CN108437808A - 铁路轨道运载车辆储能系统 - Google Patents

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Abstract

一种铁路轨道运载车辆储能系统，其变流器(10)的输入连接电网(80)，输出连接牵引电机轨道(20)；牵引电机轨道(20)沿铁路轨道(30)布置；铁路轨道(30)与下游铁路道岔(40)和上游铁路道岔(90)连接；下游铁路道岔(40)与下游车辆停放车站(50)连接；上游铁路道岔(90)与上游车辆停放车站(100)连接；调度控制系统(70)的控制信号与上游铁路道岔(90)和下游铁路道岔(40)连接,并与变流器(10)及电网(80)连接。本发明通过铁路轨道运载车辆将重物运送至海拔较高地段，存储电能；在电网需要时，运载车辆将重物沿坡道下行，牵引电机以发电模式运行，在下坡和制动时将动能转化为电能回馈电网，实现储能系统的释能。

Description

铁路轨道运载车辆储能系统
技术领域
本发明涉及电网储能领域，具体涉及一种以铁路轨道运载车辆为载体的电力储能系统。
背景技术
电力储能被视为电网运行过程中除了“发输配用”之外的第五大环节。系统中引入储能环节后，可以更加灵活地实现电网的管理和调度，消除昼夜间峰谷差，平滑负荷。电力储能不仅可以更有效地利用电力设备，降低供电成本，还可以促进可再生能源的应用，也可作为提高系统运行稳定性、调整频率、补偿负荷波动的一种手段。电力储能技术，特别是大规模电力储能技术的应用必将在传统的电力系统设计、规划、调度、控制等方面带来重大变革。
文献储能发展现状与趋势分析(刘英军，刘畅，王伟等.中外能源.2017,22(4):80-88.)中对目前电网储能的储能方案进行了现状分析和介绍，目前电网大规模电力储能技术主要包括：(1)抽水蓄能，具有储能规模大、技术较为成熟等优点，但缺点是对地形要求较高，且受到水资源条件的限制；(2)压缩空气储能，具有储能规模大，储能密度高等优点，缺点是效率较低，自耗散率较高，且需要大型储气装置；(3)电化学储能，优点是技术较为成熟，但具有成本高、容量较小、寿命较短、具有二次污染等缺点。
中国专利201611174477.7提出了一种基于高坡机车的高坡储能装置，包括机车，高坡轨道和控制器；并对控制器的控制单元提出了一系列的控制优化步骤算法。此专利虽然应用了高坡机车储能，但并没有对装置的结构提出具体的设计方案，并且由于其设计的局限性，无法实现对长距离轨道系统的高效率储能和释放能量，以及对储能、释能的精细调节。
发明内容
本发明的目的是克服上述储能技术的限制，提出一种铁路轨道运载车辆储能系统。
本发明铁路轨道运载车辆储能系统具有受到环境影响较小，不受水资源或地质资源的限制；方案损耗小，在能量存储时损失小，在释能过程中效率也较高；设备寿命长，传统的轨道交通的设计寿命均在几十年，期间维护费用较低；储能容量大等优点。此系统可在新能源规模化接入时提供功率支撑、发挥电力削峰填谷、参与调频调压、发展分布式电网等作用。
本发明铁路轨道运载车辆储能系统包括：变流器、牵引电机轨道、铁路轨道系统、下游铁路道岔区域、下游车辆停放车站、运载车辆、调度控制系统、上游铁路岔道区域和上游车辆停放车站。所述的变流器的输入端连接电网，变流器的输出端连接牵引电机轨道。所述的牵引电机轨道沿铁路轨道布置。所述的铁路轨道与所述的下游铁路道岔和所述的上游铁路道岔连接。所述的下游铁路道岔与所述的下游车辆停放车站连接。所述的上游铁路道岔与所述的上游车辆停放车站连接。所述的调度控制系统位于铁路轨道运载车辆储能系统的任意位置，与上游铁路道岔和下游铁路道岔连接，并分别与变流器及电网连接。
当铁路轨道运载车辆储能系统需要存储能量时，铁路轨道运载车辆储能系统通过调度控制系统向变流器发出控制指令，从电网吸收能量，由牵引电机轨道驱动运载车辆行进，将运载车辆由下游车辆停放车站牵引至上游车辆停放车站，从而增加所储存的运载车辆势能。当铁路轨道运载车辆储能系统需要释放能量时，将运载车辆由上游车辆停放车站牵引至下游车辆停放车站，牵引电机轨道工作于发电机状态，所发出的电能通过变流器回馈电网。
所述的铁路轨道系统中轨道坡道倾斜角可以为大于0到90度之间的数值。在所述铁路轨道的铺设范围内，轨道坡道倾斜角可以变动。
所述的铁路轨道系统中，其轨道走向可沿地形地貌建造，可以是直线轨道，可以是弯曲轨道，也可以是沿海拔高度建造的起伏的轨道。
所述的牵引电机轨道包含的牵引电机定子，所述的牵引电机定子和安装在运载车辆上的励磁单元成对安装。所述的牵引电机定子沿铁路轨道布置，位于铁路轨道两侧或铁路轨道的上方或下方。所述的励磁单元安装于运载车辆上，可以安装在车辆两侧，也可以安装在车辆下方或车辆上方。
所述的运载车辆上的励磁单元可以由永磁体构成，可以由电励磁构成，可以由超导磁体构成，也可以是永磁体、电励磁材料或超导磁体组成的混合结构。
所述的牵引电机轨道中的牵引电机定子可以是整体式电机定子，即牵引电机定子整体沿铁路轨道布置。所述的牵引电机定子也可以是分段布置的电机定子，即所述的牵引电机定子分为多个分段布置，通过多组开关的导通和闭合实现电机定子单元的分段接入，同一时刻的所述电机定子单元的多个分段中只有一组连接到变流器。
所述的运载车辆可以是基于长定子直线电机的牵引机车，可以是磁悬浮式电力列车，可以是集中牵引式轮轨列车，可以是动力分散式轮轨列车，也可以索道牵引式缆车结构。
所述的下游铁路道岔可以将下游车辆停放车站中的车辆连接到任意一条铁路轨道，也可以将车辆同时引导到任意多条铁路轨道；所述的上游铁路道岔可以将上游车辆停放车站中的车辆连接到任意一条铁路轨道，也可以将车辆同时引导到任意多条铁路轨道。
所述的调度控制系统可通过不同的储能、释能方式进行车辆调度，可以实现所有运载车辆同时上坡储能或下坡释能；可以针对每一条铁路轨道安排运载车辆分时上坡储能或下坡释能。通过若干列运载车辆不同分时编组的运行策略，实现储能或释放能量的灵活分配。
所述的运载车辆质量可以不相同，所述的调度控制系统可以根据运载车辆具体的质量大小进行调度。不同运载车辆质量的区别可以使调度控制系统灵活调度，通过对不同质量的车辆进行不同的编组式排列组合，实现储能、释能的无级调节。
本发明与现有储能技术相比，优点在于：
1、本发明将轨道交通系统应用于电网储能中，实现了运载车辆势能与电能之间能量转换关系；
2、本发明所提供的方案受环境影响小，适用性更广泛；
3、本发明所提供的方案储能自耗散率小，效率更高；
4、本发明所提供的方案设备寿命长，维护费用低，储能适合于高功率，大容量场合；
5、本发明所提供的方案可实现多种不同输出功率大小的灵活调节，提高了储能的灵活性；
6、本发明所提供的方案具有良好的环保性，无二次污染。
附图说明
图1为本发明组成结构示意图；
图2为本发明第一实施例运载车辆和轨道剖面图；
图3为本发明第二实施例运载车辆和轨道剖面图；
图4为本发明第三实施例分段式动力驱动结构图；
图5为本发明第四实施例分时储能调度示意图；
图6为本发明第五实施例分时储能调度示意图；
图7为本发明第六实施例的铁路轨道结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。
如图1所示，所述的储能系统由变流器10、牵引电机轨道20、铁路轨道30、下游铁路道岔40、下游车辆停放车站50、运载车辆60、调度控制系统70，上游轨道道岔90和上游停车站100构成。变流器10的输入端连接电网80，变流器的输出端连接牵引电机轨道20；牵引电机轨道20沿铁路轨道30布置；铁路轨道30与下游铁路道岔40和上游铁路道岔90连接；下游铁路道岔40与下游车辆停放车站50连接；上游铁路道岔90与上游车辆停放车站100连接；调度控制系统70与上游铁路道岔90和下游铁路道岔40连接；调度控制系统70与变流器10连接；调度控制系统70与电网80连接。
当铁路轨道运载车辆储能系统需要存储能量时，铁路轨道运载车辆储能系统通过调度控制系统70向变流器10发出控制指令，从电网80吸收能量，由牵引电机轨道20驱动运载车辆60行进，将运载车辆60由下游车辆停放车站50牵引至上游车辆停放车站100，从而增加所储存的运载车辆势能；当铁路轨道运载车辆储能系统需要释放能量时，将运载车辆60由上游车辆停放车站100牵引至下游车辆停放车站50，牵引电机轨道20将工作于发电机状态，所发出的电能通过变流器10回馈电网80。
如图2所示，所述的牵引电机轨道20由第一牵引电机定子201，第二牵引电机定子203组成。第一牵引电机定子201和第二牵引电机定子203安装在铁路轨道30沿线上。第一励磁单元202和第二励磁单元204安装在运载车辆60上。运载车辆60的第一支撑轮601和第二支撑轮602与铁路轨道30相连接。
当存在两个或多个轨道并行时，第三牵引电机定子205和第四牵引电机定子207安装在相邻铁路轨道30沿线上。第三励磁单元206和第四励磁单元208安装在运载车辆60上。运载车辆60的第三支撑轮603和第四支撑轮604与铁路轨道30相连接。所述的第一牵引电机定子201和第一励磁单元202成对安装；所述的第二牵引电机定子203和第二励磁单元204成对安装。所述的第三牵引电机定子205和第三励磁单元206成对安装。所述的第四牵引电机定子207和第四励磁单元208成对安装。
所述的牵引电机轨道20中的第一励磁单元202，第二励磁单元204可以由永磁体构成，可以由电励磁构成，可以由超导磁体构成，也可以是由永磁体、电励磁材料或超导磁体组成的混合结构。
如图3所示，所述的牵引电机轨道20中的第五牵引电机定子209，可安装于铁路轨道两侧，也可安装于铁路轨道上方或下方。所述的安装于运载车辆60上的第五励磁单元210也随安装在铁路轨道30沿线的第五牵引电机定子209的位置做相应变化，可以安装在车辆两侧，也可以安装在车辆下方或车辆上方。
如图4所示，所述的牵引电机轨道20中的第一牵引电机定子201，第二牵引电机定子203可以是整体式电机定子，即牵引电机定子是整体沿铁路轨道布置；也可以是分段布置的电机定子，即所述的牵引电机定子可分为多个分段进行布置。
所述的变流器10为分段式的第一牵引电机定子201和第二牵引电机定子203进行供电，变流器10的输入与电网80相连接，连接的电气接口102可以是变压器连接，可以是电缆连接，也可以是架空线连接。变流器10的输出与牵引电机轨道20相连接，电气接口101可以是电缆连接，也可以是架空线连接。第一开关110连接变流器10与第一牵引电机定子201的不同分段；第二开关111连接变流器10与第二牵引电机定子203的不同分段。
分段式的第一牵引电机定子201、第二牵引电机定子203可通过第一开关110、第二开关111的导通和闭合实现第一牵引电机定子201、第二牵引电机定子203的分段接入，同一时刻的所述第一牵引电机定子201、第二牵引电机定子203中不同分段连接至变流器10。
如图5所示，所述的下游铁路道岔40可以将下游车辆停放车站50中的运载车辆60连接到任意一条铁路轨道30，也可以将所有运载车辆60同时引导到任意多条铁路轨道30；所述的上游铁路道岔90可以将上游车辆停放车站100中的运载车辆60连接到任意一条铁路轨道30，也可以将运载车辆60同时引导到任意多条铁路轨道30。
所述的调度控制系统70可通过不同的储能、释能方式进行车辆调度，可以实现所有运载车辆60同时上坡储能或下坡释能，最大限度的快速从电网80吸收能量，或将存储的能量全部快速释放。
如图6所示，所述的调度控制系统70可将所有运载车辆60通过若干列一组的方式，对运载车辆60的进行分时编组的运行策略，从而实现储存或释放能量的灵活分配。
所述的运载车辆60质量可以不相同，所述的调度控制系统70可以根据运载车辆60具体的质量大小进行调度。
所述的铁路轨道系统30中轨道坡道倾斜角θ可以是从大于0到90度之间的数值。所述的铁路轨道系统30中轨道的走向可沿地形地貌进行建造，可以是直线轨道，可以是弯曲轨道，也可以是沿海拔高度建造的起伏的轨道。
实施例1
当存在两个或多个轨道并行时，第一牵引电机定子201，第二牵引电机定子203，安装在铁路轨道30沿线上；第三牵引电机定子205和第三牵引电机定子207安装在相邻铁路轨道30沿线上。第一励磁单元202，第二励磁单元204安装在运载车辆60上。第三励磁单元206和第四励磁单元208安装在相邻的运载车辆60上。
实施例2
如图3所示，所述的牵引电机轨道20中的第五牵引电机定子209安装于铁路轨道下方。安装于运载车辆60上的所述的第五励磁单元210随安装在铁路轨道30沿线的第五牵引电机定子209的位置做相应变化，安装在车辆下方。
实施例3
如图4所示，所述的变流器10为分段式的第一牵引电机定子201和第二牵引电机定子203进行供电，变流器10的输入与电网80相连接，电气接口102为变压器结构连接。变流器10的输出与牵引电机轨道20相连接，电气接口101为电缆连接。第一开关110连接变流器10与第一牵引电机定子201的不同分段；第二开关111连接变流器10与第二牵引电机定子203的不同分段。
分段式的第一牵引电机定子201、第二牵引电机定子203可通过第一开关110、第二开关111的导通和闭合实现第一牵引电机定子201、第二牵引电机定子203的分段接入至变流器10。
实施例4
如图5所示，所述的调度控制系统70可通过不同的储、释能方式进行车辆调度，可以实现所有运载车辆60同时上坡储能或下坡释能，最大限度的快速从电网80吸收能量，或将存储的能量全部快速释放。
实施例5
如图6所示，所有运载车辆60通过三列一组的方式，对运载车辆60的进行分时编组的运行策略，从而实现储存或释放能量的灵活分配。
实施例6
如图6所示，所述的铁路轨道系统30中轨道坡道存在倾斜角θ，铁路轨道是海拔高度起伏的，即倾斜角θ在整个行程中是存在变化的。

Claims (10)

1.一种铁路轨道运载车辆储能系统，其特征在于：所述的储能系统由变流器(10)、牵引电机轨道(20)、铁路轨道(30)、下游铁路道岔(40)、下游车辆停放车站(50)、运载车辆(60)、调度控制系统(70)，上游轨道道岔(90)和上游停车站(100)构成；变流器(10)的输入端连接电网(80)，变流器的输出连接牵引电机轨道(20)；牵引电机轨道(20)沿铁路轨道(30)布置；铁路轨道(30)与下游铁路道岔(40)和上游铁路道岔(90)连接；下游铁路道岔(40)与下游车辆停放车站(50)连接；上游铁路道岔(90)与上游车辆停放车站(100)连接；调度控制系统(70)与上游铁路道岔(90)和下游铁路道岔(40)连接；调度控制系统(70)与变流器(10)连接；调度控制系统(70)与电网(80)连接。
当所述的铁路轨道运载车辆储能系统需要存储能量时，所述的调度控制系统(70)向变流器(10)发出控制指令，从电网(80)吸收能量，由牵引电机轨道(20)驱动运载车辆行进，将运载车辆(60)由下游车辆停放车站(50)牵引至上游车辆停放车站(100)，从而增加所储存的运载车辆(60)势能。当铁路轨道运载车辆储能系统需要释放能量时，将运载车辆(60)由上游车辆停放车站(100)牵引至下游车辆停放车站(50)，牵引电机轨道(20)工作于发电机状态，所发出的电能通过变流器(10)回馈电网(80)。
2.根据权利要求1所述的铁路轨道运载车辆储能系统，其特征在于：铁路轨道(30)的轨道坡道倾斜角θ为从大于0度到90度之间的数值。
3.根据权利要求1所述的铁路轨道运载车辆储能系统，其特征在于：铁路轨道(30)的走向沿地形地貌建造，为直线轨道，或弯曲轨道，或为沿海拔高度建造的起伏的轨道。
4.根据权利要求1所述的铁路轨道运载车辆储能系统，其特征在于：所述的牵引电机轨道(20)上的第一牵引电机定子(201)和安装在运载车辆(60)上的第一励磁单元(202)成对安装；所述的第一牵引电机定子(201)在沿铁路轨道(30)安装；所述的第一励磁单元(202)安装在车辆(60)两侧，或者安装在车辆下方或车辆上方。
5.根据权利要求4所述的铁路轨道运载车辆储能系统，其特征在于：所述的第一励磁单元(202)由永磁体、电励磁材料或者超导磁体构成，或者是由永磁体、电励磁材料或超导磁体的混合结构。
6.根据权利要求4所述的铁路轨道运载车辆储能系统，其特征在于：所述的第一牵引电机定子(201)是整体式电机定子，或者是分段布置的电机定子，所述的分段布置的电机定子即通过多组开关的导通和闭合实现电机定子单元的分段接入。
7.根据权利要求1所述的铁路轨道运载车辆储能系统，其特征在于：所述的运载车辆(60)为基于长定子直线电机的牵引机车，或为磁悬浮式电力列车，或为集中牵引式轮轨列车，或为动力分散式轮轨列车，或为索道牵引式缆车。
8.根据权利要求1所述的铁路轨道运载车辆储能系统，其特征在于：所述的下游铁路道岔(40)将下游车辆停放车站(50)中的车辆连接到任意一条铁路轨道(30)，或将多个车辆同时引导到任意多条铁路轨道(30)；所述的上游铁路道岔(90)将上游车辆停放车站(100)中的车辆连接到任意一条铁路轨道(30)，或将多个车辆同时引导到任意多条铁路轨道(30)。
9.根据权利要求1所述的铁路轨道运载车辆储能系统，其特征在于：通过不同的储能、释能方式进行车辆调度，实现所有运载车辆(60)同时上坡储能或下坡释能；针对每一条铁路轨道(30)安排运载车辆(60)分时上坡储能或下坡释能。
10.根据权利要求1所述的铁路轨道运载车辆储能系统，其特征在于：运载车辆(60)质量不相同，调度控制系统(70)根据运载车辆(60)质量大小进行调度。
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