Power management in co-phase traction power supply system with super capacitor energy storage for electrified railways

Increasing railway traffic and energy utilization issues prompt electrified railway systems to be more economical,efficient and sustainable.As regenerative braking energy in railway systems has huge potential for optimized utilization,a lot of research has been focusing on how to use the energy efficiently and gain sustainable benefits.The energy storage system is an alternative because it not only deals with regenerative braking energy but also smooths drastic fluctuation of load power profile and optimizes energy management.In this work,we propose a co-phase traction power supply system with super capacitor(CSS_SC)for the purpose of realizing the function of energy management and power quality management in electrified railways.Besides,the coordinated control strategy is presented to match four working modes,including traction,regenerative braking,peak shaving and valley filling.A corresponding simulation model is built in MATLAB/Simulink to verify the feasibility of the proposed system under dynamic working conditions.The results demonstrate that CSS_SC is flexible to deal with four different working conditions and can realize energy saving within the allowable voltage unbalance of 0.008%in simulation in contrast to 1.3%of the standard limit.With such a control strategy,the performance of super capacitor is controlled to comply with efficiency and safety constraints.Finally,a case study demonstrates the improvement in power fluctuation with the valley-to-peak ratio reduced by 20.3%and the daily load factor increased by 17.9%.

Optimal energy saving in DC railway system withon-board energy storage system by using peak demand cutting strategy

A problem of peak power in DC-electrified railway systems is mainly caused by train power demand during acceleration.If this power is reduced,substation peak power will be significantly decreased.This paper presents a study on optimal energy saving in DC-electrified railway with on-board energy storage system(OBESS) by using peak demand cutting strategy under different trip time controls.The proposed strategy uses OBESS to store recovered braking energy and find an appropriated time to deliver the stored energy back to the power network in such a way that peak power of every substations is reduced.Bangkok Mass Transit System(BTS)-Silom Line in Thailand is used to test and verify the proposed strategy.The results show that substation peak power is reduced by63.49% and net energy consumption is reduced by 15.56%using coasting and deceleration trip time control.

盘管式冰蓄冷空调技术蓄冰过程理论与实验研究

冰蓄冷空调系统对电网调峰及改善用冷经济性有重要作用。该文通过对盘管式冰蓄冷系统的蓄冰过程研究发现,蓄冰过程包含两个明显阶段:第1阶段,10.0到4.0℃过程中,水的密度随温度降低而增大,4.0℃冷水迅速聚集到蓄冷单元底部,并逐渐充满整个水域;第2阶段,4.0到0℃过程中,水的密度随着温度降低而减小。前期,换热管下表面最先出现冰层;后期,随着上方聚集的低温水增多,换热管上表面开始产生冰层。该实验中,当蓄冰过程进行到100 min时,换热管上下表面冰层厚度均达到8.56 mm。之后,上表面冰层厚度逐渐超过下表面。该研究揭示冰蓄冷单元内部自然对流及4.0℃时水的密度逆转对结冰过程的影响规律,对盘管式冰蓄冷系统的优化设计及运行控制有一定指导意义。

面向脉冲负载的基于超级电容储能UPQC设计及控制策略研究

针对带有脉冲负载电网的电压畸变和电流畸变问题,设计了带有超级电容储能的三电平统一电能质量调节器,提出了基于人工神经网络的方法对串联和并联补偿单元进行控制,基于双闭环PI控制的方法对超级电容储能单元进行控制。其中,串联补偿单元进行电压补偿,以维持负载电压的稳定,保证负载的用电需求;并联补偿单元进行电流补偿,以维持电源电流的稳定,避免电网受到持续大幅冲击;超级电容储能单元对直流侧进行充放电,以维持直流侧电压的恒定,保证串、并联侧的正常工作。所提方法省去了繁琐的坐标变换过程,避免了多个滤波器造成相位滞后的问题。仿真实验结果表明,所提拓扑和控制策略有助于改善带有脉冲负载电网的电能质量。

一种基于储能型铁路功率调节器的再生制动能量控制策略研究

针对某长大坡道线路牵引负荷实测数据,首先分析了牵引负荷具有峰值功率高、波动性强、工况之间交替频繁且再生制动能量丰富的特点,并且基于储能型铁路功率调节器,提出一种再生制动能量控制策略。然后通过MATLAB/Simulink搭建仿真模型,根据仿真结果分析系统各工况下的能量转移特性,验证该能量控制策略的可行性,在储能系统削峰填谷的同时,对牵引供电系统出现的功率因数低、三相不平衡等电能质量问题也起到治理的效果,具有良好的应用前景和经济价值。

A Study on the Analysis of Load Flow for Railway DC System

Urban railway systems differ greatly from general power systems in that they use direct current(DC)power supply and that the location and power requirements of the loads change.The position and power consumption of the load shall be interpreted continuously every second,or in a fixed unit of time,for a specific period of time during which the operating conditions are repeated.The additional analysis of energy-saving systems being considered as energy efficiency improvement methods requires more complex load flow analysis algorithms.Simulations are performed load flow every time step.The power of an electric railway power feeding system is the power consumed or produced by a train.Because the amount and position of the load change rapidly over time,load flow analysis continues over time.Therefore,based on the method of obtaining solutions by constructing node equations for load flow analysis in this study,load flow analysis was performed through algorithms with energy-saving systems applied.Both thetrain performance simulation(TPS)and power simulation results show that the actual measurement data are estimated almost equally.

计及电网电压不平衡的储能型铁路功率调节器负序优化补偿策略

针对偏远地区电网电压不平衡条件下牵引供电系统负序补偿及再生制动能量回收利用问题,基于储能型铁路功率调节器,提出一种在补偿装置容量有限时,计及电网电压不平衡条件的再生制动能量利用及负序综合补偿优化策略。分析了电网电压不平衡时储能型铁路功率调节器负序完全补偿机理,引入储能系统补偿系数,有功、无功电流补偿系数,以负序补偿度和牵引变电所补偿容量及供电臂负荷平衡度作为优化目标,提出储能型铁路功率调节器优化补偿模型。采用序列二次规划法对优化模型进行求解,最后通过仿真验证,表明该策略可以在电网电压不平衡时,使电网侧负序不平衡度降低的同时提高再生制动能量利用率,减少牵引负荷对牵引变电所的能量需求。

基于柔性负荷和建筑多能源系统的电网峰谷调节算法

针对建筑能源系统负荷多样,导致电网波动和负荷峰谷差日益增大的问题,提出了一种基于柔性负荷与建筑多能源系统的电网峰谷调剂算法,以实现多能源系统联合参与的电网峰谷调节.该算法通过构建储能设备和空调系统的功率模型,来建立多能源系统负荷与功率优化的电网峰谷调节目标函数.同时,针对电网峰谷调节的特点提出了一种改进的粒子群优化算法,以求解该目标函数实现电网的峰谷调节.仿真分析与实验结果表明,所提出的方法优于单纯使用储能设备和空调系统的电网峰谷调节方法,能够显著提高负荷的平滑度与能源利用率.

基于RPC的混合储能接入双流制牵引供电系统协调运行方法

双流制线路实现了25 kV交流供电制式市域(郊)铁路与1500 V直流供电制式城市地铁的跨线运行和互联互通,成为助力轨道交通高效节能运行的重要手段。然而,双流制牵引供电系统间存在的制式壁垒制约着系统能流高效利用,造成大量列车再生能量难以完全利用,电费成本不断增加。本文提出一种集成混合储能的铁路功率调节器(railway power conditioner,RPC)拓扑及其优化运行模型,以双流制牵引供电系统电费成本最低为优化目标,以功率平衡、变流器容量、储能装置容量与荷电状态为约束条件,以混合储能装置充放电策略、RPC端口潮流调控方法为决策变量,实现交流制市域(郊)铁路与直流制地铁之间的能量高效调控。优化结果表明:相较于既有双流制牵引供电系统,本文所提出方案可以降低牵引变电所的用电量和需量功率,总电费的节费率为22.64%,验证了所提出协调运行方法的有效性。

The Full Load Voltage Compensation Strategy in Capacity Configuration of UPQC Integrated PV-BESS

Unified power quality conditioner(UPQC)with energy storage is commonly based on conventional capacity configuration strategy with power angle control.It has problems such as phase jumping before and after compensation.DC-link cannot continuously emit active power externally.Therefore,this paper presents the compensation strategy of full load voltage magnitude and phase in capacity configuration of UPQC.The topology of UPQC is integrated a series active power filter(SAPF),a shunt active power filter(PAPF)and a photovoltaic-battery energy storage system(PV-BESS).The principle of full load voltage compensation is analyzed based on the PV-BESS-UPQC topology.Themagnitude constant of load voltage ismaintained by controlling the appropriate shunt compensation current.Then the UPQC capacity configuration is carried out using the full load voltage compensation strategy.The compensation capacity of UPQC series and shunt units are reduced.Finally,the simulation results show that the proposed compensation strategy reduces the capacity configuration by 5.11 kVA(36.4%)compared to the conventional compensation strategy.The proposed strategy can achieve full compensation of the load voltage,which can effectively reduce the capacity allocation and improve the economy of UPQC.It also has the PV-BESS units’ability of providing active power and can stabilize the DC-link voltage.

牵引供电系统光储接入方案及其控制策略

为了实现光伏发电在牵引供电系统中的有效利用,提出了一种基于铁路功率调节器的牵引供电系统光储接入方案及其控制策略。介绍了系统拓扑结构并分析其工作原理,根据分区所两供电臂负荷情况划分多种运行模式和运行工况,不仅可以实现再生制动能量的利用、负荷削峰填谷以及光伏发电的消纳,同时能够有效调节供电臂末端网压。仿真结果证明了所提方案及其控制策略的正确性和有效性。

PV-BESS集成统一电能质量调节器协调控制策略研究

统一电能质量调节器(Unified Power Quality Conditioner,UPQC)虽可以很好地实现多重电能质量的综合控制,但UPQC中串联和并联补偿器额定功率难以同时优化,并且在电网电压暂降时会存在系统补偿性能差的问题。为此,提出了一种光伏和电池储能系统(Photovoltaic-Battery Energy Storage System,PV-BESS)集成UPQC的拓扑结构,在UPQC串联侧耦合外部电容器,直流侧增加PV-BESS。在此基础上,提出了UPQC工作在无功功率补偿模式(Reactive Power Compensation,RPC)和电压波动补偿模式(Voltage Fluctuation Compensation,VC)下的协调控制策略,串联侧的耦合电容器在两种模式下共享UPQC所需的部分无功功率,降低了UPQC串联和并联补偿器的额定功率。研究了UPQC各单元的控制策略,保证了对负载的不间断供电,提高了严重电压暂降时系统的稳定性和补偿性能。在MATLAB/Simulink平台搭建了PV-BESS-UPQC协调控制模型,通过仿真验证了所提出的拓扑和协调控制策略的有效性。

多功能柔性功率调节器运行特性的仿真研究

多功能柔性功率调节器是一种用于提高电力系统稳定性的新型FACTS装置,可同时双向大范围快速调节有功功率和无功功率。该文建立了柔性功率调节器的数学模型,提出了相应的励磁控制策略。根据所建立的模型和控制策略,以即将研制的柔性功率调节器实验室样机为对象,在MATLAB/SIMULINK环境建立了该柔性功率调节器的仿真系统,并进行了详细的全时域数字仿真研究。研究结果表明,柔性功率调节器具有很好的功率调节特性和良好的动态响应能力,为实现提高电力系统稳定性创造了条件。

基于铁路功率调节器的高速铁路牵引供电系统储能方案及控制策略

针对高速铁路牵引供电系统中大量再生制动能量不能得到有效利用的问题,提出一种基于铁路功率调节器(RPC)的牵引供电系统储能方案及其控制方法。首先,研究牵引供电系统储能方案的拓扑结构,分析四种典型工况下系统的能量传输特性;接着,分析RPC动态补偿电能质量的基本原理,并提出一种计及储能装置的RPC控制策略;然后,研究基于电流闭环的储能装置控制策略;最后,通过仿真算例证明本文所提出储能方案和RPC控制策略的正确性和可行性。结果表明,所采用的储能方案能有效回收利用高速铁路牵引供电系统产生的再生能量,所提出的RPC控制策略能更好地解决储能装置接入牵引供电系统后的负序和谐波电流补偿问题。

基于超级电容器储能的微网统一电能质量调节器

提出了一种新型的由超级电容器储能模块、光伏阵列、升降压DC/DC变换器、双向DC/DC变换器、并联逆变器和能量管理系统组成的微网统一电能质量调节器,分析了主电路的基本结构,提出了调节器在并网状态下针对不同电能质量问题控制指令的生成,以及超级电容器和逆变器的连接模块、光伏电池对超级电容器充电模块的设计。仿真结果表明,所提出的统一电能质量调节器可以充分利用光伏电池发出的多余能量,通过超级电容器的快速响应能力,对微网中的多种电能质量问题进行有效治理。

储能调相功率调制系统柔性功率调节器

针对目前电力系统故障时只能被动防御的局面,提出了一种新型FACTS装置,即储能调相功率调制系统,它将飞轮储能技术和传统的同步调相技术有机地结合起来,同时采用交流励磁、变速恒频和矢量控制等先进控制技术,使之具有储能、发电和调相等多种功能,将其用于电力系统的稳定性控制,使主动致稳成为可能。文中详细论述了该FACTS装置的核心部件——柔性功率调节器的控制策略和实现方法,并对系统实现所遇到的几个关键问题进行了深入分析。初步的研究结果表明,该装置可实现有功功率和无功功率同时四象限大范围的快速调节,使电力系统的稳定性增强成为可能。

基于超级电容器储能的UPQC工作条件及控制策略

为处理常规统一电能质量调节器(UPQC)难以解决的电源瞬时中断或电压暂降较深的问题,提出利用超级电容器储能系统(SESS)构成UPQC的直流储能单元。针对基于SESS的UPQC拓扑结构,研究UPQC单元优化配置的影响因素和目标函数,得出UPQC系统级功率流协调控制的最佳工作条件;分析SESS的主电路结构特点和性能,确定储能单元的容量和SESS控制策略;根据UPQC串、并联变流器的工作要求,提出基于PI控制和重复控制的UPQC单元级控制策略。仿真与实验分析结果表明,所提出的拓扑结构和控制策略在达到电能质量治理目标的同时,实现了UPQC串、并联变流器以及SESS协调控制。

基于储能型稳控装置的电力系统阻尼特性分析

飞轮储能式柔性功率调节器(FPC)是一种以储能原理为基础的电力系统稳定控制装置。基于由一台同步发电机和一台FPC组成的双机无穷大系统模型,利用特征值分析法研究了FPC对电力系统阻尼特性的改善作用,并分别讨论了FPC功率调节响应速度和FPC可调功率对系统阻尼特性的影响。计算和仿真结果表明,FPC能够增加电力系统的总阻尼资源并优化阻尼分配,特别是FPC的动态有功功率调节能显著改善系统的阻尼特性并提高系统抑制低频振荡的能力。

风-蓄混合孤立发电系统的运行控制

在风电孤立发电系统中接入储能设备,可抑制风能波动和负荷扰动对系统稳定性的影响。在此深入研究了风-蓄混合孤立发电系统的运行控制,包括双馈风力发电机组的最大功率跟踪控制、双馈风机的定子磁链定向有功、无功功率解耦矢量控制及功率调节器有功、无功功率控制。搭建了风-蓄混合孤立发电实验系统,实验结果证明,将了储能设备接入风电孤立发电系统,可有效提高系统稳定性。

电压质量调节器功率流协调控制策略

电压质量调节器(voltage quality conditioner,VQC)常规控制中,其串联变流器主要输出有功功率处理电压暂降问题,通常处于待机状态,未得到充分利用。文章针对所设计的VQC结构,提出基于有功环流的VQC功率流协调控制策略,利用串联变流器输出无功功率,分担并联变流器的无功补偿功能。通过分析系统中功率流和有功环流的变化,得到串并联变流器的无功分配策略、串联变流器的复合控制策略和储能单元的补偿策略,实现了VQC各单元的协调控制。仿真与实验结果验证了所提控制策略的有效性与可行性。