城市轨道交通牵引错峰填谷稳定回收储能供电量控制方法
阅读说明：本技术 城市轨道交通牵引错峰填谷稳定回收储能供电量控制方法 (Method for controlling power supply quantity of stable recovery energy storage during urban rail transit traction peak shifting and valley filling ) 是由 梁波 马跃 詹跃东 蔡忠 李建祥 赵小波 鲁圣国 于 2021-09-14 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种城市轨道交通牵引错峰填谷稳定回收储能供电量控制方法,包括一个以上城市轨道交通牵引供电单元及控制每个城市轨道交通牵引供电单元工作的能量智能控制系统；特点是每个城市轨道交通牵引供电单元均包括牵引降压变电所、双向变流器、储能装置及双向变换器；其控制方法是：运行前的将准备工作,运行前能量智能控制系统的检测工作,以及能量智能控制系统检测轨道车辆是否工作运营。其减小了回馈的再生制动能量对接触网电压和需市电电网的冲击,改善了入网电能质量,由于储能装置只是用来吸收少部分能量,体积和成本都大大降低了。(The invention relates to a method for controlling the power supply quantity of urban rail transit traction, peak shifting, valley filling, stable recovery and energy storage, which comprises more than one urban rail transit traction power supply unit and an energy intelligent control system for controlling each urban rail transit traction power supply unit to work; the system is characterized in that each urban rail transit traction power supply unit comprises a traction step-down substation, a bidirectional converter, an energy storage device and a bidirectional converter; the control method comprises the following steps: the method comprises the steps of preparing before operation, detecting the energy intelligent control system before operation, and detecting whether the rail vehicle operates or not by the energy intelligent control system. The impact of the regenerative braking energy on the contact network voltage and the power grid needing the commercial power is reduced, the quality of the power energy entering the network is improved, and the size and the cost are greatly reduced because the energy storage device is only used for absorbing a small part of energy.)
技术领域
本发明涉及一种城市轨道交通牵引错峰填谷稳定回收储能供电量控制方法。
背景技术
目前，我国城市轨道交通主要采用的是直流电 750 V或1500V的供电系统。轨道交通供电系统采用多脉冲不可逆的相控整流方式，导致输出特性偏软。轨道交通车辆过多并处于牵引状态时，供电系统的母线电压会被大幅度拉低。另外，城市轨道交通车辆制动过程中，导致能量具有幅值高、时间短、以及功率冲击较大的特点，则优先采用再生制动，包括电阻耗能制动、电容储能制动、以及逆变回馈制动。而且，在电制动不能满足制动要求时，再增加了机械制动和空气制动等方式。当车辆处于制动状态时，供电系统母线电压会被大幅度推高，因此城市轨道交通车辆多采用法国模式即：再生制动+电阻制动，或德国模式：再生制动+轴盘制动+现代涡流制动，以抑制母线电压的升高，这样就会提高车辆的造价，增加车辆的维护步骤，不利于行车安全，对乘客的舒适性也大大降低。
机车进站刹车制动，其电动机会反转发电以制动车辆继续运行，这个过程中机车连接的接触网的电压会升高，甚至超过设定的上限值，为了保证电网电压控制在一定的安全范围内，接触网电压升高而不至影响电网，在轨道交通系统通常采用电阻能耗、超级电容吸收，或能量回馈电网的方式来吸收电能，使电网电压维持在这个规定的电压值范围内。在这些方法中，所吸收的电能不能存储而受到使用的限制，要么同时的逆变回馈上网；要么为出站机车提供电源，其吸收的电能都不能吸收存储。还有当机车间隔时间接近2min频繁启动时，吸收系统都不能连续的工作，影响到电网电压的平衡。
机车在进站刹车时，电机反转发电使得接触电网电压升高，甚至超过牵引动力电网网压上限，通常解决方案为：采用电阻能耗装置可有效的吸收能量，维持电网电压平衡，保护电气系统中的电力设备不至损坏；使用中在电阻能耗装置、车站及隧道中会产生大量的热量，需要配置空调及通风等环控设备进行散热；采用逆变回馈系统是将牵引动力电网电压升高部分的能量吸收下来后，通过DC/AC变换成交流电源，直接输送至市电网络。谐波对市电电网有冲击，让电网公司较难解决；采用飞轮、超级电容等也可储能， 但由于其制造成本高及技术较为复杂而没有的到商业化的应用。同时，使用吸能装置的极少数轨道线路采用的是地面制动电阻吸收装置，虽然吸收了地铁车辆制动时产生的能量，但是这些制动电阻完全将制动能量变成了热能，没有真正做到节能，不利于轨道交通车辆回归绿色、节能。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足而提供一种城市轨道交通牵引错峰填谷稳定回收储能供电量控制方法，减小了回馈的再生制动能量对接触网电压和需市电电网的冲击，改善了入网电能质量，由于储能装置只是用来吸收少部分能量，体积和成本都大大降低了。
为了达到上述目的，本发明是这样实现的，其是一种城市轨道交通牵引错峰填谷稳定回收储能供电量控制方法，包括一个以上城市轨道交通牵引供电单元及控制每个城市轨道交通牵引供电单元工作的能量智能控制系统；其特征在于每个城市轨道交通牵引供电单元均包括牵引降压变电所、双向变流器、储能装置及双向变换器，城市电网向牵引降压变电所的提供交流电，所述双向变流器接收牵引降压变电所输出的降压后的交流电后向接触网供电，且双向变流器可将车辆制动时所产生的电量通过牵引降压变电所输入至城市电网中；所述储能装置通过双向变换器向接触网供电，且双向变换器可将车辆制动时所产生的电量及接触网的充电储存在储能装置中；所述能量智能控制系统的控制方法如下：
步骤一 运行前的将准备工作
运行前，在能量智能控制系统中设定城市电网的电压最大值Va及电压最小值Vb，在能量智能控制系统中设定接触网的电压最大值Vc及电压最小值Vd，在能量智能控制系统中设定储能装置容量SOC的上限值及下限值，在能量智能控制系统中设定各电分段接触网的电压上限值Vｅ及电压下限值Vf，在能量智能控制系统中设定好上述值后，进入下一步的运行工作；
步骤二 运行前能量智能控制系统的检测工作
1）运行时，能量智能控制系统对城市电网的电压进行采样；①如城市电网的电压在电压最大值Va与电压最小值Vb之间时，工作正常，能量智能控制系统停止检测，城市电网向牵引降压变电所供电，开始运行；②如城市电网的电压超出设定的电压最大值Va及电压最小值Vb，能量智能控制系统又对接触网电压进行采样，如接触网电压在电压最大值Vc与电压最小值Vd之间时，工作正常，能量智能控制系统停止检测，城市电网向牵引降压变电所供电，开始运行；如接触网电压超出电压最大值Vc与电压最小值Vd时，进行下面2）步的操作；
步骤三 能量智能控制系统检测轨道车辆是否工作运营
1）如果运营，能量智能控制系统控制每个城市轨道交通牵引供电单元，使城市电网通过牵引降压变电所、双向变流器及双向变换器向储能装置充电，使储能装置容量SOC达到其上限值，如果储能装置容量SOC达到其上限值，返回步骤一进行电压采样检测；
2）如果不运营，能量智能控制系统对各电分段接触网电压进行检测；①如各分段接触网电压大于电压上限值Vｅ，该分段接触网对储能装置充电；充电后，如果储能装置的储能装置容量SOC等于上限值，该分段接触网对城市电网馈电并返回步步骤一；如果储能装置的储能装置电量小于上限值Ca，又返回到2）步；②如各分段接触网电压小于电压下限值Vf，各城市轨道交通牵引供电单元对各自的接触网供电并返回步骤一；③如各分段接触网电压大于电压下限值Vf，（a）对各分段各个轨道车辆功率进行计算，如输出功率大于零，返回步骤一；如输出功率等于零，该分段储能装置放电 ，当储能装置容量SOC等于其下限值，返回步骤一，当储能装置容量SOC大于其下限值，又返回（a）对各分段各个轨道车辆功率进行计算。
本发明与现有技术相比的优点如下：
1. 设计的城市轨道交通牵引供电系统具有储存吸收电能快速、高效、容量大，抗干扰能力强的优点。
2. 设计的双向变流器具有输入功率因数校正、开关频率低、开关损耗小、电磁兼容性好、输入谐波少、总谐波含量低、滤波器体积小等优点。
3. 机车刹车起牵引动力电网升压或降压过限，能量智能管理系统可进行充电或供电稳压，抑制电压过限对电网造成的尖峰冲击，抑制谐波影响，从而提高了电能质量。
4. 牵引动力电网的供电母线电压高于预设范围时，在能量智能管理系统的控制下将电压转换为储能装置的额定电压给蓄电池充电，将电能储存在储能单元中 。
5. 牵引动力电网供电母线电压低于预设范围时，在能量智能管理系统的控制下，将电压转化为预设范围内的电压，蓄电池对外放电，给供电母线供电，维持供电母线的电压平衡。
6. 能量智能管理系统解决了吸收电能的使用问题，可将其电能根据需要转化电流电压做其他机车或者站房其他设备的选择使用。
7. 在市电电网失电的情况下蓄电池可以做后备电源使用，可保证机车就近靠站或短期运行，提高运行效率；也可以对站房等其他设备作为后备电源使用，保证乘客安全和秩序稳定。
8. 提出的城市轨道交通牵引供电系统，采用双向变流器把再生制动能量回馈电网，节约能量，稳定直流电网电压，保证车辆安全高效运行，同时双向变流器具有损耗小、效率高、对输入电网的谐波污染小、以及输入功率因数校正等优点。
9. 采用能馈与储能相结合的再生制动能量吸收方案，能量合理处理和分配能量管理技术，采用能馈与储能系统互补，以实现在最小的设备容量、最低设备投资情况下达到最优的电网电能质量提升。
10. 采用快速的脉冲能量缓冲技术，以实现与能馈式供电系统配合，减小脉动制动能量对交流电网的冲击，减小交流谐波电流和交流电压闪变，同时减小供电变流器的设计容量。
11. 提出的城市轨道交通牵引供电系统，采用储能装置吸收多余的再生制动能量，不仅可以抑制直流电网电压的升高，并且储存的能量在车辆加速启动的时刻释放出来，可以为接触网（轨）提供电压支撑，防止接触网（轨）电压跌幅过大，同时吸收的能量得到了有效利用。在接触网（轨）出现最大负载时释放出储存的能量还可以起到“削峰填谷”的作用，从而可适当降低牵引双向变流器的功率容量，减少能量传输损耗。由于对接触网（轨）起到了电压支撑的作用，改善了接触网（轨）的供电质量，提高了轨道交通车辆的牵引性能。另外，在供电系统断电时，储能装置还可以提供能量备份，支撑系统应急运行一段时间。
12. 提出的城市轨道交通牵引供电系统，在夜间0时至6时城市车辆停止营运时，即市电电网用电低峰期，可以通过双向变流器和双向变换器向储能装置充电，实现“错峰填谷”功能。根据调峰储能装置中的智能能量调度算法，通过在市电电网用电高峰期，储能装置通过双向变流器对市电电网进行补偿供电，在用电低谷期对储能装置充电的方式，市电电网整体容量可提升20%~30%，以调节市电电网用电高峰期，让电能产生更大价值。
附图说明
图1是本发明的控制方框图；
图2是本发明的能量智能控制系统控制流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以互相结合。
如图1所示，其是一种城市轨道交通牵引错峰填谷稳定回收储能供电量控制方法，包括一个以上城市轨道交通牵引供电单元及控制每个城市轨道交通牵引供电单元工作的能量智能控制系统；每个城市轨道交通牵引供电单元均包括牵引降压变电所、双向变流器、储能装置及双向变换器，城市电网向牵引降压变电所的提供交流电，所述双向变流器接收牵引降压变电所输出的降压后的交流电后向接触网供电，且双向变流器可将车辆制动时所产生的电量通过牵引降压变电所输入至城市电网中；所述储能装置通过双向变换器向接触网供电，且双向变换器可将车辆制动时所产生的电量及接触网的充电储存在储能装置中.
如图2所示，所述能量智能控制系统的控制方法如下：
步骤一 运行前的将准备工作
运行前，在能量智能控制系统中设定城市电网的电压最大值Va及电压最小值Vb，在能量智能控制系统中设定接触网的电压最大值Vc及电压最小值Vd，在能量智能控制系统中设定储能装置容量SOC的上限值及下限值，在能量智能控制系统中设定各电分段接触网的电压上限值Vｅ及电压下限值Vf，在能量智能控制系统中设定好上述值后，进入下一步的运行工作；在本实施例中，电压最大值Va是2000V，电压最小值Vb是800V，电压上限值Vｅ是1800V，电压下限值Vf中1000V，储能装置容量SOC的上限值是0.95-1，储能装置容量SOC的下限值是0-0.2。
步骤二 运行前能量智能控制系统的检测工作
1）运行时，能量智能控制系统对城市电网的电压进行采样；①如城市电网的电压在电压最大值Va与电压最小值Vb之间时，工作正常，能量智能控制系统停止检测，城市电网向牵引降压变电所供电，开始运行；②如城市电网的电压超出设定的电压最大值Va及电压最小值Vb，能量智能控制系统又对接触网电压进行采样，如接触网电压在电压最大值Vc与电压最小值Vd之间时，工作正常，能量智能控制系统停止检测，城市电网向牵引降压变电所供电，开始运行；如接触网电压超出电压最大值Vc与电压最小值Vd时，进行下面2）步的操作；
步骤三 能量智能控制系统检测轨道车辆是否工作运营
1）如果运营，能量智能控制系统控制每个城市轨道交通牵引供电单元，使城市电网通过牵引降压变电所、双向变流器及双向变换器向储能装置充电，使储能装置容量SOC达到其上限值，如果储能装置容量SOC达到其上限值，返回步骤一进行电压采样检测；
2）如果不运营，能量智能控制系统对各电分段接触网电压进行检测；①如各分段接触网电压大于电压上限值Vｅ，该分段接触网对储能装置充电；充电后，如果储能装置的储能装置电量等于上限值Ca，该分段接触网对城市电网馈电并返回步步骤一；如果储能装置的储能装置容量SOC小于上限值，又返回到2）步；②如各分段接触网电压小于电压下限值Vf，各城市轨道交通牵引供电单元对各自的接触网供电并返回步骤一；③如各分段接触网电压大于电压下限值Vf，（a）对各分段各个轨道车辆功率进行计算，如输出功率大于零，返回步骤一；如输出功率等于零，该分段储能装置放电 ，当储能装置容量SOC等于其下限值，返回步骤一，当储能装置容量SOC大于其下限值，又返回（a）对各分段各个轨道车辆功率进行计算。
本发明供电系统的能量智能管理模型为：
（1）
式中，为接触网消耗的负载功率；为轨道车辆的牵引功率；为轨道车辆的制动产生的功率；为接触网的损失功率；为牵引变电所产生的功率，前面符号为＋，表示牵引变电所提供双向变流器向接触网提供功率和能量，前面符号为－，表示接触网提供双向变流器向市电电网馈电；为储能装置功率容量，前面符号为＋，表示储能装置提供双向变换器向接触网放电，前面符号为－，表示接触网（轨）提供双向变换器向储能装置充电。
其采用能馈与储能相结合牵引供电系统，在车辆起动和牵引时，牵引双向变流器输出主要供电功率，储能装置输出辅助能量，为下一次制动时吸收能量作准备；在车辆制动时，可以使大部分能量通过可逆牵引双向变流器回馈电网，而通过双向变换器使得储能装置只用来吸收多余的少部分制动能量，因此可逆牵引双向变流器可以按最大整流功率设计而不按最大能馈功率设计，这样可以降低了牵引双向变流器的配置容量，从而提高其容量利用率。由于储能装置的参与，可以减小回馈的再生制动能量对接触网（轨）电压和市电电网的冲击，从而改善入网电能质量。另外由于储能装置只是用来吸收少部分能量，因此体积和成本都可大大降低。
本发明提出一种城市轨道交通牵引错峰填谷稳定吸收储能供电能量智能管理方法。当轨道交通车辆处于牵引状态时，供电系统的母线电压会被大幅度拉低，能量智能管理系统通过蓄电池组和双变换器辅助牵引降压变电所与整流器为轨道车辆供电，保证供电系统的母线电压稳定在要求的范围内。当轨道交通车辆处于制动状态时，供电系统导致接触电网电压升高，则能量智能管理系统将轨道车辆产生的能量通过双变换器对蓄电池充电，以补充蓄电池放电时损耗的能量。如果轨道交通车辆处于制动状态时，通过双变换器已经对蓄电池充电到要求的能量值，则能量智能管理系统通过逆变器将轨道车辆制动时产生的能量回馈到电网中。当轨道交通车辆夜间停运时，则能量智能管理系统通过牵引降压变电所与整流器对蓄电池充电，达到错峰填谷的目的。
以上结合附图对本发明的实施方式作出详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。对于本领域的普通技术人员而言，在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下对这些实施方式进行多种变化、修改、替换及变形仍落入在本发明的保护范围内。