论文题目：储能型电气化铁道电能质量控制系统研究
摘要：随着我国铁路网布局加密成型和列车牵引功率不断增加,铁路能源消耗急剧上升且电能质量问题日益严重。为缓解能源供需矛盾,解决电能质量问题,如何高效回收列车制动产生的可观再生能量,改善交流牵引供电系统因供电方式和负荷特性带来的负序、无功以及短时峰值功率高等问题已成为当前研究热点。传统的解决方案存在补偿容量大、控制策略过于复杂的不足,同时有别于地铁、轻轨等直流牵引供电系统,交流牵引供电系统自身存在的电能质量问题,为再生制动能量的回收增添难度。因此,针对牵引负荷及其供电系统问题及特征,本文从原理分析到参数设计,从控制方法到储能系统（ESS）配置,进行了全面的探究,为实现低成本治理与高效率回收制动能量提供研究思路。首先简述了电气化铁道演进史,阐明了牵引供电系统存在的电能质量问题以及造成的危害,并对现有电能质量治理技术进行了概述,梳理了储能型电气化铁道电能质量控制系统的研究重点及意义。基于湖南某牵引变电所实测数据和单列动车组动调试验数据,对牵引负荷及其供电系统的基本特征及内在规律进行充分挖掘和归纳总结。分析了牵引变一次侧电压/电流不平衡度,比较了平衡变和非平衡变（V/v变、Y/Δ变）的负序抑制能力;介绍了电力机车在不同机车类型和行驶工况下的不同程度谐波污染;对一次侧功率因数与牵引侧电压、峰值功率以及再生制动能量进行统计并评估,给出了直观的分布和趋势图,为变电所电能质量的安全防治指明了方向,也对系统仿真提供了现实依据。针对传统电能质量治理方案存在设计容量大、控制复杂以及能量利用率低的问题,提出基于部分补偿策略的储能型电气化铁道电能质量控制系统。在铁路功率调节器（RPC）和双向直流变换器（BDC）的典型拓扑基础上提出系统结构拓扑,推导了主变一次侧电流与馈线电流、功率因数的数学关系,给出了有功、无功补偿量的数学描述;辨析了完全补偿原理与部分补偿的工作原理,详细讨论了11种铁路典型工况并给出了功率分配的原则及具体补偿量,同时评估了该策略的负序抑制能力与RPC节容效果;最后归纳了RPC和BDC的常用控制策略,并提出了基于无源控制的ESS-RPC的综合协调控制方案。针对牵引供电系统储能装置容量配置策略的单一性以及经济性差的特点,提出了基于经济效益优化的储能系统容量配置策略。首先分析了储能技术的特性,再从ESS-RPC的工作机制入手,以日负荷功率曲线来描述负荷变化,揭示了ESS容量与负荷功率的交互影响。综合考虑了初始投资、产能效益、运营效益等经济因素,提出以综合经济效益最大化为目标函数,构建了以调峰与回收再生制动能量为主导场景的优化模型。同时,在前文变电所实测数据基础上进行算例分析,给出了基于遗传算法的ESS容量优化求解方法和算法流程,为储能型电气化铁道的工程应用提供了更具经济性的方案和理论依据。最后参照牵引变电所典型工况实测数据,建立MATLAB仿真模型,验证了所提控制系统部分补偿策略和功率分配方案的可行性及有效性。仿真结果表明,系统可以根据工况类别与负荷大小,灵活切换RPC补偿模式,控制有功潮流,补偿无功、负序,兼顾回收制动能量,满足国标对不平衡度及功率因数的要求,并且表现出较好的节容、节能性能,达到了改善电能质量的目的。
关键词：电气化铁道;电能质量;铁路功率调节器;再生制动能量;储能系统
学科专业：电气工程
摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 电气化铁道演进史
1.2 牵引供电系统电能质量问题概述
1.2.1 三相电压/电流不平衡
1.2.2 谐波污染
1.2.3 功率因数偏低
1.2.4 馈线电压波动
1.2.5 负荷峰值功率大
1.2.6 机车制动能量大
1.3 牵引供电系统电能质量治理技术
1.3.1 优化牵引供电结构
1.3.2 无源及有源滤波器
1.3.3 动态无功补偿器
1.3.4 铁路功率调节器
1.3.5 引入储能系统
1.4 本文研究的目的及意义
1.5 本文的主要研究内容
第2章 基于实测数据的电能质量特征分析
2.1 不平衡特征
2.2 谐波特征
2.3 功率因数特征
2.4 馈线电压特征
2.5 牵引负荷特征
2.6 本章小结
第3章 基于部分补偿策略的储能型电气化铁道电能质量控制系统
3.1 铁路功率调节器典型拓扑
3.1.1 全桥结构
3.1.2 半桥结构
3.1.3 多重化结构
3.1.4 多电平结构
3.1.5 新型结构
3.2 双向直流变换器典型拓扑
3.2.1 非隔离结构
3.2.2 隔离结构
3.3 储能型铁路功率调节器拓扑结构及其数学模型
3.3.1 系统拓扑结构
3.3.2 通用数学模型
3.4 部分补偿策略及功率分配方案设计
3.4.1 完全补偿原理
3.4.2 部分补偿策略
3.4.3 典型工况功率分配方案设计
3.4.4 负序抑制能力理论校验
3.5 计及储能的综合控制方法研究
3.5.1 铁路功率调节器控制策略
3.5.2 双向直流变换器控制策略
3.5.3 储能型铁路功率调节器控制设计
3.6 本章小结
第4章 基于经济效益优化的储能系统容量配置策略
4.1 储能技术特性分析
4.2 储能系统容量配置机制研究
4.3 储能系统容量优化模型
4.3.1 储能系统容量配置的目标函数
4.3.2 储能系统容量配置的约束条件
4.4 储能系统容量配置算例分析
4.4.1 参数设置
4.4.2 求解与分析
4.5 本章小结
第5章 仿真验证及案例研究
5.1 部分补偿策略节容效果验证
5.1.1 恒定负荷情形
5.1.2 可变负荷情形
5.2 典型工况功率分配方案有效性验证
5.2.1 单臂制动工况
5.2.2 双臂制动工况
5.2.3 削峰工况
5.2.4 填谷工况
5.3 本章小结
总结与展望
参考文献
致谢