CN103448573B - 一种双向互动式电气化铁路高压直流牵引供电系统 - Google Patents
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Abstract
一种双向互动式电气化铁路高压直流牵引供电系统，有多个牵引变电站，牵引变电站有连接在交流母线上的第一变压器和多个连接在交流母线上的第二变压器，第一变压器连接高压整流器或连接第一高压双向交流-直流变换器，第二变压器连接第二高压双向交流-直流变换器，高压整流器或第一高压双向交流-直流变换器和第二高压双向交流-直流变换器连接在所位于的牵引变电站的高压直流母线上，高压直流母线通过触网和钢轨连接电力机车，牵引变电站的接触网上有一个连接高压直流母线的分区所，在相邻的两个牵引变电站之间的高压直流母线上有由电动汽车充放电系统、分布式电源和多个低压直流微电网构成的直流新能源系统。本发明提高了高压直流牵引供电系统的供电可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及一种直流牵引供电系统。特别是涉及一种分布式电源、换电为主的电动汽车充放电系统与高压直流牵引供电系统相结合的用于电气化铁路供电的具有高电能质量的双向互动式电气化铁路高压直流牵引供电系统。
背景技术
随着经济的快速发展，能源危机、环境污染已成为当今世界所面临的严重问题。大力发展电气化铁路和电动汽车可以降低有限的化石燃料的消耗，减少空气污染，实现节能减排。
随着铁路高速重载化的发展和电气化铁路规模的扩大，现有单相工频交流牵引供电网暴露出很多问题，比如：牵引供电网负序电流对公用电网的影响；牵引供电网谐波电流对公用电网的影响；牵引冲击负荷的影响；接触网电压稳定性问题；接触网过电分相等问题，这些问题已经影响着我国电气化铁路的发展。随着高压直流输电技术的发展与成熟，采用高压直流牵引供电已成为解决上述单相工频交流牵引供电网问题的有效途径。
电动汽车的发展需要相对应的充电系统，常用的充电模式有常规充电、快速充电和动力电池组快速更换系统(简称换电)三种。对于城市公共交通电动车辆，换电是一种很好的充电模式。电动汽车充电系统不仅需要巨大的建设成本，而且会对电力系统产生许多不良影响。同时，电动汽车动力电池也是一个容量巨大的储能设备。
电力机车的制动能量通常消耗在制动电阻上，这不仅造成了能量的浪费，而且还会导致机车温度的升高，增加温控系统的负担，进一步导致能源的浪费。电力机车制动能量的回收利用是牵引供电系统未来发展的方向。传统的电气化铁路通常采用单相工频交流牵引供电网结构。
现有的直流牵引供电系统一般用于城市轨道牵引供电，电压等级一般为750V和和1500V；当用于电气化铁路时，电压等级一般采用3000V。如图1所示，现有的直流牵引供电系统包括有：一个或两个以上的用于向电力机车2提供直流电能的牵引变电站1，该牵引变电站1是采用传统的二极管整流直流牵引供电系统。每一个牵引变电站1都是由变压器11、高压整流器12、第一高压直流母线13、接触网14、钢轨15和分区所16构成。其中，变压器11可以是双绕组变压器、三绕组变压器或原边采用延边三角形连接的移相±7.5°的三绕组变压器。高压整流器12可以是六脉波整流器、12脉波整流器或24脉波整流器。
传统的直流牵引供电系统在电力机车运行低谷和停运期间，交流侧主变电站的功率因数很低，需要采取无功补偿措施。
经济的迅猛发展促进了电力需求的快速增长，传统的集中式大电网成本高、运行难度大，难以满足用户越来越高的安全性和可靠性的要求。分布式发电与集中式发电相比，具有污染少、能源利用率高、安装地点灵活等优点，节省了输配电资源和运行费用，减少了集中输电的线路损耗，减少了电网总容量，改善了电网峰谷性能，提高了可靠性，是大电网的有力补充和有效支撑，是电力系统的发展趋势之一。
分布式电源包括太阳能光伏电池、风力发电机、微型燃气轮机、燃料电池和生物质能发电等。
分布式电源单机接入成本高、控制困难。它相对于大电网来说是一个不可控源，因此大电网往往采取限制、隔离的方式来处置分布式电源，以期减小其对大电网的冲击，这就大大限制了分布式电源的利用。
世界电气化铁路的里程已经达到相当大的规模，铁路沿线具有非常可观的诸如太阳能光伏发电、风力发电等清洁的可再生能源，充分开发利用这些清洁的可再生能源对减少空气污染、实现节能减排具有重大的意义。
微电网是一种由负荷、微电源(即微电网中的分布式电源，如光伏发电、风力发电等)、储能装置和电力电子功率变换装置共同组成的有机系统；微电网内部的电源主要由电力电子器件负责能量的转换，并提供必需的控制；微电网可以有效解决上述分布式电源接入大电网的问题，协调大电网和分布式电源之间的矛盾。
微电网可分为交流微电网、直流微电网、高频微电网和交直流混合微电网。因为分布式电源中的太阳能光伏电池和燃料电池本身为直流，而风力发电机、微型燃气轮机和生物质能发电等虽然为频率不同的交流，但可以经过一次整流变换为直流。直流微电网具有无集肤效应、损耗小、效率高、无需无功补偿、不存在交流供电系统固有的稳定问题、输送距离和功率也不受电力系统同步运行稳定性的限制以及易于控制等优点，在电力系统中具有广阔的发展和应用前景。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种双向互动式电气化铁路高压直流牵引供电系统，利用高压直流牵引供电系统解决现有单相工频交流牵引网存在的负序、谐波、稳定和过分相等问题，实现分布式电源的有效利用以及电力机车制动能量的回收，减小高压直流牵引供电系统直流电压的波动范围，提高高压直流牵引供电系统交流侧主变电站的功率因数，减少谐波，提高高压直流牵引供电系统的可靠性，减少电动汽车充电系统的建设成本。
本发明所采用的技术方案是：一种双向互动式电气化铁路高压直流牵引供电系统，包括有两个以上的用于向电力机车提供直流电能的牵引变电站，每一个牵引变电站都有一个以上的连接在交流母线上的第一变压器和一个以上的连接在交流母线上的第二变压器，每一个第一变压器的另一侧对应连接一个高压整流器或对应连接一个第一高压双向交流-直流变换器，每一个第二变压器的另一侧对应连接一个第二高压双向交流-直流变换器，所有高压整流器或第一高压双向交流-直流变换器和所有第二高压双向交流-直流变换器的另一侧均连接在所位于的牵引变电站的第一高压直流母线上，所述的第一高压直流母线的正负极分别对应连接接触网和钢轨，所述的电力机车的正负极分别对应连接接触网和钢轨，每一个牵引变电站的接触网上都接有一个分区所，所述分区所的两端还分别连接所对应的第一高压直流母线的正极，在相邻的两个牵引变电站之间的第一高压直流母线上设置有由电动汽车充放电系统、分布式电源和1个以上的低压直流微电网构成的直流新能源系统，所述的直流新能源系统通过第二高压直流母线与相邻的两个牵引变电站的第一高压直流母线相连，从而在一个供电分区内形成直流环形微电网，其中所述的电动汽车充放电系统是由1个以上的用于连接电动汽车动力电池的双向直流-直流充放电机构成，所述的每个双向直流-直流充放电机的连接电动汽车动力电池的输出端还并联超级电容器，所述的分布式电源包括有一个以上的微型燃气轮机、一个以上的风力发电机、一个以上的燃料电池和一个以上的太阳能光伏电池，其中，每一个微型燃气轮机和每一个风力发电机都各自通过一个单向交流-直流变换器连接第二高压直流母线，每一个燃料电池和每一个太阳能光伏电池都各自通过一个单向直流-直流变换器连接第二高压直流母线。
所述的低压直流微电网包括有通过一个第一双向直流-直流变换器连接在第二高压直流母线上的环形低压直流母线、一个以上的储能装置、一个以上的微型燃气轮机、一个以上的太阳能光伏电池、一个以上的燃料电池、一个以上的风力发电机、一个以上的单向直流-交流变换器、一个以上的双向直流-直流充放电机和一个以上的单向直流-直流变换器，其中，每一个太阳能光伏电池和每一个燃料电池分别各通过一个单向直流-直流变换器连接环形低压直流母线，每一个微型燃气轮机和每一个风力发电机分别各通过一个单向交流-直流变换器连接环形低压直流母线，每一个储能装置各通过一个第二双向直流-直流变换器连接环形低压直流母线，每一个单向直流-交流变换器的输出连接交流负载，每一个双向直流-直流充放电机的另一侧连接电动汽车的动力电池，每一个单向直流-直流变换器的输出连接直流负载。
所述的低压直流微电网包括有通过一个第一双向直流-直流变换器连接在第二高压直流母线上的放射形低压直流母线、一个以上的储能装置、一个以上的微型燃气轮机、一个以上的太阳能光伏电池、一个以上的燃料电池、一个以上的风力发电机、一个以上的单向直流-交流变换器、一个以上的双向直流-直流充放电机和一个以上的单向直流-直流变换器，其中，每一个太阳能光伏电池和每一个燃料电池分别各通过一个单向直流-直流变换器连接放射形低压直流母线，每一个微型燃气轮机和每一个风力发电机分别各通过一个单向交流-直流变换器连接放射形低压直流母线，每一个储能装置各通过一个第二双向直流-直流变换器连接放射形低压直流母线，每一个单向直流-交流变换器的输出连接交流负载，每一个双向直流-直流充放电机的另一侧连接电动汽车的动力电池，每一个单向直流-直流变换器的输出连接直流负载。
一种双向互动式电气化铁路高压直流牵引供电系统，包括有一个用于向电力机车提供直流电能的牵引变电站，所述的牵引变电站设置有一个以上的连接在交流母线上的第一变压器和一个以上的连接在交流母线上的第二变压器，每一个第一变压器的另一侧对应连接一个高压整流器或对应连接一个第一高压双向交流-直流变换器，每一个第二变压器的另一侧对应连接一个第二高压双向交流-直流变换器，所有高压整流器或第一高压双向交流-直流变换器和所有第二高压双向交流-直流变换器的另一侧均连接在牵引变电站的第一高压直流母线上，所述的第一高压直流母线的正负极分别对应连接接触网和钢轨，所述的电力机车的正负极分别对应连接接触网和钢轨，在第一高压直流母线上设置有由电动汽车充放电系统、分布式电源和1个以上的低压直流微电网构成的直流新能源系统，所述的直流新能源系统通过第二高压直流母线与牵引变电站的第一高压直流母线相连，从而在一个供电分区内形成直流环形微电网，其中所述的电动汽车充放电系统是由1个以上的用于连接电动汽车动力电池的双向直流-直流充放电机构成，所述的每个双向直流-直流充放电机的连接电动汽车动力电池的输出端还并联超级电容器，所述的分布式电源包括有一个以上的微型燃气轮机、一个以上的风力发电机、一个以上的燃料电池和一个以上的太阳能光伏电池，其中，每一个微型燃气轮机和每一个风力发电机都各自通过一个单向交流-直流变换器连接第二高压直流母线，每一个燃料电池和每一个太阳能光伏电池都各自通过一个单向直流-直流变换器连接第二高压直流母线。
所述的低压直流微电网包括有通过一个第一双向直流-直流变换器连接在第二高压直流母线上的环形低压直流母线、一个以上的储能装置、一个以上的微型燃气轮机、一个以上的太阳能光伏电池、一个以上的燃料电池、一个以上的风力发电机、一个以上的单向直流-交流变换器、一个以上的双向直流-直流充放电机和一个以上的单向直流-直流变换器，其中，每一个太阳能光伏电池和每一个燃料电池分别各通过一个单向直流-直流变换器连接环形低压直流母线，每一个微型燃气轮机和每一个风力发电机分别各通过一个单向交流-直流变换器连接环形低压直流母线，每一个储能装置各通过一个第二双向直流-直流变换器连接环形低压直流母线，每一个单向直流-交流变换器的输出连接交流负载，每一个双向直流-直流充放电机的另一侧连接电动汽车的动力电池，每一个单向直流-直流变换器的输出连接直流负载。
所述的低压直流微电网包括有通过一个第一双向直流-直流变换器连接在第二高压直流母线上的放射形低压直流母线、一个以上的储能装置、一个以上的微型燃气轮机、一个以上的太阳能光伏电池、一个以上的燃料电池、一个以上的风力发电机、一个以上的单向直流-交流变换器、一个以上的双向直流-直流充放电机和一个以上的单向直流-直流变换器，其中，每一个太阳能光伏电池和每一个燃料电池分别各通过一个单向直流-直流变换器连接放射形低压直流母线，每一个微型燃气轮机和每一个风力发电机分别各通过一个单向交流-直流变换器连接放射形低压直流母线，每一个储能装置各通过一个第二双向直流-直流变换器连接放射形低压直流母线，每一个单向直流-交流变换器的输出连接交流负载，每一个双向直流-直流充放电机的另一侧连接电动汽车的动力电池，每一个单向直流-直流变换器的输出连接直流负载。
本发明的一种双向互动式电气化铁路高压直流牵引供电系统，基于分布式电源、换电为主的电动汽车充放电系统和高压双向交流-直流(AC-DC)并网变换器所形成的直流微电网，解决了现有单相工频交流牵引网存在的负序、谐波、稳定和过分相等问题，实现了分布式新能源的有效利用和电力机车制动能量的回收；减小了高压直流母线电压的波动；利用脉宽调制(PWM)控制提高了交流侧主变电站的功率因数，减少了谐波；如果分布式电源和换电为主的电动汽车充放电系统容量足够大，系统可以孤岛运行，从而提高了高压直流牵引供电系统的供电可靠性；充分利用高压直流牵引供电系统实现了电动汽车的充电，进而减少了电动汽车充电系统的建设成本；通过高压双向交流-直流(AC-DC)并网变换器实现了电能的双向互动，具有“削峰填谷”的作用，提高了整个系统的经济性。
附图说明
图1是现有的直流牵引供电系统的结构示意图；
图2是双边供电的双向互动式电气化铁路高压直流牵引供电系统的结构示意图；
图3是双边供电的双向互动式电气化铁路高压直流牵引供电系统第二实施例的结构示意图；
图4是单边供电的双向互动式电气化铁路高压直流牵引供电系统的结构示意图；
图5是单边供电的双向互动式电气化铁路高压直流牵引供电系统的第二实施例结构示意图；
图6是环形低压直流微电网结构示意图；
图7是放射形低压直流微电网结构示意图。
图中
1：牵引变电站2：电力机车
3：直流新能源系统4：第二高压直流母线
5：交流母线11：第一变压器
12：整流器13：第一高压直流母线
14：接触网15：钢轨
16：分区所17：第二变压器
18：第二高压双向交流-直流变换器18a：第一高压双向交流-直流变换器
31：低压直流微电网32：双向直流-直流充放电机
33：微型燃气轮机34：单向交流-直流变换器
35：风力发电机36：单向交流-直流变换器
37：燃料电池38：单向直流-直流变换器
39：太阳能光伏电池40：单向直流-直流变换器
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的一种双向互动式电气化铁路高压直流牵引供电系统做出详细说明。
本发明的一种双向互动式电气化铁路高压直流牵引供电系统，是基于分布式电源、换电为主的电动汽车充放电系统和高压直流牵引供电系统所形成的高压直流微电网，提出的一种双向互动式电气化铁路高压直流牵引供电系统。该供电系统通过高压直流母线将分布式电源、换电为主的电动汽车充放电系统、接触网以及由其他分布式电源所形成的低电压等级的直流微电网相连，在一个牵引供电分区内，形成一个高压直流环形微电网，该高压直流环形微电网通过三相双向高压交流-直流(AC-DC)变换器与牵引变电站中的交流系统相连接。
本发明的一种双向互动式电气化铁路高压直流牵引供电系统，对于双边供电的基于高压整流器和高压双向交流-直流(AC-DC)变换器并联并网的双向互动式高压直流牵引供电系统，如图2和图3所示，包括有两个以上的用于向电力机车2提供直流电能的牵引变电站1，每一个牵引变电站1都有一个以上的连接在交流母线5上的第一变压器11和一个以上的连接在交流母线5上的第二变压器17，每一个第一变压器11的另一侧对应连接一个高压整流器12(图2)或对应连接一个第一双向交流-直流变换器18a(图3)，每一个第二变压器17的另一侧对应连接一个第二双向交流-直流变换器18，所有高压整流器12或第一双向交流-直流变换器18a和所有第二双向交流-直流变换器18的另一侧均连接在所位于的牵引变电站1的第一高压直流母线13上，所述的第一高压直流母线13的正负极分别对应连接接触网14和钢轨15，所述的电力机车2的正负极分别对应连接接触网14和钢轨15，电力机车为两个牵引变电站所共有的负载。每一个牵引变电站1的接触网14上都接有一个分区所16，所述分区所16的两端还分别连接所对应的第一高压直流母线13的正极。其中，第一变压器和第二变压器可以是双绕组变压器、三绕组变压器或原边采用延边三角形连接的移相±7.5°的三绕组变压器。高压整流器既可以是二极管组成的不控整流器，也可以是脉宽调制(PWM)可控整流器。二极管整流器可以是六脉波整流器、12脉波整流器或24脉波整流器。第一高压双向交流-直流(AC-DC)变换器和第二高压双向交流-直流(AC-DC)变换器为电压源变换器，其调制方式可以是脉宽调制(PWM)或阶梯波调制；图1和图2中每个牵引变电站虽然给出了两个变压器、一个高压整流器或高压双向交流-直流(AC-DC)变换器以及一个高压双向交流-直流(AC-DC)变换器，但其数目不只限于这些。在相邻的两个牵引变电站1之间的第一高压直流母线13上设置有由电动汽车充放电系统、分布式电源和1个以上的低压直流微电网31构成的直流新能源系统3，所述的直流新能源系统3通过第二高压直流母线4与相邻的两个牵引变电站1的第一高压直流母线13相连，从而在一个供电分区内形成直流环形微电网，其中所述的电动汽车充放电系统是由1个以上的用于连接电动汽车动力电池的双向直流-直流充放电机构成。1个以上的双向直流-直流(DC-DC)充放电机共同组成换电为主的电动汽车充放电系统，为改善系统的动态性能，提高充放电系统的动态性能。所述的每个双向直流-直流充放电机的连接电动汽车动力电池的输出端还并联超级电容器。
所述的分布式电源包括有一个以上的微型燃气轮机、一个以上的风力发电机35、一个以上的燃料电池37和一个以上的太阳能光伏电池39，其中，每一个微型燃气轮机和每一个风力发电机35都各自通过一个单向交流-直流变换器34/36连接第二高压直流母线4，每一个燃料电池37和每一个太阳能光伏电池39都各自通过一个单向直流-直流变换器38/40连接第二高压直流母线4。
太阳能光伏电池39和风力发电机35根据不同情况可以采用最大功率跟踪控制，也可以采用最大电流控制；单向交流-直流变换器34/36和单向直流-直流变换器38/40的控制可以采用主从控制、对等控制或下垂控制，也可以采用分层控制。由于图空间所限，图中针对四种分布式电源只画出了一个作为代表；实际上，分布式电源的种类和数量没有限制。低压直流微电网依次通过双向直流-直流(DC-DC)变换器、第二高压直流母线4与连接接触网的高压直流母线相连，它既可以运行在并网状态，也可以运行在离网(或孤岛)状态，其结构形式既可以是环式(如图6所示)，也可以是放射式(如图7所示)或其他形式。
对于单边供电的基于高压整流器和双向交流-直流(AC-DC)变换器并联并网的双向互动式高压直流牵引供电系统，如图4、图5所示，本发明的一种双向互动式电气化铁路高压直流牵引供电系统，包括有一个用于向电力机车2提供直流电能的牵引变电站1，所述的牵引变电站1设置有一个以上的连接在交流母线5上的第一变压器11和一个以上的连接在交流母线5上的第二变压器17，每一个第一变压器11的另一侧对应连接一个高压整流器12(图4)或对应连接一个第一双向交流-直流变换器18a(图5)，每一个第二变压器17的另一侧对应连接一个第二双向交流-直流变换器18，所有高压整流器12或第一双向交流-直流变换器18a和所有第二双向交流-直流变换器18的另一侧均连接在牵引变电站1的第一高压直流母线13上，所述的第一高压直流母线13的正负极分别对应连接接触网14和钢轨15，所述的电力机车2的正负极分别对应连接接触网14和钢轨15，电力机车为牵引变电站的负载。其中，变压器可以是双绕组变压器、三绕组变压器或原边采用延边三角形连接的移相±7.5°的三绕组变压器。高压整流器既可以是二极管组成的不控整流器，也可以是脉宽调制(PWM)可控整流器。二极管整流器可以是六脉波整流器、12脉波整流器或24脉波整流器。高压双向交流-直流(AC-DC)变换器为电压源变换器；其调制方式可以是脉宽调制(PWM)或阶梯波调制；图中牵引变电站虽然给出了两个变压器、一个高压整流器(图4)或一个第一双向交流-直流变换器(图5)和一个高压双向交流-直流(AC-DC)变换器，但其数目不只限于这些。在第一高压直流母线13上设置有由电动汽车充放电系统、分布式电源和1个以上的低压直流微电网31构成的直流新能源系统3，所述的直流新能源系统3通过第二高压直流母线4与牵引变电站1的第一高压直流母线13相连，从而在一个供电分区内形成直流环形微电网，其中所述的电动汽车充放电系统是由1个以上的用于连接电动汽车动力电池的双向直流-直流充放电机构成。1个以上的双向直流-直流(图中为DC-DC)充放电机共同组成换电为主的电动汽车充放电系统，为改善系统的动态性能，提高充放电系统的动态性能，所述的每个双向直流-直流充放电机的连接电动汽车动力电池的输出端还并联超级电容器。
所述的分布式电源包括有一个以上的微型燃气轮机、一个以上的风力发电机35、一个以上的燃料电池37和一个以上的太阳能光伏电池39，其中，每一个微型燃气轮机和每一个风力发电机35都各自通过一个单向交流-直流变换器34/36连接第二高压直流母线4，每一个燃料电池37和每一个太阳能光伏电池39都各自通过一个单向直流-直流变换器38/40连接第二高压直流母线4。
太阳能光伏电池39和风力发电机35根据不同情况可以采用最大功率跟踪控制，也可以采用最大电流控制；单向交流-直流变换器34/36和单向直流-直流变换器38/40的控制可以采用主从控制、对等控制或下垂控制，也可以采用分层控制。由于图空间所限，图中针对四种分布式电源只画出了一个作为代表；实际上，分布式电源的种类和数量没有限制。低压直流微电网依次通过双向直流-直流(DC-DC)变换器和第二高压直流母线4与连接接触网的高压直流母线相连，它既可以运行在并网状态，也可以运行在离网(或孤岛)状态，其结构形式既可以是环式(如图5)，也可以是放射式(如图6)或其他形式。高压整流器、高压双向交流-直流(AC-DC)并网变换器、分布式电源、电动汽车充放电系统、低压直流微电网通过高压直流母线与牵引变电站的高压直流母线相连，从而在一个供电分区内形成高压直流环形微电网。
图4和图5所示的一种双向互动式电气化铁路高压直流牵引供电系统，既适用于单边供电的高压直流牵引供电系统，也适用于双边供电的高压直流牵引供电系统。
图2～图5中所示的低压直流微电网31，如图6所示为低压直流微电网的环式结构，包括有通过一个第一双向直流-直流变换器312连接在第二高压直流母线4上的环形低压直流母线311a、一个以上的储能装置3110、一个以上的微型燃气轮机316、一个以上的太阳能光伏电池317、一个以上的燃料电池318、一个以上的风力发电机319、一个以上的单向直流-交流变换器3111、一个以上的双向直流-直流充放电机3112和一个以上的单向直流-直流变换器3113，其中，每一个太阳能光伏电池317和每一个燃料电池318分别各通过一个单向直流-直流(DC-DC)变换器3117/3116连接环形低压直流母线311a，每一个微型燃气轮机316和每一个风力发电机319分别各通过一个单向交流-直流(AC-DC)变换器3114/3115连接环形低压直流母线311a，每一个储能装置3110各通过一个双向直流-直流(DC-DC)变换器3118连接环形低压直流母线311a，每一个单向直流-交流变换器3111的输出连接交流负载313，每一个双向直流-直流充放电机3112的另一侧连接电动汽车314的动力电池，每一个单向直流-直流变换器3113的输出连接直流负载315。
低压直流微电网31依次通过双向直流-直流(DC-DC)变换器和第二高压直流母线4与连接接触网的高压直流母线相连。储能装置既可以是蓄电池储能，也可以是超级电容器储能或其他储能设备；直流负载既可以是LED照明设备，也可以是消费类电子设备或其他直流负载。交流负载既可以是空调，也可以是洗衣机或其他交流负载。双向直流-直流(DC-DC)电动汽车充放电机既可以为纯电动汽车充放电，也可以为插电式混合动力汽车或动力电池充放电。
图2～图5中所示的低压直流微电网31，如图6所示还可以是低压直流微电网的放射式结构，包括有通过一个第一双向直流-直流变换器312连接在第二高压直流母线4上的放射形低压直流母线311b、一个以上的储能装置3110、一个以上的微型燃气轮机316、一个以上的太阳能光伏电池317、一个以上的燃料电池318、一个以上的风力发电机319、一个以上的单向直流-交流变换器3111、一个以上的双向直流-直流充放电机3112和一个以上的单向直流-直流变换器3113，其中，每一个太阳能光伏电池317和每一个燃料电池318分别各通过一个单向直流-直流(DC-DC)变换器3117/3116连接放射形低压直流母线311b，每一个微型燃气轮机316和每一个风力发电机319分别各通过一个单向交流-直流(AC-DC)变换器3114/3115连接放射形低压直流母线311b，每一个储能装置3110各通过一个双向直流-直流(DC-DC)变换器3118连接放射形低压直流母线311b，每一个单向直流-交流变换器3111的输出连接交流负载313，每一个双向直流-直流充放电机3112的另一侧连接电动汽车314的动力电池，每一个单向直流-直流变换器3113的输出连接直流负载315。
低压直流微电网31依次通过双向直流-直流(DC-DC)变换器和第二高压直流母线4与连接接触网的高压直流母线相连。储能装置既可以是蓄电池储能，也可以是超级电容器储能或其他储能设备；直流负载既可以是LED照明设备，也可以是消费类电子设备或其他直流负载。交流负载既可以是空调，也可以是洗衣机或其他交流负载。双向直流-直流(DC-DC)电动汽车充放电机既可以为纯电动汽车充放电，也可以为插电式混合动力汽车或动力电池充放电。
本发明的一种双向互动式电气化铁路高压直流牵引供电系统中，直流接触网与直流牵引变电站的直流输出正极相连，采用架空接触网对电力机车供电，钢轨与直流牵引变电站的直流输出负极相连，用于实现钢轨回流。除了采用接触网供电外，也可以采用第三轨供电。钢轨采用悬浮安装，以减少对地下管线的电流腐蚀。
本发明的一种双向互动式电气化铁路高压直流牵引供电系统，通过高压双向交流-直流(AC-DC)变换器、分布式电源变换器以及换电为主的电动汽车充放电系统的协调控制来充分利用分布式电源和电力机车的制动能量，维持直流母线电压稳定在要求的范围内，实现分布式电源的有效利用和电力机车制动能量的回收。当直流牵引供电系统电能过剩时，高压直流母线电压升高而达到所限定的电压阈值，电动汽车充放电系统利用多余的电能通过充放电机向电动汽车动力电池充电，除此以外的多余电能通过高压双向交流-直流(AC-DC)变换器(此时为逆变器)回馈到交流电网，以避免直流母线电压超过限定值；当高压直流牵引供电系统电能不足时，高压直流母线电压降低到所限定的电压阈值，高压双向交流-直流(AC-DC)变换器(此时为整流器)将交流电能变为直流电能向直流母线供电，电动汽车动力电池通过充放电机向高压直流母线供电，以避免高压直流母线电压低于限定值，维持系统的功率平衡。通过合理设计和协调控制，所提出的双向互动式直流牵引供电系统不仅可以实现电力机车的高质量高可靠供电、电力机车制动能量的回收利用以及直流母线电压波动的平抑，而且可以实现电动汽车动力电池的充电和分布式新能源的有效利用。
如果分布式电源和换电为主的电动汽车充放电系统容量足够大，则直流环形微电网不仅可以运行在并网状态，而且可以运行在离网(或孤岛)状态。在交流供电系统故障时，可以运行在离网(或孤岛)状态，由分布式电源和换电为主的电动汽车充放电系统为电力机车供电，从而提高直流牵引供电系统的可靠性。
系统中变换器的控制既可以采用主从控制，也可以采用对等控制或下垂控制，又可以采用分层控制。系统中控制指令可以由控制中心通过通讯系统给定，也可以根据系统的电压和电流给定。
本发明的一种双向互动式电气化铁路高压直流牵引供电系统，中各变换器的控制和结构可以有许多种，具体由实际系统决定。
Claims (6)
1.一种双向互动式电气化铁路高压直流牵引供电系统，包括有两个以上的用于向电力机车(2)提供直流电能的牵引变电站(1)，其特征在于，每一个牵引变电站(1)都有一个以上的连接在交流母线(5)上的第一变压器(11)和一个以上的连接在交流母线(5)上的第二变压器(17)，每一个第一变压器(11)的另一侧对应连接一个高压整流器(12)或对应连接一个第一高压双向交流-直流变换器(18a)，每一个第二变压器(17)的另一侧对应连接一个第二高压双向交流-直流变换器(18)，所有高压整流器(12)或第一高压双向交流-直流变换器(18a)和所有第二高压双向交流-直流变换器(18)的另一侧均连接在所位于的牵引变电站(1)的第一高压直流母线(13)上，所述的第一高压直流母线(13)的正负极分别对应连接接触网(14)和钢轨(15)，所述的电力机车(2)的正负极分别对应连接接触网(14)和钢轨(15)，每一个牵引变电站(1)的接触网(14)上都接有一个分区所(16)，所述分区所(16)的两端还分别连接所对应的第一高压直流母线(13)的正极，在相邻的两个牵引变电站(1)之间的第一高压直流母线(13)上设置有由电动汽车充放电系统、分布式电源和1个以上的低压直流微电网(31)构成的直流新能源系统(3)，所述的直流新能源系统(3)通过第二高压直流母线(4)与相邻的两个牵引变电站(1)的第一高压直流母线(13)相连，从而在一个供电分区内形成直流环形微电网，其中所述的电动汽车充放电系统是由1个以上的用于连接电动汽车动力电池的双向直流-直流充放电机构成，所述的每个双向直流-直流充放电机的连接电动汽车动力电池的输出端还并联超级电容器，所述的分布式电源包括有一个以上的微型燃气轮机、一个以上的风力发电机、一个以上的燃料电池和一个以上的太阳能光伏电池，其中，每一个微型燃气轮机和每一个风力发电机都各自通过一个单向交流-直流变换器连接第二高压直流母线(4)，每一个燃料电池和每一个太阳能光伏电池都各自通过一个单向直流-直流变换器连接第二高压直流母线(4)。
2.根据权利要求1所述的一种双向互动式电气化铁路高压直流牵引供电系统，其特征在于，所述的低压直流微电网(31)包括有通过一个第一双向直流-直流变换器(312)连接在第二高压直流母线(4)上的环形低压直流母线(311a)、一个以上的储能装置(3110)、一个以上的微型燃气轮机(316)、一个以上的太阳能光伏电池(317)、一个以上的燃料电池(318)、一个以上的风力发电机(319)、一个以上的单向直流-交流变换器(3111)、一个以上的双向直流-直流充放电机(3112)和一个以上的单向直流-直流变换器(3113)，其中，每一个太阳能光伏电池(317)和每一个燃料电池(318)分别各通过一个单向直流-直流变换器(3117/3116)连接环形低压直流母线(311a)，每一个微型燃气轮机(316)和每一个风力发电机(319)分别各通过一个单向交流-直流变换器(3114/3115)连接环形低压直流母线(311a)，每一个储能装置(3110)各通过一个第二双向直流-直流变换器(3118)连接环形低压直流母线(311a)，每一个单向直流-交流变换器(3111)的输出连接交流负载(313)，每一个双向直流-直流充放电机(3112)的另一侧连接电动汽车(314)的动力电池，每一个单向直流-直流变换器(3113)的输出连接直流负载(315)。
3.根据权利要求1所述的一种双向互动式电气化铁路高压直流牵引供电系统，其特征在于，所述的低压直流微电网(31)包括有通过一个第一双向直流-直流变换器(312)连接在第二高压直流母线(4)上的放射形低压直流母线(311b)、一个以上的储能装置(3110)、一个以上的微型燃气轮机(316)、一个以上的太阳能光伏电池(317)、一个以上的燃料电池(318)、一个以上的风力发电机(319)、一个以上的单向直流-交流变换器(3111)、一个以上的双向直流-直流充放电机(3112)和一个以上的单向直流-直流变换器(3113)，其中，每一个太阳能光伏电池(317)和每一个燃料电池(318)分别各通过一个单向直流-直流变换器(3117/3116)连接放射形低压直流母线(311b)，每一个微型燃气轮机(316)和每一个风力发电机(319)分别各通过一个单向交流-直流变换器(3114/3115)连接放射形低压直流母线(311b)，每一个储能装置(3110)各通过一个第二双向直流-直流变换器(3118)连接放射形低压直流母线(311b)，每一个单向直流-交流变换器(3111)的输出连接交流负载(313)，每一个双向直流-直流充放电机(3112)的另一侧连接电动汽车(314)的动力电池，每一个单向直流-直流变换器(3113)的输出连接直流负载(315)。
4.一种双向互动式电气化铁路高压直流牵引供电系统，包括有一个用于向电力机车(2)提供直流电能的牵引变电站(1)，其特征在于，所述的牵引变电站(1)设置有一个以上的连接在交流母线(5)上的第一变压器(11)和一个以上的连接在交流母线(5)上的第二变压器(17)，每一个第一变压器(11)的另一侧对应连接一个高压整流器(12)或对应连接一个第一高压双向交流-直流变换器(18a)，每一个第二变压器(17)的另一侧对应连接一个第二高压双向交流-直流变换器(18)，所有高压整流器(12)或第一高压双向交流-直流变换器(18a)和所有第二高压双向交流-直流变换器(18)的另一侧均连接在牵引变电站(1)的第一高压直流母线(13)上，所述的第一高压直流母线(13)的正负极分别对应连接接触网(14)和钢轨(15)，所述的电力机车(2)的正负极分别对应连接接触网(14)和钢轨(15)，在第一高压直流母线(13)上设置有由电动汽车充放电系统、分布式电源和1个以上的低压直流微电网(31)构成的直流新能源系统(3)，所述的直流新能源系统(3)通过第二高压直流母线(4)与牵引变电站(1)的第一高压直流母线(13)相连，从而在一个供电分区内形成直流环形微电网，其中所述的电动汽车充放电系统是由1个以上的用于连接电动汽车动力电池的双向直流-直流充放电机构成，所述的每个双向直流-直流充放电机的连接电动汽车动力电池的输出端还并联超级电容器，所述的分布式电源包括有一个以上的微型燃气轮机、一个以上的风力发电机、一个以上的燃料电池和一个以上的太阳能光伏电池，其中，每一个微型燃气轮机和每一个风力发电机都各自通过一个单向交流-直流变换器连接第二高压直流母线(4)，每一个燃料电池和每一个太阳能光伏电池都各自通过一个单向直流-直流变换器连接第二高压直流母线(4)。
5.根据权利要求4所述的一种双向互动式电气化铁路高压直流牵引供电系统，其特征在于，所述的低压直流微电网(31)包括有通过一个第一双向直流-直流变换器(312)连接在第二高压直流母线(4)上的环形低压直流母线(311a)、一个以上的储能装置(3110)、一个以上的微型燃气轮机(316)、一个以上的太阳能光伏电池(317)、一个以上的燃料电池(318)、一个以上的风力发电机(319)、一个以上的单向直流-交流变换器(3111)、一个以上的双向直流-直流充放电机(3112)和一个以上的单向直流-直流变换器(3113)，其中，每一个太阳能光伏电池(317)和每一个燃料电池(318)分别各通过一个单向直流-直流变换器(3117/3116)连接环形低压直流母线(311a)，每一个微型燃气轮机(316)和每一个风力发电机(319)分别各通过一个单向交流-直流变换器(3114/3115)连接环形低压直流母线(311a)，每一个储能装置(3110)各通过一个第二双向直流-直流变换器(3118)连接环形低压直流母线(311a)，每一个单向直流-交流变换器(3111)的输出连接交流负载(313)，每一个双向直流-直流充放电机(3112)的另一侧连接电动汽车(314)的动力电池，每一个单向直流-直流变换器(3113)的输出连接直流负载(315)。
6.根据权利要求4所述的一种双向互动式电气化铁路高压直流牵引供电系统，其特征在于，所述的低压直流微电网(31)包括有通过一个第一双向直流-直流变换器(312)连接在第二高压直流母线(4)上的放射形低压直流母线(311b)、一个以上的储能装置(3110)、一个以上的微型燃气轮机(316)、一个以上的太阳能光伏电池(317)、一个以上的燃料电池(318)、一个以上的风力发电机(319)、一个以上的单向直流-交流变换器(3111)、一个以上的双向直流-直流充放电机(3112)和一个以上的单向直流-直流变换器(3113)，其中，每一个太阳能光伏电池(317)和每一个燃料电池(318)分别各通过一个单向直流-直流变换器(3117/3116)连接放射形低压直流母线(311b)，每一个微型燃气轮机(316)和每一个风力发电机(319)分别各通过一个单向交流-直流变换器(3114/3115)连接放射形低压直流母线(311b)，每一个储能装置(3110)各通过一个第二双向直流-直流变换器(3118)连接放射形低压直流母线(311b)，每一个单向直流-交流变换器(3111)的输出连接交流负载(313)，每一个双向直流-直流充放电机(3112)的另一侧连接电动汽车(314)的动力电池，每一个单向直流-直流变换器(3113)的输出连接直流负载(315)。
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