一种智能三相牵引供电系统及其潮流控制方法

1.本发明涉及交流电气化铁路牵引供电技术领域，特别涉及一种智能三相牵引供电系统及其潮流控制方法。


背景技术：

2.轨道交通供电制式分为直流制和交流制。以地铁和轻轨为主的城市轨道交通普遍采用直流制。直流制式存在难以克服的杂散电流污染和再生制动能量回收困难等问题。干线铁路主要采用工频单相交流制。单相工频交流制式存在明显的缺点：以负序为主的电能质量问题、电分相造成的列车速度和牵引力损失问题及列车通过电分相引起车网之间的电气暂态问题。
3.三相供电可彻底解决直流制和交流制存在的问题，并且在相同供电容量下，三相系统较单相系统在制造和建造更节省材料，而且构造简单，性能优良。另外，三相电功率的瞬时值保持恒定不变。三相系统也有利用取消车载变压器，降低列车轴重，实现列车轻量化，提高运载效率和运行速度。
4.三相供电的三相电缆与电网形成并联结构，三相电缆中有与电网并行的潮流和电流流过，对应的这个潮流称为穿越潮流（对应的电流称为均衡电流），此时，穿越潮流从三相供电系统一侧的主变电所流入，从另一侧的主变电所流出，即穿越潮流从电网流入三相电缆的主变电所处于负荷（用电）状态，穿越潮流从三相电缆流入电网的主变电所处于发电状态。穿越潮流对电网的影响和计量问题不容忽视。如果穿越潮流返回电网，就相当于该主变电所发电，若返送反计，即按照发电对待，将于另一主变电所的用电抵消，则用户没有经济损失，如果穿越潮流返回电网时返送不计或正计，则造成用户经济损失，在这种情况下，就需要研究三相供电如何减少穿越潮流，或者如何利用穿越潮流，在正常发挥三相供电优势的同时，减少对电网和用户的影响，提高用电效益。
5.人们提出了一些抑制穿越潮流的方法，如中国专利1《一种电气化铁路双边供电系统》（授权号：cn103552488b）、中国专利2《一种电气化铁路双边供电方法》（授权号：cn110126682b）等，然而这些方法都是针对单相牵引供电系统而言的，目前还没有针对三相供电穿越潮流抑制方面的研究。另外，考虑到穿越潮流的关键是返回电网的潮流这一难题，现在，提出一种电气化铁路三相供电穿越潮流利用技术，使穿越潮流转化为可利用的潮流和电能，使返回电网的潮流满足要求甚至为0。与本技术同日申请
ꢀ“
一种智能牵引变电所及其潮流控制方法”侧重单相牵引供电时的穿越潮流利用技术，本技术侧重三相牵引供电时的穿越潮流利用技术。


技术实现要素：

6.本发明的目的之一在于提出一种智能三相牵引供电系统，它能有效解决以下技术问题：（1）使得三相牵引供电系统潮流可控；（2）对从三相双边电缆tc返回电网的发电潮流进行利用，使得返回电网的发电潮流满足预设要求。
7.本发明通过以下技术手段实现：一种智能三相牵引供电系统，包括主变压器mt，其特征在于：智能三相牵引供电系统设有潮流调控装置pcd和控制器cc，所述主变压器mt的原边与三相电网连接，次边与三相母线mb连接，三相母线mb通过三相馈线fa、馈线fb和馈线fc与采用双边供电的三相双边电缆tc连接，三相双边电缆tc通过一个或多个三相牵引变压器与牵引网tn相连，所述牵引网tn通过三相接触式受流向列车提供电能；所述控制器cc根据三相母线mb和三相馈线fa、馈线fb和馈线fc的电量信息控制潮流调控装置pcd利用从三相双边电缆tc返回电网的发电潮流，使得返回电网的发电潮流满足预设要求。
8.所述三相母线mb分别设置电压互感器ya、电压互感器yb和电压互感器yc；三相馈线fa、馈线fb和馈线fc分别设置电流互感器la、电流互感器lb和电流互感器lc；所述电压互感器ya、电压互感器yb和电压互感器yc及电流互感器la、电流互感器lb和电流互感器lc的测量端均与控制器cc的输入端相连；所述控制器cc控制端与潮流调控装置pcd的控制端相连。
9.所述潮流调控装置pcd包括变流装置mpc、变流装置dpc、储能装置es及正极母线pb和负极母线nb，其中：所述变流装置mpc为三相变流系统，变流装置mpc三相交流侧分别与三相牵引母线mb连接；所述变流装置dpc为三相变流系统，变流装置dpc的交流侧分别与变电所配电系统三相母线u、母线v、母线w相连；所述变流装置mpc、变流装置dpc、储能装置es的直流侧正极和负极分别与对应的正极母线pb和负极母线nb连接。
10.所述潮流调控装置pcd的控制端包括变流装置mpc、变流装置dpc和储能装置es的控制端。
11.本发明的目的之二在于提供一种智能三相牵引供电系统的控制方法，所述方法包括：一种智能三相牵引供电系统的控制方法，包括：电压互感器ya、电压互感器yb、电压互感器yc检测三相母线mb的电压，电压互感器la、电压互感器lb、电压互感器lc检测三相馈线fa、馈线fb和馈线fc的电流；根据检测到的三相母线mb的电压和三相馈线fa、馈线fb和馈线fc的电流，计算得到三相母线mb通过三相馈线fa、馈线fb和馈线fc向牵引网tn提供的有功潮流；其中，由三相母线mb流向牵引网tn的有功潮流为正，由牵引网tn流向三相母线mb的有功潮流为负；根据所述有功潮流，控制器cc控制潮流调控装置pcd中的变流装置mpc、变流装置dpc或储能装置es利用从牵引网tn流向三相母线mb进而返回电网的发电潮流，使得返回电网的发电潮流满足预设要求。
12.所述方法包括：电压互感器ya、电压互感器yb、电压互感器yc检测三相母线电压uabc；电压互感器la、电压互感器lb、电压互感器lc检测到的三相馈线fa、馈线fb和馈线fc的电流分别为电流ia、电流ib和电流ic；控制器cc根据三相母线电压uabc和三相馈线电流ia、电流ib和电流ic计算得到三相母线mb向三相牵引网tn提供的有功潮流p1；控制器cc根据有功潮流p1控制潮流调控装置pcd中的变流装置mpc、变流装置dpc
或储能装置es利用从牵引网tn流向三相母线mb进而返回电网的发电潮流，使得返回电网的潮流满足预设要求。
13.若p1＜0，控制器cc判定三相馈线fa、馈线fb和馈线fc返回电网的潮流为发电潮流，则控制潮流调控装置pcd中的变流装置mpc、变流装置dpc工作并向配电系统三相母线u、母线v、母线w供电；或者，控制变流装置mpc向储能装置es充电，二者的发电潮流之和等于 |p1|，使得返回电网的发电潮流=0，满足预设要求；若p1 》0，控制器cc判定三相馈线fa、馈线fb和馈线fc为牵引工况，则控制潮流调控装置pcd中的储能装置es通过变流装置mpc向三相母线mb供电，并控制潮流调控装置pcd中的变流装置dpc待机；若p1=0，控制器cc判定三相馈线fa、馈线fb和馈线fc空载，则控制潮流调控装置pcd待机。
14.本发明工作原理是：三相供电的三相双边电缆与电网形成并联结构，三相双边电缆中有与电网并行的潮流和电流流过，对应的这个潮流称为穿越潮流（对应的电流称为均衡电流）。穿越潮流从三相供电系统一侧的主变电所流入，从另一侧的主变电所流出，即穿越潮流从电网流入三相电缆的主变电所处于负荷（用电）状态，穿越潮流从三相电缆流入电网的主变电所处于发电状态。输电线、三相双边电缆、牵引网的分布电容还会出现充电电流和充电潮流。穿越潮流沿着三相双边电缆流动，属于纵向分量，而充电潮流像负荷一样，称为横向分量。三相双边电缆空载时，选择测量穿越潮流的有功分量就可以反映穿越情况，并且可以在变电所进线、三相馈线以及三相双边电缆的任何方便的部位测量得到。如果牵引负荷产生较大的横向分量，等于或大于返回电网的穿越潮流量值时，只表现出横向分量效应，即为等效牵引工况。利用三相供电两变电所的电压和电流信息，判定三相双边电缆的运行工况：在空载工况下，通过潮流调控装置将穿越潮流储存于储能装置或转换到变电所自用电系统，使返回电网的穿越潮流满足预设要求；在牵引工况（或等效牵引工况）下，储能装置释放能量，供列车使用；在制动工况下，通过潮流调控装置将再生功率和穿越潮流一起储存于储能装置或转换到变电所自用电系统，使返回电网的潮流满足预设要求。
15.与现有技术相比，本发明的有益效果是：一、智能三相牵引供电系统是一种潮流可控的牵引供电系统，在此，通过设置变流装置和储能装置，构成一种新的结构，经判别、控制，可将返回电网的穿越潮流以及牵引网上电力机车制动产生的再生功率均当作发电潮流加以利用，使返回电网的发电潮流满足要求，甚至为0。
16.二、在不改变电网对电气化铁路三相供电结构情况下，使穿越潮流得到利用，消除穿越潮流对电网和用户的负面影响，使三相供电的优点得到充分发挥。
17.三、有利于三相供电再生能量的利用，提高再生制动能量直接利用率，通常情况下，可使返回电网的再生功率和电能满足预设要求甚至降为0。
18.四、潮流调控装置可以连接储能装置和配电系统供电，除了利用穿越潮流外，还可利用剩余的再生制动电能。
19.五、技术先进、可靠，易于实施。
附图说明
20.图1为本发明结构示意图。
21.图2本发明潮流调控装置pcd控制端的连接示意图。
22.图3为本发明控制方法流程图。
具体实施方式
23.为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的描述。
24.实施例1如图1所示，本实施例提供一种智能三相牵引供电系统，包括主变压器mt，智能三相牵引供电系统设有潮流调控装置pcd和控制器cc，所述主变压器mt的原边与三相电网连接，次边与三相母线mb连接，三相母线mb通过三相馈线fa、馈线fb和馈线fc与采用双边供电的三相双边电缆tc连接，三相双边电缆tc通过一个或多个三相牵引变压器与牵引网tn相连，所述牵引网tn通过三相接触式受流向列车提供电能；所述控制器cc根据三相母线mb和三相馈线fa、馈线fb和馈线fc的电量信息控制潮流调控装置pcd利用从三相双边电缆tc返回电网的发电潮流，使得返回电网的发电潮流满足预设要求。
25.本实施例中，三相双边电缆tc通过一个或多个三相牵引变压器与牵引网tn相连，从而使得牵引网tn全线贯通式供电。
26.对于如图1所示的智能三相牵引供电系统来说，令该智能三相牵引供电系统通过主变压器mt返回电网的潮流为发电潮流，由于采用了双边供电，三相双边电缆tc上会出现穿越潮流，则潮流调控装置pcd会将流向该智能三相牵引供电系统主变压器mt的穿越潮流当作发电潮流加以利用，在实际情况中，如果机车制动时产生的再生功率也流向该智能变电所，或再生功率因没有完全被同行的牵引机车吸收而剩余的再生功率，也流向该智能三相牵引供电系统主变压器mt，则流向该该智能三相牵引供电系统主变压器mt的再生功率或剩余的再生功率将和穿越潮流叠加在一起被控制器cc当作总的发电潮流，控制器cc会控制潮流调控装置pcd对总的发电潮流加以利用，从而使得返回电网的发电潮流满足预设要求，这里，预设要求可以指将返回电网的发电潮流控制在某个范围内，也可以指使返回电网的发电潮流为零；对于如图1所示的智能三相牵引供电系统来说，令该智能三相牵引供电系统通过主变压器mt的潮流为牵引状态，由于采用了双边供电，牵引网ocs上会出现穿越潮流，则潮流调控装置pcd会向该智能三相牵引供电系统主变压器mt供电；对于如图1所示的智能三相牵引供电系统来说，令该智能三相牵引供电系统通过主变压器mt的潮流为0，则潮流转换装置pcd待机。
27.本实施例在不改变电网对电气化铁路三相供电结构情况下，使穿越潮流得到利用，消除穿越潮流对电网和用户的负面影响，使三相供电的优点得到充分发挥。
28.作为优选，本实施例的三相母线mb分别设置电压互感器ya、电压互感器yb和电压互感器yc，三相馈线fa、馈线fb和馈线fc分别设置电流互感器la、电流互感器lb和电流互感器lc；所述电压互感器ya、电压互感器yb和电压互感器yc及电流互感器la、电流互感器lb和电流互感器lc的测量端均与控制器cc的输入端相连；所述控制器cc控制端与潮流调控装置pcd的控制端相连。
29.作为优选，本实施例中的潮流调控装置pcd包括变流装置mpc、变流装置dpc、储能装置es及正极母线pb和负极母线nb，其中：所述变流装置mpc为三相变流系统，变流装置mpc三相交流侧分别与三相牵引母线mb连接；所述变流装置dpc为三相变流系统，变流装置dpc的交流侧分别与变电所配电系统三相母线u、母线v、母线w相连；所述变流装置mpc、变流装置dpc、储能装置es的直流侧正极和负极分别与对应的正极母线pb和负极母线nb连接。
30.作为优选，本实施例中的潮流调控装置pcd的控制端包括变流装置mpc、变流装置dpc和储能装置es的控制端。
31.这里，如图2所示，潮流调控装置pcd中的变流装置mpc、变流装置dpc、储能装置es的控制端分别与控制器cc的控制端相连，即控制器cc的控制端与潮流调控装置pcd的控制端连接。
32.实施例2如图3所示，本实施例提供了一种基于智能三相牵引供电系统的控制方法，所述方法包括：步骤s100：电压互感器ya、电压互感器yb、电压互感器yc检测三相母线mb的电压，电压互感器la、电压互感器lb、电压互感器lc检测三相馈线fa、馈线fb和馈线fc的电流；步骤s200：根据检测到的三相母线mb的电压和三相馈线fa、馈线fb和馈线fc的电流，计算得到三相母线mb通过三相馈线fa、馈线fb和馈线fc向牵引网tn提供的有功潮流；其中，由三相母线mb流向牵引网tn的有功潮流为正，由牵引网tn流向三相母线mb的有功潮流为负；步骤s300：根据所述有功潮流，控制潮流调控装置pcd中的变流装置mpc、变流装置dpc或储能装置es利用从牵引网tn流向三相母线mb进而返回电网的发电潮流，使得返回电网的发电潮流满足预设要求。
33.作为优选，所述方法包括：电压互感器ya、电压互感器yb、电压互感器yc检测三相母线电压uabc，电压互感器la、电压互感器lb、电压互感器lc检测三相馈线fa、馈线fb和馈线fc的电流分别为电流ia、电流ib和电流ic；根据三相母线电压uabc和三相馈线电流ia、电流ib和电流ic计算得到三相母线mb向三相牵引网tn提供的有功潮流p1；根据有功潮流p1控制潮流调控装置pcd中的变流装置mpc、变流装置dpc或储能装置es利用从牵引网tn流向三相母线mb进而返回电网的发电潮流，使得返回电网的潮流满足预设要求。
34.作为优选，所述的方法包括：若p1＜0，控制器cc判定三相馈线fa、馈线fb和馈线fc返回电网的潮流为发电潮流，则控制潮流调控装置pcd中的变流装置mpc、变流装置dpc工作并向配电系统三相母线u、母线v、母线w供电；或者，控制变流装置mpc向储能装置es充电，二者的发电潮流之和等于 |p1|，使得返回电网的发电潮流=0，满足预设要求；
若p1 》0，控制器cc判定三相馈线fa、馈线fb和馈线fc为牵引工况，则控制潮流调控装置pcd中的储能装置es通过变流装置mpc向三相母线mb供电，并控制潮流调控装置pcd中的变流装置dpc待机；若p1=0，控制器cc判定三相馈线fa、馈线fb和馈线fc空载，则控制潮流调控装置pcd待机。
35.以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。