一种用于柔性牵引供电系统的优化运行控制方法

1.本发明属于牵引供电控制技术领域，尤其涉及一种用于柔性牵引供电系统的优化运行控制方法。


背景技术：

2.目前，我国现行的铁路牵引供电系统多采用三相-两相牵引供电模式。在牵引变电所内，通过三相-两相牵引变压器将110kv及以上的高压电降压为27.5kv的中压电，之后经由两供电臂输出至牵引网，为列车供电。牵引变电所两供电臂间相位不同，且受负荷不平衡等因素影响，电压幅值也无法输出相同大小，而不同变电所输出的电压参数更加难以统一，因此两供电臂、各变电所间必须设置电分相，采用分区供电。
3.然而，在分区供电的应用中存在着诸多难以解决的寄生问题，主要表现在：
4.(1)电能质量问题：在电气结构上，三相-两相牵引供电系统与列车、与电力系统存在电磁耦合关系，机车的冲击特性和无功谐波污染会通过这种强耦合关系传递给电网，同时电网的波动与冲击也会耦合至列车并影响供电电能，这样的关系危害着牵引供电系统与牵引负荷的正常运行；(2)过电分相问题：两供电臂间、变电所间的电分相结构复杂、可靠性差，列车过电分相需要降速运行，尤其在长大坡道区间会引起停车的问题，给铁路运行带来了不便；(3)供电能力问题：电分相装置的存在导致臂间、所间能量无法互联互通，跨区供电难度大，为供电可靠所设置的一主一备牵引变压器形成了较大的容量浪费。
5.现有技术一中，通过对既有牵引供电系统进行改造，即使其中一个既有牵引变压器的一条供电臂不变，另一条供电臂退出，并将其余变压器替换为柔性牵引变压器；之后，将既有牵引变压器供电臂的输出电压信号作为同步信号，采集经过外加电抗以及牵引网阻抗后的输出电压，作为其余多个柔性牵引变压器的并网参考电压，实现成功并网；最后，对柔性牵引变压器的输出进行控制，实现柔性牵引供电系统的稳定运行。
6.现有技术二中，首先选择一座柔性牵引变压器为主所，将其连接至牵引网，并选择其他柔性牵引变压器作为从所，通过相位同步模块实现从所对牵引网侧的相位同步跟踪，保证并网同步性；之后，通过功率控制模块计算得到各个变压器电压参考值，以控制柔性牵引变压器稳定输出；最后，设置功率协调控制模块，实现牵引网侧的网压随列车运行状况适当增大或减小，调整每个柔性牵引变压器的出力情况。
7.虽然上述方法提供了对既有牵引供电系统的优化方案，但是没有完全解决柔性牵引变压器并网运行中的无功分配、频率偏差、线路损耗优化等问题，这对柔性牵引变压器出力调整和系统稳定运行而言尤为重要。


技术实现要素：

8.针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种用于柔性牵引供电系统的优化运行控制方法，解决了现有技术中存在的未完全解决柔性牵引变压器并网运行中的无功分配、频率偏差、线路损耗优化等问题。
9.为了达到以上目的，本发明采用的技术方案为：
10.本方案提供一种用于柔性牵引供电系统的优化运行控制方法，包括以下步骤：
11.s1、保留既有牵引供电系统中牵引变电所的三相输入-两相输出供电结构，将输出端两相输出的α、β相以及接地线作为柔性牵引变压器的三相输入线，将既有的牵引变压器转换为柔性牵引变压器，其中，α、β相为既有牵引变压器的两相输电线；
12.s2、利用本地控制器对所述柔性牵引变压器进行本地控制，并利用二次控制器对本地控制结果进行修正，完成对柔性牵引供电系统的优化运行控制。
13.本发明的有益效果是：本发明保留了既有牵引供电系统存在的110kv/27.5kv牵引变压器，有效利用了现存资源，避免了直接接入高压电网，通过柔性牵引变压器的接入使输出电压可调可控，同时通过并网控制方式实现各个柔性牵引变压器的友好并网，主要实现了系统频率恢复、无功功率均分和线路损耗降低，保障了系统安全稳定和高效运行，具有实现长距离贯通供电的能力。基于系统线路阻抗变动带来的诸多问题，本发明采用本地控制+二次控制器结构，通过本地控制采集量和二次控制计算量之间的信息交互，建立了一套分层控制架构，为柔性牵引供电系统稳定运行及其优化控制提供了结构基础，解决了现有技术中存在的未完全解决柔性牵引变压器并网运行中的无功分配、频率偏差、线路损耗优化等问题。
14.进一步地，所述利用本地控制器对所述柔性牵引变压器进行控制，其具体为：
15.a1、采集柔性牵引变压器的输出电流i
l
、进网电流ig以及滤波电容电压vc，并通过单相锁相环方法获取柔性牵引变压器输出角频率ω；
16.a2、将进网电流ig以及滤波电容电压vc经二阶广义积分环节处理，得到αβ坐标系下的电压电流量v
cα
、v
cβ
、i
gα
和i
gβ
，其中，v
cα
和v
cβ
分别表示αβ坐标系下的电压量，i
gα
和i
gβ
分别表示αβ坐标系下的电流量；
17.a3、基于αβ坐标系下的电压电流量v
cα
、v
cβ
、i
gα
和i
gβ
，经park变换得到dq坐标系下的电压电流量i
gd
、i
gq
、v
cd
和v
cq
，其中，i
gd
和i
gq
分别表示dq坐标系下的电流量，v
cd
和v
cq
分别表示dq坐标系下的电压量；
18.a4、根据电压电流量i
gd
、i
gq
、v
cd
和v
cq
，计算得到柔性牵引变压器的输出功率；
19.a5、将输出电流i
l
经park变换得到dq坐标系下的电流量i
ld
和i
lq
；
20.a6、将有功功率p和无功功率q经过有功功率-电压频率p-f、无功功率-电压幅值q-v下垂方程，得到柔性牵引变压器的参考电压幅值与相位；
21.a7、将电流量i
ld
、i
lq
与电压量v
cd
、v
cq
共同作为电压电流双闭环控制的输入量，且在控制中跟踪所述参考电压幅值与相位，以实现对柔性牵引变压器的输出功率进行控制，完成本地控制器对所述柔性牵引变压器的控制。
22.上述进一步方案的有益效果是：本发明通过本地控制可实现柔性牵引变压器输出电压对参考电压的动态跟踪。
23.再进一步地，所述步骤a4中输出功率的表达式如下：
24.25.其中，p和q分别表示柔性牵引变压器输出的有功功率和无功功率。
26.上述进一步方案的有益效果是：本发明通过对dq坐标系下的电压电流量的处理与计算得到输出的瞬时有功功率与无功功率。
27.再进一步地，所述步骤a6中p-f、q-v下垂方程的表达式如下
[0028][0029]
其中，ω表示柔性牵引变压器输出角频率，ω0表示系统额定角频率，k
p
表示有功功率下垂系数，p表示柔性牵引变压器的输出功率，p0表示柔性牵引变压器额定有功功率，ω
*
和u
*
均表示下垂方程所对应的两条曲线的纵截距，u表示柔性牵引变压器输出电压幅值，u0表示系统额定电压幅值，kq表示无功功率下垂系数，q表示柔性牵引变压器输出的无功功率，q0表示柔性牵引变压器额定无功功率。
[0030]
上述进一步方案的有益效果是：本发明建立了有功功率-电压频率和无功功率-电压幅值关系，可以通过对电压频率和幅值的直接控制来调节柔性牵引变压器输出的有功功率和无功功率。
[0031]
再进一步地，利用二次控制器对本地控制结果进行二次控制：
[0032]
以恢复系统频率、均分无功功率以及降低线路损耗为目标，对本地控制结果进行修正，完成对所述柔性牵引变压器的控制。
[0033]
上述进一步方案的有益效果是：本发明通过在本地控制稳定的基础上，二次控制主要通过与各个柔性牵引变压器的信息交互以实现对本地控制的结果修正。
[0034]
再进一步地，所述恢复系统频率，其具体为：
[0035]
b1、根据获取的柔性牵引变压器输出角频率ω与额定频率ω0，计算得到系统频率偏差量；
[0036]
b2、将系统频率偏差量经pi控制器，得到系统频率修正量e
fs
；
[0037]
b3、将系统频率修正量e
fs
与各柔性牵引变压器的频率参与系数ki相乘的结果分别一一对应地发送至各柔性牵引变压器；
[0038]
b4、根据发送结果，由本地控制器接收频率修正量e
fi
：
[0039]efi
＝ki(k
pω
+k
iω
/s)(ω-ω0)
[0040]
其中，ki表示频率参与系数，k
pω
和k
iω
分别表示二次控制器的频率pi控制比例和积分系数，s表示拉普拉斯变换的微分算子，ω表示并网点电压角频率，ω0表示系统额定角频率；
[0041]
b5、利用频率修正量e
fi
对系统频率进行修正，其中，系统频率恢复过程体现在有功功率-电压频率p-f下垂方程的频率新增修正项中：
[0042]
ω＝ω
0-k
p
(p-p0)-ki(k
pω
+k
iω
/s)(ω-ω0)
[0043]
其中，ω表示柔性牵引变压器输出角频率，ω0表示系统额定角频率，k
p
表示有功功率下垂系数，p表示柔性牵引变压器的输出功率，p0表示柔性牵引变压器额定有功功率，ki表示频率参与系数，k
pω
和k
iω
分别表示二次控制器的频率pi控制比例和积分系数，s表示拉普拉斯变换的微分算子。
[0044]
上述进一步方案的有益效果是：本发明基于下垂控制的并网控制策略存在的系统
频率偏差、无功功率分配不合理和线路损耗较大的问题，本发明利用本地控制的信息，在二次控制器中将频率恢复修正量发送给各个柔性牵引变压器，使系统频率恢复至额定值，维持系统稳定。
[0045]
再进一步地，所述均分无功功率，其具体为：
[0046]
c1、将本地控制器计算所得的输出功率qi发送至二次控制器中，并计算其总和得到无功功率负荷量q
load
；
[0047]
c2、根据无功功率负荷量q
load
，计算得到每一个柔性牵引变压器的无功功率参考值q
refi
，并得到各个柔性牵引变压器的无功功率修正量e
qi
：
[0048][0049]
其中，q
mi
表示各个柔性牵引变压器的无功功率设计容量，下标i表示为第i个柔性牵引变压器，n表示柔性牵引变压器并网总个数，k
pq
和k
iq
均表示二次控制器的无功功率pi控制参数；
[0050]
c3、根据各个柔性牵引变压器的无功功率修正量e
qi
，利用无功功率-电压幅值q-v下垂方程对无功功率进行均分；
[0051]
所述无功功率-电压幅值q-v下垂方程的表达式如下：
[0052]
qi＝q
0-1/kq(u-u0)-(k
pq
+k
iq
/s)(q
refi-qi)
[0053]
其中，qi表示本地控制器计算所得的输出功率，q0表示柔性牵引变压器额定无功功率，kq表示有功功率下垂系数，u表示柔性牵引变压器输出电压幅值，u0表示系统额定电压幅值，k
pq
和k
iq
均表示二次控制器的无功功率pi控制参数，s表示拉普拉斯变换的微分算子。
[0054]
上述进一步方案的有益效果是：本发明可以实现系统内各个柔性牵引变压器输出无功功率均分负荷无功功率，该控制方法对并网点电压幅值影响较小，且已经能较好的利用系统设计容量，避免浪费。
[0055]
再进一步地，所述降低线路损耗，其具体为：
[0056]
d1、在已知线路参数和输出总功率的条件下，得到线路损耗最优曲线；
[0057]
d2、根据线路损耗最优曲线，得到各个柔性牵引变压器的有功功率修正量e
pi
：
[0058]epi
＝f(r)-pi[0059]
其中，f(r)表示线路损耗最小时由线路阻抗r计算得到的柔性牵引变压器有功功率参考量，pi表示第i个柔性牵引变压器输出的有功功率；
[0060]
d3、利用所述有功功率修正量e
pi
降低线路损耗。
[0061]
上述进一步方案的有益效果是：本发明所采用的线路损耗优化策略依据列车定位信息，通过调整各个变压器的输出有功功率参考量，可以有效降低线路损耗，让系统高效运行。
附图说明
[0062]
图1为本发明的方法流程图。
[0063]
图2为本实施例中柔性牵引供电系统并网结构示意图。
[0064]
图3为本实施例中柔性牵引变压器并网结构及其分层控制原理示意图。
[0065]
图4为本实施例中二次控制过程频率与无功调整原理示意图。
[0066]
图5为本实施例中线路损耗最优曲线计算结果图。
[0067]
图6为本实施例中双边供电结构示意图。
[0068]
图7为本实施例中分层控制信息交互示意图。
[0069]
图8为本实施例中系统频率恢复仿真模拟图。
[0070]
图9为本实施例中无功功率均分仿真模拟图。
[0071]
图10为本实施例中线路损耗降低的仿真模拟图。
具体实施方式
[0072]
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
[0073]
实施例
[0074]
为解决背景技术中存在的问题，实现多座柔性牵引变压器稳定并网，进而实现系统频率恢复到额定工作频率，使柔性供电系统频率稳定；对处于不同位置、不同工况的牵引负荷，优化无功功率分配，使柔性牵引变压器设计容量最大化利用；依据列车的定位信号，调整柔性牵引变压器的有功功率输出情况，降低系统损耗，节约能源，保障柔性牵引供电系统安全稳定、高效节能运行，实现贯通供电。如图1所示，本发明提供了一种用于柔性牵引供电系统的优化运行控制方法，其实现方法如下：
[0075]
s1、保留既有牵引供电系统中牵引变电所的三相输入-两相输出供电结构，将输出端两相输出的α、β相以及接地线作为柔性牵引变压器的三相输入线，将既有的牵引变压器转换为柔性牵引变压器，其中，α、β相为既有牵引变压器的两相输电线；
[0076]
本实施例中，保留既有牵引供电系统中牵引变电所的三相输入-两相输出供电结构不变，将输出端两相输出的α、β相和接地线作为柔性牵引变压器的三相输入线。经过柔性牵引变压器内的三相-单相级联变换器，可以输出稳定可控的27.5kv单相交流电。经过此改造，牵引网的供电单元由既有的牵引变压器转换为了柔性牵引变压器。
[0077]
本实施例中，柔性牵引供电系统是在既有的牵引供电系统三相-两相v-v变压器的基础上进行改造，柔性牵引供电系统主要由三相110kv高压电网、既有牵引变压器、柔性牵引变压器和全贯通牵引网组成。
[0078]
本实施例中，改造具体为：保留既有牵引变压器，将输出端的α、β相和接地线分别作为柔性牵引变压器的a\b\c三相输入线，取消了牵引变电所内α和β供电臂之间的电分相。柔性牵引变压器主要部分是一个由电力电子装置构成的三相-单相变换器，其输入端为三相27.5kv交流电，输出端为稳定可控的单相27.5kv交流电。如图2所示，柔性牵引供电系统内的所有牵引变电所均进行上述改造，柔性牵引变压器替代了既有牵引变压器，其输出电压由原先的不控降压方式变为可控变换方式，同时，通过合适的并网控制策略，变电所之间的电分相也可以取消，实现了全贯通供电。
[0079]
s2、利用本地控制器对所述柔性牵引变压器进行本地控制，并利用二次控制器对本地控制结果进行修正，完成对柔性牵引供电系统的优化运行控制；
[0080]
本实施例中，对柔性牵引变压器的输出进行控制，以实现柔性牵引供电系统的稳定运行。控制结构采用分层的控制，由本地控制器和二次控制器组成，分别实现不同的控制目标。如图3所示，柔性牵引变压器并网结构及其多层控制原理示意图。
[0081]
所述利用本地控制器对所述柔性牵引变压器进行控制，其具体为：
[0082]
a1、采集柔性牵引变压器的输出电流i
l
、进网电流ig以及滤波电容电压vc，并通过单相锁相环方法获取柔性牵引变压器输出角频率ω；
[0083]
a2、将进网电流ig以及滤波电容电压vc经二阶广义积分环节处理，得到αβ坐标系下的电压电流量v
cα
、v
cβ
、i
gα
和i
gβ
，其中，v
cα
和v
cβ
分别表示αβ坐标系下的电压量，i
gα
和i
gβ
分别表示αβ坐标系下的电流量；
[0084]
a3、基于αβ坐标系下的电压电流量v
cα
、v
cβ
、i
gα
和i
gβ
，经park变换得到dq坐标系下的电压电流量i
gd
、i
gq
、v
cd
和v
cq
，其中，i
gd
和i
gq
分别表示dq坐标系下的电流量，v
cd
和v
cq
分别表示dq坐标系下的电压量；
[0085]
a4、根据电压电流量i
gd
、i
gq
、v
cd
和v
cq
，计算得到柔性牵引变压器的输出功率；
[0086]
a5、将输出电流i
l
经park变换得到dq坐标系下的电流量i
ld
和i
lq
；
[0087]
a6、将有功功率p和无功功率q经过有功功率-电压频率p-f、无功功率-电压幅值q-v下垂方程，得到柔性牵引变压器的参考电压幅值与相位；
[0088]
a7、将电流量i
ld
、i
lq
与电压量v
cd
、v
cq
共同作为电压电流双闭环控制的输入量，且在控制中跟踪所述参考电压幅值与相位，以实现对柔性牵引变压器的输出功率进行控制，完成本地控制器对所述柔性牵引变压器的控制。
[0089]
本实施例中，柔性牵引供电系统的线路阻抗呈强感性，这归因于高压线缆。基于此，可以证明柔性牵引变压器遵循下垂特性，可以通过下垂方程对系统内各个柔性牵引变压器的输出功率进行控制，说明如下：
[0090]
如图3所示，柔性牵引变压器的输出装置为耐高压的逆变器，滤波采用lc滤波，传输线路阻抗rg串联lg为强感性。记电容电压为u∠δ，并网点电压为e
max
∠0
°
，推导得到柔性牵引变压器输出的功率p，q和u，δ的关系：
[0091][0092][0093]
其中，u表示电容电压幅值，δ表示电容电压相位角，e
max
表示并网点电压幅值，其相位角为0
°
。
[0094]
进行小信号扰动分析，所得结果如下：
[0095]
[0096]
其中，p’,q’,δ’,u’为p,q,δ,u对应的扰动量，k
p
和kq为有功和无功下垂系数。
[0097]
因此，可以说明p，δ和q，u分别存在线性关系。由于δ的测量存在一定的困难，且对δ进行直接控制存在工程应用的问题，因而选择与δ存在微积分关系的角频率ω作为控制对象，可得下式：
[0098][0099]
本实施例中，本地控制器采集柔性牵引变压器的输出电流i
l
，进网电流ig，滤波电容电压vc，通过单相锁相环技术获得并网点电压角频率ω。
[0100]
ig和vc经过二阶广义积分环节得到αβ坐标系下的量，再经过park变换得到dq坐标系下的电压电流量i
gd
,i
gq
,v
cd
和v
cq
，可计算得到柔性牵引变压器输出的功率，输出功率由下式计算：
[0101][0102]
本实施例通过本地控制采集量和二次控制计算量之间的信息交互，建立了一套分层控制架构。本地控制器完成基于下垂方程的功率控制和基于dq解耦的电压电流双环控制，保证了输出电压跟踪功率控制计算所得的参考电压。
[0103]
本地控制器将电压信息、有功功率、无功功率等信息发送给二次控制器，二次控制器接受该信息并结合列车信息计算出系统中各个柔性牵引变压器的频率、无功功率、有功功率修正量，发送给各个本地控制器，重新调整了下垂参数，示意图见图7。
[0104]
所述利用二次控制器对本地控制结果进行二次控制：
[0105]
以恢复系统频率、均分无功功率以及降低线路损耗为目标，对本地控制结果进行修正，完成对所述柔性牵引变压器的控制。
[0106]
本实施例中，二次控制的控制目标为系统频率、无功功率和有功功率，相应的控制目标为频率恢复、无功功率均分和线路损耗降低。
[0107]
所述恢复系统频率，其具体为：
[0108]
b1、根据获取的柔性牵引变压器输出角频率ω与额定频率ω0，计算得到系统频率偏差量；
[0109]
b2、将系统频率偏差量经pi控制器，得到系统频率修正量e
fs
；
[0110]
b3、将系统频率修正量e
fs
与各柔性牵引变压器的频率参与系数ki相乘的结果分别一一对应地发送至各柔性牵引变压器；
[0111]
b4、根据发送结果，由本地控制器接收频率修正量e
fi
；
[0112]
b5、利用频率修正量e
fi
对系统频率进行修正，其中，系统频率恢复过程体现在有功功率-电压频率p-f下垂方程的频率新增修正项中。
[0113]
本实施例中，柔性牵引供电系统的频率和柔性牵引变压器的输出电压相位由本地控制中的正弦调制信号确定，系统频率恢复的关键是功率控制输出的参考电压修正。
[0114]
本实施例中，系统的额定角频率为ω0，由p-f、q-v下垂方程可知系统当前频率相
较于额定频率存在偏差，本发明实现频率恢复的方法可以将偏差的系统频率恢复至额定频率50hz，原理见图4(a)。该方法实现过程为：通过锁相环技术获得的系统频率ω并发送到二次控制器中，与额定频率ω0作差得到系统频率偏差量ω-ω0。频率修正量e
fs
由系统频率偏差量经过pi控制器得到，其被分配为发送至各个柔性牵引变压器的频率修正量e
fi
，频率修正量e
fi
的公式为：
[0115]efi
＝ki(k
pω
+k
iω
/s)(ω-ω0)
[0116]
其中，ki表示频率参与系数，k
pω
和k
iω
分别表示二次控制器的频率pi控制比例和积分系数，s表示拉普拉斯变换的微分算子，ω表示并网点电压角频率，ω0表示系统额定角频率。频率修正量e
fi
参与本地控制中频率的恢复，恢复过程体现在p-f下垂方程的修正项中，见下式所示：
[0117]
ω＝ω
0-k
p
(p-p0)-ki(k
pω
+k
iω
/s)(ω-ω0)
[0118]
其中，ω表示柔性牵引变压器输出角频率，ω0表示系统额定角频率，k
p
表示有功功率下垂系数，p表示柔性牵引变压器的输出功率，p0表示柔性牵引变压器额定有功功率，ki表示频率参与系数，k
pω
和k
iω
分别表示二次控制器的频率pi控制比例和积分系数，s表示拉普拉斯变换的微分算子。
[0119]
本实施例中，频率修正项为步骤b4中频率修正量e
fi
的计算公式，步骤b5中系统频率恢复过程体现在有功功率-电压频率p-f下垂方程的频率新增修正项中，其体现了与原有p-f下垂方程ω＝ω
0-k
p
(p-p0)的差异。
[0120]
本实施例中，图8为传统并网控制与含有频率恢复控制的并网控制的仿真模拟对比图。传统并网控制中，系统频率发生了偏差，本实施例所用方法中，频率持续稳定在50hz。
[0121]
所述均分无功功率，其具体为：
[0122]
c1、将本地控制器计算所得的输出功率qi发送至二次控制器中，并计算其总和得到无功功率负荷量q
load
；
[0123]
c2、根据无功功率负荷量q
load
，计算得到每一个柔性牵引变压器的无功功率参考值q
refi
，并得到各个柔性牵引变压器的无功功率修正量e
qi
；
[0124]
c3、根据各个柔性牵引变压器的无功功率修正量e
qi
，利用无功功率-电压幅值q-v下垂方程对无功功率进行均分。
[0125]
本实施例中，该系统的负荷是电力机车，机车的移动性会导致柔性牵引变压器并网点到机车负荷的牵引网阻抗存在差异，即使无功功率的额定运行点设置一致，无功功率也无法做到均匀分配到每一个柔性牵引变压器。传统下垂并网控制中，该系统的无功功率无法均匀分配到每一个柔性牵引变压器，影响系统容量的合理利用。本发明通过调整q-v下垂方程的参数，来实现无功功率的均分的原理见图4(b)。实现方法为：
[0126]
将本地控制器计算所得的输出无功功率qi发送到二次控制器中，计算其总和得到无功功率负荷量q
load
。由此，每一个柔性牵引变压器的无功功率参考值q
refi
和各个柔性牵引变压器的无功功率修正量e
qi
计算如下：
[0127][0128]
其中，q
mi
表示各个柔性牵引变压器的无功功率设计容量，下标i表示为第i个柔性牵引变压器，n表示柔性牵引变压器并网总个数，k
pq
和k
iq
均表示二次控制器的无功功率pi控制参数。特别地，工程设计中q
m1
＝q
m2
＝q
m3
…
，则q
refi
＝q
load
/n(i＝1,2,
…
,n)。均分过程体现在q-v下垂方程的修正项中，见下式所示：
[0129]
qi＝q
0-1/kq(u-u0)-(k
pq
+k
iq
/s)(q
refi-qi)
[0130]
其中，qi表示本地控制器计算所得的输出功率，q0表示柔性牵引变压器额定无功功率，kq表示有功功率下垂系数，u表示柔性牵引变压器输出电压幅值，u0表示系统额定电压幅值，k
pq
和k
iq
均表示二次控制器的无功功率pi控制参数，s表示拉普拉斯变换的微分算子。
[0131]
本实施例中，如图9所示，图9(a)与图9(b)分别为传统并网控制与含有无功功率均分控制的并网控制的仿真模拟对比图。传统并网控制中，随着机车的移动无功功率的输出存在较大差异，其中在开始阶段变电所#1发出感性无功功率，变电所#2发出容性无功功率，如图9(a)，本实施例中的方法可以让两个变电所均发出相同的感性无功功率，且总和大幅减少，该方法减小了无功功率对柔性牵引变压器设计容量的利用。
[0132]
所述降低线路损耗，其具体为：
[0133]
d1、在已知线路参数和输出总功率的条件下，得到线路损耗最优曲线；
[0134]
d2、根据线路损耗最优曲线，得到各个柔性牵引变压器的有功功率修正量e
pi
：
[0135]epi
＝f(r)-pi[0136]
其中，f(r)表示线路损耗最小时由线路阻抗r计算得到的柔性牵引变压器有功功率参考量，pi表示第i个柔性牵引变压器输出的有功功率；
[0137]
d3、利用所述有功功率修正量e
pi
降低线路损耗。
[0138]
本实施例中，一般地，柔性牵引变压器并网控制中p-f下垂方程参数是固定的，本发明经过频率恢复控制以频率为控制对象修正了p-f下垂方程。但是，此时有功功率的分配关系只与有功功率下垂系数k
p
有关，同等设计容量的柔性牵引变压器会均分系统负荷所需的有功功率。经过分析，这会导致牵引网线路损耗上升，系统输出的有功功率总额增加。本发明通过修正p-f下垂方程中的额定有功功率，实现线路损耗的降低。
[0139]
该方法实现方式为：以两套柔性牵引变压器为一辆机车供能为例，如图6所示采用双边供电。在已知线路参数、输出总功率的条件下，忽略线路充电功率即线路对地导纳，经计算可得到线路有功功率损耗为：
[0140][0141]
在无功功率均分的前提下，上式为一个和p1、r1相关的双变量函数。假设牵引网传输总功率和线路总电阻均为定值，绘制出线路损耗δp与输出功率p1、线路电阻r1的关系，如图5所示，该曲线为线路损耗最优曲线。以线路阻抗r1、柔性牵引变压器输出功率p1为自变量，以线路总损耗δp为因变量，线路阻抗的值由列车定位信号估计得到。由此，该方法通过
改变柔性牵引变压器输出功率的值来实现线路损耗降低。由现有系统的列车定位信号得到线路阻抗的估计值，之后根据线路损耗最优曲线计算得到各个柔性牵引变压器的有功功率修正量e
pi
，修正量e
pi
的公式如下：
[0142]epi
＝f(r)-pi[0143]
其中，f(r)为线路损耗最小时由线路阻抗r计算得到的柔性牵引变压器有功功率参考量，pi表示第i个柔性牵引变压器输出的有功功率。
[0144]
本实施例中，如图10所示，依据该方案进行的线路损耗小于固定下垂特性所得的线路损耗。

技术特征：
1.一种用于柔性牵引供电系统的优化运行控制方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、保留既有牵引供电系统中牵引变电所的三相输入-两相输出供电结构，将输出端两相输出的α、β相以及接地线作为柔性牵引变压器的三相输入线，将既有的牵引变压器转换为柔性牵引变压器，其中，α、β相为既有牵引变压器的两相输电线；s2、利用本地控制器对所述柔性牵引变压器进行本地控制，并利用二次控制器对本地控制结果进行修正，完成对柔性牵引供电系统的优化运行控制。2.根据权利要求1所述的用于柔性牵引供电系统的优化运行控制方法，其特征在于，所述利用本地控制器对所述柔性牵引变压器进行控制，其具体为：a1、采集柔性牵引变压器的输出电流i
l
、进网电流i
g
以及滤波电容电压v
c
，并通过单相锁相环方法获取柔性牵引变压器输出角频率ω；a2、将进网电流i
g
以及滤波电容电压v
c
经二阶广义积分环节处理，得到αβ坐标系下的电压电流量v
cα
、v
cβ
、i
gα
和i
gβ
，其中，v
cα
和v
cβ
分别表示αβ坐标系下的电压量，i
gα
和i
gβ
分别表示αβ坐标系下的电流量；a3、基于αβ坐标系下的电压电流量v
cα
、v
cβ
、i
gα
和i
gβ
，经park变换得到dq坐标系下的电压电流量i
gd
、i
gq
、v
cd
和v
cq
，其中，i
gd
和i
gq
分别表示dq坐标系下的电流量，v
cd
和v
cq
分别表示dq坐标系下的电压量；a4、根据电压电流量i
gd
、i
gq
、v
cd
和v
cq
，计算得到柔性牵引变压器的输出的有功功率p和无功功率q；a5、将输出电流i
l
经park变换得到dq坐标系下的电流量i
ld
和i
lq
；a6、将有功功率p和无功功率q经过有功功率-电压频率p-f、无功功率-电压幅值q-v下垂方程，得到柔性牵引变压器的参考电压幅值与相位；a7、将电流量i
ld
、i
lq
与电压量v
cd
、v
cq
共同作为电压电流双闭环控制的输入量，且在控制中跟踪所述参考电压幅值与相位，以实现对柔性牵引变压器的输出功率进行控制，完成本地控制器对所述柔性牵引变压器的控制。3.根据权利要求2所述的用于柔性牵引供电系统的优化运行控制方法，其特征在于，所述步骤a4中输出功率的表达式如下：其中，p和q分别表示柔性牵引变压器输出的有功功率和无功功率。4.根据权利要求2所述的用于柔性牵引供电系统的优化运行控制方法，其特征在于，所述步骤a6中有功功率-电压频率p-f、无功功率-电压幅值q-v下垂方程的表达式如下其中，ω表示柔性牵引变压器输出角频率，ω0表示系统额定角频率，k
p
表示有功功率下垂系数，p表示柔性牵引变压器的输出功率，p0表示柔性牵引变压器额定有功功率，ω
*
和u
*
均表示下垂方程所对应的两条曲线的纵截距，u表示柔性牵引变压器输出电压幅值，u0表示
系统额定电压幅值，k
q
表示无功功率下垂系数，q表示柔性牵引变压器输出的无功功率，q0表示柔性牵引变压器额定无功功率。5.根据权利要求2所述的用于柔性牵引供电系统的优化运行控制方法，其特征在于，利用二次控制器对本地控制结果进行二次控制：以恢复系统频率、均分无功功率以及降低线路损耗为目标，对本地控制结果进行修正，完成对所述柔性牵引变压器的控制。6.根据权利要求5所述的用于柔性牵引供电系统的优化运行控制方法，其特征在于，所述恢复系统频率，其具体为：b1、根据获取的柔性牵引变压器输出角频率ω与额定频率ω0，计算得到系统频率偏差量；b2、将系统频率偏差量经pi控制器，得到系统频率修正量e
fs
；b3、将系统频率修正量e
fs
与各柔性牵引变压器的频率参与系数k
i
相乘的结果分别一一对应地发送至各柔性牵引变压器；b4、根据发送结果，由本地控制器接收频率修正量e
fi
：e
fi
＝k
i
(k
pω
+k
iω
/s)(ω-ω0)其中，k
i
表示频率参与系数，k
pω
和k
iω
分别表示二次控制器的频率pi控制比例和积分系数，s表示拉普拉斯变换的微分算子，ω表示并网点电压角频率，ω0表示系统额定角频率；b5、利用频率修正量e
fi
对系统频率进行修正，其中，系统频率恢复过程体现在有功功率-电压频率p-f下垂方程的频率新增修正项中：ω＝ω
0-k
p
(p-p0)-k
i
(k
pω
+k
iω
/s)(ω-ω0)其中，ω表示柔性牵引变压器输出角频率，ω0表示系统额定角频率，k
p
表示有功功率下垂系数，p表示柔性牵引变压器的输出功率，p0表示柔性牵引变压器额定有功功率，k
i
表示频率参与系数，k
pω
和k
iω
分别表示二次控制器的频率pi控制比例和积分系数，s表示拉普拉斯变换的微分算子。7.根据权利要求5所述的用于柔性牵引供电系统的优化运行控制方法，其特征在于，所述均分无功功率，其具体为：c1、将本地控制器计算所得的输出功率q
i
发送至二次控制器中，并计算其总和得到无功功率负荷量q
load
；c2、根据无功功率负荷量q
load
，计算得到每一个柔性牵引变压器的无功功率参考值q
refi
，并得到各个柔性牵引变压器的无功功率修正量e
qi
：其中，q
mi
表示各个柔性牵引变压器的无功功率设计容量，下标i表示为第i个柔性牵引变压器，n表示柔性牵引变压器并网总个数，k
pq
和k
iq
均表示二次控制器的无功功率pi控制参数；c3、根据各个柔性牵引变压器的无功功率修正量e
qi
，利用无功功率-电压幅值q-v下垂
方程对无功功率进行均分；所述无功功率-电压幅值q-v下垂方程的表达式如下：q
i
＝q
0-1/k
q
(u-u0)-(k
pq
+k
iq
/s)(q
refi-q
i
)其中，q
i
表示本地控制器计算所得的输出功率，q0表示柔性牵引变压器额定无功功率，k
q
表示有功功率下垂系数，u表示柔性牵引变压器输出电压幅值，u0表示系统额定电压幅值，k
pq
和k
iq
均表示二次控制器的无功功率pi控制参数，s表示拉普拉斯变换的微分算子。8.根据权利要求5所述的用于柔性牵引供电系统的优化运行控制方法，其特征在于，所述降低线路损耗，其具体为：d1、在已知线路参数和输出总功率的条件下，得到线路损耗最优曲线；d2、根据线路损耗最优曲线，得到各个柔性牵引变压器的有功功率修正量e
pi
：e
pi
＝f(r)-p
i
其中，f(r)表示线路损耗最小时由线路阻抗r计算得到的柔性牵引变压器有功功率参考量，p
i
表示第i个柔性牵引变压器输出的有功功率；d3、利用所述有功功率修正量e
pi
降低线路损耗。

技术总结
本发明提供了一种用于柔性牵引供电系统的优化运行控制方法，属于牵引供电控制技术领域，该方法包括保留既有牵引供电系统中牵引变电所的三相输入-两相输出供电结构，将输出端两相输出的α、β相以及接地线作为柔性牵引变压器的三相输入线，将既有的牵引变压器转换为柔性牵引变压器；利用本地控制器对所述柔性牵引变压器进行本地控制，并利用二次控制器对本地控制结果进行修正。本发明解决了现有技术中未完全解决柔性牵引变压器并网运行中存在的无功分配、频率偏差以及线路损耗优化等问题。频率偏差以及线路损耗优化等问题。频率偏差以及线路损耗优化等问题。


技术研发人员：何晓琼 王亚磊 曾理 韩鹏程 宋泓默 林静英
受保护的技术使用者：洛阳理工学院
技术研发日：2023.05.30
技术公布日：2023/9/6