一種基于充電機充電超級電容儲能系統(tǒng)的新型鐵路功率調(diào)節(jié)器
2018-6-8 11:33:00??????點擊：
在采用鐵路功率調(diào)節(jié)器解決電氣化鐵路電能質(zhì)量問題時，為了提高再生制動能量的利用率，提出一種由鐵路功率調(diào)節(jié)器和充電機充電超級電容儲能系統(tǒng)構(gòu)成的新型儲能式鐵路功率調(diào)節(jié)器。
該系統(tǒng)不僅能實現(xiàn)兩供電臂能量雙向流通，還能通過鐵路功率調(diào)節(jié)器和儲能系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制，提高再生制動能量利用率并實現(xiàn)削峰填谷功能。首先分析系統(tǒng)工作原理，構(gòu)建再生制動工況下的等效電路，推導(dǎo)再生制動能量利用率表達式；然后分析該系統(tǒng)能夠提高再生制動能量利用率并實現(xiàn)削峰填谷功能的原因；最后搭建仿真模型和實驗平臺，多種工況下的實驗結(jié)果表明了所提新型補償系統(tǒng)的正確性及有效性。
目前，我國已成為世界上高速鐵路運營最快、里程最長的國家，重載和高速已成為現(xiàn)在鐵路的發(fā)展方向[1,2]。隨著高速鐵路的發(fā)展，無功和低次諧波已不再是主要問題，而負序的問題則日益嚴(yán)重，給供電系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定運行帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[3-7]。
為減少電氣化鐵路負序的影響，目前主要采取靜止無功補償器（Static Var Compensator, SVC）[8,9]、靜止無功發(fā)生器（Static Var Generator, SVG）[10,11]、鐵路功率調(diào)節(jié)器（Railwaystatic Power Conditioner, RPC）等方法。SVC和SVG能部分解決負序問題，但由于不能在兩供電臂之間平衡有功，所以治理效果沒有RPC好。因此，采用RPC在治理負序問題具有良好的應(yīng)用前景[12-17]。
高速交流機車在制動過程中會產(chǎn)生很大的再生制動能量[18]。當(dāng)一個橋臂為再生制動狀態(tài)，另一個橋臂為牽引狀態(tài)時，RPC通過功率轉(zhuǎn)移將再生制動能量轉(zhuǎn)移至牽引側(cè)，可以實現(xiàn)再生制動能量的利用；當(dāng)兩側(cè)均為再生制動狀態(tài)時，RPC只能將再生制動能量反送給電網(wǎng)，此時的再生制動能量利用率為零，并對電網(wǎng)造成了較大的沖擊。由此可見，RPC不能完全解決再生制動能量的問題。
目前，高速鐵路牽引供電系統(tǒng)具有牽引負荷峰位功率越來越大的問題[19,20]，因此，牽引變壓器的額定功率就必然會很大，但實際運行中，牽引變壓器負荷率并不大，這就使得牽引變壓器的利用率較低，這導(dǎo)致了牽引變壓器的經(jīng)濟性較差。
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。
針對以上方案的不足，本文提出一種由RPC和充電機充電超級電容（SuperCapacitor, SC）儲能系統(tǒng)構(gòu)成的新型儲能式鐵路功率調(diào)節(jié)器（SC-RPC）。相比于傳統(tǒng)的RPC，該拓撲結(jié)構(gòu)中RPC用于治理負序，SC用于存儲和釋放再生制動能量[21-23]，提高了再生制動能量的利用率，通過SC與RPC的協(xié)同控制將存儲的谷時功率用于補償峰時負荷的需求，改善了峰值功率對牽引變壓器的沖擊，減少其安裝容量，提高其經(jīng)濟性。
本文分析了新型拓撲結(jié)構(gòu)在各種模式下的工作原理，構(gòu)建了SC-RPC與RPC補償系統(tǒng)在再生制動工況下的等效電路，推導(dǎo)出兩種補償系統(tǒng)的再生能量利用率?，對比分析得出了SC-RPC再生能量利用率較高的原因。仿真和實驗結(jié)果表明了本文所提出的新型拓撲結(jié)構(gòu)的正確性和有效性。
圖1 SC-RPC拓撲結(jié)構(gòu)
圖18 實驗裝置實物圖
結(jié)論
為了有效解決電氣化鐵路再生制動能量利用率較低的問題，本文提出一種基于充電機充電超級電容儲能的新型鐵路功率調(diào)節(jié)器（SC-RPC）。引入了削峰功率設(shè)定值和填谷功率設(shè)定值，分析了各種工況下的工作原理，構(gòu)建SC-RPC與RPC的等效電路，推導(dǎo)出兩種補償系統(tǒng)的再生制動能量利用率的關(guān)系式。
仿真和實驗結(jié)果表明SC-RPC不僅能夠解決負序問題，還能提高再生制動能量的利用率，利用谷時電能補償峰時電能，不僅改善了峰值負荷對變壓器的沖擊，而且提高了其容量利用率，具有一定的工程應(yīng)用價值。
該系統(tǒng)不僅能實現(xiàn)兩供電臂能量雙向流通，還能通過鐵路功率調(diào)節(jié)器和儲能系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制，提高再生制動能量利用率并實現(xiàn)削峰填谷功能。首先分析系統(tǒng)工作原理，構(gòu)建再生制動工況下的等效電路，推導(dǎo)再生制動能量利用率表達式；然后分析該系統(tǒng)能夠提高再生制動能量利用率并實現(xiàn)削峰填谷功能的原因；最后搭建仿真模型和實驗平臺，多種工況下的實驗結(jié)果表明了所提新型補償系統(tǒng)的正確性及有效性。
目前，我國已成為世界上高速鐵路運營最快、里程最長的國家，重載和高速已成為現(xiàn)在鐵路的發(fā)展方向[1,2]。隨著高速鐵路的發(fā)展，無功和低次諧波已不再是主要問題，而負序的問題則日益嚴(yán)重，給供電系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定運行帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[3-7]。
為減少電氣化鐵路負序的影響，目前主要采取靜止無功補償器（Static Var Compensator, SVC）[8,9]、靜止無功發(fā)生器（Static Var Generator, SVG）[10,11]、鐵路功率調(diào)節(jié)器（Railwaystatic Power Conditioner, RPC）等方法。SVC和SVG能部分解決負序問題，但由于不能在兩供電臂之間平衡有功，所以治理效果沒有RPC好。因此，采用RPC在治理負序問題具有良好的應(yīng)用前景[12-17]。
高速交流機車在制動過程中會產(chǎn)生很大的再生制動能量[18]。當(dāng)一個橋臂為再生制動狀態(tài)，另一個橋臂為牽引狀態(tài)時，RPC通過功率轉(zhuǎn)移將再生制動能量轉(zhuǎn)移至牽引側(cè)，可以實現(xiàn)再生制動能量的利用；當(dāng)兩側(cè)均為再生制動狀態(tài)時，RPC只能將再生制動能量反送給電網(wǎng)，此時的再生制動能量利用率為零，并對電網(wǎng)造成了較大的沖擊。由此可見，RPC不能完全解決再生制動能量的問題。
目前，高速鐵路牽引供電系統(tǒng)具有牽引負荷峰位功率越來越大的問題[19,20]，因此，牽引變壓器的額定功率就必然會很大，但實際運行中，牽引變壓器負荷率并不大，這就使得牽引變壓器的利用率較低，這導(dǎo)致了牽引變壓器的經(jīng)濟性較差。
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。
針對以上方案的不足，本文提出一種由RPC和充電機充電超級電容（SuperCapacitor, SC）儲能系統(tǒng)構(gòu)成的新型儲能式鐵路功率調(diào)節(jié)器（SC-RPC）。相比于傳統(tǒng)的RPC，該拓撲結(jié)構(gòu)中RPC用于治理負序，SC用于存儲和釋放再生制動能量[21-23]，提高了再生制動能量的利用率，通過SC與RPC的協(xié)同控制將存儲的谷時功率用于補償峰時負荷的需求，改善了峰值功率對牽引變壓器的沖擊，減少其安裝容量，提高其經(jīng)濟性。
本文分析了新型拓撲結(jié)構(gòu)在各種模式下的工作原理，構(gòu)建了SC-RPC與RPC補償系統(tǒng)在再生制動工況下的等效電路，推導(dǎo)出兩種補償系統(tǒng)的再生能量利用率?，對比分析得出了SC-RPC再生能量利用率較高的原因。仿真和實驗結(jié)果表明了本文所提出的新型拓撲結(jié)構(gòu)的正確性和有效性。
圖1 SC-RPC拓撲結(jié)構(gòu)
圖18 實驗裝置實物圖
結(jié)論
為了有效解決電氣化鐵路再生制動能量利用率較低的問題，本文提出一種基于充電機充電超級電容儲能的新型鐵路功率調(diào)節(jié)器（SC-RPC）。引入了削峰功率設(shè)定值和填谷功率設(shè)定值，分析了各種工況下的工作原理，構(gòu)建SC-RPC與RPC的等效電路，推導(dǎo)出兩種補償系統(tǒng)的再生制動能量利用率的關(guān)系式。
仿真和實驗結(jié)果表明SC-RPC不僅能夠解決負序問題，還能提高再生制動能量的利用率，利用谷時電能補償峰時電能，不僅改善了峰值負荷對變壓器的沖擊，而且提高了其容量利用率，具有一定的工程應(yīng)用價值。
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