城市轨道交通再生制动回馈系统设计与节能探讨.pdf

城市轨道交通再生制动回馈系统设计与节能探讨刘聪(中国铁路设计集团有限公司,天津 )摘要:对城市轨道供电系统各组成部分的电气特性建模,研究含逆变回馈装置的牵引变电所组合运行控制策略,并采用交替迭代方式实现交直流一体化供电仿真计算.结合列车运行负荷过程模拟,利用软件求解多车、动态的全网络潮流分布和再生制动能量分配利用情况,以此为基础进行相关牵引供电计算、逆变回馈装置位置容量优化和能量反馈效果评估等研究工作,并对再生制动回馈进行系统优化设计.关键词:再生制动能量;逆变回馈;系统优化设计;交直流潮流计算;节能中图分类号:TM D O I:/j c n k i d g j s D e s i g no fR e g e n e r a t i v eB r a k i n gF e e d b a c kS y s t e mf o rU r b a nR a i lT r a n s i t a n dE n e r g yC o n s e r v a t i o nD i s c u s s i o nL I UC o n g(C h i n aR a i l w a yD e s i g nC o r p o r a t i o n,T i a n j i n ,C h i n a)A b s t r a c t:T h ee l e c t r i c a l c h a r a c t e r i s t i c sm o d e l o f e a c hc o m p o n e n t o f t h eu r b a n r a i l p o w e r s u p p l ys y s t e mi s e s t a b l i s h e d,t h ec o m b i n e do p e r a t i o nc o n t r o l s t r a t e g yo f t r a c t i o ns u b s t a t i o nw i t h i n v e r t e r f e e d b a c kd e v i c e i s s t u d i e d,a n d t h e s i m u l a t i o nc a l c u l a t i o no fA Ca n dD Ci n t e g r a t e dp o w e rs u p p l y i s r e a l i z e db ya l t e r n a t i n g i t e r a t i v em o d e C o m b i n e dw i t ht h es i m u l a t i o no ft r a i nr u n n i n g l o a dp r o c e s s,t h es o f t w a r e i su s e dt os o l v e t h em u l t i c a r,d y n a m i cp o w e r f l o wd i s t r i b u t i o na n dr e g e n e r a t i v eb r a k i n ge n e r g yd i s t r i b u t i o na n du t i l i z a t i o n B a s e do n t h i s,t h e r e l e v a n t t r a c t i o np o w e r s u p p l y c a l c u l a t i o n,i n v e r t e r f e e d b a c kd e v i c ep o s i t i o nc a p a c i t yo p t i m i z a t i o na n de n e r g y f e e d b a c ke f f e c t e v a l u a t i o na r e c a r r i e do u t,a n d t h e s y s t e mo p t i m i z a t i o nd e s i g no f r e g e n e r a t i v eb r a k i n gf e e d b a c k i sc a r r i e do u t K e yw o r d s:r e g e n e r a t i v eb r a k i n ge n e r g y;f e e d b a c k i n v e r t e r;s y s t e md e s i g no p t i m i z a t i o n;A C/D Cp o w e r f l o wc a l c u l a t i o n;e n e r g yc o n s e r v a t i o n收稿日期:作者简介:刘聪(),工学硕士,研究方向为轨道交通供电系统设计.引言当前,在国内城市轨道交通供电系统中,为有效利用城市轨道列车再生制动所产生的电能以减少城市轨道交通运营的用电量,同时改善城市轨道交通供电质量,一种逆变回馈型的再生制动电能吸收、回馈和再利用的新技术在业内被广泛推广与应用.然而,这项新技术却对传统的供电系统设计提出了新的要求,亟需建立一种全新的交、直流网络受控互联的潮流计算算法,从系统建模与仿真层面为供电系统设计提供技术支持.为此,基于交直流交替迭代的城市轨道供电系统再生制动能馈仿真算法应运而生.含逆变回馈的牵引供电系统仿真是完成相关牵引供电计算、逆变回馈装置位置容量优化和能量反馈效果评估等研究工作的基础,并直接面向城市轨道供电系统相关设计.该算法在深圳地铁 号线、深圳地铁号线三期、杭州地铁 号线等再生能系统设计中得到应用,对于指导设计和推广应用具有实用价值.同时,仿真平台在各工程中的应用也积累了大量统计结果数据,为探究系统节能和优化设计提供了理论基础和数据支撑,使得各影响因素的定量分析成为可能.本文以此为出发点,探究各影响因素对再生制动能量吸收效果的影响过程,并以统计结论分析来探究牵引供电系统优化设计的可能方向.牵引供电系统建模逆变回馈再生制动能量吸收装置主要采用大功率晶闸管三相逆变器或I G B T逆变器.工业中常用的三相桥式晶闸管有源逆变电路如图所示.图三相桥式有源逆变电路与不可控的整流电路相对应,作为全控电路,有源逆自动控制电工技术变电路常采用的控制方式有恒压控制(即控制直流输出电压恒定)和恒逆变角控制(即控制逆变角恒定)等.在回馈至中压环网的方案中,处在逆变状态的牵引变电所,与普通整流牵引变电所在结构上区别不大.但由于整流、逆变电路额定空载电压的不同(计算中将逆变电路额定输出电压选取为控制电压),整流牵引变电所变压器二次侧绕组匝数与逆变变压器也相应存在一定比例关系nI RnI/nR.其中nI R的计算式为:nI RUac o sm i n(EdXcId)()式中,m i n为最小熄弧角(恢复阻断角与换相安全裕量角之和),约 .考虑严苛情况,即中压网络电压Ua的压降以及重载下直流侧电流Id取额定工况下的 ,nI R计算值约为 .通常情况下,特别是高压直流输电系统的计算中,换相电阻Rc远小于电抗Xc,或者为计算简便,Rc往往忽略不计.而城市轨道供电系统中压电网电压等级较低,一般为 k V,换流器的换相电阻和电抗的比值通常高于HV D C系统,换相电阻不可被忽略.为将换相电阻对换流器工作状态的影响加以考虑,提出了等效电阻电抗模型(R L模型),如图所示.在潮流计算中,考虑到换相阻抗对整流/逆变器工作模式的影响,在换流器电路中可使用等效换相阻抗Re q表示,Re q()Rc,其中为阻抗角.图R L逆变电路模型若换流器电路工作在逆变状态(即模式)下,则可得到考虑换相压降的逆变变压器二次侧回路方程:Et|nI REd|(c o sc o s)()IdRc()三相桥式有源逆变电路二次侧负载基波电流Id瞬时值为:Idi|nI REd|c o sXce()c o s()e()c o s()()式中,RcXca r c t a n(RcXc).对基波电流Id瞬时值表达式进行傅里叶分解,可分别得到其实、虚部(即有功、无功部分),进而得出三相桥式有源逆变电路两侧功率模型:Pi|nI RUi|Xcc o sA(,)|nI RUi|IdiB(,)()Qi|nI RUi|Xcc o sC(,)|nI RUi|IdiD(,)()其中:A(,)()s i nc o s()c o s()c o sc o s()e()c o s()c o s()B(,)c o se()c o s()c o s()c o sc o sC(,)()c o ss i n()s i n()c o sc o s()e()s i n()c o s()D(,)c o se()s i n()s i n()s i ns i n含有逆变回馈的牛顿拉夫逊法潮流计算在交直流混合系统的潮流计算中,所有交流、直流节点同步参与计算.牵引变电所是交直流网络的接口,其功率模型反映了两侧电能的交换.变电所功率模型简图如图所示.图变电所功率模型简图功率平衡方程中i节点为逆变型变电所节点,p节点为整流型变电所节点,v和t分别表示该网络直流侧的节点编号,q、k分别表示其他交流、直流节点.PpQpUp(NqYp qUq)Pp jQpPiQiUi(NqYi qUq)Pi jQi对于逆变支路,功率偏差方程为:PiPiNqUiUq(Gi qc o si qBi qs i ni q)Pi()QiQiNqUiUq(Gi qc o si qBi qs i ni q)Qi()对于逆变支路直流侧节点,功率偏差方程为:PvPvUv(MkGv kUk)EvIdi()由于功率方程中引入逆变回路参数超前角和熄弧角,因此需另引入个独立修正方程:REv|nI RUi|(c o sc o s)()RcIdi()RIdi|nI RUi|c o sXce()c o s()e()c o s()()无论是牵引变电所内地面制动电阻吸收装置还是逆变电工技术自动控制 回馈装置,都希望维持其输入输出电压恒定.控制电压取装置投入电压Es e t,则引入修正方程为:REs e tEv()PiQiRRPqQqPvRPkHi iNi iAiBiHi qNi qCi vJi iLi iDiEiJi qLi qFi vGiIiKi Oi vMi vRiSiTi Ui v Hq iNq i Hq qNq q Jq iLq i Jq qLq q Zv i Nv vNv k Yv v Nk vNk kiUi/UiIdIiqUq/UqEv/EviEk/Ek()式中,Hi iPi i,Ni iPi UiUi,AiPi Idi,BiPi i整流牵引变电所可采用相同模型,或使用 脉波整流机组模型,可一并加入修正方程进行迭代求解.交替迭代算法和城市轨道仿真平台采用交替迭代方式的交直流一体化供电计算,其直流侧计算、交流侧计算和换流器模块计算具备相对独立性.交替迭代算法在各计算模块建模精度、算法整体收敛难度和变电所状态转换的实现上具备优势.交替迭代算法示意图如图所示.图交替迭代算法示意图仿真平台使用MA T L A B作为编程工具,采用交替迭代方式实现交直流一体化供电仿真计算.针对安装逆变回馈装置的牵引变电所,给出基于电流流向判据的状态转换方法,实现牵引变电所整流、关断、逆变三种工作状态的闭环转换;确定以V S C换流电路为主体的逆变回馈装置的运行控制策略组合;通过交直流一体化供电计算求解整个供电系统的潮流分布,分析再生制动能量经变电所逆变回馈至交流网络后再分配和利用的情况;通过对城市轨道供电系统交流及直流各组成部分的建模,以及对列车动态运行负荷过程的模拟,在算法中实现含有逆变回馈装置的交直流全网络动态仿真.再生制动回馈效率影响因素的探究基于实际工程作为算例,应用上述供电仿真平台对各牵引变电所再生制动回馈效率的影响因素进行仿真计算和数理统计层面的研究分析.工程算例中,全线设置牵引变电所座,各牵引变电所均设置逆变回馈型吸收装置.在发车为 对/h(发车间隔m i n)时,统计能反映回馈效果的重要指标.各牵引变电所每小时回馈电能统计如图所示.图各牵引变电所每小时回馈电能统计随着发车间隔的缩短,牵引变电所回馈比(即牵引变电所回馈电能于牵引变电所输出电能的占比)和牵引变电所吸收比(即牵引变电所回馈电能于列车总再生制动电能的占比)均逐渐减小.回馈电能总量变化相对稳定,变化曲线呈近似“U”字形,如图、图所示.图不同开行对数下吸收比与回馈比变化图不同开行对数下每小时总回馈电能随着发车对数的增加,牵引网损耗和牵引变电所供电设备损耗 逐 渐 增 大,损 耗 比 呈 增 长 趋 势,如 图、图所示.自动控制电工技术图不同开行对数下牵引侧系统损耗图不同开行对数下牵引变电所供电设备损耗比列车牵引和再生制动功率都具有波动性,其中制动功率持续时间更短、更剧烈.在容量选取时可参考其带电有效值,如图 所示.容量选取应考虑不同发车对数下回馈功率的变化,如图 所示.图 牵引变电所直流进线电流变化曲线图 各牵引变电所不同发车对数下回馈功率有效值在固定列车追踪间隔(同一发车对数)下,如果运行图上下行发车交错的时间不同,那么牵引变电所回馈功率也各不相同.这是因为逆变回馈装置所吸收的电能为同行车吸收过剩部分的制动能量,通常当多辆车运行工况在短时内达成特定组合时才会形成过剩制动电能.为此,相较牵引用电,回馈功率对运行图铺画的变化更敏感,也是逆变回馈装置容量选取需要考虑的.不同运行图下回馈功率有效值如图 所示.图 不同运行图下回馈功率有效值目前,逆变回馈装置大多通过启动电压触发.以m i n发车间隔为例,调整启动电压,从 V逐步降低至 V,牵引变电所回馈电能增加明显,牵引变电所回馈比由 增至 ,牵引变电所总回馈电能及回馈比随启动电压变化如图 所示,牵引变电所总回馈、总输出电能随启动电压变化如图 所示.图 牵引变电所总回馈电能及回馈比随启动电压变化图 牵引变电所总回馈、总输出电能随启动电压变化但值得注意的是,牵引变电所总回馈电能量增加的同时,总输出电能也在同步增加.这表明有牵引变电所在接受回馈制动电能的同时,也有其他牵引变电所在额外输出电能.列车再生电能总量基本不变的情况下,牵引变电所回馈电能增大,则意味着同行车间吸收电能减少.启动电压降低,同行车吸收比随之降低.其原因是现有的通过牵引变电所直流母线电压作为启动判据的控制方式,面对制动列车位置不断移动,制动功率、牵引网电压不断变化的复杂情况,难以判断出哪些属于“过剩的制动电工技术自动控制 能量”,因此必然会把部分原本可用于同行车吸收的制动电能回馈至上级中压环网.而远处的同行车未能得到这部分能量,势必又会从就近牵引变电所补足,从而造成牵引变电所总回馈电能增加,总输出电能也相应增加.启动电压对同行车吸收比影响如图 所示.图 启动电压对同行车吸收比影响因此,现有以启动电压为判据的回馈装置在吸收过剩制动能量的同时,也不可避免会夺取小部分同行车吸收的能量,如图 所示.图“抢夺”同行车能量的潮流示意图在启动电压降低的过程中,牵引变电所净输出电能略有减少,其原因为牵引网损耗和电阻制动损耗的减少,其中牵引网损耗减少 ,如图 所示.牵引网损耗降低的主要原因在于启动电压降低,牵引变电所逆变回馈拿走的同行车吸收电能增加,因此牵引网上流通的电流减少,从直流牵引侧来看系统能耗是降低的.图 牵引网损耗及电阻制动损耗变化但牵引列车需求的电能是一定的,来自同行车的电能减少,就会从交流网络额外补足,所以交流侧和整流机组总的通过电能是增大的,损耗也相应增大;逆变回馈装置的工作时间变长,其损耗也是增大的.供电设备总损耗约增加 ,如图 所示.图 供电设备损耗变化结语本文对城市轨道供电系统中回馈电能至中压环网的逆变回馈装置进行了详细建模,并得到了考虑不同换流器工作状态的R L功率模型,实现了含有逆变回馈装置的交直流统一供电计算算法.结合 节点供电系统算例,运用MA T L A B工具进行了模型实例仿真计算,结果表明所提模型和计算方法切实有效,达到了预期效果.逆变装置通过对牵引网电压的控制,会限制部分同行车吸收能力,以增大供电设备损耗为代价,降低牵引网损耗.牵引侧损耗减少,而供电设备和交流侧损耗增加,若两者变化曲线有交点,则系统总损耗曲线会呈“V”字形,即能找到适当的逆变回馈启动电压(即图中拐点电压),使得系统损耗最小.例如本案例中,系统损耗最低时的启动电压约为 V,如图 所示.实际上,对于不同开行对数及运行图,不同线路和供电区间,不同牵引变电所的最优启动电压是不同的.这种优化方法虽然限于仿真计算层面,但可以带来的启示是:具备可控调压功能的换流设备加入牵引供电系统后,可进一步对整个系统损耗进行深度优化.图 最优损耗示意图参考文献 刘聪逆变回馈装置在城市轨道牵引供电系统中的建模与仿真D成都:西南交通大学,刘炜,徐伶俐,刘聪,等逆变回馈装置的城市轨道交直流混合潮流计算J铁道学报,():刘炜城市轨道交通交直流统一的牵引供电计算J电力系统保护与控制,():(下转第 页)自动控制电工技术 从仿真波形图可以得出,当ts,风速从m/s提升到 m/s时,采用本文控制策略可使风电机组达到最大功率,风速为m/s时风能利用系数Cp能达到约 ,而当风速提升至 m/s时风能利用系数Cp上升至 .与此同时,永磁直驱风力发电系统输出的功率能够跟随风速变化做出快速响应,并能根据风机输出的最大功率点变化而变化.在本文提出的功率外环、电流内环的控制策略下,机侧变流器起到了积极作用,在本文提出的电压外环、电流内环的控制策略下,网侧变流器起到了稳定直流侧电压的作用,电压值为 V.结语本文根据永磁直驱风力发电系统的特点,分析了永磁直驱风力发电系统采用功率外环和电流内环的机侧变流器控制策略,采用电压外环和电流内环的网侧变流器控制策略.为了达到对最大功率点(MP P T)的跟踪控制,本文运用了变步长爬山搜索法.在此基础上,运用MA T L A B软件,建立了基于该控制策略的PM S G仿真模型.通过仿真,在不同的风速条件下,本文所建立的PM S G仿真模型真实地模拟实际风机发电系统.通过对比分析仿真图形、数据、结果可知,在该控制策略下,随着风能最大功率点的确定,永磁直驱风力发电系统PM S G始终能安全、可靠、稳定 运 行,从 而 验 证 了 该 控 制 策 略 具 有 极 高 的 实用性.参考文献 严干贵,魏治成,穆钢,等直驱永磁同步风力发电机组建模及其控 制 系 统 仿 真 研 究 J电 力 系 统 及 其 自 动 化 学 报,():王艳飞直驱永磁同步风力发电机组频率控制策略研究D北京:华北电力大学,DUANR o u y o n g,L I NC h u n g y o u,WA IR o n g j o n g M a x i m u m p o w e r e x t r a c t i o nA l g o r i t h mf o rg r i d c o n n e c t e dPM S G w i n dg e n e r a t i o ns y s t e mC n dA n n u a lC o n f o nI E E EI n d u s t r i a lE l e c t r o n i c s,N g u y e nD,F u j i t aG A n a l y s i so f s e n s o r l e s sMP P Tm e t h o d f o rh y b r i dP V w i n ds y s t e mu s i n gD F I G w i n dt u r b i n e sJ S u s t a i n a b l eE n e r g y,G r i d sa n dN e t w o r k s,():李娟,张克兆,李生权,等最佳叶尖速比的最大功率自抗扰跟踪控制J电机与控制学报,():W A N G P i n g,L I UF e n g An o v e lm a x i m u mp o w e rp o i n t t a r c k i n gc o n t r o lm e t h o di nw i n dt u r b i n e a p p l i c a t i o nC P r o c c e e d i n g so ft h e n dC h i n e s eC o n t r o lC o n f e r e n c e,R a j i n M L i n u s,P e r u m a lD M a x i m u mp o w e rp o i n tt r a c k i n gm e t h o du s i n gam o d i f i e dp e r t u r ba n do b s e r v ea l g o r i t h mf o rg r i dc o n n e c t e dw i n de n e r g yc o n v e r s i o ns y s t e m sJ I E T R e n e w a b l eP o w e rG e n e r a t i o n,():李咸善,徐浩采用叶尖速比法和爬山搜索法相结合的风力发电系统最大功率跟踪点跟踪研究J电力系统保护与控制,():(上接第 页)Y S T z e n g U n i f i e dA C/D Cp o w e rf l o wf o rs y s t e ms i m u l a t i o ni nD Ce l e c t r i f i e dt r a n s i tr a i l w a y sJ I E T P r o cE l e c t rP o w e rA p p l i c a t i o n,():吴晓婷直流牵引变电所在交直流潮流计算中建模研究D北京:北京交通大学,胡海涛,王江峰,何正友,等地铁牵引供电系统交直流潮流算法研究J铁道学报,():刘炜城市轨道交通列车运行过程优化及牵引供电系统动态仿真D成都:西南交通大学,刘炜城市轨道交通供电系统仿真D成都:西南交通大学,Y ST z e n g,NC h e n,R N W u Ad e t a i l e dR Lf e db r i d g ec o n v e r t e rm o d e l f o rp o w e r f l o ws t u d i e s i n i n d u s t r i a lA C D Cp o w e r s y s t e m sJ I E E ET r a n s a c t i o n so nI n d u s t r i a lE l e c t r o n i c s,():D JT y l a v s k y,F CT r u t t T h en e w t o nr a p h s o nl o a df l o wa p p l i e dt o A C/D Cs y s t e m s w i t hc o m m u t a t i o ni m p e d a n c eJ I E E ET r a n s a c t i o n so n I n d u s t r i a lA p p l i c a t i o n s,():Y ST z e n g,R N W u,NC h e n E l e c t r i cn e t w o r ks o l u t i o n so fD Ct r a n s i ts y s t e m sw i t hi n v e r t i n gs u b s t a t i o n sJ I E E E T r a n s a c t i o n so nV e h i c u l a rT e c h n o l o g y,():郑超 V S C HV D C稳态特性与潮流算法的研究J中国电机工程学报,():卫志农,季聪,郑玉平,等计及V S C HV D C的交直流系统最优潮流统一混合算法J中国电机工程学报,():韩志伟,张钢,刘志刚,等中压能馈型再生制动能量利用装置应用效果分析C 年轨道交通电气与信息技术国际学术会议,栾桂海城市轨道交通再生制动逆变回馈系统研究D成都:西南交通大学,陈勇,刘承志,郑宁基于逆变回馈的地铁再生制动能量吸收的研究J电气化铁道,():夏景辉,郑宁,左广杰地铁车辆逆变型再生制动能量回馈方案与装置的研究J城市轨道交通研究,():郑超,盛灿辉含V S C HV D C的交直流混合系统潮流统一迭代求解算法J中国电力,():黄曙,何桦,卫志农,等基于改进牛顿法的V S C HV D C潮流计算J江苏电机工程,():Y ST z e n g,NC h e n M o d e so f o p e r a t i o n i np a r a l l e l c o n n e c t e d p u l s eu n c o n t r o l l e db r i d g e r e c t i f i e r sw i t h o u t a n i n t e r p h a s et r a n s f o r m e rJ I E E ET r a n s a c t i o n so nI n d u s t r i a lE l e c t r o n i c s,():王亚玲,吴命利,胥刃佳城市轨道交通直流牵引供电系统的运行仿真J电气化铁道,():王亚玲,吴命利直流牵引变电所在供电系统运行仿真中的建模J电气化铁道,():自动控制电工技术