一种基于TAB变换器的地铁能量回馈供电系统及其控制方法与流程

一种基于tab变换器的地铁能量回馈供电系统及其控制方法
技术领域
1.本发明涉及城市轨道交通领域，具体说是一种基于tab变换器的地铁能量回馈供电系统及其控制方法。


背景技术：

2.随着城市轨道交通的快速发展，城市轨道交通系统的能量消耗越来越大，在能源短缺与环境恶化的双重问题下，改造传统地铁供电系统，提高地铁供电系统的能源利用率具有重要意义。
3.传统地铁供电系统主要由牵引网和动力照明网两部分构成，由所在区域变电站或地铁主变电所进行供电。目前牵引网侧直流母线主要通过牵引网经过不控多脉整流器获得，但由于多脉整流器只能实现功率单向流动，地铁在刹车过程中回馈的能量只能通过制动电阻耗散或由旁车吸收，造成了很大能量损失。同时，地铁较高的起动刹车功率对牵引变电站峰值功率提出了较高的要求。此外牵引网侧直流母线电压也由于多脉整流器较软的外特性会产生较大的电压波动。另一方面，配置给站内设备的不间断电源(ups)常年处于浮充的工作状态，不能充分利用电源的储能功能。同时目前针对传统地铁供电系统直流母线电压的控制多需要列车的运行速度和位置工况，对系统通信要求较高，降低运行可靠性。因此对新型地铁能量回馈的供电系统及其控制方法的研究具有重要意义。


技术实现要素：

4.针对现有技术上的不足，本发明的目的在于提供一种基于tab变换器的地铁能量回馈供电系统及其控制方法，以提高地铁供电系统的能源利用率。
5.为解决上述问题，本发明提供一种基于tab变换器的地铁能量回馈供电系统，包括：牵引网侧降压变压器、多脉整流器、pwm逆变器、混合储能系统、动力照明网侧降压变压器、牵引直流母线；
6.所述牵引网侧降压变压器的高压侧和接触网相连，低压侧和多脉整流器的输入端相连；多脉整流器的输出端与牵引直流母线相连；多脉整流器用以将牵引网电压降压整流后，连接至牵引直流母线；
7.所述pwm逆变器输入端与牵引网直流母线相连，输出端与牵引负载相连；用以为列车提供牵引动力；
8.所述动力照明网侧降压变压器的高压侧与动力照明网相连，用以降压引出动力照明网低压侧，低压侧用来为站内负载供电；
9.所述混合储能系统的分别与所述牵引直流母线、所述动力动力照明网侧降压变压器低压侧、站内负载相连。用以吸收列车刹车回馈能量，提高能源利用率，并使得牵引网和动力照明网能够互为备用，提高系统运行可靠性。
10.作为优选，所述混合储能系统包含若干混合储能模块，所述混合储能模块相互并联；每一混合储能模块分别与所述牵引直流母线、动力照明网侧变压器低压侧、站内负载相
连。
11.作为优选，所述混合储能系统中的各混合储能模块完全相同。
12.作为优选，所述混合储能模块包括总能量管理器、超级电容、ups电池；
13.所述综合能量管理器采用基于tab变换器的三端口双向隔离dc/dc变换器(ibdc)，其输入端与牵引直流母线相连，输出端分别与超级电容、ups电池储能侧输入端相连；
14.所述ups电池的电源侧输入端与所述动力照明网侧降压变压器的低压侧相连。
15.本发明还提供一种基于tab变换器的地铁能量回馈供电系统控制方法，所述方法包括：
16.将ups电池的soc信息通过soc闭环和改进的下垂控制得到下垂曲线的偏移量，根据偏移量实时调整牵引变电站和混合储能系统间的功率分配，从而实现模块间电池soc的均衡，使电池soc复位为设定值，保障ups的应急功能；
17.通过牵引直流母线电压信号的下垂控制和电压pi对牵引和制动工况实行分段下垂控制，实现对牵引直流母线电压的控制，牵引变电站和混合储能系统间的功率分配以及并联模块间功率的自然均分，得到混合储能系统的功率参考值；
18.混合储能系统的功率参考值，通过自适应系数的低通滤波方法，得到ups电池和超级电容的功率指令，并实现对超级电容soc的控制；
19.最后，经过电流pi得到移相角指令，并通过tab变换器的单移相控制，实现电池和超级电容的功率输出。
20.作为优选，，所述通过自适应系数的低通滤波方法，得到ups电池和超级电容的功率指令，并实现对超级电容soc的控制，需要根据超级电容的soc情况以及超级电容输出功率的方向，通过功率系数k
power
实时调整超级电容功率，避免超级电容soc过早到限的情况发生。
21.作为优选，，所述tab变换器的单移相控制具体为：通过调整交流方波电压源之间的移相角，实现超级电容和电池功率的调节。
22.采用上述优选方案，与现有技术相比，本发明具有以下优点：
23.本发明提供了一种基于tab变换器的地铁能量回馈供电系统及其控制方法，所述地铁能量回馈供电系统及其控制方法及其控制方法利用超级电容与电池构成混合储能并联模块，通过ibdc变换器连接至地铁供电系统中，利用超级电容吸收高频功率和电池吸收低频功率的优势互补，实现列车刹车回馈能量的全部吸收，提高了地铁供电系统的能源利用率，并避免超级电容soc越界，从而充分发挥其高频功率平滑能力。同时通过直流母线电压信号的改进下垂控制，实现了牵引网电压的有效控制以及系统源荷储之间功率的合理分配，通过对soc的pi闭环控制，实现了电池soc的复位，并能够均衡模块间电池的soc，使得电池对低频功率的平滑优势得到充分发挥，保障ups应急功能不受影响。同时该装置及其控制方法使得牵引网和动力照明网能够互为备用，进一步提高系统可靠性。
附图说明
24.为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
25.图1是本发明实施例1所述基于tab变换器的地铁能量回馈供电系统的架构示意图；
26.图2是地铁能量回馈供电系统；
27.图3是实施例2所述基于tab变换器的地铁能量回馈供电系统控制方法的控制框图；
28.图4是牵引和制动模式牵引变电站以及混合储能系统整体的电压-功率下垂特性曲线；
29.图5是基于平移下垂曲线的改进下垂控制方法示意图；
30.图6是tab变换器单移相控制下电压曲线。
31.图7是tab变换器单移相控制下电流曲线。
32.其中：
33.1、牵引网侧降压变压器，2、多脉整流器，3、pwm逆变器，4、混合储能系统，5、动力照明网侧降压变压器、6、牵引直流母线，7、牵引网，8、动力照明网；
34.41、总能量管理器，42、超级电容，43、ups电池。
具体实施方式
35.为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
36.实施例1
37.如图图1所示的基于tab变换器的地铁能量回馈供电系统，包括牵引网侧降压变压器1、多脉整流器2、牵引网侧pwm逆变器3、混合储能系统4、动力照明网侧降压变压器5。
38.牵引网侧降压变压器1与牵引网7连接，降压后经过多脉整流器2与牵引直流母线6相连，提供1500v直流电。牵引网侧pwm逆变器3与牵引直流母线6相连，为列车提供牵引动力。所述动力照明网侧降压变压器5的高压侧与动力照明网8相连，低压侧用来为站内负载供电。
39.作为优选，混合储能系统4由混合储能模块并联构成，各并联混合储能模块完全相同，通过混合储能模块的并联，能够平抑列车兆瓦级的功率波动。
40.作为优选，每一混合储能模块包括超级电容42、ups电池43、综合能量管理模块41。超级电容主要吸收高频功率，ups电池43主要吸收低频功率，综合能量管理模块41采用基于三端口tab变换器的三端口双向隔离型dc/dc变换器(ibdc)，将超级电容42与ups电池43组成的混合储能模块4接入牵引直流母线6以及动力照明网8的低压侧，实现刹车制动能量的吸收和牵引网、动力照明网的互联。此外，在此架构下可以方便地在牵引变电站沿线接入分布式光伏或电动汽车，实现各类能源间的高效互联和利用。通过pwm变换器3连接牵引网7和动力照明网8，组成交直流混合微电网，实现交直流母线间的功率交互，并且具备响应上级电网功率调度指令的能力。所述新型地铁能量回馈供电系统的某一可能实施例如图2所示，
该实施例包含两个并联混合储能模块。
41.实施例2
42.本实施例提供了一种基于tab变换器的地铁能量回馈供电系统控制方法，如图3所示，所述控制方法采用母线电压和储能电流的双闭环结构，包括电池soc闭环的改进直流母线电压信号下垂控制、混合储能模块的自适应系数低通滤波功率分配、tab变换器单移相控制。
43.所述方法具体为：首先由ups电池的soc信息通过soc闭环和改进的下垂控制得到下垂曲线的偏移量，以实时调整牵引变电站和混合储能系统间的功率分配，从而实现模块间电池soc的均衡，使电池soc复位为设定值，保障ups电池的应急功能。
44.随后，通过牵引直流母线电压信号的下垂控制和电压pi对牵引和制动工况实行分段下垂控制，实现对牵引直流母线电压的控制，牵引变电站和混合储能系统间的功率分配以及并联模块间功率的自然均分，得到混合储能系统功率参考值。之后，通过自适应系数的低通滤波方法，得到ups电池和超级电容的功率指令，并实现对超级电容soc的控制。
45.最后，经过电流pi得到移相角指令，并通过tab变换器的单移相控制，实现ups电池和超级电容的功率输出。
46.图4示出了牵引和制动模式牵引变电站以及混合储能系统整体的电压-功率下垂特性曲线，列车处于牵引工况时，列车功率p
vehicle
》0，母线电压u
dc
低于牵引变电站空载电压u
tract0
，设定h-ess的u-p特性为一条截距为u
dc0l
(u
dc0l
《u
tract0
)，斜率为-r
dl
(r
dl
《r
dtract
、r
dtract
为不设置混合储能模块时，牵引变电站的u-p特性下垂曲线斜率)的下垂曲线。列车处于制动工况时，列车功率p
vehicle
《0，母线电压u
dc
高于牵引变电站空载电压u
tract0
，设定h-ess的u-p特性为一条截距为u
dc0h
(u
dc0h
》u
tract0
)，斜率为-r
dh
的下垂曲线。牵引变电站和h-ess的功率以及牵引直流母线电压在不同工况下的表达式如下所示：
[0047][0048][0049][0050]
其中：p
hess
为混合储能模块提供或吸收的功率、p
tract
为牵引变电站提供的功率。
[0051]
当列车处于牵引工况时，且牵引功率小于(u
tract0-u
dc0l
)/r
dtract
时，列车全部功率由牵引变电站提供。当r
dl
《《r
dtract
，且牵引功率大于(u
tract0-u
dc0l
)/r
dtract
时，牵引变电站保持牵引功率供给基本不变，由h-ess承担额外的功率，此时母线电压基本不变。当列车处于
制动工况时，刹车回馈能量全部由h-ess吸收。同时通过改变h-ess的u-p下垂曲线截距，即向上或向下平移下垂曲线，可调整牵引变电站以及h-ess模块间的功率分配关系，如图5所示。当牵引直流母线电压u
dc
保持不变时，调整的功率
△
p与下垂曲线平移量
△
u0的关系如下式所示，式中，rd为u-p下垂曲线的斜率。
[0052][0053]
在改进的下垂控制方法作用下，牵引和制动模式时牵引直流母线电压的参考值u
dcrefl
和u
dcrefh
的表达式如下式所示:
[0054][0055]
根据模块soc的情况，通过平移下垂曲线实时地调整牵引变电站与混合储能模块间分配的功率，soc高的模块释放更多的功率，soc低的模块吸收更多的功率，从而实现soc均衡。此外，ups电池soc需始终高于应急功能阈值，以保障ups电池应急功能不受影响。因此，对电池soc进行pi闭环控制，使ups电池soc维持设定值，下垂曲线平移量
△
u0表达式如下式所示，式中，k
psoc
,k
isoc
为soc环的pi参数，soc
batref
为ups电池soc参考值。
[0056][0057]
作为优选，对于混合储能模块的自适应系数低通滤波功率分配，需要根据超级电容的soc情况以及超级电容输出功率的方向，通过功率系数k
power
实时调整超级电容功率，避免超级电容soc过早到限的情况发生，如下式所示，式中，p
ref
为h-ess输出功率参考值，ω
lpf
为低通滤波器的截止角频率，k
power
为功率系数。
[0058][0059][0060]
当超级电容输出功率指令p
sc,ref
小于0且超级电容soc远小于上限soc
sch
，或超级电容输出功率指令p
sc,ref
大于0且超级电容soc远大于下限soc
scl
时，功率系数k
power
＝1。当p
sc,ref
小于0且soc
sc
接近上限soc
sch
并超过设定值h
soc
，或p
sc,ref
大于0且soc
sc
接近下限soc
scl
并低于设定值l
soc
，自适应系数算法开启，根据超级电容的soc情况实时地调整超级电容的输出功率指令，保障了超级电容周期内充放电的平衡，实现了对超级电容soc的控制。
[0061]
作为优选，图6和图7示出了单移相控制下的电压电流波形，根据tab变换器的等效电路和控制原理，通过调整交流方波电压源之间的移相角即可实现超级电容和ups
电池功率p
sc
,p
bat
的调节，传输功率的表达式如下所示：
[0062][0063]
其中：n为混合储能模块并联个数、u
sc
为超级电容电压、u
bat
为ups电池电压。
[0064]
综上所述，本发明提供一种基于tab变换器的地铁能量回馈供电系统及其控制方法，该地铁能量回馈供电系统通过三端口的tab变换器引入ups电池和超级电容组成的混合储能系统，实现了全部制动能量的吸收。采用改进的下垂控制方法，ups电池的soc信息通过soc闭环和改进的下垂控制得到下垂曲线的偏移量，以实时调整牵引变电站和混合储能系统间的功率分配，从而实现模块间ups电池soc的均衡，使ups电池soc复位为设定值，保障ups的应急功能。通过直流母线电压信号的下垂控制和电压pi对牵引和制动工况实行分段下垂控制，实现对直流母线电压的控制，牵引变电站和混合储能系统间的功率分配以及并联模块间功率的自然均分，得到混合储能系统的功率参考值。通过自适应系数的低通滤波方法，得到电池和超级电容的功率指令，并实现对超级电容soc的控制。最后，经过电流pi得到移相角指令，并通过tab变换器的单移相控制，实现ups电池和超级电容的功率输出。所述地铁能量回馈供电系统及其控制方法能够实现全部制动能量的吸收，减小了牵引直流网压波动和牵引网峰值功率，实现了牵引网电压的有效控制以及系统源荷储之间功率的合理分配，同时实现了电池soc的复位以及模块间电池的soc均衡。
[0065]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，故凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化与修饰,均仍属于本发明技术方案的范围内。