CN103840477A - 电气化铁路牵引供电储能装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电气化铁路牵引供电储能装置及其方法，在牵引变电所设置储能装置，在牵引变压器输出端的α或β供电臂与钢轨之间连接一套储能装置，或在α和β供电臂与钢轨之间各连接一套储能装置。储能装置包括控制单元、隔离变压器和依次相连的PWM变流器、能量变换电路和储能元件。控制单元根据α和/或β供电臂电压、电流的大小和方向进行计算，完成对PWM变流器和能量变换电路的控制，实现储能装置与所连接供电臂之间的能量交换。本发明可充分回收机车制动回馈电能，提高牵引供电系统能量利用率，降低牵引变压器安装计费容量，节约成本，在用电低谷段也可以吸收能量存储，起到削峰填谷的作用，同时兼具动态无功补偿和低次谐波治理功能。

Description

电气化铁路牵引供电储能装置及其方法

技术领域

本发明涉及电气化铁路领域，尤其是涉及一种应用于电气化铁路领域的牵引供电储能装置及其方法。

背景技术

当前世界能源日趋紧张，节能降耗已成为世界性的研究课题，而能量的回收再利用是节能降耗的有效手段。近年来，随着我国轨道交通领域，尤其是电气化铁路高速化、重载化的发展，作为能源消耗重点行业的铁路，在能量的回收及再利用方面具有巨大潜力。一方面，电气化铁路牵引供电系统对电力机车制动回馈电能的利用率不高，很多时候都是直接回馈到三相交流电网，产生不了经济效益。另一方面，牵引供电系统的容量一般是按照牵引负载消耗的峰值功率来确定，而大多数情况下系统均不会满负荷运行，造成了设备容量的浪费。因此研究充分合理的能量回收与再利用的技术方案对于电气化铁路的节能降耗及可持续发展具有重要意义。

目前我国已大批量应用的交流传动电力机车会将制动过程中产生的再生制动电能回馈到牵引供电系统，回馈的电能可供牵引供电网同一供电臂下的其它机车使用。但是，当同一供电臂下没有其它机车运行或负载不能完全消耗掉回馈电能时，多余的制动回馈电能会通过牵引变压器又回馈到三相交流电网。能量回馈至三相电网时，会引起电压升高、负序电流增大、线路损耗增加等问题，且由于电力部门不会对回送的电能计费，对牵引供电系统而言产生不了经济效益。

其次，由于牵引负载消耗的功率是周期性变化的，为随时维持电能供需平衡，牵引变压器的容量一般是按照负载消耗的最大功率来设计的，而在大多数情况下牵引变压器均不会满负荷运行，这样就造成了容量的浪费。牵引变压器容量浪费导致成本的增加，主要体现在两个方面，一是牵引变压器初装费用的增加，二是由于我国现行的两部制电价，会造成基本电费的增加。

同时，牵引负载会引起无功、谐波、负序等电能质量问题。通常牵引变电所针对无功问题都会安装固定电容等补偿装置以提高功率因数，但对于谐波问题一般没有采取抑制措施。随着交流机车的大量投入运用，谐波问题变得较为突出，可能导致相关设备烧损，甚至出现网压振荡。

在现有技术中，采用储能装置进行电能回收利用的方案中，尚未发现有类似结构应用于电气化铁路单相交流牵引供电网的技术方案，由于适用的电网和结构不同，储能装置在连接方式、结构组成和实现功能上会存在较为明显的区别。其次，现有储能装置的技术方案均未涉及通过释放能量以降低牵引变压器的容量，以提高牵引变压器的容量利用率。同时，现有储能装置也均未涉及还具有动态无功补偿及低次谐波治理的功能。

因此，现有电气化铁路牵引供电系统的解决方案存在以下技术缺陷：

（1）现有电气化铁路牵引供电系统对电力机车制动回馈电能的利用率普遍不高经济效益较低，还会引起一些电能质量问题；

（2）牵引变压器的容量一般是按照牵引负载消耗的峰值功率来确定，在大多数情况下现有系统均不能满负荷运行，造成了牵引变压器容量的浪费，增加了系统成本；

（3）目前在城市轨道交通直流牵引供电网中，尚未发现通过释放能量以降低牵引变压器容量的技术方案；

（4）现有技术一般都是分别采用单独的装置进行电能的回收利用或进行无功、谐波等电能质量问题的治理，功能单一、成本较高。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种电气化铁路牵引供电储能装置及其方法，能够应用于单相交流牵引供电系统，充分回收机车制动回馈电能，提高牵引供电系统的能量利用率，并降低牵引变压器的安装容量和计费容量，节约成本。

为了实现上述发明目的，本发明具体提供了一种电气化铁路牵引供电储能装置的技术实现方案，在牵引变压器输出端的α供电臂或β供电臂与钢轨或地之间连接一套储能装置，或在所述牵引变压器输出端的α供电臂和β供电臂与钢轨与地之间各连接一套所述储能装置，所述储能装置设置在牵引变电所中。所述储能装置进一步包括控制单元、隔离变压器和依次相连的PWM变流器、能量变换电路、储能元件，所述控制单元分别与所述PWM变流器和能量变换电路相连。所述隔离变压器的原边绕组连接在所述牵引变压器输出端的α供电臂和/或β供电臂与所述钢轨或地之间，所述隔离变压器的每个次边绕组与一个PWM变流器相连。

优选的，所述储能装置包括一个或两个以上的PWM变流器、能量变换电路及储能元件。当所述PWM变流器的直流回路相互独立时，每个独立的直流回路连接一个能量变换电路。当两个以上所述PWM变流器的直流侧并联时，每个并联的直流回路连接一个能量变换电路。

本发明还具体提供了电气化铁路牵引供电储能装置的另一种技术实现方案，在牵引变压器输出端的α供电臂或β供电臂与钢轨或地之间连接一套储能装置，或在所述牵引变压器输出端的α供电臂和β供电臂与钢轨或地之间各连接一套所述储能装置，所述储能装置设置在牵引变电所中。所述储能装置进一步包括控制单元和依次相连的PWM变流器、能量变换电路、储能元件，所述控制单元分别与所述PWM变流器和能量变换电路相连。所述储能装置包括两个以上的PWM变流器，所述两个以上的PWM变流器相互串联在所述牵引变压器输出端的α供电臂和/或β供电臂与所述钢轨或地之间，每个PWM变流器的直流回路相互独立，每个独立的直流回路连接一个能量变换电路。

优选的，所述控制单元用于，采集所述α供电臂和/或β供电臂的电压、电流，根据包括所述α供电臂和/或β供电臂的电压、电流的大小和方向在内的条件进行综合计算判断，并根据所述计算判断结果对所述PWM变流器和所述能量变换电路进行控制，以实现所述储能装置与所连接的供电臂之间的能量交换。

优选的，所述控制单元还用于，当所述α供电臂和/或β供电臂下有作为负载的机车处于再生制动工况时，判断出有制动电能回馈至所述牵引变压器，并控制所述能量变换电路工作在储能状态，将制动回馈电能储存于所述储能元件中；当作为负载的所述机车工作在大功率耗能工况时，判断出所述牵引变压器的容量不足，并控制所述能量变换电路工作在释能状态，将所述储能元件中的能量释放出来供作为负载的所述机车利用。

优选的，所述控制单元还用于，当所述储能装置投入运行时，控制所述PWM变流器稳定所述直流回路的电压，并输出无功及低次谐波电流以动态补偿所连接的α供电臂和/或β供电臂的负载电流。

优选的，所述控制单元还用于，检测所连接供电臂的电压和电流，并计算该供电臂的总电流I_S、基波有功电流I_P和基波无功电流I_Q；如果判断所述基波有功电流I_P＜0，则所述控制单元控制所述能量变换电路工作在储能状态，将制动回馈电能储存于所述储能元件中，实现节能；如果判断所述总电流I_S＞所连接供电臂的额定电流I_e，则所述控制单元控制所述能量变换电路工作在释能状态，将所述储能元件中的能量释放出来利用，以提高供电能力。

优选的，所述控制单元还用于，控制所述PWM变流器稳定直流回路电压，同时控制所述PWM变流器输出无功电流-I_Q以动态补偿所连接供电臂的无功电流；根据检测出的所连接供电臂的电压和电流计算包括三次、五次和七次谐波在内的低次谐波电流的幅值和相位，并控制所述PWM变流器输出幅值相等、相位相反的包括三次、五次和七次谐波在内的低次谐波电流，实现低次谐波补偿。

本发明还另外具体提供了一种利用上述装置实现电气化铁路牵引供电储能方法的技术实现方案，在牵引变电所设置储能装置，在牵引变压器输出端的α供电臂或β供电臂与钢轨或地之间连接一套储能装置，或在所述牵引变压器输出端的α供电臂和β供电臂与钢轨或地之间各连接一套所述储能装置。所述储能装置包括控制单元和依次相连的PWM变流器、能量变换电路、储能元件。所述控制单元根据包括所述α供电臂和/或β供电臂的电压、电流的大小和方向在内的条件进行综合计算判断，完成对所述PWM变流器和所述能量变换电路的控制，以实现所述储能装置与所连接的供电臂之间的能量交换。

优选的，当所述α供电臂和/或β供电臂下有作为负载的机车处于再生制动工况时，所述控制单元判断出有制动电能回馈至所述牵引变压器，则控制所述能量变换电路工作在储能状态，将制动回馈电能储存于所述储能元件中；当作为负载的所述机车工作在大功率耗能工况时，所述控制单元判断出所述牵引变压器的容量不足，则控制所述能量变换电路工作在释能状态，将所述储能元件中的能量释放出来供作为牵引负载的所述机车利用。

优选的，当所述储能装置投入运行时，所述控制单元控制所述PWM变流器稳定所述直流回路的电压，并输出无功及低次谐波电流以动态补偿所连接的α供电臂和/或β供电臂的负载电流。

优选的，所述方法还包括以下步骤：

S100：当所述储能装置投入运行，所述控制单元检测所连接供电臂的电压和电流，并计算该供电臂的总电流I_S、基波有功电流I_P和基波无功电流I_Q；

S101：所述控制单元判断所述基波有功电流I_P＜0是否成立；

S102：如果基波有功电流I_P＜0，则所述控制单元控制所述能量变换电路工作在储能状态，将制动回馈电能储存于所述储能元件中，实现节能，并进入步骤S103，如果否，则直接进入步骤S103；

S103：所述控制单元判断所述总电流I_S＞所连接供电臂的额定电流I_e是否成立；

S104：如果总电流I_S＞所连接供电臂的额定电流I_e，则所述控制单元控制所述能量变换电路工作在释能状态，将所述储能元件中的能量释放出来利用，以提高供电能力，如果否，则进入步骤S100；

上述步骤S100～S104按顺序循环执行。

优选的，所述方法还进一步包括以下步骤：

S201：所述控制单元控制所述PWM变流器稳定直流回路电压，同时控制所述PWM变流器输出无功电流-I_Q以动态补偿所连接供电臂的无功电流；

S202：所述控制单元根据检测出的所连接供电臂的电压和电流计算包括三次、五次和七次谐波在内的低次谐波电流的幅值和相位；

S203：所述控制单元控制所述PWM变流器输出幅值相等、相位相反的包括三次、五次和七次谐波在内的低次谐波电流，实现低次谐波补偿；

上述步骤S201～S203在步骤S100与步骤S101，或步骤S104与步骤S100之间执行。

通过实施上述本发明提供的电气化铁路牵引供电储能装置及其方法，具有如下技术效果：

（1）本发明能够应用于单相交流牵引供电系统，当供电臂下有机车处于再生制动工况，并有电能回馈至牵引变压器时，储能装置能够自行判断并存储能量，从而实现节能，以提高牵引供电系统的能量利用率；

（2）本发明当负载消耗功率超过一定阈值时，储能装置能够自行判断并释放能量，以降低牵引变压器输出的峰值功率，从而可以减小牵引变压器的安装容量和计费容量，以节约成本；

（3）本发明储能装置还具有对所连接的供电臂进行动态无功补偿和低次谐波治理的作用；

（4）本发明控制储能装置存储能量的时机，并不仅限于有再生制动电能回馈时，在牵引负荷较小的用电低谷时段可以从牵引供电网吸收能量进行存储，起到削峰填谷的作用；在牵引负载剧烈变化引起供电电压波动时也可以存储能量，起到吸收冲击、稳定供电电压的作用；

（5）本发明控制储能装置释放能量的时机，并不仅限于牵引负载消耗功率很大时，在供电电压较低时可以通过释放能量以提供电压支持，在系统故障停电时也可以释放能量短时供电，作为应急电源以降低损失。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明电气化铁路牵引供电储能装置与牵引供电系统的电气连接关系结构图；

图2是本发明电气化铁路牵引供电储能装置一种具体实施方式的结构原理框图；

图3是本发明电气化铁路牵引供电储能装置另一种具体实施方式的系统结构框图；

图4是本发明电气化铁路牵引供电储能装置第三种具体实施方式的系统结构框图；

图5是本发明电气化铁路牵引供电储能方法一种具体实施方式的程序流程图；

图中：1-三相交流电网，2-牵引变压器，3-储能装置，4-接触网，5-机车，6-钢轨，7-电分相环节，30-PWM变流器，31-能量变换电路，32-储能元件，33-支撑电容，34-控制单元，35-隔离变压器。

具体实施方式

为了引用和清楚起见，将下文中使用的技术名词、简写或缩写记载如下：

SVG：Static Var Generator，静止无功发生器的简称；

APF：Active Power Filter，有源电力滤波器的简称；

RPC：Railway static Power Conditioner，功率调节器的简称；

PWM：Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制的简称；

DC-DC转换器：直流-直流转换器的简称；

DC-AC转换器：直流-交流转换器的简称；

超导储能：超导储能系统（SMES，Superconductive Magnetic Energy Storage （System））是根据超导体电阻为零的特性，利用超导线圈将电磁能直接储存起来制成的储存电能的装置，其不仅可以在超导体电感线圈内无损耗地储存电能，还可以通过电力电子换流器与外部系统快速交换有功和无功功率，用于提高电力系统稳定性、改善供电品质；

飞轮储能：飞轮储能系统（Flywheel Energy Storage，缩写：FES）是一种能量储存方式，它通过把一个旋转体（飞轮）加速到极高的速度，来把能量以动能的形式储存；

再生制动能量：电力机车或电动车组行驶过程中，如需减速制动时，通过电机的控制方式使转子转速大于电机的同步转速，则转子绕组感应电动势与电流方向改变，电磁转矩方向也随之改变并与转子转向相反，列车减速制动，此时，列车牵引电机工作于发电工况，产生再生制动电能；

两部制电价：两部制电价把电价分为容量电价与电量电价两部分之和，容量电价为计算每月基本电费时，以用电设备容量（kVA）进行计算，与实际用电量无关；电量电价为计算每月电量电费时，以实际用电量（kwh）进行计算，与用电设备容量无关；两部制电价通过发挥价格的杠杆作用，促使用户提高设备利用率，降低最大负荷，从而提高电网负荷率及供电能力，使供电、用电双方从降低成本中都获得一定经济效益。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如附图1至附图5所示，给出了本发明电气化铁路牵引供电储能装置及其方法的具体实施例，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

如附图1所示为本发明电气化铁路牵引供电储能装置与牵引供电系统的电气连接关系结构图，整个系统包括：三相交流电网1、牵引变压器2、储能装置3、接触网4和钢轨6，作为牵引负载的机车5运行在接触网4和钢轨6之间。其中，牵引变压器2的原边绕组与三相交流电网1相连，牵引变压器2的输出端分别与接触网4和钢轨6相连。电气化铁路中为电力机车或电动车组等牵引负载进行供电的系统称为牵引供电系统。在牵引变压器2输出端的α供电臂或β供电臂与钢轨6或地之间连接一套储能装置3，或在牵引变压器2输出端的α供电臂和β供电臂与钢轨6或地之间各连接一套储能装置3，储能装置3设置在牵引变电所中，储能装置3的输入为单相交流电。在牵引变电所内的牵引变压器2将三相交流电网1的110kV/220kV电压转换为两个单相交流27.5kV的电压，各自负责一个路段牵引负载的供电任务，这两个供电段称为供电臂，即附图1中的α供电臂和β供电臂。由于两个单相电压的相位不同，因此两个供电臂之间采用绝缘段进行电气隔离，存在一个无电区，该绝缘段及无电区被称为牵引供电系统的电分相环节7，电力机车经过电分相时被称为过分相。

如附图2所示，为本发明电气化铁路牵引供电储能装置的第一种具体实施例，在牵引变压器2输出端的α供电臂或β供电臂与钢轨6或地之间连接一套储能装置3，或在牵引变压器2输出端的α供电臂和β供电臂与钢轨6或地之间各连接一套储能装置3。储能装置3设置在牵引变电所中，储能装置3的输入为单相交流27.5kV电压。储能装置3进一步包括能量变换电路31、储能元件32、支撑电容33、控制单元34、隔离变压器35和PWM变流器30。隔离变压器35的原边绕组连接在牵引变压器2输出端的α供电臂和/或β供电臂与钢轨6或地之间，即在实际应用中，可根据需要在两个供电臂上各连接一套储能装置3，或者只在其中一个供电臂上连接一套储能装置3。在如附图1所示的具体实施例当中，在牵引变压器2输出端的α供电臂和β供电臂与钢轨6或地之间各连接了一套储能装置3，共两套的储能装置3。储能装置3包括一个或两个以上的多个PWM变流器30、能量变换电路31及储能元件32。当PWM变流器30的直流回路相互独立时，每个独立的直流回路连接一个能量变换电路31，当两个以上PWM变流器30的直流侧并联时，并联的直流回路连接一个能量变换电路31。同时，在该实施例中，隔离变压器35包括两个以上的次边绕组，每个次边绕组均与一个对应的PWM变流器30相连，PWM变流器30与能量变换电路31相连，支撑电容33并联在PWM变流器30与能量变换电路31之间的直流回路。储能元件32与能量变换电路31相连，控制单元34分别与PWM变流器30和能量变换电路31相连。隔离变压器35的原边连接至供电臂和钢轨6之间的交流27.5kV，降压后隔离变压器35的次边每个绕组连接一个PWM变流器30，将交流电压变换为直流电压。当然，隔离变压器35也可以仅包括一个次边绕组。

该具体实施例采用储能装置3以解决现有电气化铁路牵引供电系统的中的技术缺陷，通过控制储能装置3在不同时机下存储或释放电能，既可提高牵引供电系统的能量利用率，又能降低牵引变压器2的安装容量和计费容量，达到节约电能、降低成本的目的。在对电力机车制动回馈电能的更充分合理的回收与再利用的同时，还具有对牵引供电系统进行动态无功补偿和低次谐波治理的作用。

如附图3所示，为本发明电气化铁路牵引供电储能装置的另一种具体实施例，在牵引变压器2输出端的α供电臂或β供电臂与钢轨6或地之间连接一套储能装置3，或在牵引变压器2输出端的α供电臂和β供电臂与钢轨6或地之间各连接一套储能装置3。储能装置3设置在牵引变电所中，储能装置3的输入为单相交流27.5kV电压。储能装置3进一步包括能量变换电路31、储能元件32、支撑电容33、控制单元34和PWM变流器30。PWM变流器30连接在牵引变压器2输出端的α供电臂和/或β供电臂与钢轨6或地之间。储能装置3包括两个以上的PWM变流器30，两个以上的PWM变流器30相互串联在牵引变压器2输出端的α供电臂和/或β供电臂与钢轨6或地之间。每个PWM变流器30的直流回路相互独立，每个独立的直流回路连接一个能量变换电路31。PWM变流器30与能量变换电路31相连，支撑电容33并联在PWM变流器30与能量变换电路31之间的直流回路。储能元件32与能量变换电路31相连，控制单元34分别与PWM变流器30和能量变换电路31相连。该具体实施例与第一种具体实施例的区别在于，该具体实施例采用级联式结构，区别于第一种具体实施例的降压式结构，该具体实施例省掉了隔离变压器35，节约了装置的成本，且各个PWM变流器30的交流侧相互串联起来后直接连接至供电臂的27.5kV单相交流电压上。

在前述具体实施例的基础上，并没有限制隔离变压器35的次边绕组及其所连接的PWM变流器30的数量，每组PWM变流器30和能量变换电路31各对应一个控制单元34。如附图4所示为本发明电气化铁路牵引供电储能装置的第三种具体实施例，也可以将上述第一种具体实施例中相互独立的各个PWM变流器30的直流回路部分或全部并联起来，此时每个并联的直流回路只需接一套能量变换电路31和储能元件32即可，但能量变换电路31和储能元件32的容量需相应的增大。在前述实施例的基础之上，如附图3和附图4所示，还可以将所有单独的控制单元集成为一个总的控制单元34，在控制方式上，则采用集中、统一的控制方式，但控制功能与前述控制单元34的功能相同。

在上述具体实施例中，控制单元34用于，采集α供电臂和/或β供电臂的电压、电流，根据包括α供电臂和/或β供电臂的电压、电流的大小和方向在内的条件进行综合计算判断，并根据计算判断结果对PWM变流器30和能量变换电路31进行控制，以实现储能装置3与α供电臂和/或β供电臂之间的能量交换。

作为本发明一种较佳的具体实施例，控制单元34还用于，当α供电臂和/或β供电臂下有作为负载的机车5处于再生制动工况时，判断出有制动电能回馈至牵引变压器2，并控制能量变换电路31工作在储能状态，将制动回馈电能储存于储能元件32中；当作为负载的机车5工作在大功率耗能工况时，判断出牵引变压器2的容量不足，并控制能量变换电路31工作在释能状态，将储能元件32中的能量释放出来供作为负载的机车5利用。当储能装置3投入运行时，控制PWM变流器30稳定直流回路的电压，并输出无功及低次谐波电流以动态补偿所连接的α供电臂和/或β供电臂的负载电流。

作为本发明一种更佳的具体实施例，控制单元34还用于，检测所连接供电臂的电压和电流，并计算该供电臂的总电流I_S、基波有功电流I_P和基波无功电流I_Q；如果判断基波有功电流I_P＜0，则控制单元34控制能量变换电路31工作在储能状态，将制动回馈电能储存于储能元件32中，实现节能；如果判断总电流I_S＞所连接供电臂的额定电流I_e，则控制单元34控制能量变换电路31工作在释能状态，将储能元件32中的能量释放出来利用，以提高供电能力。

同时，控制单元34还用于，检测所连接供电臂的电压和电流，并计算该供电臂的总电流I_S、基波有功电流I_P和基波无功电流I_Q；控制PWM变流器30稳定直流回路电压，同时控制PWM变流器30输出无功电流-I_Q以动态补偿所连接供电臂的无功电流；根据检测出的所连接供电臂的电压和电流计算包括三次、五次和七次谐波在内的低次谐波电流的幅值和相位，并控制PWM变流器30输出幅值相等、相位相反的包括三次、五次和七次谐波在内的低次谐波电流，实现低次谐波补偿。

储能元件32进一步为电池组、超级电容组、超导储能装置和飞轮储能装置中的任意一种或任意几种的串连或并联电路。针对储能元件32的类型或组成的不同，为适应其工作原理，所需能量变换电路31也不相同，但其功能都是为储能元件32提供存储和释放能量所需的转换电路。作为本发明的一种典型的实施例，当储能元件32为电池组或超级电容组时，能量变换电路31采用DC-DC转换器。当储能元件32为飞轮储能装置时，能量变换电路31采用DC-AC转换器。

一种利用上述装置实现电气化铁路牵引供电储能方法的具体实施例，在牵引变电所设置储能装置3，在牵引变压器2输出端的α供电臂或β供电臂与钢轨6或地之间连接一套储能装置3，或在牵引变压器2输出端的α供电臂和β供电臂与钢轨6或地之间各连接一套储能装置3。储能装置3包括控制单元34和依次相连的PWM变流器30、能量变换电路31、储能元件32。控制单元34根据包括α供电臂和/或β供电臂的电压、电流的大小和方向在内的条件进行综合计算判断，完成对PWM变流器30和能量变换电路31的控制，以实现储能装置3与所连接的供电臂之间的能量交换。

当α供电臂和/或β供电臂下有作为负载的机车5处于再生制动工况时，控制单元34判断出有制动电能回馈至牵引变压器2，则控制能量变换电路31工作在储能状态，将制动回馈电能储存于储能元件32中；当作为负载的机车5工作在大功率耗能工况时，控制单元34判断出牵引变压器2的容量不足，则控制能量变换电路31工作在释能状态，将储能元件32中的能量释放出来供作为牵引负载的机车5利用。当储能装置3投入运行时，控制单元34控制PWM变流器30稳定直流回路的电压，并输出无功及低次谐波电流以动态补偿所连接的α供电臂和/或β供电臂的负载电流。

如附图5所示，作为本发明电气化铁路牵引供电储能方法的一种较佳的具体实施例，储能方法进一步包括以下步骤：

S100：当储能装置3投入运行，控制单元34检测所连接供电臂的电压和电流，并计算该供电臂的总电流I_S、基波有功电流I_P和基波无功电流I_Q；

S101：控制单元34判断基波有功电流I_P＜0是否成立；

S102：如果基波有功电流I_P＜0，则控制单元34控制能量变换电路31工作在储能状态，将制动回馈电能储存于储能元件32中，实现节能，并进入步骤S103，如果否，则直接进入步骤S103；

S103：控制单元34判断总电流I_S＞所连接供电臂的额定电流I_e是否成立；

S104：如果总电流I_S＞所连接供电臂的额定电流I_e，则控制单元34控制能量变换电路31工作在释能状态，将储能元件32中的能量释放出来利用，以提高供电能力，如果否，则进入步骤S100；

上述步骤S100～S104按顺序循环执行。

同时，作为本发明电气化铁路牵引供电储能方法的一种更佳的具体实施例，储能方法还进一步包括以下步骤：

S201：控制单元34控制PWM变流器30稳定直流回路电压，同时控制PWM变流器30输出无功电流-I_Q以动态补偿所连接供电臂的无功电流；

S202：控制单元34根据检测出的所连接供电臂的电压和电流计算包括三次、五次和七次谐波在内的低次谐波电流的幅值和相位；

S203：控制单元34控制PWM变流器30输出幅值相等、相位相反的包括三次、五次和七次谐波在内的低次谐波电流，实现低次谐波补偿；

上述步骤S201～S203在步骤S100与步骤S101，或步骤S104与步骤S100之间执行。

在本发明的具体实施例中，储能装置3直接连接在电气化铁路牵引供电系统的供电臂上，主要由PWM变流器30、能量变换电路31、储能元件32和控制单元34等部件组成。储能元件32及其相应的能量变换电路31的类型与结构可以有多种，但其功能都是实现与牵引供电系统的能量交换。当供电臂下有机车5处于再生制动工况并有电能回馈至牵引变压器2时，储能装置3能够自行判断并存储能量，从而实现节能，或者说提高牵引供电系统的能量利用率。当作为牵引负载的机车5的消耗功率超过一定阈值时，储能装置3能够自行判断并释放能量，以降低牵引变压器2输出的峰值功率，从而可以减小牵引变压器2的安装容量和计费容量，以节约成本。同时，储能装置3还具有对所连接的供电臂进行动态无功补偿和低次谐波治理的作用。因此，在本发明具体实施例中，控制储能装置3存储能量的时机，并不仅限于有再生制动电能回馈时。在牵引负荷较小的用电低谷时段可以从牵引供电网吸收能量进行存储，起到削峰填谷的作用，在牵引负载剧烈变化引起供电电压波动时也可以存储能量，起到吸收冲击、稳定供电电压的作用。同时，控制储能装置3释放能量的时机，并不仅限于牵引负载消耗功率很大时。在供电电压较低时可以通过释放能量以提供电压支持，在系统故障停电时也可以释放能量短时供电，作为应急电源以降低损失。

在本发明具体实施例中，储能装置3以框图的形式进行了结构和功能的描述，未明确限定PWM变流器30、能量变换电路31，以及储能元件32的具体类型和结构组成，只要储能装置3与牵引供电系统的连接方式、基本结构、功能，以及主要用途与本发明相同，都在本专利申请的保护范围之内。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神实质和技术方案的情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (13)

1.一种电气化铁路牵引供电储能装置，其特征在于：在牵引变压器（2）输出端的α供电臂或β供电臂与钢轨（6）或地之间连接一套储能装置（3），或在所述牵引变压器（2）输出端的α供电臂和β供电臂与钢轨（6）或地之间各连接一套所述储能装置（3），所述储能装置（3）设置在牵引变电所中；所述储能装置（3）进一步包括控制单元（34）、隔离变压器（35）和依次相连的PWM变流器（30）、能量变换电路（31）、储能元件（32），所述控制单元（34）分别与所述PWM变流器（30）和能量变换电路（31）相连；所述隔离变压器（35）的原边绕组连接在所述牵引变压器（2）输出端的α供电臂和/或β供电臂与所述钢轨（6）或地之间，所述隔离变压器（35）的每个次边绕组与一个PWM变流器（30）相连。

2.一种电气化铁路牵引供电储能装置，其特征在于：在牵引变压器（2）输出端的α供电臂或β供电臂与钢轨（6）或地之间连接一套储能装置（3），或在所述牵引变压器（2）输出端的α供电臂和β供电臂与钢轨（6）或地之间各连接一套所述储能装置（3），所述储能装置（3）设置在牵引变电所中；所述储能装置（3）进一步包括控制单元（34）和依次相连的PWM变流器（30）、能量变换电路（31）、储能元件（32），所述控制单元（34）分别与所述PWM变流器（30）和能量变换电路（31）相连；所述储能装置（3）包括两个以上的PWM变流器（30），所述两个以上的PWM变流器（30）相互串联在所述牵引变压器（2）输出端的α供电臂和/或β供电臂与所述钢轨（6）或地之间，每个PWM变流器（30）的直流回路相互独立，每个独立的直流回路连接一个能量变换电路（31）。

3.根据权利要求1所述的一种电气化铁路牵引供电储能装置，其特征在于：所述储能装置（3）包括一个或两个以上的PWM变流器（30）、能量变换电路（31）及储能元件（32）；当所述PWM变流器（30）的直流回路相互独立时，每个独立的直流回路连接一个能量变换电路（31）；当两个以上所述PWM变流器（30）的直流侧并联时，每个并联的直流回路连接一个能量变换电路（31）。

4.根据权利要求1、2、3中任一权利要求所述的一种电气化铁路牵引供电储能装置，其特征在于：所述控制单元（34）用于，采集所述α供电臂和/或β供电臂的电压、电流，根据包括所述α供电臂和/或β供电臂的电压、电流的大小和方向在内的条件进行综合计算判断，并根据所述计算判断结果对所述PWM变流器（30）和所述能量变换电路（31）进行控制，以实现所述储能装置（3）与所连接的供电臂之间的能量交换。

5.根据权利要求4所述的一种电气化铁路牵引供电储能装置，其特征在于：所述控制单元（34）还用于，当所述α供电臂和/或β供电臂下有作为负载的机车（5）处于再生制动工况时，判断出有制动电能回馈至所述牵引变压器（2），并控制所述能量变换电路（31）工作在储能状态，将制动回馈电能储存于所述储能元件（32）中；当作为负载的所述机车（5）工作在大功率耗能工况时，判断出所述牵引变压器（2）的容量不足，并控制所述能量变换电路（31）工作在释能状态，将所述储能元件（32）中的能量释放出来供作为负载的所述机车（5）利用。

6.根据权利要求5所述的一种电气化铁路牵引供电储能装置，其特征在于：所述控制单元（34）还用于，当所述储能装置（3）投入运行时，控制所述PWM变流器（30）稳定所述直流回路的电压，并输出无功及低次谐波电流以动态补偿所连接的α供电臂和/或β供电臂的负载电流。

7.根据权利要求5或6所述的一种电气化铁路牵引供电储能装置，其特征在于：所述控制单元（34）还用于，检测所连接供电臂的电压和电流，并计算该供电臂的总电流I_S、基波有功电流I_P和基波无功电流I_Q；如果判断所述基波有功电流I_P＜0，则所述控制单元（34）控制所述能量变换电路（31）工作在储能状态，将制动回馈电能储存于所述储能元件（32）中，实现节能；如果判断所述总电流I_S＞所连接供电臂的额定电流I_e，则所述控制单元（34）控制所述能量变换电路（31）工作在释能状态，将所述储能元件（32）中的能量释放出来利用，以提高供电能力。

8.根据权利要求7所述的一种电气化铁路牵引供电储能装置，其特征在于：所述控制单元（34）还用于，控制所述PWM变流器（30）稳定直流回路电压，同时控制所述PWM变流器（30）输出无功电流-I_Q以动态补偿所连接供电臂的无功电流；根据检测出的所连接供电臂的电压和电流计算包括三次、五次和七次谐波在内的低次谐波电流的幅值和相位，并控制所述PWM变流器（30）输出幅值相等、相位相反的包括三次、五次和七次谐波在内的低次谐波电流，实现低次谐波补偿。

9.一种利用权利要求1-8中任一权利要求所述的装置实现电气化铁路牵引供电储能的方法，其特征在于：在牵引变电所设置储能装置（3），在牵引变压器（2）输出端的α供电臂或β供电臂与钢轨（6）或地之间连接一套储能装置（3），或在所述牵引变压器（2）输出端的α供电臂和β供电臂与钢轨（6）或地之间各连接一套所述储能装置（3）；所述储能装置（3）包括控制单元（34）和依次相连的PWM变流器（30）、能量变换电路（31）、储能元件（32）；所述控制单元（34）根据包括所述α供电臂和/或β供电臂的电压、电流的大小和方向在内的条件进行综合计算判断，完成对所述PWM变流器（30）和所述能量变换电路（31）的控制，以实现所述储能装置（3）与所连接的供电臂之间的能量交换。

10.根据权利要求9所述的一种电气化铁路牵引供电储能方法，其特征在于：当所述α供电臂和/或β供电臂下有作为负载的机车（5）处于再生制动工况时，所述控制单元（34）判断出有制动电能回馈至所述牵引变压器（2），则控制所述能量变换电路（31）工作在储能状态，将制动回馈电能储存于所述储能元件（32）中；当作为负载的所述机车（5）工作在大功率耗能工况时，所述控制单元（34）判断出所述牵引变压器（2）的容量不足，则控制所述能量变换电路（31）工作在释能状态，将所述储能元件（32）中的能量释放出来供作为牵引负载的所述机车（5）利用。

11.根据权利要求10所述的一种电气化铁路牵引供电储能方法，其特征在于：当所述储能装置（3）投入运行时，所述控制单元（34）控制所述PWM变流器（30）稳定所述直流回路的电压，并输出无功及低次谐波电流以动态补偿所连接的α供电臂和/或β供电臂的负载电流。

12.根据权利要求9、10、11中任一权利要求所述的一种电气化铁路牵引供电储能方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：

S100：当所述储能装置（3）投入运行，所述控制单元（34）检测所连接供电臂的电压和电流，并计算该供电臂的总电流I_S、基波有功电流I_P和基波无功电流I_Q；

S101：所述控制单元（34）判断所述基波有功电流I_P＜0是否成立；

S102：如果基波有功电流I_P＜0，则所述控制单元（34）控制所述能量变换电路（31）工作在储能状态，将制动回馈电能储存于所述储能元件（32）中，实现节能，并进入步骤S103，如果否，则直接进入步骤S103；

S103：所述控制单元（34）判断所述总电流I_S＞所连接供电臂的额定电流I_e是否成立；

S104：如果总电流I_S＞所连接供电臂的额定电流I_e，则所述控制单元（34）控制所述能量变换电路（31）工作在释能状态，将所述储能元件（32）中的能量释放出来利用，以提高供电能力，如果否，则进入步骤S100；

上述步骤S100～S104按顺序循环执行。

13.根据权利要求12所述的一种电气化铁路牵引供电储能方法，其特征在于，所述方法还进一步包括以下步骤：

S201：所述控制单元（34）控制所述PWM变流器（30）稳定直流回路电压，同时控制所述PWM变流器（30）输出无功电流-I_Q以动态补偿所连接供电臂的无功电流；

S202：所述控制单元（34）根据检测出的所连接供电臂的电压和电流计算包括三次、五次和七次谐波在内的低次谐波电流的幅值和相位；

S203：所述控制单元（34）控制所述PWM变流器（30）输出幅值相等、相位相反的包括三次、五次和七次谐波在内的低次谐波电流，实现低次谐波补偿；

上述步骤S201～S203在步骤S100与步骤S101，或步骤S104与步骤S100之间执行。

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