CN109606208A - 一种离网铁路牵引供电系统及调控方法 - Google Patents

一种离网铁路牵引供电系统及调控方法 Download PDF

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    • B60MPOWER SUPPLY LINES, AND DEVICES ALONG RAILS, FOR ELECTRICALLY- PROPELLED VEHICLES
    • B60M3/00Feeding power to supply lines in contact with collector on vehicles; Arrangements for consuming regenerative power

Abstract

本发明公开一种离网铁路牵引供电系统及调控方法,包括接触网、分布式电源变电站、电分相和电分相开关,分布式电源变电站的输出端连接至接触网;在相邻分布式电源变电站的接触网上设置有电分相,在电分相上并联设置有电分相开关;分布式电源变电站包括一级新能源发电装置、二级可控型新能源备用电源和单相升压变压器;一级新能源发电装置和二级可控型新能源备用电源相互独立,且均通过各自的单相升压变压器连接至接触网。本发明实现列车的离电力网运行,提高了微网铁路牵引供电的稳定性和可靠性;适用于无网区,就地消纳清洁能源,实现轨道交通的节能减排、绿色可持续发展;符合我国铁路目前广泛使用的电力传动机车,适用性强。

Description

一种离网铁路牵引供电系统及调控方法
技术领域
本发明属于牵引供电技术领域,特别是涉及一种离网铁路牵引供电系统及调控方法。
背景技术
当前,我国的铁路事业正处于快速发展的时期,截至2017年底,我国铁路营业里程达到了12.74万公里,预计2020年将达到15万公里。在这样快速发展的背后,存在着日益严重的环境污染以及资源消耗的问题。我国铁路年用电量达400亿kWh以上,相当于每年消耗160亿千克标准煤。年来随着清洁能源的发展,将太阳能发电、风力发电和水力发电等可再生能源接入铁路牵引供电系统是解决铁路大规模能耗的主要途径。
牵引供电系统三相-单相的结构与电力机车的负荷特性对电力系统电能质量带来影响。牵引负荷为单相负荷,在系统侧产生负序电流,造成系统三相电压的不平衡;交-直-交型电力机车采用了再生制动技术,再生能量返送回电网,但因其不平衡,也将造成系统三相电压不平衡。由此可结合清洁能源供电考虑其它的牵引供电模式。
目前已有将微电网研究应用在偏远地区用电、商企用电、工业和校园用电等领域,而将其应用于牵引供电系统的研究很少。现有的多需要依靠电力网络结合分布式电源进线铁路牵引供电,无法实现真正意义的离网供电,无法适用于无网地区,为铁路的发展和普及带来了极大的阻碍;并且现有的微网铁路供电系统稳定性和可靠性能较差,无法使列以全线无断点地从接触网平滑取流,无法实现安全可靠的供电。
发明内容
为了解决上述问题,本发明提出了一种离网铁路牵引供电系统及调控方法,能够实现列车的离电力网的供电运行,实现孤岛铁路供电微网的稳定运行,提高了微网铁路牵引供电的稳定性和可靠性;列车可以无断点地从接触网平滑取流;不仅可以适用于无网区,而且可以就地消纳清洁能源,实现轨道交通的节能减排、绿色可持续发展;符合我国铁路目前广泛使用的电力传动机车,适用性强。
为达到上述目的,本发明采用的技术方案是:一种离网铁路牵引供电系统,包括接触网、分布式电源变电站、电分相和电分相开关,所述分布式电源变电站的输出端连接至接触网,在所述接触网上设置有至少一组分布式电源变电站;在所述相邻分布式电源变电站的接触网上设置有电分相,在所述电分相上并联设置有电分相开关;所述分布式电源变电站包括一级新能源发电装置、二级可控型新能源备用电源和单相升压变压器;所述一级新能源发电装置和二级可控型新能源备用电源相互独立,且均通过各自的单相升压变压器连接至接触网。
进一步的是,所述分布式电源变电站包括直流分布式电源单元、交流分布式电源单元、储能电源单元和协调控制单元,所述直流分布式电源单元、交流分布式电源单元和储能电源单元分别通过各自的单相升压变压器并列连接至所述接触网,所述协调控制单元分别与直流分布式电源单元、交流分布式电源单元和储能电源单元的控制端相连接。
进一步的是,所述直流分布式电源单元包括直流分布式电源设备、DC-DC变换器和单相逆变器,所述直流分布式电源设备先通过DC-DC变换器,再通过单相逆变器,将直流电变换为满足需求的交流电并传送至其对应的单相升压变压器,由单相升压变压器升压后传递至接触网;
所述交流分布式电源单元包括交流分布式电源设备、AC-DC整流器和DC-AC逆变器,所述交流分布式电源设备先通过AC-DC整流器整流为直流电,再通过DC-AC逆变器变换为满足需求的交流电并传送至其对应的单相升压变压器,由单相升压变压器升压后传递至接触网;
所述协调控制单元分别与单相逆变器和DC-AC逆变器的控制端相连接。
进一步的是,所述直流分布式电源设备包括燃料电池电源和/或光伏电池电源;所述光伏电池电源作为一级新能源发电装置,所述燃料电池电源作为二级可控型新能源备用电源;
所述交流分布式电源包括燃气轮机电源、风力发电机电源和/或水力发电机电源,所述风力发电机电源作为一级新能源发电装置,所述水力发电机电源作为一级新能源发电装置,所述燃气轮机电源作为二级可控型新能源备用电源。
进一步的是,在所述光伏电池电源中DC-DC变换器采用最大跟随MPPT控制,使其输出最大功率;在所述风力发电机电源中AC-DC整流器采用最大跟随MPPT控制,使其输出最大功率。
进一步的是,所述储能电源单元包括储能电源、双向DC-DC变换器和双向DC-AC变换器,通过双向DC-DC变换器对储能电源进行充放电控制,通过双向DC-AC变换器进行直流到交流或交流到直流的电能转换;所述双向DC-DC变换器的控制端连接至协调控制单元;所述储能装置在负荷轻载时储存能量,在负荷重载时释放能量,配合其它分布式电源供电以保持电能的平衡;
所述储能装置包括蓄电池储能、超导储能、超级电容储能和/或飞轮储能。
进一步的是,在所述接触网上还设置有外部供电转换设备;沿线其它需要供电的设备可以从本系统适当位置取电。电力机车作为交流微网中主要的负荷,主要通过牵引网连接交流母线单相取电;沿线其它需要供电的设备,同样可以从所述的分布式发电系统从适当位置取电。
另一方面,本发明还提供了一种离网铁路牵引供电系统的调控方法,包括步骤:
S100,负荷计算:收集供电段原始数据,计算得到牵引负荷数据;
S200,匹配分析:将分布式电源出力与牵引负荷数据匹配,确定分布式电源的装机容量;
S300,对离网铁路牵引供电系统进行电能管理,包括步骤:
S301,实时监测分布式电源数据作为优化调度的依据,实时监测牵引侧的需求功率、分布式电源输出功率以及储能装置的荷电状态;
S302,根据检测数据,判断是否有牵引负荷,调节直流分布式电源单元和交流分布式电源单元输出方向;
S303,根据检测数据,判断是否存在制动工况,调节制动电能和各个分布式电源的工况,为接触网供电。
进一步的是,在所述步骤S302中,判断供电臂上是否有牵引负荷:
若否,则系统处于空载情况,将直流分布式电源单元和交流分布式电源单元中输出及降功后的所有电能储存在储能装置中;
若是,将继续进行工况判断。
进一步的是,在所述步骤S303中,判断是否存在制动工况:
若是,将制动电能、直流分布式电源单元和交流分布式电源单元输出及降功后的电能储存在储能电源单元中;
若否,由各个分布式电源协同供电;直流分布式电源单元和交流分布式电源单元作为第一优先级给负荷供电,储能电源单元作为第二优先级进行辅助供电;在直流分布式电源单元和交流分布式电源单元不适合发电或者出力不够条件下由储能电源单元补充发电;当分布式电源均不能满足负荷需求,此时增加可控型分布式电源的出力。
采用本技术方案的有益效果:
本发明主要是燃料电池、微型燃气轮机、光伏、风力、水力等清洁能源以分布式电源的形式接入牵引侧,代替原有由电力系统供电的牵引供电系统;无需传统的牵引变电站,分布式电源通过单相升压变压器并联在牵引网上给机车供电,通过对多个分布式电源的能量管理,实现孤岛微网的稳定运行。多种分布式电源协同发电相比较单一清洁能源,提高了供电的稳定性和可靠性;同时配置一定容量的储能,可对清洁能源输出功率进行“削峰填谷”,在铁路轻载时刻,对剩余的电能进行存储,重载时提供电能。除此之外,可以利用燃料电池、微型燃气轮机等提供可控的灵活电源,保证系统安全、稳定运行。
所述分布式电源变电站中有多种分布式电源的交流微网,满足铁路负荷作为一级负荷的供电要求;使得分布式电源既作为工作电源又互为备用,可由风-光-水-储等构成的新能源发电系统作为常用电源组工作,并通过可控型电源燃料电池和微燃机作为备用电源组工作;两组分布式电源同时工作;多个分布式电源和备用电源构成交流微网通过单相升压变压器接入接触网实现供电。本发明采用交流微网的形式,将分布式电源和储能并联在交流母线上给机车供电,符合我国铁路目前广泛使用的电力传动机车,适用性强。
将线路上与电分相并联的开关闭合,分布式电源同时对两端供电臂进行供电,在一个分布式电源变电站的供电分区内形成基于分布式发电的离网铁路牵引供电系统;取消了传统牵引变电所的电分相,通过电分相配合开关,由并联的分布式电源对线路进行两供电臂供电,列车可以无断点地从接触网平滑取流,减少了牵引力和速度的损失。避免枢纽设置复杂的电分相,对于减少牵引力和速度损失具有重要意义,向列车安全可靠的进行不间断供电。将与电分相并联的开关闭合,分布式电源并入牵引供电系统,同时对两供电臂进行供电,在一个牵引变电站的供电分区内形成基于分布式发电的离网铁路牵引供电系统,保证两变电站之间不会互相影响。对单相接入的分布式电源,可进行出力的协调调度以实现最优运行,提高清洁能源的消纳能力和系统的经济性。
分布式电源给牵引负荷提供电能同时保证线路上电压水平,所以分布式电源变电站的位置和安装容量需要根据列车运行数据和当地清洁能源资源情况进行规划,使分布式电源出力满足负荷在离网状态下的供电可靠性;当采用一种分布式电源,将其通过牵引变电所并入接触网;若采用多种分布式电源,将其以交流微电网的形式通过牵引变电所并入接触网。不仅可以适用于无网区,而且可以就地消纳清洁能源,实现轨道交通的节能减排、绿色可持续发展。
另外,本发明提出应用于基于分布式发电的离网铁路牵引供电系统的调控方法,根据实时牵引工况以及清洁能源出力,进行供电模式选择,对分布式电源进行协调出力,来保证电力机车正常电力需求的同时促进一次能源的消纳。
附图说明
图1为本发明的一种离网铁路牵引供电系统的结构示意图;
图2为本发明中分布式电源变电站的结构示意图;
图3为本发明实施例中一种离网铁路牵引供电系统的调控方法的流程示意图;
其中:1为接触网,2为分布式电源变电站,3为电分相,4为电分相开关,5为单相升压变压器;20为协调控制单元,21为直流分布式电源设备,22为交流分布式电源设备,23为储能电源,24为DC-DC变换器,25为单相逆变器,26为AC-DC整流器,27为DC-AC逆变器,28为双向DC-DC变换器,29为双向DC-AC变换器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面结合附图对本发明作进一步阐述。
在本实施例中,参见图1和2所示,本发明提出了一种离网铁路牵引供电系统,包括接触网1、分布式电源变电站2、电分相3和电分相开关4,所述分布式电源变电站2的输出端连接至接触网1,在所述接触网1上设置有至少一组分布式电源变电站2;在所述相邻分布式电源变电站2的接触网1上设置有电分相3,在所述电分相3上并联设置有电分相开关4;所述分布式电源变电站2包括一级新能源发电装置、二级可控型新能源备用电源和单相升压变压器5;所述一级新能源发电装置和二级可控型新能源备用电源相互独立,且均通过各自的单相升压变压器5连接至接触网1。
作为上述实施例的优化方案,所述分布式电源变电站2包括直流分布式电源单元、交流分布式电源单元、储能电源单元和协调控制单元20,所述直流分布式电源单元、交流分布式电源单元和储能电源单元分别通过各自的单相升压变压器5并列连接至所述接触网1,所述协调控制单元20分别与直流分布式电源单元、交流分布式电源单元和储能电源单元的控制端相连接。
所述直流分布式电源单元包括直流分布式电源设备21、DC-DC变换器24和单相逆变器25,所述直流分布式电源设备21先通过DC-DC变换器24,再通过单相逆变器25,将直流电变换为满足需求的交流电并传送至其对应的单相升压变压器5,由单相升压变压器5升压后传递至接触网1;
所述交流分布式电源单元包括交流分布式电源设备22、AC-DC整流器26和DC-AC逆变器27,所述交流分布式电源设备22先通过AC-DC整流器26整流为直流电,再通过DC-AC逆变器27变换为满足需求的交流电并传送至其对应的单相升压变压器5,由单相升压变压器5升压后传递至接触网1;
所述协调控制单元20分别与单相逆变器25和DC-AC逆变器27的控制端相连接。
所述直流分布式电源设备21包括燃料电池电源和/或光伏电池电源;所述光伏电池电源作为一级新能源发电装置,所述燃料电池电源作为二级可控型新能源备用电源;
所述交流分布式电源包括燃气轮机电源、风力发电机电源和/或水力发电机电源,所述风力发电机电源作为一级新能源发电装置,所述水力发电机电源作为一级新能源发电装置,所述燃气轮机电源作为二级可控型新能源备用电源。
在所述光伏电池电源中DC-DC变换器24采用最大跟随MPPT控制,使其输出最大功率;在所述风力发电机电源中AC-DC整流器26采用最大跟随MPPT控制,使其输出最大功率。
作为上述实施例的优化方案,所述储能电源单元包括储能电源23、双向DC-DC变换器28和双向DC-AC变换器29,通过双向DC-DC变换器28对储能电源23进行充放电控制,通过双向DC-AC变换器29进行直流到交流或交流到直流的电能转换;所述双向DC-DC变换器28的控制端连接至协调控制单元20;所述储能装置在负荷轻载时储存能量,在负荷重载时释放能量,配合其它分布式电源供电以保持电能的平衡;
所述储能装置包括蓄电池储能、超导储能、超级电容储能和/或飞轮储能。
作为上述实施例的优化方案,在所述接触网1上还设置有外部供电转换设备;沿线其它需要供电的设备可以从本系统适当位置取电。电力机车作为交流微网中主要的负荷,主要通过牵引网连接交流母线单相取电;沿线其它需要供电的设备,同样可以从所述的分布式发电系统从适当位置取电。
为配合本发明方法的实现,基于相同的发明构思,如图3所示,本发明还提供了一种离网铁路牵引供电系统的调控方法,包括步骤:
S100,负荷计算:收集供电段原始数据,计算得到牵引负荷数据;
S200,匹配分析:将分布式电源出力与牵引负荷数据匹配,确定分布式电源的装机容量;
S300,对离网铁路牵引供电系统进行电能管理,包括步骤:
S301,实时监测分布式电源数据作为优化调度的依据,实时监测牵引侧的需求功率、分布式电源输出功率以及储能装置的荷电状态;
S302,根据检测数据,判断是否有牵引负荷,调节直流分布式电源单元和交流分布式电源单元输出方向;
S303,根据检测数据,判断是否存在制动工况,调节制动电能和各个分布式电源的工况,为接触网1供电。
在所述步骤S302中,判断供电臂上是否有牵引负荷:
若否,则系统处于空载情况,将直流分布式电源单元和交流分布式电源单元中输出及降功后的所有电能储存在储能装置中;
若是,将继续进行工况判断。
在所述步骤S303中,判断是否存在制动工况:
若是,将制动电能、直流分布式电源单元和交流分布式电源单元输出及降功后的电能储存在储能电源单元中;
若否,由各个分布式电源协同供电;直流分布式电源单元和交流分布式电源单元作为第一优先级给负荷供电,储能电源单元作为第二优先级进行辅助供电;在直流分布式电源单元和交流分布式电源单元不适合发电或者出力不够条件下由储能电源单元补充发电;当分布式电源均不能满足负荷需求,此时增加可控型分布式电源的出力。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解,本发明不受上述实施例的限制,上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理,在不脱离本发明精神和范围的前提下,本发明还会有各种变化和改进,这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种离网铁路牵引供电系统,其特征在于,包括接触网(1)、分布式电源变电站(2)、电分相(3)和电分相开关(4),所述分布式电源变电站(2)的输出端连接至接触网(1),在所述接触网(1)上设置有至少一组分布式电源变电站(2);在所述相邻分布式电源变电站(2)的接触网(1)上设置有电分相(3),在所述电分相(3)上并联设置有电分相开关(4);所述分布式电源变电站(2)包括一级新能源发电装置、二级可控型新能源备用电源和单相升压变压器(5);所述一级新能源发电装置和二级可控型新能源备用电源相互独立,且均通过各自的单相升压变压器(5)连接至接触网(1)。
2.根据权利要求1所述的一种离网铁路牵引供电系统,其特征在于,所述分布式电源变电站(2)包括直流分布式电源单元、交流分布式电源单元、储能电源单元和协调控制单元(20),所述直流分布式电源单元、交流分布式电源单元和储能电源单元分别通过各自的单相升压变压器(5)并列连接至所述接触网(1),所述协调控制单元(20)分别与直流分布式电源单元、交流分布式电源单元和储能电源单元的控制端相连接。
3.根据权利要求2所述的一种离网铁路牵引供电系统,其特征在于,所述直流分布式电源单元包括直流分布式电源设备(21)、DC-DC变换器(24)和单相逆变器(25),所述直流分布式电源设备(21)先通过DC-DC变换器(24),再通过单相逆变器(25),将直流电变换为满足需求的交流电并传送至其对应的单相升压变压器(5),由单相升压变压器(5)升压后传递至接触网(1);
所述交流分布式电源单元包括交流分布式电源设备(22)、AC-DC整流器(26)和DC-AC逆变器(27),所述交流分布式电源设备(22)先通过AC-DC整流器(26)整流为直流电,再通过DC-AC逆变器(27)变换为满足需求的交流电并传送至其对应的单相升压变压器(5),由单相升压变压器(5)升压后传递至接触网(1);
所述协调控制单元(20)分别与单相逆变器(25)和DC-AC逆变器(27)的控制端相连接。
4.根据权利要求3所述的一种离网铁路牵引供电系统,其特征在于,所述直流分布式电源设备(21)包括燃料电池电源和/或光伏电池电源;所述光伏电池电源作为一级新能源发电装置,所述燃料电池电源作为二级可控型新能源备用电源;
所述交流分布式电源包括燃气轮机电源、风力发电机电源和/或水力发电机电源,所述风力发电机电源作为一级新能源发电装置,所述水力发电机电源作为一级新能源发电装置,所述燃气轮机电源作为二级可控型新能源备用电源。
5.根据权利要求4所述的一种离网铁路牵引供电系统,其特征在于,在所述光伏电池电源中DC-DC变换器(24)采用最大跟随MPPT控制,使其输出最大功率;在所述风力发电机电源中AC-DC整流器(26)采用最大跟随MPPT控制,使其输出最大功率。
6.根据权利要求2-5中任一所述的一种离网铁路牵引供电系统,其特征在于,所述储能电源单元包括储能电源(23)、双向DC-DC变换器(28)和双向DC-AC变换器(29),通过双向DC-DC变换器(28)对储能电源(23)进行充放电控制,通过双向DC-AC变换器(29)进行直流到交流或交流到直流的电能转换;所述双向DC-DC变换器(28)的控制端连接至协调控制单元(20);所述储能装置在负荷轻载时储存能量,在负荷重载时释放能量,配合其它分布式电源供电以保持电能的平衡;
所述储能装置包括蓄电池储能、超导储能、超级电容储能和/或飞轮储能。
7.根据权利要求1所述的一种离网铁路牵引供电系统,其特征在于,在所述接触网(1)上还设置有外部供电转换设备。
8.一种离网铁路牵引供电系统的调控方法,其特征在于,包括步骤:
S100,负荷计算:收集供电段原始数据,计算得到牵引负荷数据;
S200,匹配分析:将分布式电源出力与牵引负荷数据匹配,确定分布式电源的装机容量;
S300,对离网铁路牵引供电系统进行电能管理,包括步骤:
S301,实时监测分布式电源数据作为优化调度的依据,实时监测牵引侧的需求功率、分布式电源输出功率以及储能装置的荷电状态;
S302,根据检测数据,判断是否有牵引负荷,调节直流分布式电源单元和交流分布式电源单元输出方向;
S303,根据检测数据,判断是否存在制动工况,调节制动电能和各个分布式电源的工况,为接触网(1)供电。
9.根据权利要求8所述的一种离网铁路牵引供电系统的调控方法,其特征在于,在所述步骤S302中,判断供电臂上是否有牵引负荷:
若否,则系统处于空载情况,将直流分布式电源单元和交流分布式电源单元中输出及降功后的所有电能储存在储能装置中;
若是,将继续进行工况判断。
10.根据权利要求9所述的一种离网铁路牵引供电系统的调控方法,其特征在于,在所述步骤S303中,判断是否存在制动工况:
若是,将制动电能、直流分布式电源单元和交流分布式电源单元输出及降功后的电能储存在储能电源单元中;
若否,由各个分布式电源协同供电;直流分布式电源单元和交流分布式电源单元作为第一优先级给负荷供电,储能电源单元作为第二优先级进行辅助供电;在直流分布式电源单元和交流分布式电源单元不适合发电或者出力不够条件下由储能电源单元补充发电;当分布式电源均不能满足负荷需求,此时增加可控型分布式电源的出力。
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