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一種基于超級電容儲能系統(tǒng)的新型鐵路功率調(diào)節(jié)器

鉅大LARGE  |  點(diǎn)擊量:829次  |  2019年03月04日  

湘潭大學(xué)信息工程學(xué)院、湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院的研究人員馬茜、郭昕等,在2018年第6期《電工技術(shù)學(xué)報》上撰文,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(dá)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(bǔ)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(yùn)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(fù)序的問題則日益嚴(yán)重,給供電系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定運(yùn)行帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[3-7]。

為減少電氣化鐵路負(fù)序的影響,目前主要采取靜止無功補(bǔ)償器(StaticVarCompensator,SVC)[8,9]、靜止無功發(fā)生器(StaticVarGenerator,SVG)[10,11]、鐵路功率調(diào)節(jié)器(RailwaystaticPowerConditioner,RPC)等方法。SVC和SVG能部分解決負(fù)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(fù)序問題具有良好的應(yīng)用前景[12-17]。

高速交流機(jī)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(fù)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(yùn)行中,牽引變壓器負(fù)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(jì)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(fù)載峰位負(fù)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(bǔ)償峰時負(fù)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)中RPC用于治理負(fù)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(bǔ)償峰時負(fù)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(jì)性。

本文分析了新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在各種模式下的工作原理,構(gòu)建了SC-RPC與RPC補(bǔ)償系統(tǒng)在再生制動工況下的等效電路,推導(dǎo)出兩種補(bǔ)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)的正確性和有效性。

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(bǔ)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(fù)序問題,還能提高再生制動能量的利用率,利用谷時電能補(bǔ)償峰時電能,不僅改善了峰值負(fù)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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