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新型儲能式鐵路功率調節器的協調控制方案

2019-06-02    來源:電工技術學報
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[ 導讀 ]:為進一步提高該拓撲結構的再生制動能量利用率和削峰填谷的控制精度,并有效控制超級電容的充放電,從而減少系統損耗,深入研究超級電容與鐵路功率調節器之間的功率轉移特征,通過構建兩種控制方式的等效電路,對比分析兩種控制方式精度問題和超級電容放電失控問題,進而提出基于超級電容儲能的新型鐵路功率調節器協調控制策略。
湘潭大學信息與工程學院、湖南大學電氣與信息工程學院的研究人員馬茜、郭昕、羅培、張志文,在2019年第4期《電工技術學報》上撰文(論文標題為“基于超級電容儲能的新型鐵路功率調節器協調控制策略設計”),為綜合解決牽引供電系統電能質量問題,并提高電力機車再生制動能量利用率,在鐵路功率調節器中增加超級電容儲能系統,提出一種基于超級電容儲能的新型鐵路功率調節器。

為進一步提高該拓撲結構的再生制動能量利用率和削峰填谷的控制精度,并有效控制超級電容的充放電,從而減少系統損耗,深入研究超級電容與鐵路功率調節器之間的功率轉移特征,通過構建兩種控制方式的等效電路,對比分析兩種控制方式精度問題和超級電容放電失控問題,進而提出基于超級電容儲能的新型鐵路功率調節器協調控制策略。仿真結果證明了所提協調控制策略的正確性及有效性。



為解決電氣化鐵路面臨的負序、諧波和無功問題,國內外學者進行了大量的研究。無源濾波器(Passive Filter, PF)作為最早的諧波與無功補償裝置,因其成本低而得到了廣泛應用。靜止無功補償器(Static Var Compensator, SVC)可以動態補償無功,但會引入諧波電流。靜止同步補償器(Static Synchronous Compensators, STATCOM)能夠對牽引系統進行綜合補償,但STATCOM需要安裝在三相高壓側,經濟性低。

日本學者提出的鐵路功率調節器(Railway Power Conditioner, RPC),通過重新分配牽引變壓器出口處有功潮流,并獨立補償各相的無功和諧波,能有效解決兩相或單相牽引供電系統的主要電能質量問題,具有較高的研究價值。目前很多學者對RPC進行了大量的研究,并在RPC的拓撲結構、信號檢測方法以及補償原理方面取得了很大的進展。

高速交流機車在制動過程中會產生很大的再生制動能量。若兩臂中只有一臂為再生制動狀態,則RPC可以通過功率轉移將再生制動能量轉移至牽引側,實現再生制動能量的利用;若兩臂均為再生制動狀態,則RPC只能將再生制動能量反送給電網。由此可見,RPC不能完全解決再生制動能量的問題。

高速鐵路牽引供電系統具有牽引負荷峰位功率越來越大的問題,這使得牽引變壓器的額定功率增大,但實際運行中,牽引變壓器負荷率并不大,這降低了牽引變壓器的利用率。RPC可以通過功率轉移來平衡兩臂有功功率,這在一定程度上削弱了負載峰位負荷的影響,提高了變壓器的利用率。

但是,RPC不能將谷時功率存儲,用于補償峰時負荷的需求,因此,RPC在解決牽引變壓器的容量利用率較低的問題上略顯不足。本文采用了一種由鐵路功率調節器和超級電容儲能系統構成的新型儲能式鐵路功率調節器(Railway Power Conditioner based on Super Capacitor energy storage system, SC-RPC),相比于傳統的RPC,該補償系統不僅能完成兩供電臂能量雙向流通,實現電能質量的治理,還能通過鐵路功率調節器和儲能系統的有功功率轉移,提高再生制動能量利用率并實現削峰填谷。

RPC的控制方法很多,就電流控制而言,有采用PI控制,也有采用PR控制,還有采用滯環控制。但SC-RPC控制方法的研究還未見文獻報道,考慮到SC-RPC相對RPC而言,增加了超級電容(Super Capacitor, SC),其控制的復雜程度大大增加,因此,有必要對其控制策略進行深入研究。

針對上述問題,本文提出一種基于超級電容儲能的新型鐵路功率調節器協調控制策略,該協調控制策略不僅可以有效控制RPC與SC之間有功功率的轉移,還能實現多種模式轉換,提高再生制動能量利用率以及牽引變壓器削峰填谷的精度,并有效控制超級電容的充放電,減少其損耗,從而提高SC-RPC系統的經濟性。



圖1 SC-RPC補償系統



圖2 能量模式的關系轉換圖



圖7 SC-RPC協調控制系統結構



圖10 SC-RPC上層控制單元流程

結論

本文提出了一種基于超級電容儲能的新型鐵路功率調節器協調控制策略,其特點為:

1)系統控制切換條件由兩供電臂牽引負荷的狀態和大小,通過上層控制中心的協調,可以完成四種能量管理模式的控制和轉換。

2)在系統處于再生制動能量控制模式、削峰放電模式和填谷充電模式時,RPC兩臂采用功率控制,SC采用直流電壓和電流控制,可以消除功率控制誤差。在系統處于功率轉移模式時,RPC兩臂采用功率和直流電壓控制,SC采用恒功率控制,可以有效解決超級電容放電失控問題。

 
 
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