CN105281416A - 一种应用于铁路牵引供电的超导磁储能太阳能供电方案 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于铁路牵引供电的超导磁储能太阳能供电方案，在由太阳能电池组件、超导储能装置和电力输送装置三部分构成分布式太阳能供电铁路牵引供电系统中，利用超导磁储能装置储存的由可再生能源产生电能直接为电力机车提供牵引动力。本发明可以利用太阳能产生电能，再利用超导储能装置无损耗地储存电能，通过交流电力牵引供电系统为沿线机车提供动力。整个系统可作为一个分布式发电系统，低碳环保的为电力机车可靠供电。
Description
技术领域
本发明属于铁路牵引供电技术领域，尤其是一种将带有超导磁储能装置的太阳能发电应用于为电力机车提供牵引动力的系统。
背景技术
一年中太阳辐射到地球表面的能量，相当于人类现有各种能源在同时期内所提供能量的上万倍，成为最具应用潜力的可再生能源。我国太阳能资源主要分布在北纬22°至35°，青藏高原为资源最高值中心，同时西藏地区铁路分布稀疏，列车次数相对较少，架设长距离的牵引供电系统耗材耗力，同时没有有效利用当地丰富的太阳能源。因此，建设一个应用于铁路牵引供电的带有超导磁储能装置的太阳能发电系统具有广阔的发展前景。
太阳能电池是一种通过光射入半导体时所引起的光电效应而直接把光能转化成直流形式电能的器件，目前,单晶硅光伏电池的光能到电能的平均转换效率可达到25％上下。随着太阳能电池的发展，太阳能电池产业在快速增长，发电成本逐渐减小。但是，目前太阳能电池的转换效率仍然较低，常规储能的损耗又相对较大，因此可引入超导利用其零电阻特性制成超导储能装置在超导体线圈内无损耗地储存电能。超导储能装置可以长期无损耗地循环储能,转换效率高达95％，储能线圈通过电力电子变流器接入系统,响应返度快,可以快速充、放电,并能够独立地提供有功和无功功率,装置体积小,重量轻,建造不受地点限制,储能密度大。由于以上优点，超导储能在整个系统中具有重要的作用。
对变流器的控制是超导磁储能的核心问题。90年代初期，Lassesteer和Jalali提出了两种组合式变流器拓扑结构方案，即电流源变流器和电压源变流器。其中，采用电流源变流器，有功功率和无功功率的控制可以通过控制桥的不对称触发进行，但存在无功功率的调节范围窄以及谐波问题。由于超导线圈可以等效为一个电流源，引入直流斩波器即可构成电压源变流器，直流斩波器的控制决定电流的直流侧电压，变压器的控制侧决定输出交流电压的相位角。因此，这种电压源变流器系统可以实现较宽范围的独立有功功率和无功功率的控制。
牵引供电系统是指从电力系统或一次供电系统接受电能，通过变压、变相或换流后，向电力机车负荷提供所需电流制式的电能，并完成牵引电能传输、配电等全部功能的完整系统。我国电气化铁路采用单向工频25kV交流制。牵引供电方式主要有直接供电方式、BT供电方式、AT供电方式、直供加回流线供电方式、同轴电力电缆供电方式等。其中，直接供电方式是指牵引变电所与接触网间不设置任何防干扰设备。这种供电方式的馈电回路结构简单、造价低。目前，直接供电方式下已不设分区亭，而用两个分相绝缘器和一台隔离开关来代替。由于我国铁路沿线每两个牵引变电所之间的距离为40～60KM，为了让接触网末端的电压不低于工作电压，要求牵引变电所馈出的母线上的额定电压为27.5kV。由此可见这种供电方式其损耗相对较高，因此可以考虑利用分布式发电系统来近距离为列车提供能量。
供电方面，以CRH1型动车组为例，CRH1型动车组采用交-直-交传动，即牵引电源经过单向定频交流电压-固定直流-三相变压变频交流电压的转换后，供应交流牵引电动机并驱动列车运行。首先，后电工通过接触网接入25000V(50Hz)的高压交流电，输送给牵引变压器，降压成单向902V(50Hz)的交流电。降压后的交流电在输入整流器，2台并联的四象限脉冲整流器模块(LCM)将输入的交流电整流成两路1650V直流电，其中一台直流电再经过2台IGBT牵引逆变器模块(MCM)你变成电压和频率均可控的三相交流电，输送给牵引电动机牵引列车。
发明内容
为了克服现有技术的以上不足，本发明的目的是提供一种应用于铁路牵引供电的超导磁储能太阳能供电方案。
本发明的目的是这样实现的：
一种应用于铁路牵引供电的超导磁储能太阳能供电方案,在由太阳能电池组件、超导储能装置和电力输送装置三部分构成分布式太阳能供电铁路牵引供电系统中，利用超导磁储能装置储存的由可再生能源产生电能直接为电力机车提供牵引动力，采用如下的工作方式:
由太阳能电池板产生电能，利用串联充电将产生的电能存储于一定容量的多个超导磁储能装置中；当容量达到一定值，超导磁储能装置进入储能模式；当列车到达该区段则启动超导磁储能装置进入并联放电运行模式，这时电能将经过带有一定控制策略的变流器完成超导磁体的受控放电过程，释放三相交流电；由超导磁储能体释放的电能经过三相牵引变压器变为列车可使用的902V工频单相交流电输入接触线，经过四象限脉冲整流器、直流滤波电容器、逆变器为车载电动机供电；列车驶离该供电区段，整个装置停止输电，进入充电运行模式。
采用本发明的方法，可以长时间低损耗的储存由太阳能转变的电能，并利用超导线圈响应返度快，可以快速充、放电的优点，经过变压器将存储的电能供给通过的电力机车。此系统适合于太阳能丰富且列车密度小的地方，如我国的西藏地区，可以合理利用资源，保护环境。
附图说明
图1为本发明为用于铁路牵引供电的带有超导磁储能装置的太阳能发电系统结构原理示意图。
图2为受控充放电流程图。
图3为超导磁体串联充电、并联放电示意图。
图4为超导储能主电路拓扑图。
图5为三相牵引变压器供电接线示意图。
图6为直接供电方式的供电系统图。
图7为应用于铁路牵引供电的带有超导磁储能装置的太阳能发电系统示意图。
图中1.输电线，2.牵引变电所，3.馈电线，4.接触线，5.电力机车，6.钢轨，7.太阳能电池组件，8.超导储能装置与变压器，9.平腕臂，10.承力索，11.支柱，12.母线。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，为用于铁路牵引供电的带有超导磁储能装置的太阳能发电系统结构原理示意图，主要有太阳能电池、超导磁储能系统、牵引共供电系统、列车组成。其中，太阳能电池提供电能由超导磁储能系统储存，在列车需要时经过变流器与变压器变换后提供给列车使用，所以，超导磁储能部分是整个系统设计的关键。
图2所示为超导磁储能受控充放电流程图，在整个控制系统作用下完成充电、储能、放电过程。整个充放电与储能过程应用的是如图3所示的串联充电、并联放电模式，只需要控制K1、K2、K3闭合即进入串联充电模式，充电完成后断开K1闭合K4进入储能模式，列车到达该区域断开K2、K3、K4闭合K5、K6、K7、K8、K9进入并联放电模式，放电完成后再次进入充电模式。
图4为超导储能主电路拓扑图，采用一个电压源型变流器(VoltageSourceConverter,VSC)和一个斩波器(Chopper)组成的变流器装置来连接存储能量用的超导线圈与外界系统,实现线圈与外界的能量交换。VSC部分用来独立地调节超导储能装置输出的有功功率P和无功功率Q,Chopper部分用来控制超导线圈Lsc的充放电速度,并保护超导线圈。经过超导储能主电路，超导线圈中的电流变为三相交流电，再经过图5所示的三相牵引变压器供电接线电路，变为电力机车可用的单相交流电供给机车使用。图6所示为直接供电方式的供电系统图，太阳能电池存储的能量，经过变压器以直接供电方式向机车供电。其中的分区亭用两个分相绝缘器和一台隔离开关来代替。另外，为减少变压器等器件的数量，应延长供电分区，这就要求一个太阳能电池组件能够提供足够的电量，因此可以适当增加太阳能电池的数量。
图7为整个应用于铁路牵引供电的带有超导磁储能装置的太阳能发电系统的效果图，由于超导储能可以有效地减少装置体积，所以可将储能装置和变压器封装在如图7中8所在区域，然后通过平腕臂由母线将电能供给接触线，再由受电弓取流，经车体与铁轨形成回路，驱动机车行驶。
以下为例：在日照时间为8.22小时平均为拉萨市，利用300W36V单晶硅太阳能电池板产生的电能为和谐号CRH1型动车组供电。其中，单晶硅太阳能电池板参数为输出功率36V，峰值电流8.33A，开路电压42.0V，短路电流8.90A，电池板尺寸1956*990*500mm。和谐号CRH1型动车组的参数如表1所示。
表1CRH1型动车组参数
一天时间充电时间约等于8小时，则300W36V单晶硅太阳能电池板产生的电能为2.4kW·h，和谐号CRH1型动车组所需牵引功率为5500kW。那么，一个多晶电池板储存一天的电量可供动车组行驶距离为87.27m。以全长为251公里的拉萨至日喀则铁路为例，理想状态下如果用该套装置为和谐号CRH1型动车组供电，大约只需要2877个供电装置。但是，由于超导储能的放电深度的限制，以及一些不可避免的损耗，应缩短两个供电装置的距离，但同时考虑到资源的充分利用，两个供电装置之间的距离还需要进一步的精确计算。
Claims (5)
1.一种应用于铁路牵引供电的超导磁储能太阳能供电方案,在由太阳能电池组件、超导储能装置和电力输送装置三部分构成分布式太阳能供电铁路牵引供电系统中，利用超导磁储能装置储存的由可再生能源产生电能直接为电力机车提供牵引动力，采用如下的工作方式:
由太阳能电池板产生电能，利用串联充电将产生的电能存储于一定容量的多个超导磁储能装置中；当容量达到一定值，超导磁储能装置进入储能模式；当列车到达该区段则启动超导磁储能装置进入并联放电运行模式，这时电能将经过带有一定控制策略的变流器完成超导磁体的受控放电过程，释放三相交流电；由超导磁储能体释放的电能经过三相牵引变压器变为列车可使用的902V工频单相交流电输入接触线，列车经受电弓取流后经过四象限脉冲整流器、直流滤波电容器、逆变器为车载电动机供电；列车驶离该供电区段，整个装置停止输电，进入充电运行模式。
2.根据权利要求1所述的供电方案，所述直接供电方式为：太阳能电池存储的能量经过变压器以直接供电方式向机车供电；其中的分区亭用两个分相绝缘器和一台隔离开关来代替。
3.根据权利要求1所述的供电方案，所述太阳能发电系统包括主要由太阳能光伏板、控制器、储电池组、DC/AC逆变电路部分组成。
4.根据权利要求1所述的供电方案，所述超导储能装置采用一个电压源型变流器VSC和一个斩波器组成的变流器装置来连接存储能量用的超导线圈与外界系统,实现线圈与外界的能量交换；VSC部分用来独立地调节超导储能装置输出的有功功率P和无功功率Q；Chopper部分用来控制超导线圈Lsc的充放电速度,并保护超导线圈。
5.根据权利要求1所述的供电方案，所述电力输送装置中的变压器采取三相牵引变压器的供电方式将电能输入接触线。
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