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  • 頭條新型儲(chǔ)能式鐵路功率調(diào)節(jié)器的協(xié)調(diào)控制方案
    2020-03-31 作者:馬茜、郭昕、羅培、張志文  |  來源:《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》  |  點(diǎn)擊率:
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    導(dǎo)語湘潭大學(xué)信息與工程學(xué)院、湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)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(shù)學(xué)報(bào)》上撰文(論文標(biāo)題為“基于超級(jí)電容儲(chǔ)能的新型鐵路功率調(diào)節(jié)器協(xié)調(diào)控制策略設(shè)計(jì)”),為綜合解決牽引供電系統(tǒng)電能質(zhì)量問題,并提高電力機(jī)車再生制動(dòng)能量利用率,在鐵路功率調(diào)節(jié)器中增加超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng),提出一種基于超級(jí)電容儲(chǔ)能的新型鐵路功率調(diào)節(jié)器。 為進(jìn)一步提高該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的再生制動(dòng)能量利用率和削峰填谷的控制精度,并有效控制超級(jí)電容的充放電,從而減少系統(tǒng)損耗,深入研究超級(jí)電容與鐵路功率調(diào)節(jié)器之間的功率轉(zhuǎn)移特征,通過構(gòu)建兩種控制方式的等效電路,對(duì)比分析兩種控制方式精度問題和超級(jí)電容放電失控問題,進(jìn)而提出基于超級(jí)電容儲(chǔ)能的新型鐵路功率調(diào)節(jié)器協(xié)調(diào)控制策略。仿真結(jié)果證明了所提協(xié)調(diào)控制策略的正確性及有效性。

    為解決電氣化鐵路面臨的負(fù)序、諧波和無功問題,國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)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(bǔ)償裝置,因其成本低而得到了廣泛應(yīng)用。靜止無功補(bǔ)償器(Static Var Compensator, SVC)可以動(dòng)態(tài)補(bǔ)償無功,但會(huì)引入諧波電流。靜止同步補(bǔ)償器(Static Synchronous Compensators, STATCOM)能夠?qū)恳到y(tǒng)進(jìn)行綜合補(bǔ)償,但STATCOM需要安裝在三相高壓側(cè),經(jīng)濟(jì)性低。

    日本學(xué)者提出的鐵路功率調(diào)節(jié)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(dú)立補(bǔ)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(tǒng)的主要電能質(zhì)量問題,具有較高的研究價(jià)值。目前很多學(xué)者對(duì)RPC進(jìn)行了大量的研究,并在RPC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、信號(hào)檢測(cè)方法以及補(bǔ)償原理方面取得了很大的進(jìn)展。

    高速交流機(jī)車在制動(dòng)過程中會(huì)產(chǎn)生很大的再生制動(dòng)能量。若兩臂中只有一臂為再生制動(dòng)狀態(tài),則RPC可以通過功率轉(zhuǎn)移將再生制動(dòng)能量轉(zhuǎn)移至牽引側(cè),實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)能量的利用;若兩臂均為再生制動(dòng)狀態(tài),則RPC只能將再生制動(dòng)能量反送給電網(wǎng)。由此可見,RPC不能完全解決再生制動(dòng)能量的問題。

    高速鐵路牽引供電系統(tǒng)具有牽引負(fù)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(shí)際運(yùn)行中,牽引變壓器負(fù)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(zhuǎn)移來平衡兩臂有功功率,這在一定程度上削弱了負(fù)載峰位負(fù)荷的影響,提高了變壓器的利用率。

    但是,RPC不能將谷時(shí)功率存儲(chǔ),用于補(bǔ)償峰時(shí)負(fù)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(diào)節(jié)器和超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)構(gòu)成的新型儲(chǔ)能式鐵路功率調(diào)節(jié)器(Railway Power Conditioner based on Super Capacitor energy storage system, SC-RPC),相比于傳統(tǒng)的RPC,該補(bǔ)償系統(tǒng)不僅能完成兩供電臂能量雙向流通,實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量的治理,還能通過鐵路功率調(diào)節(jié)器和儲(chǔ)能系統(tǒng)的有功功率轉(zhuǎn)移,提高再生制動(dòng)能量利用率并實(shí)現(xiàn)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(huán)控制。但SC-RPC控制方法的研究還未見文獻(xiàn)報(bào)道,考慮到SC-RPC相對(duì)RPC而言,增加了超級(jí)電容(Super Capacitor, SC),其控制的復(fù)雜程度大大增加,因此,有必要對(duì)其控制策略進(jìn)行深入研究。

    針對(duì)上述問題,本文提出一種基于超級(jí)電容儲(chǔ)能的新型鐵路功率調(diào)節(jié)器協(xié)調(diào)控制策略,該協(xié)調(diào)控制策略不僅可以有效控制RPC與SC之間有功功率的轉(zhuǎn)移,還能實(shí)現(xiàn)多種模式轉(zhuǎn)換,提高再生制動(dòng)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(jí)電容的充放電,減少其損耗,從而提高SC-RPC系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

    新型儲(chǔ)能式鐵路功率調(diào)節(jié)器的協(xié)調(diào)控制方案

    圖1 SC-RPC補(bǔ)償系統(tǒng)

    新型儲(chǔ)能式鐵路功率調(diào)節(jié)器的協(xié)調(diào)控制方案

    圖2 能量模式的關(guān)系轉(zhuǎn)換圖

    新型儲(chǔ)能式鐵路功率調(diào)節(jié)器的協(xié)調(diào)控制方案

    圖7 SC-RPC協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    新型儲(chǔ)能式鐵路功率調(diào)節(jié)器的協(xié)調(diào)控制方案

    圖10 SC-RPC上層控制單元流程

    結(jié)論

    本文提出了一種基于超級(jí)電容儲(chǔ)能的新型鐵路功率調(diào)節(jié)器協(xié)調(diào)控制策略,其特點(diǎn)為:

    1)系統(tǒng)控制切換條件由兩供電臂牽引負(fù)荷的狀態(tài)和大小,通過上層控制中心的協(xié)調(diào),可以完成四種能量管理模式的控制和轉(zhuǎn)換。

    2)在系統(tǒng)處于再生制動(dòng)能量控制模式、削峰放電模式和填谷充電模式時(shí),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(tǒng)處于功率轉(zhuǎn)移模式時(shí),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(jí)電容放電失控問題。

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