方面，本发明还提供了一种电力机车，包括采用上述的用于改善网压的电力机车电传动控制方法以对电网进行无功功率补偿

综上所述，相比于现有技术，本发明提供的一种用于改善网压的电力机车电传动控制方法和电力机车，控制方法通过结合电网阻抗值和电力机车的实时运行参数，实现对电网的实时无功功率补偿，提高电力系统的稳定性和能源利用率；无需额外安装设备，降低了电网无功补偿系统的成本和复杂性；通过实时监测和协同控制，可以精确地为电力系统提供所需的无功功率补偿，从而提高电力系统的稳定性和可靠性；通过动力电池的功率输出和充放电状态，维持电网稳定性的同时提高能源利用效率。

至此，已经详细描述了本公开的各实施例。为了避免遮蔽本公开的构思，没有描述本领域所公知的一些细节。本领域技术人员根据上面的描述，完全可以明白如何实施这里公开的技术方案。

虽然已经通过示例对本公开的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本公开的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本公开的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改或者对部分技术特征进行等同替换。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。