CN102157951A

CN102157951A - 利用轨道运输的储能系统

Info

Publication number: CN102157951A
Application number: CN2011100536797A
Authority: CN
Inventors: 雍太有
Original assignee: WUXI AISUOSI ELECTRONIC TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: WUXI AISUOSI ELECTRONIC TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2011-03-07
Filing date: 2011-03-07
Publication date: 2011-08-17

Abstract

本发明涉及一种利用轨道运输的储能系统，包括用于停放负载的高、低负载场；用于运输负载的运输轨道；用于提供牵引动力和传输制动发电的输电线路；以及牵引/制动单元，负载单元，存储轨道，安全轨道，控制中心，电网接入模块。本发明利用电气化轨道运输储能和利用制动发电相结合，在系统电力多余时，利用电力牵引机车把重负载从低处拉到高处，将电能转化成势能储存；在系统电力需求高时，再利用电力机车把重负载从高处拉到低处过程中制动发电，把势能转化成电能送回电网。本发明可以实现超大容量储能，能量密度高、容量可控，并且运营管理简单，能量循环效率超高。

Description

利用轨道运输的储能系统

技术领域

本发明涉及一种利用轨道运输的储能发电系统，属于大规模电力储能领域。

背景技术

当前电网运行面临用电负荷持续增加、间歇性能源接入比例提高、调峰能力有限等挑战，需要发展大规模储能技术来帮助平滑间歇性电源功率波动、减小负荷峰谷差和增强系统调节能力，保证电力系统的安全运行，提高系统对可再生能源的利用和减少经济发展对日益贫乏的传统化石能源的依赖。

目前人们已开发多种储能技术，可分为机械储能、电磁储能、电化学储能、相变储能等。常见的抽水蓄能就是机械储能的一种。抽水蓄能是目前技术上比较成熟的大规模、集中式的储能方式，利用抽水把电能转化成蓄在高处的水的势能，在系统需要时放水，利用水力发电。这样在系统负荷处于低谷，有多余电力的时候抽水蓄能，在负荷高峰时放水发电，起到削峰填谷的作用。抽水蓄能的优点是：技术成熟可靠，蓄能容量可以很大，只是受到蓄水水库库容的限制，但是建设抽水蓄能电站需要苛刻的地理条件，需要大量的水和较好的建坝建库条件，受自然条件限制较多，初始投资巨大，对生态环境有一定的影响。抽水蓄能在抽水和发电能量转换过程中有一定的能量损失，储存效率可达80%。而其他储能方式，如压缩空气或飞轮动能、化学电池、超大规模电容等实现的成本和技术难度很大，储能容量小，难以实现国家骨干电网级别的超大规模的电力储能需求。

近几年制动发电技术在混合动力/电动汽车和电力牵引机车中得到广泛应用。其原理是在汽车或机车制动时，利用电磁制动，把动能转化成电能储存在车载电池中。该原理也在飞轮储能方式中体现，电能提供驱动飞速旋转的飞轮，将电能转换成动能，通过制动旋转的飞轮发电，而将动能转化为电能。

目前在电气化铁路运输中，电力牵引机车通过电动机将电能转化成牵引动力，拖动负荷前进，在制动时，电动机转换成发电机工作，把动能转换成电能储存或送回电网。该技术成熟可靠。轨道运输储能系统正是利用相同的思想，在系统电力多余的时候，利用轨道运输把负载运到高处，在电力紧缺时，利用机车把负载运到低处过程中制动发电。

发明内容

本发明的目的在于解决当前电力储能容量小，投资高等问题，提出了利用电气化轨道运输储能和利用制动发电相结合的一种大规模电力储能方法和一种利用轨道运输的储能发电系统。在系统电力多余时，利用电力牵引机车把重负载从低处拉到高处，将电能转化成势能储存；在系统电力需求高时，再利用电力机车把重负载从高处拉到低处过程中制动发电，把势能转化成电能送回电网。

按照本发明提供的技术方案，所述利用轨道运输的储能系统包括：用于停放负载的高、低负载场；用于运输负载的运输轨道；用于提供牵引动力和传输制动发电的输电线路；以及牵引/制动单元，负载单元，存储轨道，安全轨道，控制中心，电网接入模块；所述存储轨道位于高、低负载场中，用于停放负载单元；安全轨道位于低负载场，为运输组合异常运行时提供缓冲；高、低负载场通过支路和所述运输轨道连接，高、低负载场之间要求有高于100米的高度差；牵引/制动单元与输电线路连接，牵引/制动单元从低负载场拖动负载单元至高负载场达到将电能转化成势能储存，牵引/制动单元从高负载场拖动负载单元至低负载场通过制动将势能转化成电能通过输电线路送入电网；输电线路通过电网接入模块与高压电网连接，电网接入模块具有变压、整流、保护的功能，保证电力供应和回送电网的电能质量；控制中心用来管理储能系统运行，根据电网调度指令对运输组合进行操作控制，控制中心利用无线或有线通信通道连接牵引/制动单元，控制储能和发电过程。

所述牵引/制动单元包括依次连接的双模式工作电机、电源接口模块和一个控制模块，所述电源接口模块与输电线路连接；在把负载单元从低处拉到高处的过程中，双模式工作电机工作在电动机模式，在负载单元从高处拉到低处时，双模式工作电机工作在发电机模式，电源接口模块把输电线路接入双模式工作电机，以保证双模式工作电机在牵引时的供电和在发电时的电力输出；所述控制单元接收控制中心的信号并自动控制双模式工作电机完成牵引或发电任务。

所述负载单元是蓄能载体，负载单元包括满足轨道运输的底盘和统一模块化的高比重负载，每个负载采用长方体设计。

本发明的优点是：本发明运用简单的原理，成熟的技术和模块化设计实现超大容量储能，储电供电运行灵活，运营管理简单，能量循环效率超高，能够帮助平滑间歇性电源功率波动、减小负荷峰谷差和增强系统调节能力，保证电力系统的安全运行，提高系统对可再生能源的利用和减少经济发展对日益贫乏的传统化石能源的依赖。本发明负载能量密度高、占地少、无污染、造价低，容量可控，并且能量循环效率高，运营成本低，经济效益显著，社会效益巨大。

附图说明

图1为本方法的工程实施示意图。

图2为阶梯形负载场设计示意图，图2（a）为高负载场，图2（b）为低负载场。

图3为运输轨道设计示意图，图3（a）为上升坡度不同轨道，图3（b）为曲线上升轨道。

图4为牵引/制动单元功能结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述。本发明的轨道运输储能系统包括高、低负载场1，2，运输轨道3，牵引/制动单元5，高比重负载单元6，输电线路4，存储轨道7，安全轨道8，电网接入模块10和控制中心9。如图1所示，具体如下。

1) 高、低负载场1，2：负载场是用来存储负载。负载场可以根据地形设计，包括平面展开或层级展开，高、低负载场1，2通过支路和主运输轨道3连接。高、低负载场1，2之间要求有高于100米的高度差，这样可以使得1吨负载可储能大于0.27（度）KWh，从而保证储能效率。

2) 运输轨道3：轨道的长度和坡度应满足储能容量和拖动/制动功率设计；运输轨道3数量应大于或等于1，可以利用当前铁路货物运输重载轨道设计标准，也可以采用宽轨设计，提高运输能力。

3) 提供牵引动力和传输制动发电的输电线路4：输电线路4的设计可以利用当前电气化铁路运输电力网络的设计，利用直流输电进行电力的传输。

4) 牵引/制动单元5：牵引/制动单元5应含有双模式工作电机（可以进行电动机和发电机模式切换的机组），接收和输出电力的辅助设备和接收调度控制自动运行的控制模块。在把负载从低处拉到高处的过程中，电机工作在电动机模式；在负载从高处拉到低处时，电机工作在发电机模式。控制模块接收控制中心的信号并自动完成牵引或发电任务。

5) 负载单元6：负载单元6是蓄能载体。负载单元6包括满足轨道运输的底盘和统一模块化的高比重负载，如混凝土构件，每个负载采用长方体设计，根据牵引动力和运输轨道的能力进行组合。

6) 存储轨道7：存储轨道7位于负载场1，2中，用于停放负载单元6。存储轨道7的多少是根据负载单元6的数量来决定。

7) 安全轨道8：安全轨道8是位于低负载场2，为运输组合异常运行时，提供缓冲。安全轨道8具有一定的缓冲能力和制动能力，把异常的运输组合导入安全轨道后减速，避免进入正常存储轨道，妨碍正常运行。

8) 控制中心9：控制中心9管理储能系统运行，根据电网调度指令对运输组合进行操作控制。控制中心9是一个通信、控制、监视集成中心，对整个轨道运输储能系统进行自动控制，包括接收电网调度，操作运输组合运输进行储能和发电，管理储能系统运行。

9) 电网接入模块10：电网接入模块10具有变压、整流、保护等功能，保证电力供应和回送电网的电能质量。本发明所述储能系统使用直流，通过整流逆变，接入交流电网，保证电源质量。

以下是详细的实施例。

1) 如图1所示，高负载场1和低负载场2形成高度差，同样的物体在高负载场1上比在低负载场2上多出势能。假如1吨重的物体，在高度差是100米的高低负载场上的势能是1000×9.8×100=980000焦耳=0.272千瓦时（度）电能。固定重量的物体，高度和势能成正比，高度差越大，势能越大。理想的高低负载场高度差应在400米以上，这样1吨物体可储能大于1千瓦时（度）电能。

负载场可以根据地形设计，包括平面展开（如图1所示）或层级展开（如图2所示），通过支路和主运输轨道连接。平面负载场是理想的负载场，所有负载在同一场中，可以灵活组合，尤其是在多轨储能系统运行中可自由调度。层级负载场可以沿地形变化建设，减少对地形要求，适于在顶部面积有限的山上。

2) 运输轨道3主要是提供运输组合运行的轨道。轨道的长度和坡度应满足储能容量和拖动/制动功率设计。理想的运输轨道是具有相同坡度的轨道。这样可以在负载匀速移动时保持相同的功率，易于控制。其他的选择，如图3，具有不同上升坡度的运输轨道（如a所示）和曲线上升的运输轨道（如b所示）也是可以的。运输轨道3可以利用当前铁路货物运输重载轨道设计标准，也可以采用宽轨设计，提高运输能力。

运输轨道3数量大于或等于1。假如一条400米高的轨道每小时可以运输10000吨，储能10000千瓦时，两条轨道就可以运输20000千瓦时，这相当于一台20兆瓦的机组运行一个小时。采用多轨运输可以提高储能/发电的速度。

3) 输电线路4是提供牵引动力和传输制动发电的电力传输通道，它的设计可以利用当前电气化铁路运输电力网络的设计，采用直流输电进行电力的传输。

4) 牵引/制动单元5是能量转换平台。如图4所示，牵引/制动单元5至少含有电动机/发电机双模式工作电机，电源接口模块和控制模块。双模式工作电机、电源接口模块和控制模块依次连接，电源接口模块与输电线路4连接。在把负载单元6从低处拉到高处的过程中，双模式工作电机工作在电动机模式，在负载单元6从高处拉到低处时，双模式工作电机工作在发电机模式。电源接口模块主要把输电线路4接入电机，以保证电机在牵引时的供电和在发电时的电力输出。控制模块具有无线通信能力，提供无人操作功能。它接收控制中心的信号并自动控制双模式工作电机完成牵引或发电任务。

5) 负载单元6是蓄能载体。负载单元6包括满足轨道运输的底盘和统一模块化的高比重负载（例如混凝土构件），每个负载采用长方体设计，根据牵引动力和运输轨道的能力进行组合。假设每个负载单元100吨重，储能10000千瓦时，需要100个负载。

6) 存储轨道7是用于停放负载单元的轨道。这些轨道组成负载存储场。存储轨道7的多少是根据负载单元6的数量来决定。如果每个负载20米长，对于一个10000千瓦时的储能场，100个负载，至少需要2000米存储轨道。

7) 安全轨道8是为运输组合异常运行时，提供缓冲的轨道。安全轨道8位于低负载场，具有一定的缓冲能力和制动能力，把异常的运输组合导入安全轨道后减速，避免进入正常存储轨道，妨碍正常运行。安全轨道8具有一定的上升坡度，在轨道尽头是缓冲带，让异常运行负载停止运行。

8) 控制中心9用来管理储能系统运行，根据电网调度指令对运输组合进行操作控制，控制中心9利用无线或有线通信通道连接牵引/制动单元5，控制储能和发电过程。控制中心9含有监控系统，对储能系统的各个单元进行监控。

9) 电网接入模块10具有变压、整流、保护等功能，保证电力供应和回送电网的电能质量。运输系统使用直流，通过整流逆变，接入交流电网，保证电源质量。

对本发明分析如下：本发明将非线性潮流约束线性化，将连续性随机变量离散化，形成利于求解的二阶段随机优化问题。对系统进行故障分析，选择对系统运行影响较大的故障类型，来缩小系统随机变量空间，减少问题求解的难度。考虑新能源发电的间歇性，在故障情况下和发电出力不确定时，要求足够的系统备用容量来保证系统运行的可靠性。本发明可以帮助系统运行方式合理地计划系统在大量新能源发电接入情况下的发电出力和系统备用；对运行计划中的系统备用和非计划中的系统备用进行区分，设计适当的参数来保证优先调度计划中系统备用，校核系统故障后的备用容量的可用性。因系统故障而引起的系统传输堵塞会限制一些发电机出力，包括备用容量的调度。该方法计算故障后的再调度，考虑了故障后输电的可行性。分析所有组合的再调度的情况，给系统运行和计划人员提供系统的可靠性指标和获取额外系统备用的信息，增强系统运行的可靠性。

综上，本发明拥有以下优点。

1) 本发明利用电气化轨道运输储能和利用制动发电相结合，在系统电力多余时，利用电力牵引机车把重负载从低处拉到高处，将电能转化成势能储存；在系统电力需求高时，再利用电力机车把重负载从高处拉到低处过程中制动发电，把势能转化成电能送回电网，原理简单，技术成熟。

2) 本发明运用模块化设计，结构简单，扩展容易。

3) 本发明利用电力牵引和制动发电，电机在电动机和发电机工作模式效率高，考虑运输中消耗，储能效率可超过80%。

4) 本发明利用轨道运输，轨道可以沿山体建设，土工建设成本低。

5) 本发明分离牵引/制动单元和负载单元，可重复使用高成本牵引/制动单元，降低成本，提高牵引/制动单元使用效率。

6) 本发明在运输系统使用直流，和电网隔离，运行对电网没有频率的影响。

7) 本发明利用高比重的材料做负载，能量密度大，占地少。

8) 本发明在运行中不产生废气废物排放，无污染。

9) 本发明利用遥控运输组合工作，无需运行人员跟随操作，减少运行人员需求，降低运营成本。

Claims

1.利用轨道运输的储能系统，其特征是包括：用于停放负载的高、低负载场（1，2）；用于运输负载的运输轨道（3）；用于提供牵引动力和传输制动发电的输电线路（4）；以及牵引/制动单元（5），负载单元（6），存储轨道（7），安全轨道（8），控制中心（9），电网接入模块（10）；所述存储轨道（7）位于高、低负载场（1，2）中，用于停放负载单元（6）；安全轨道（8）位于低负载场（2），为运输组合异常运行时提供缓冲；高、低负载场（1，2）通过支路和所述运输轨道（3）连接，高、低负载场（1，2）之间要求有高于100米的高度差；牵引/制动单元（5）与输电线路（4）连接，牵引/制动单元（5）从低负载场（2）拖动负载单元（6）至高负载场（1）达到将电能转化成势能储存，牵引/制动单元（5）从高负载场（1）拖动负载单元（6）至低负载场（2）通过制动将势能转化成电能通过输电线路（4）送入电网；输电线路（4）通过电网接入模块（10）与高压电网连接，电网接入模块（10）具有变压、整流、保护的功能，保证电力供应和回送电网的电能质量；控制中心（9）用来管理储能系统运行，根据电网调度指令对运输组合进行操作控制，控制中心（9）利用无线或有线通信通道连接牵引/制动单元（5），控制储能和发电过程。

2.如权利要求1所述利用轨道运输的储能系统，其特征是所述牵引/制动单元（5）包括依次连接的双模式工作电机、电源接口模块和一个控制模块，所述电源接口模块与输电线路（4）连接；在把负载单元（6）从低处拉到高处的过程中，双模式工作电机工作在电动机模式，在负载单元（6）从高处拉到低处时，双模式工作电机工作在发电机模式，电源接口模块把输电线路（4）接入双模式工作电机，以保证双模式工作电机在牵引时的供电和在发电时的电力输出；所述控制单元接收控制中心（9）的信号并自动控制双模式工作电机完成牵引或发电任务。

3.如权利要求1所述利用轨道运输的储能系统，其特征是所述负载单元（6）是蓄能载体，负载单元（6）包括满足轨道运输的底盘和统一模块化的高比重负载，每个负载采用长方体设计。