一种交直流供电分区所供电臂末端电压差量控制方法

1.本发明涉及电气化铁路牵引供电技术领域，具体涉及一种交直流供电分区所供电臂末端电压差量控制方法。


背景技术：

2.目前在我国轨道交通中交流牵引供电系统采用27.5kv或55kv工频单相交流供电，直流牵引供电系统普遍采用1500v或750v直流供电。由于供电制式的不同，两种牵引供电系统一般采用各自独立的单制式供电。
3.目前我国出现了许多多种制式的机车和不同交通型式交汇的地方，传统的单一供电制式已无法满足双流制供电的需要，双流制牵引供电系统可用于在交流电力牵引车辆与直流城轨车辆牵引过渡的地段；再者我国机车车辆制造企业同时生产的不同电压等级和电流制的机车也需要不同的牵引供电系统给予供电进行调试试验，建设双流制牵引供电系统，使其既可以对交流电力牵引车辆进行供电，也可以对直流城轨车辆进行供电，使尽可能的运行高效、经济，使尽可能减少重复建设，避免巨大的资源浪费，因此有必要对双流制牵引供电方案进行研究。
4.在交流电气化铁路中，分区所处存在电分相，直流供电系统通过单相功率变换器spc与交流供电系统相连接，牵引网电压过高将导致列车再生制动失效、过低则将导致列车牵引功率不足等问题。研究单相功率变换器spc中功率的分配可以对供电臂末端网压水平进行优化，对提高电气化铁路的安全运行具有重要意义。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种交直流供电分区所供电臂末端电压差量控制方法，它能有效地解决在同时考虑线路损耗并且分区所左、右两侧供电臂末端电压差量在允许范围内的技术问题。
6.本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种交直流供电分区所供电臂末端电压差量控制方法，包括以下步骤：步骤1、设定分区所左、右两侧供电臂末端电压差量的允许值；步骤2、采集实时电气量信号数据，包括：牵引变电所ssa、牵引变电所ssb馈线出口处的交流电压、电流，分区所左、右两侧供电臂的末端电压以及直流侧端口电压、电流；交流供电系统列车的位置，每列车取流点处电压、电流；步骤3、根据实时信号数据确定供电系统的运行状态并判断分区所左、右两侧供电臂末端电压差量是否在允许值内；步骤4、根据所设定的电压差量范围、列车负荷数据、线路数据、牵引变电所出口处馈线数据，在考虑线路损耗的前提下建立目标函数与约束条件，对单相功率变换器spc在分区所左、右两侧供电臂间或分区所左、右两侧供电臂与直流供电系统间进行功率转移的范围进行求解，根据功率求解出的范围进行控制，将分区所左、右两侧供电臂末端电压差量减小至允许的范围内。
7.单相功率变换器spc进行功率转移的范围求解具体包括以下步骤：步骤1、设定分区所左、右两侧供电臂末端电压差量的允许值；
步骤2、通过测控系统ps得到实时信号数据，包括初始时刻牵引变电所ssa出口处的电压、电流,牵引变电所ssb出口处的电压、电流,左侧供电臂列车取流点处的电压和电流，右侧供电臂列车取流点处的电压和电流，直流供电系统电压、电流，左侧供电臂列车取流点处与牵引变电所ssa的距离，右侧供电臂列车取流点处与牵引变电所ssb的距离，分区所左侧供电臂末端电压、分区所右侧供电臂末端电压；步骤3、计算交流供电系统左侧供电臂列车所需要的功率和右侧供电臂列车所需要的功率，直流供电系统列车所需要的功率；步骤4、若且，则单相功率变换器spc进入待机状态；步骤5、若但，则控制单相功率变换器spc从分区所左侧供电臂转移部分功率到右侧供电臂，转移功率大小由测控系统ps所得实时数据进行计算，转移功率小于0则表示功率传输的方向与所述方向相反；步骤6、若，则控制单相功率变换器spc同时从分区所左侧供电臂和右侧供电臂转移直流供电系统所需功率，两供电臂间的转移功率系数大小由测控系统ps所得实时数据进行计算，系数小于0则表示功率传输的方向与所述方向相反。
8.单相功率变换器spc进行功率转移的范围求解所述步骤5中，设从分区所左侧供电臂转移到右侧供电臂的功率为，转移功率的求解步骤为：a1：建立转移功率与控制后的牵引变电所ssa出口处的电流、牵引变电所ssb出口处的电流的函数关系，计算公式为：其中，表示牵引网单位长度阻抗，表示供电臂长度，表示分区所左侧供电臂上的列车数、表示分区所右侧供电臂上的列车数，；a2：建立控制后的牵引变电所ssa出口处的电流与控制后的分区所左侧供电臂第一列车取流处电压、控制后的牵引变电所ssb出口处的电流与控制后的分区所右侧供电臂第一列车取流处电压的函数关系，计算公式为：a3：建立控制后的分区所左侧供电臂第一列车取流与取流处电压、控制后的分区所右侧供电臂第一列车取流与取流处电压的函数关系，计算公式为：
a4：建立控制后的分区所左侧供电臂第列车取流处电压与左侧供电臂列车取流、控制后的分区所右侧供电臂第列车取流处电压与右侧供电臂列车取流的函数关系，计算公式为：a5：建立控制后的分区所左侧供电臂第列车取流与列车取流处电压、控制后的分区所右侧供电臂第列车取流与列车取流处电压的函数关系，计算公式为：a6：建立控制后的分区所左侧供电臂末端电压、控制后的分区所右侧供电臂末端电压与a1~a5所述电气量的函数关系，计算公式为：a7：根据对分区所左、右两侧供电臂末端电压差量允许值的需求，求解转移功率的范围，约束条件的计算公式为：最终得到符合需要的分区所左、右供电臂末端电压差量。
9.单相功率变换器spc进行功率转移的范围求解所述步骤6中，从分区所左侧供电臂转移直流供电系统所需要的部分功率设为、从右侧供电臂转移剩余部分所需功率即为，系数的求解步骤为：b1：建立系数与控制后的牵引变电所ssa出口处的电流、控制后的牵引变电所ssb出口处的电流的函数关系，计算公式为：其中，表示牵引网单位长度阻抗，表示供电臂长度，表示分区所左侧供电臂上的列车数、表示分区所右侧供电臂上的列车数，；b2：建立控制后的牵引变电所ssa出口处的电流与控制后的分区所左侧供电臂第一列车取流处电压、控制后的牵引变电所ssb出口处的电流与控制后的分区所右
侧供电臂第一列车取流处电压的函数关系，计算公式为：b3：建立控制后的分区所左侧供电臂第一列车取流与取流处电压、控制后的分区所右侧供电臂第一列车取流与取流处电压的函数关系，计算公式为：b4：建立控制后的分区所左侧供电臂第列车取流处电压与左侧供电臂列车取流、控制后的分区所右侧供电臂第列车取流处电压与右侧供电臂列车取流的函数关系，计算公式为：b5：建立控制后的分区所左侧供电臂第列车取流与列车取流处电压、控制后的分区所右侧供电臂第列车取流与列车取流处电压的函数关系，计算公式为：b6：建立控制后的分区所左侧供电臂末端电压、控制后的分区所右侧供电臂末端电压与b1~b5所述电气量的函数关系，计算公式为：b7：根据对分区所左、右两侧供电臂末端电压差量允许值的需求，求解的范围，约束条件计算公式为：最终得到符合需要的分区所左、右供电臂末端电压差量。
10.与现有技术相比，本发明的有益效果是：一、本发明可使分区所双流制系统分区所左右两侧供电臂末端网压差量在允许的范围内，同时考虑线路损耗和列车位置带来的影响，提高了精度；二、本发明可实现交流和直流的同所供电，两种供电制式共用供电设备，有效地减少分区所的建设面积和成本；三、本发明可实现直流系统的直流电压可控，经dc/dc电路变换后可适用于不同电压等级的直流供电系统。
11.四、本发明可实现列车再生能量在直流系统和交流系统之间的相互利用，提高能量利用率。
附图说明
12.图1是本发明实施例一所述的交直流供电分区所结构示意图。
13.图2是本发明实施例二中所述一种交直流供电分区所供电臂末端电压差量控制方法流程示意图。
14.图3是本发明实施例二中所述测控系统所得牵引变电所出口处电压、电流，交流列车功率、取流点处电压、电流、位置，直流系统电压、电流、功率示意图。
15.图4是本发明实施例二中步骤5控制后所得牵引变电所出口处电压、电流，交流列车功率、取流点处电压、电流、位置，直流系统电压、电流、功率，分区所转移功率示意图。
16.图5是本发明实施例二中步骤6控制后所得牵引变电所出口处电压、电流，交流列车功率、取流点处电压、电流、位置，直流系统电压、电流、功率，分区所转移功率示意图。
具体实施方式
17.为了更好理解本发明的创造思想，在此简要说明本发明的工作原理：以分区所左右两侧供电臂末端网压差量允许值为控制目标，通过控制单相功率变换器spc，兼顾直流和交流供电，计及线路损耗对电气化铁路的系统功率进行分配，对分区所左右两侧供电臂末端网压差量进行调节。下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步描述。
18.实施例一如图1所示，本发明实施例基于一种交直流供电分区所，结构包括三相高压母线a、b、c，牵引变电所ssa、牵引变电所ssb、交流母线ab、钢轨r、直流母线db、分区所、测控系统ps；所述交流母线ab上左侧供电臂有m列车取流、右侧供电臂上有n列车取流，所述列车均安装车载通信设备，钢轨r安装轨旁通信设备并接地，直流母线db上有直流列车取流，分区所内含单相功率变换器spc，单相功率变换器spc包括匹配变压器mt1、匹配变压器mt2、电感l1、电感l2、交直交变流器，匹配变压器mt1原边与交流母线ab左侧供电臂、钢轨r相连，匹配变压器mt2原边与交流母线ab右侧供电臂、钢轨r相连，交直交变流器的直流侧经dc-dc变换装置后并接于直流母线db上；交流母线ab在牵引变电所ssa出口处串接电流互感器ct1、在牵引变电所ssb出口处串接电流互感器ct2,交流母线ab在左侧供电臂末端与钢轨r之间并接电压互感器pt1、在右侧供电臂末端与钢轨r之间并接电压互感器pt2，直流母线db一端串接分流器rw,另一端并接电压变送器vd后接入钢轨r；所述测控系统ps输入端与电流互感器ct1、电流互感器ct2、电压互感器pt1、电压互感器pt2、电压变送器vd、分流器rw、车载通信设备和轨旁通信设备的测量信号输出端相连，信号输出端与单相功率变换器spc的控制端相连。
19.供电臂末端电压差量控制方法为：步骤1、设定分区所左、右两侧供电臂末端电压差量的允许值；步骤2、采集实时电气量信号数据，包括：牵引变电所ssa、牵引变电所ssb馈线出口处的交流电压、电流，分区所左、右两侧供电臂的末端电压以及直流侧端口电压、电流；交流供电系统列车的位置，每列车取流点处电压、电流；步骤3、根据实时信号数据确定供电系统的运行状态并判断分区所左、右两侧供电臂末端电压差量是否在允许值内；步骤4、根据所设定的电压差量范围、列车负荷数据、线路数据、牵引变电所出口处
馈线数据，在考虑线路损耗的前提下建立目标函数与约束条件，对单相功率变换器spc在分区所左、右两侧供电臂间或分区所左、右两侧供电臂与直流供电系统间进行功率转移的范围进行求解，根据功率求解出的范围进行控制，将分区所左、右两侧供电臂末端电压差量减小至允许的范围内。
20.实施例二如图2所示，本发明实施例提供一种分区所双流制系统供电臂末端电压水平控制方法，单相功率变换器spc进行功率转移的范围求解具体包括以下步骤：步骤1、设定分区所左、右两侧供电臂末端电压差量的允许值；步骤2、通过测控系统ps得到实时信号数据，包括初始时刻牵引变电所ssa出口处的电压、电流,牵引变电所ssb出口处的电压、电流,左侧供电臂列车取流点处的电压和电流，右侧供电臂列车取流点处的电压和电流，直流供电系统电压、电流，左侧供电臂列车取流点处与牵引变电所ssa的距离，右侧供电臂列车取流点处与牵引变电所ssb的距离，分区所左侧供电臂末端电压、分区所右侧供电臂末端电压；步骤3、计算交流供电系统左侧供电臂列车所需要的功率和右侧供电臂列车所需要的功率，直流供电系统列车所需要的功率；步骤4、若且，则单相功率变换器spc进入待机状态；步骤5、若但，则控制单相功率变换器spc从分区所左侧供电臂转移部分功率到右侧供电臂，转移功率大小由测控系统ps所得实时数据进行计算，转移功率小于0则表示功率传输的方向与所述方向相反；步骤6、若，则控制单相功率变换器spc同时从分区所左侧供电臂和右侧供电臂转移直流供电系统所需功率，两供电臂间的转移功率系数大小由测控系统ps所得实时数据进行计算，系数小于0则表示功率传输的方向与所述方向相反。
21.所述步骤5中，设从分区所左侧供电臂转移到右侧供电臂的功率为，转移功率的求解步骤为：a1：建立转移功率与控制后的牵引变电所ssa出口处的电流、牵引变电所ssb出口处的电流的函数关系，计算公式为：其中，表示牵引网单位长度阻抗，表示供电臂长度，表示分区所左侧供电臂上的列车数、表示分区所右侧供电臂上的列车数，；a2：建立控制后的牵引变电所ssa出口处的电流与控制后的分区所左侧供电臂第一列车取流处电压、控制后的牵引变电所ssb出口处的电流与控制后的分区所右侧供电臂第一列车取流处电压的函数关系，计算公式为：
a3：建立控制后的分区所左侧供电臂第一列车取流与取流处电压、控制后的分区所右侧供电臂第一列车取流与取流处电压的函数关系，计算公式为：a4：建立控制后的分区所左侧供电臂第列车取流处电压与左侧供电臂列车取流、控制后的分区所右侧供电臂第列车取流处电压与右侧供电臂列车取流的函数关系，计算公式为：a5：建立控制后的分区所左侧供电臂第列车取流与列车取流处电压、控制后的分区所右侧供电臂第列车取流与列车取流处电压的函数关系，计算公式为：a6：建立控制后的分区所左侧供电臂末端电压、控制后的分区所右侧供电臂末端电压与a1~a5所述电气量的函数关系，计算公式为：a7：根据对分区所左、右两侧供电臂末端电压差量允许值的需求，求解转移功率的范围，约束条件的计算公式为：最终得到符合需要的分区所左、右供电臂末端电压差量。
22.控制后所得牵引变电所出口处电压、电流，交流列车功率、取流点处电压、电流、位置，直流系统电压、电流、功率，分区所转移功率示意图如图4所示。
23.所述步骤6中，从分区所左侧供电臂转移直流供电系统所需要的部分功率设为、从右侧供电臂转移剩余部分所需功率即为，系数的求解步骤为：b1：建立系数与控制后的牵引变电所ssa出口处的电流、控制后的牵引变电所ssb出口处的电流的函数关系，计算公式为：
其中，表示牵引网单位长度阻抗，表示供电臂长度，表示分区所左侧供电臂上的列车数、表示分区所右侧供电臂上的列车数，；b2：建立控制后的牵引变电所ssa出口处的电流与控制后的分区所左侧供电臂第一列车取流处电压、控制后的牵引变电所ssb出口处的电流与控制后的分区所右侧供电臂第一列车取流处电压的函数关系，计算公式为：b3：建立控制后的分区所左侧供电臂第一列车取流与取流处电压、控制后的分区所右侧供电臂第一列车取流与取流处电压的函数关系，计算公式为：b4：建立控制后的分区所左侧供电臂第列车取流处电压与左侧供电臂列车取流、控制后的分区所右侧供电臂第列车取流处电压与右侧供电臂列车取流的函数关系，计算公式为：b5：建立控制后的分区所左侧供电臂第列车取流与列车取流处电压、控制后的分区所右侧供电臂第列车取流与列车取流处电压的函数关系，计算公式为：b6：建立控制后的分区所左侧供电臂末端电压、控制后的分区所右侧供电臂末端电压与b1~b5所述电气量的函数关系，计算公式为：b7：根据对分区所左、右两侧供电臂末端电压差量允许值的需求，求解的范围，约束条件计算公式为：最终得到符合需要的分区所左、右供电臂末端电压差量。