本發(fā)明涉及電氣化鐵路牽引供電領(lǐng)域，尤其涉及電氣化鐵路牽引負(fù)荷削峰填谷的管理與控制技術(shù)。

背景技術(shù)：

削峰填谷是電力系統(tǒng)負(fù)荷管理的重要舉措，對于電網(wǎng)而言，削峰有利于提高發(fā)輸變電設(shè)備利用率，節(jié)省設(shè)備擴(kuò)容、更新費(fèi)用，降低供電成本，對于一般用戶而言，可以利用峰谷差價(jià)取得降低電費(fèi)的經(jīng)濟(jì)效益。儲能系統(tǒng)具備電能儲存和釋放的雙重功能，即具有對負(fù)荷削峰和填谷的雙重作用，其中電池儲能系統(tǒng)、超級電容儲能系統(tǒng)及其混合儲能系統(tǒng)有著獨(dú)到的優(yōu)勢，在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮著不可替代的、巨大作用，并在發(fā)揮著越來越大的作用。

電氣化鐵路屬于大宗工業(yè)用戶，且有鮮明特點(diǎn)，如牽引負(fù)荷波動劇烈，牽引負(fù)荷功率峰值是個(gè)關(guān)鍵：它不僅在技術(shù)上引起以負(fù)序?yàn)橹鞯碾娔苜|(zhì)量問題，還在經(jīng)濟(jì)上直接關(guān)乎用戶效益，因?yàn)樨?fù)荷峰值與兩部制電價(jià)中主變壓器容量計(jì)費(fèi)和最大需量計(jì)費(fèi)密切相關(guān)，鐵路用戶將付出額外代價(jià)。因此削峰—降低負(fù)荷峰值具有技術(shù)經(jīng)濟(jì)兼優(yōu)的機(jī)會：既可以治理負(fù)序、降低不良影響，又可以在執(zhí)行兩部制電價(jià)中取得效益，即或者降低最大需量取得效益，或者降低主變壓器容量進(jìn)而降低固定容量收費(fèi)來取得效益。

中國專利公開了“電氣化鐵路牽引供電儲能裝置及其方法(201410002241.x)”，其目的是“充分回收機(jī)車制動回饋電能，提供牽引供電系統(tǒng)的能量利用率，并降低牽引變壓器的安裝容量和計(jì)費(fèi)容量，節(jié)約成本?！钡?，該技術(shù)方案存在的問題是：(1)在有功電流ip＜0時(shí)進(jìn)行儲能(見其權(quán)利要求5和附圖5)的判據(jù)存在不正確的情形。因?yàn)榱熊囯姎庵苿硬皇敲總€(gè)供電臂都發(fā)生的。如京滬高鐵，全線1318km，24個(gè)車站，27個(gè)變電所(54個(gè)供電臂)，平均站間距(約為55km)遠(yuǎn)大于平均供電臂的長度(約為24.4km)，由于正常情況下列車(電氣)制動發(fā)生在車站?？壳樾?，顯然，因?yàn)闆]有車站的供電臂的概率很大，那么，不發(fā)生電氣制動的概率很高，或者即使發(fā)生制動但其再生功率被同行牽引列車吸收而等效表現(xiàn)為牽引工況，如固鎮(zhèn)變電所就沒有制動再生情形發(fā)生，此時(shí)該例判據(jù)就不會發(fā)生；進(jìn)一步說，即使電氣制動功率沒有被同行列車吸收，將其返回電網(wǎng)不用增加任何設(shè)備，是最直接的、最經(jīng)濟(jì)的，也是節(jié)能減排被國家所提倡鼓勵的(就像家庭光伏發(fā)電一樣)，該專利專門設(shè)置儲能裝置在功電流ip＜0時(shí)進(jìn)行儲能也是沒有必要的。(2)該專利使用“總電流is＞所連接供電臂的額定電流ie”(見其權(quán)利要求7)的判據(jù)方法也是不正確的。再以京滬高鐵為例，每個(gè)牽引變電所的運(yùn)行主變壓器(額定)容量為100(2×50)mva，而最大功率只有不足70mva，依該專利判據(jù)就只有谷沒有峰，削峰工況永遠(yuǎn)不會出現(xiàn)，其儲能裝置就永遠(yuǎn)不可能工作。即使其他線路上，同樣因?yàn)榇嬖诓话l(fā)生電氣制動的供電臂，那么，此時(shí)因“有功電流ip＜0”判據(jù)得到的儲能＝0，如果發(fā)生了“總電流is＞所連接供電臂的額定電流ie”的情況，也沒有可以用于削峰的電力。實(shí)際上，對應(yīng)供電臂的額定電流ie的牽引變壓器的安裝容量是設(shè)計(jì)階段確定的，一經(jīng)確定，即與實(shí)際牽引負(fù)荷無關(guān)了，即牽引變壓器或者欠負(fù)荷，或者過負(fù)荷，已于事無補(bǔ)了。因此所述“總電流is＞所連接供電臂的額定電流ie”不可取。總之，該技術(shù)方案存在儲能與削峰工作失效情形，此時(shí)“降低牽引變壓器的安裝容量和計(jì)費(fèi)容量，節(jié)約成本”也就無從談起，更不能實(shí)現(xiàn)全工況的、實(shí)時(shí)的削峰填谷最優(yōu)化。

注意到電氣化鐵路牽引負(fù)荷削峰填谷的關(guān)于技術(shù)經(jīng)濟(jì)的重要性，而在方法上更要注意電氣化鐵路運(yùn)行圖以日為單位的特點(diǎn)，即有固定、準(zhǔn)確的周期性，因此可以從中提取有意義的統(tǒng)計(jì)值加以研究、利用?，F(xiàn)在要解決的技術(shù)問題是：如何根據(jù)牽引負(fù)荷的特點(diǎn)，通過專門設(shè)備與方法，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)最優(yōu)化削峰，減少變壓器容量或最大需量，取得最佳經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)治理負(fù)序，改善技術(shù)性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種電氣化鐵路儲能供電裝置，它能有效地解決牽引負(fù)荷實(shí)時(shí)最優(yōu)化削峰的設(shè)備的技術(shù)問題，以減少主變壓器容量或最大需量，取得最佳經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)治理負(fù)序，改善技術(shù)性能。

本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種電氣化鐵路儲能供電裝置的控制方法，它能有效地解決牽引負(fù)荷實(shí)時(shí)最優(yōu)化削峰的實(shí)時(shí)控制和管理的技術(shù)問題，以減少主變壓器容量或最大需量，取得最佳經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)治理負(fù)序，改善技術(shù)性能。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的：一種電氣化鐵路儲能供電裝置，包括耦合變壓器、交直變流器、電壓互感器、電流互感器及測控單元；牽引進(jìn)線連接牽引母線；牽引母線經(jīng)饋線連接牽引網(wǎng)給列車供電；電壓互感器測量牽引母線對地電壓；電流互感器測量饋線的牽引負(fù)荷；耦合變壓器原邊連接牽引母線和地，次邊連接交直變流器的交流端口；交直變流器的直流端口與儲能器連接；電壓互感器的測量端、電流互感器的測量端連接測控單元輸入接口，測控單元輸出接口與交直變流器的控制端相連接。

本發(fā)明的另一個(gè)目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的，一種電氣化鐵路儲能供電的控制方法是：測控單元經(jīng)電壓互感器和電流互感器獲得牽引負(fù)荷功率，記錄往日正常工況下牽引負(fù)荷功率曲線，計(jì)算其均值，統(tǒng)計(jì)往日最大值；以負(fù)荷削峰為目標(biāo)，選擇：目標(biāo)，選擇：均值≤基準(zhǔn)值＜最大值；高于基準(zhǔn)值的負(fù)荷功率曲線為峰，低于基準(zhǔn)值的負(fù)荷功率曲線為谷；儲能器的最大功率(kw)＝往日峰的最大值(kw)，儲能器的容量(kwh)＝往日面積最大的峰的面積(kwh)；當(dāng)牽引負(fù)荷功率＜基準(zhǔn)值時(shí)，測控單元控制交直變流器整流給儲能器充電，此時(shí)整流充電的功率＝此時(shí)基準(zhǔn)值與牽引負(fù)荷功率之差；當(dāng)牽引負(fù)荷功率＞基準(zhǔn)值時(shí)，測控單元控制交直變流器逆變，使儲能器放電，將逆變后的交流電饋入牽引母線，此時(shí)放電逆變的功率＝此時(shí)牽引負(fù)荷功率與基準(zhǔn)值之差；當(dāng)牽引負(fù)荷功率＝基準(zhǔn)值時(shí)，測控單元控制交直變流器待機(jī)。

考慮到牽引負(fù)荷波動具有劇烈波動的鮮明特點(diǎn)，峰谷交替頻繁，要求儲能器具有較高的充放電循環(huán)次數(shù)，以保證較長的使用壽命。因此儲能器應(yīng)優(yōu)先考慮超級電容器。

本發(fā)明的工作原理是：電氣化鐵路牽引負(fù)荷波動劇烈，許多技術(shù)和經(jīng)濟(jì)問題都伴隨著牽引負(fù)荷峰值而出現(xiàn)：經(jīng)濟(jì)上，負(fù)荷峰值與行兩部制電價(jià)中的主變壓器容量計(jì)費(fèi)和最大需量計(jì)費(fèi)密切相關(guān)，削峰—降低負(fù)荷峰值可以降低電費(fèi)、取得經(jīng)濟(jì)效益，即或者降低最大需量取得效益，或者降低主變壓器容量進(jìn)而降低固定容量收費(fèi)來取得效益；技術(shù)上，負(fù)荷峰值引起電能質(zhì)量問題并備受關(guān)注，例如，由于因負(fù)序造成的電壓不平衡為主的電能質(zhì)量問題突出，國標(biāo)中電壓不平衡度的兩個(gè)限值(見gb/t15543—2008電能質(zhì)量三相電壓不平衡)就是分別針對負(fù)荷峰值和95％概率最大值制定的，因此削峰—降低負(fù)荷峰值同時(shí)可以治理負(fù)序，改善技術(shù)性能；同時(shí)，電氣化鐵路運(yùn)行圖以日為單位，周期性極強(qiáng)，往日正常工況下牽引負(fù)荷的均值具有較好的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性；記錄往日正常工況下牽引負(fù)荷功率曲線，計(jì)算其均值，統(tǒng)計(jì)往日最大值；選擇：均值≤基準(zhǔn)值＜最大值；定義：大于基準(zhǔn)值的負(fù)荷功率曲線為峰，小于等于基準(zhǔn)值的負(fù)荷功率曲線為谷；在規(guī)定時(shí)段內(nèi)，當(dāng)基準(zhǔn)值＝均值時(shí)，所有峰的積分(面積)＝所有谷的積分(面積)，當(dāng)基準(zhǔn)值大于均值時(shí)，所有峰的積分(面積)＜所有谷的積分(面積)；儲能器的最大功率＝往日峰的最大值，選擇儲能器的容量＝往日面積最大的峰的面積；將牽引負(fù)荷功率與基準(zhǔn)值對比即可實(shí)時(shí)控制儲能器的充放電工況，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)削峰填谷；相比均值，基準(zhǔn)值越大，峰的數(shù)量就越少，充放電次數(shù)就越少，儲能器容量也就越小，投資也越少，但削峰的作用也就越小，電費(fèi)降低也越少，反之亦然；因此通過基準(zhǔn)值的選擇可以尋求一個(gè)技術(shù)經(jīng)濟(jì)最佳方案。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

一、電氣化鐵路運(yùn)行圖以日為單位，周期性極強(qiáng)，往日正常工況下牽引負(fù)荷的均值和大于均值的基準(zhǔn)值具有較好的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，以此為基準(zhǔn)可以用最小儲能器容量實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)削峰。

二、以削峰為目標(biāo)，通過基準(zhǔn)值的選擇可以減少主變壓器容量或最大需量，取得最佳經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)治理負(fù)序，改善技術(shù)性能。

三、技術(shù)先進(jìn)，易于實(shí)施。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明實(shí)施例的控制方法與控制流程示意圖。

圖3是本發(fā)明實(shí)施例的削峰過程示意圖。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步描述：

圖1示出，本發(fā)明的一種具體實(shí)施方式為：一種電氣化鐵路儲能供電裝置，包括耦合變壓器1、交直變流器2、儲能器3、電壓互感器4、電流互感器5及測控單元6；以高鐵牽引變電所為例，其中單相接線主變壓器次邊引出牽引進(jìn)線7，牽引進(jìn)線7連接牽引母線8；牽引母線經(jīng)饋線9連接牽引網(wǎng)給列車供電；電壓互感器5測量牽引母線8對地電壓；電流互感器5測量饋線9的牽引負(fù)荷；耦合變壓器1原邊連接牽引母線8和地，次邊連接交直變流器2的交流端口；交直變流器2的直流端口與儲能器3連接；電壓互感器4的測量端、電流互感器5的測量端連接測控單元6輸入接口，測控單元6輸出接口與交直變流器2的控制端相連接。

圖2是本發(fā)明實(shí)施例的控制方法與控制流程示意圖。測控單元6經(jīng)電壓互感器4和電流互感器5獲得牽引負(fù)荷功率，記錄往日(如7日)正常工況下牽引負(fù)荷功率曲線，計(jì)算其均值，統(tǒng)計(jì)往日(如7日)牽引負(fù)荷的最大值；以負(fù)荷削峰為目標(biāo)，選擇：均值≤基準(zhǔn)值＜最大值；高于基準(zhǔn)值的負(fù)荷功率曲線為峰，低于基準(zhǔn)值的負(fù)荷功率曲線為谷；儲能器3的最大功率＝往日峰的最大值，儲能器3的容量＝往日面積最大的峰的面積；取時(shí)間t步長△(s)，當(dāng)時(shí)刻t的牽引負(fù)荷功率＜基準(zhǔn)值時(shí)，測控單元6控制交直變流器2整流給儲能器3充電，此時(shí)整流充電的功率＝此時(shí)基準(zhǔn)值與牽引負(fù)荷功率之差；當(dāng)牽引負(fù)荷功率＞基準(zhǔn)值時(shí)，測控單元6控制交直變流器2逆變，使儲能器3放電，將逆變后的交流電饋入牽引母線8，此時(shí)放電逆變的功率＝此時(shí)牽引負(fù)荷功率與基準(zhǔn)值之差；當(dāng)牽引負(fù)荷功率＝基準(zhǔn)值時(shí)，測控單元6控制交直變流器2待機(jī)；如此以日為單位循環(huán)。

圖3是實(shí)施例的削峰過程示意圖，圖中曲線10是實(shí)際饋線9的實(shí)測負(fù)荷功率，正的表示牽引(用電)工況，負(fù)的表示制動再生(發(fā)電)工況，橫坐標(biāo)為min，縱坐標(biāo)為mw。記錄往日正常工況下牽引負(fù)荷功率曲線，計(jì)算其均值11；圖中選擇一個(gè)時(shí)段(1h)的負(fù)荷功率曲線，以負(fù)荷削峰為目標(biāo)，選擇基準(zhǔn)值13＞基準(zhǔn)值12＞均值11；高于基準(zhǔn)值的負(fù)荷功率曲線為峰，低于基準(zhǔn)值的負(fù)荷功率曲線為谷；儲能器3的最大功率＝往日峰的最大值，儲能器3的容量＝往日面積最大的峰的面積；當(dāng)牽引負(fù)荷功率＜基準(zhǔn)值時(shí)，測控單元6控制交直變流器2整流給儲能器3充電，此時(shí)整流充電的功率＝此時(shí)基準(zhǔn)值與牽引負(fù)荷功率之差；當(dāng)牽引負(fù)荷功率＞基準(zhǔn)值時(shí)，測控單元6控制交直變流器2逆變，使儲能器3放電，將逆變后的交流電饋入牽引母線8，此時(shí)放電逆變的功率＝此時(shí)牽引負(fù)荷功率與基準(zhǔn)值之差；當(dāng)牽引負(fù)荷功率＝基準(zhǔn)值時(shí)，測控單元6控制交直變流器2待機(jī)。

顯然，將牽引負(fù)荷功率與基準(zhǔn)值對比即可實(shí)時(shí)控制儲能器3的充放電工況，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)削峰填谷；基準(zhǔn)值越大，如選基準(zhǔn)值13大于基準(zhǔn)值12，峰的數(shù)量就越少，充放電次數(shù)就越少，儲能器3容量也就越小，投資也就越小，但削峰能力越弱，電費(fèi)降低越少，反之亦然；因此通過基準(zhǔn)值的選擇可以尋求一個(gè)技術(shù)經(jīng)濟(jì)最佳方案。

從工作原理可知，所述電氣化鐵路儲能供電裝置及其控制方法以及均值、基準(zhǔn)值、峰谷等定義同樣適于包含再生工況即牽引負(fù)荷功率＜0的情形。

考慮到牽引負(fù)荷波動具有劇烈波動的鮮明特點(diǎn)，峰谷交替頻繁，要求儲能器3具有較高的充放電循環(huán)次數(shù)，以保證較長的使用壽命。因此儲能3器應(yīng)優(yōu)先考慮超級電容器。