CN110994690A - 基于多源接入结构的电气化铁路牵引供电系统及方法 - Google Patents

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金成日
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Abstract

本申请公开了一种基于多源接入结构的电气化铁路牵引供电系统及方法，所述系统包括电源单元、储能单元与牵引网单元，所述电源单元至少包括分散式风电机组、分布式光伏组、燃料电池组、柴油机/小水电组、配电网和高压电网中的两种；所述储能单元包括储能设备、储能变流器和分裂式牵引变压器。本发明所述的电气化铁路牵引供电系统及方法，摆脱了对高压电网的过渡依赖，可根据电气化铁路建设地的风、光、水等自然禀赋及其他便利电源，灵活组成能量供给系统，利用储能单元“全时汇聚、按需释放”的能量迁移技术特性，实现薄弱网架甚至无网架下的牵引供电网安全、可靠、持续的供电，同时解决现有电气化铁路牵引供电系统的诸多不利问题。

Description

基于多源接入结构的电气化铁路牵引供电系统及方法
技术领域
本发明涉及一种基于多源接入结构的电气化铁路牵引供电系统及方法，属于铁路网领域。
背景技术
电气化铁路交通是实现我国区域经济一体化、跨区域经济发展的协同化、解决不同地区社会经济发展不平衡性的重要支撑。但现有电网与牵引供电系统耦合紧密，相互影响大，存在诸多问题，具体如下：
(一)现有牵引供电系统给电网侧带来的不利影响
(1)现有电气化铁路牵引网和电网架构下，无法利用高压电网以外的其他类型电源电能。
(2)牵引网沿线配置的众多电分相设备投资巨大，运维成本高。
(3)电力机车为大功率、不对称、脉冲式的单相负荷，不仅严重影响220kV/110kV高压电网的电能质量(负序、谐波、功率因素)，而且增加电网调峰压力。
(二)现有牵引供电系统给铁路侧带来的不利影响
(1)牵引供电系统过渡依赖网架坚强高压电网，导致电网薄弱地区(如川藏、青藏等地区)电气化铁路建设难度大、代价高，严重影响我国铁路电气化技术的推广。
(2)现有电铁牵引系统运行的可靠性、连续性与安全性完全取决于电网系统，一旦电网发生故障，会给电气化铁路运营带来重大负面影响。
有鉴于此，本发明人对此进行研究，专门开发出一种基于多源接入结构的电气化铁路牵引供电系统及方法，本案由此产生。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于多源接入结构的电气化铁路牵引供电系统及方法，可实现薄弱网架甚至无网架下的牵引网安全、可靠、持续的供电。
为了实现上述目的，本发明的解决方案是：
基于多源接入结构的电气化铁路牵引供电系统，包括电源单元、储能单元与牵引网单元，所述电源单元为储能单元充电，储能单元为牵引网单元供电，满足机车供电需求；其中，所述电源单元至少包括分散式风电机组、分布式光伏组、燃料电池组、柴油机/小水电组、配电网和高压电网中的两种；所述储能单元包括储能设备、与储能设备相连的若干台储能变流器，以及用于升压的分裂式牵引变压器。
作为优选，所述风散式风电机组、分布式光伏组、燃料电池组组成直流微网结构或交流微网协同为储能设备充电。
作为优选，所述柴油机/小水电组通过低压交流母线(出口电压等级决定)直接为储能设备提供电能。
作为优选，所述配电网为10/35kV配电网，所述高压电网为66/110/220kV高压电网，所述10/35kV配电网通过降压变压器与低压交流母线(0.4kV)相连(便于变压器、开关等设备选型)，为储能设备充电；所述66/110/220kV高压电网通过牵引降压变压器、开关(供电臂有机车通过开关断开，供电臂无机车通过开关闭合)与高压交流母线(27.5kV)相连(便于变压器、开关等设备选型)，为储能设备提供电能。
作为优选，所述燃料电池组与制氢设备相连，通过制氢设备产生电能。
作为优选，所述储能设备采用电化学储能设备、物理储能设备、电磁储能设备中的一种或几种。
作为优选，所述电化学储能设备采用铅酸电池、铅炭电池、钠硫电池、全返液流电池、锂电池或燃料电池中的一种或几种。
作为优选，所述物理储能设备采用抽水蓄能、飞轮储能或压缩空气中的一种或几种。
作为优选，所述电磁储能设备采用超级电容或超导电磁中的一种或几种。
基于多源接入结构的电气化铁路牵引供电系统的供电方法，包括如下步骤：
(1)当两供电臂机车牵引时，电源单元为储能单元小电流均衡充电，储能单元发出电能满足机车用电需求，具体量化关系为
Figure BDA0002350959470000021
式中：Pload为两机车总需求功率；Pα、Pβ分别为两供电臂上机车功率需求；Pdeα、Pdeβ分别为储能单元向两个供电臂提供的功率；Ps为电源单元给储能单元的充电功率；PE放、PE充分别为储能单元实际消耗功率与充电功率。
(2)当一供电臂机车牵引，另一供电臂机车制动时，电源单元为储能单元小电流均衡充电，储能单元满足牵引机车用电需求，同时回收制动机车回馈能量，具体量化关系为
Figure BDA0002350959470000031
式中：Pceβ为制动机车回馈能量。
(3)当一供电臂机车牵引，另一供电臂机空载时，电源单元为储能单元小电流均衡充电，储能单元满足牵引机车用电需求，具体量化关系为
Figure BDA0002350959470000032
(4)当两供电臂机车制动时，电源单元为储能单元小电流均衡充电，储能单元回收机车制动能量，具体量化关系为
PE充＝Ps+Pceα+Pceβ (4)
式中：Pceα为一供电臂制动机车回馈能量。
(5)当一供电臂机车制动，另一供电臂机空载时，电源单元为储能单元小电流均衡充电，储能单元回收机车制动能量，具体量化关系为
PE充＝Ps+Pceα (5)
(6)当两供电臂空载时，电源单元为储能单元小电流均衡充电，具体量化关系为
PE充＝Ps (6)
本发明所述的基于多源接入结构的电气化铁路牵引供电系统及方法，摆脱了对高压电网的过渡依赖，可根据电气化铁路建设地的风、光、水等自然禀赋及其他便利电源，灵活组成能量供给系统，利用储能单元“全时汇聚、按需释放”的能量迁移技术特性，实现薄弱网架甚至无网架下的牵引供电网安全、可靠、持续的供电，同时解决现有电气化铁路牵引供电系统的诸多不利问题。
以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细描述。
附图说明
图1为实施例1的基于多源接入结构的电气化铁路牵引供电系统拓扑结构图(共直流微网)；
图2为实施例2的基于多源接入结构的电气化铁路牵引供电系统拓扑结构图(共交流微网)；
图3为实施例3能量流动示意图(工况1)；
图4为实施例3能量流动示意图(工况2)；
图5为实施例3能量流动示意图(工况3)；
图6为实施例3能量流动示意图(工况4)；
图7为实施例3能量流动示意图(工况5)；
图8为实施例3能量流动示意图(工况6)；
图9为实施例3中6种工况下能量量化关系示意图。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，一种基于多源接入结构的电气化铁路牵引供电系统，包括电源单元1、储能单元2与牵引网单元3。所述电源单元1为多类型电源单元，可结合当地具体资源条件和电网结构按需配置各类电源，灵活组合。可以包括A台分散式风电机组11、B套分布式光伏组12、C台燃料电池组13、D台柴油机/小水电组14、10/35kV配电网15和66/110/220kV高压电网16。
所述储能单元2包括N套储能设备21、与储能设备21相连的N*m台储能变流器22，以及用于升压的N台分裂式牵引变压器23。所述储能设备21可以采用电化学储能设备、物理储能设备、电磁储能设备中的一种或几种。所述电化学储能设备采用铅酸电池、铅炭电池、钠硫电池、全返液流电池、锂电池或燃料电池中的一种或几种。所述物理储能设备采用抽水蓄能、飞轮储能或压缩空气中的一种或几种。所述电磁储能设备采用超级电容或超导电磁中的一种或几种。具体可以根据实际工程地理位置、当地资源、技术成熟度与特性、经济性等决定，并以定制化方式配置储能容量和技术方案。储能单元2实时汇聚多类异型电源能量，满足电力接车通过时所需电能。储能变流器22实现储能直流电到交流电之间的双向变换。
在本实施例中，所述风散式风电机组11、分布式光伏组12、燃料电池组13组成直流微网结构协同为储能设备21充电。所述燃料电池组13与制氢设备17相连，通过制氢设备17产生电能。所述柴油机/小水电组14通过0.4kV低压交流母线(出口电压等级决定)直接为储能设备21提供电能。所述10/35kV配电网通过降压变压器4与0.4kV低压交流母线相连(便于变压器、开关等设备选型)，为储能设备充电；所述66/110/220kV高压电网通过牵引降压变压器5、开关6(供电臂有机车通过开关6断开，供电臂无机车通过开关6闭合)与27.5kV高压交流母线相连(便于变压器、开关等设备选型)，为储能设备21提供电能。所述0.4kV低压交流母线通过分段开关24实现各段之间的互联，加分段开关24可便于低压母线容量的选择。m台储能变流器22与1台分裂式牵引变压器23相连，实现储能能量的传递。N台分裂式牵引变压器23将0.4kV交流低压升压组成27.5kV牵引网，满足机车供电需求。
所述牵引网单元3主要由接触线、轨道、回流线、机车、开闭所等构成。
上述基于多源接入结构的电气化铁路牵引供电系统，包括根据运行状态，可以划分为3种运行情况：
(1)储能放电模式(按需)：当主控监测到供电臂有机车通过且处于牵引状态时，此时多个储能协同出力(如电源单元1中有配电网或者高压电网，则此时与相连的开关断开，避免影响电网电能质量，风电、光伏或燃料电池等设备可为继续为储能充电)，满足电力机车用电需求。
(2)储能充电模式(全时)：当主控系统监测到供电臂无机车通过或运行于惰行状态时，电源单元1中各类异型电源为储能设备21小电流均衡充电；当主控系统监测到供电臂机车运行于制动状态时，各类异型电源(如电源单元包含配电网或高压电网，连接开关断开，处于热备用状态，不为储能单元充电)为储能设备21小电流均衡充电，同时储能单元2回收电力机车制动能量。
(3)储能辅助服务模式(根据计划)：当电源单元1组成部分包含配电网或者高压电网、且电网需要调峰、调频、调压等辅助服务时，所述牵引供电系统在满足机车供电需求的前提下，储能单元2根据电网下达的计划出力曲线与电网智能互动，为电网提供辅助服务。
实施例2
在本实施例中，如图2所示，所述风散式风电机组11、分布式光伏组12、燃料电池组13组成交流微网结构协同为储能设备21充电。风散式风电机组11、分布式光伏组12、燃料电池组13汇集于0.7kV交流母线(电压等级由风电机组交流出口电压决定)，其他部分电气连接情况及设备原理与实施例1相同，因此不再赘述。
实施例3
基于多源接入结构的电气化铁路牵引供电系统的供电方法，包括如下步骤：
(1)工况1：如图3所示，当两供电臂机车牵引时，电源单元1为储能单元2小电流均衡充电，储能单元2发出电能满足机车用电需求，具体量化关系为
Figure BDA0002350959470000061
式中：Pload为两机车总需求功率；Pα、Pβ分别为两供电臂上机车功率需求；Pdeα、Pdeβ分别为储能单元2向两个供电臂提供的功率；Ps为电源单元1给储能单元的充电功率；PE放、PE充分别为储能单元2实际消耗功率与充电功率。
(2)工况2：如图4所示，当一供电臂机车牵引，另一供电臂机车制动时，电源单元1为储能单元2小电流均衡充电，储能单元2满足牵引机车用电需求，同时回收制动机车回馈能量，具体量化关系为
Figure BDA0002350959470000062
式中：Pceβ为制动机车回馈能量。
(3)工况3：如图5所示，当一供电臂机车牵引，另一供电臂机空载时，电源单元1为储能单元2小电流均衡充电，储能单元2满足牵引机车用电需求，具体量化关系为
Figure BDA0002350959470000063
(4)工况4：如图6所示，当两供电臂机车制动时，电源单元1为储能单元2小电流均衡充电，储能单元2回收机车制动能量，具体量化关系为
PE充＝Ps+Pceα+Pceβ (4)
式中：Pceα为一供电臂制动机车回馈能量。
(5)工况5：如图7所示，当一供电臂机车制动，另一供电臂机空载时，电源单元1为储能单元2小电流均衡充电，储能单元2回收机车制动能量，具体量化关系为
PE充＝Ps+Pceα (5)
(6)工况6：如图8所示，当两供电臂空载时，电源单元1为储能单元2小电流均衡充电，具体量化关系为
PE充＝Ps (6)
图9为上述6种工况下能量量化关系示意图。
本申请所述的基于多源接入结构的电气化铁路牵引供电系统及方法，具有如下优点：
一、对铁路侧的益处
(1)这种基于储能和多源接入结构的电气化铁路新型牵引供电系统颠覆了电铁牵引系统传统供电模式，根据不同地区风、光、水等自然禀赋和电网架构，利用储能对多类异型电源“全时汇聚、按需释放”的能量时间迁移技术特性，以定制化方式设计牵引供电系统的供电方案，实现电网薄弱甚至无网地区电铁牵引供电系统的经济建设。
(2)改变了现有牵引变电站，削减甚至取消大容量牵引变压器，同时大幅提高变压器的利用率，大幅降低了每年缴纳的容量电费。
(3)通过储能单元2可以利用PCS变流器的无功调节能力，减小SVC/SVG等无功调节设备的容量，降低设备初始投资及后期运维费用。
(4)利用储能单元2可以完全回收机车和动车组制动能量，避免了高品质电能的浪费，弱化了机车散热设备的压力，同时机车无需装配大量的卸荷电阻，减轻了车载重量，利于机车和动车组轻载化设计。
(5)所述牵引供电系统中的电气设备采用模块化设计，根据现场位置合理分散布置电气设备，大幅减小土建现场设备安装施工量，缩短工程建设周期，降低建设成本，减小土地面积占用，生态影响小。
(6)电源类型与储能类型选取广泛、组合自由，可以完全独立于电网，就地利用风光水等自然禀赋实现电气化铁路系统能量供给的自洽性，电气网架配置集约精简，提高了电气化铁路建设的灵活性
(7)所述牵引供电系统布置分散化、设备单元化、控制集中化，电源单元与储能单元配置冗余度较高，牵引供电的连续性、可靠性及安全性较高。
(8)可实现清洁推动高铁，促进了新能源/可再生能源与铁路融合发展，提高了牵引供电系统的持续稳定性和对能源供给条件和环境的适应性，完善了我国电气化铁路技术体系，引领了电气化铁路绿色发展，为电网薄弱甚至无网地区建设运营电气化铁路提供了可行性的解决方案。
二、对电网侧的益处
(1)利用储能阻隔了牵引网与电网的直接联系，实现了电网与牵引网的松耦合，消除了现有牵引供电系统给高压电网带来的负序、谐波、功率因素等电能质量影响。
(2)可以消除牵引供电系统给高压电网带来的电能质量影响，因此可以取消大量的电分相设备，大幅降低工程建设投入及后期运维成本。
(3)无需架设220kV高压输电线路及高压牵引变电站，减少与之相关的一二次电气设备，降低土地征用面积，大幅降低工程造价、缩短工程周期、减小后期运维成本。
(4)兼具牵引变电站和储能电站功能，实现了两者功能“合二为一”，不仅可以满足机车用电需求，也可以为电网提供调峰、调频、调压等辅助服务，提高了电网的调节裕度，促进了电网高比例清洁能源的构建。
(5)电源单元中的电源单体容量较小，多类异型电源实时协同为储能单元小电流均衡充电(益于延长储能系统寿命，提高变压器利用率)，储能单元则汇聚各类电源电能，待机车运行于牵引状态时集中释放，满足大功率、冲击性机车负荷的供电，以小博大，实现了小电源为大功率、间歇性负荷安全可靠持续的供电。
(6)储能单元2可以作为电铁牵引供电系统的紧急供电电源，亦可作为电网的黑启动电源。
(7)供电绿色清洁、环境友好，提高了清洁能源发电的比例。
以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.基于多源接入结构的电气化铁路牵引供电系统，其特征在于：包括电源单元、储能单元与牵引网单元，所述电源单元为储能单元充电，储能单元为牵引网单元供电，满足机车供电需求；其中，所述电源单元至少包括分散式风电机组、分布式光伏组、燃料电池组、柴油机/小水电组、配电网和高压电网中的两种；所述储能单元包括储能设备、与储能设备相连的若干台储能变流器，以及用于升压的分裂式牵引变压器。
2.如权利要求1所述的基于多源接入结构的电气化铁路牵引供电系统，其特征在于：所述风散式风电机组、分布式光伏组、燃料电池组组成直流微网结构或交流微网协同为储能设备充电。
3.如权利要求1所述的基于多源接入结构的电气化铁路牵引供电系统，其特征在于：所述柴油机/小水电组通过低压交流母线直接为储能设备提供电能。
4.如权利要求1所述的基于多源接入结构的电气化铁路牵引供电系统，其特征在于：所述配电网为10/35kV配电网，所述高压电网为66/110/220kV高压电网，所述10/35kV配电网通过降压变压器与低压交流母线相连，为储能设备充电；所述66/110/220kV高压电网通过牵引降压变压器、开关与高压交流母线相连，为储能设备提供电能。
5.如权利要求1所述的基于多源接入结构的电气化铁路牵引供电系统，其特征在于：所述燃料电池组与制氢设备相连，通过制氢设备产生电能。
6.如权利要求1所述的基于多源接入结构的电气化铁路牵引供电系统，其特征在于：所述储能设备采用电化学储能设备、物理储能设备、电磁储能设备中的一种或几种。
7.如权利要求6所述的基于多源接入结构的电气化铁路牵引供电系统，其特征在于：所述电化学储能设备采用铅酸电池、铅炭电池、钠硫电池、全返液流电池、锂电池或燃料电池中的一种或几种。
8.如权利要求6所述的基于多源接入结构的电气化铁路牵引供电系统，其特征在于：所述物理储能设备采用抽水蓄能、飞轮储能或压缩空气中的一种或几种。
9.如权利要求6所述的基于多源接入结构的电气化铁路牵引供电系统，其特征在于：所述电磁储能设备采用超级电容或超导电磁中的一种或几种。
10.基于多源接入结构的电气化铁路牵引供电系统的供电方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)当两供电臂机车牵引时，电源单元为储能单元小电流均衡充电，储能单元发出电能满足机车用电需求，具体量化关系为
Figure FDA0002350959460000021
式中：Pload为两机车总需求功率；Pα、Pβ分别为两供电臂上机车功率需求；Pdeα、Pdeβ分别为储能单元向两个供电臂提供的功率；Ps为电源单元给储能单元的充电功率；PE放、PE充分别为储能单元实际消耗功率与充电功率；
(2)当一供电臂机车牵引，另一供电臂机车制动时，电源单元为储能单元小电流均衡充电，储能单元满足牵引机车用电需求，同时回收制动机车回馈能量，具体量化关系为
Figure FDA0002350959460000022
式中：Pceβ为制动机车回馈能量；
(3)当一供电臂机车牵引，另一供电臂机空载时，电源单元为储能单元小电流均衡充电，储能单元满足牵引机车用电需求，具体量化关系为
Figure FDA0002350959460000023
(4)当两供电臂机车制动时，电源单元为储能单元小电流均衡充电，储能单元回收机车制动能量，具体量化关系为
PE充＝Ps+Pceα+Pceβ (4)
式中：Pceα为一供电臂制动机车回馈能量；
(5)当一供电臂机车制动，另一供电臂机空载时，电源单元为储能单元小电流均衡充电，储能单元回收机车制动能量，具体量化关系为
PE充＝Ps+Pceα (5)
(6)当两供电臂空载时，电源单元为储能单元小电流均衡充电，具体量化关系为
PE充＝Ps。 (6)。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114243745A (zh) * 2021-12-22 2022-03-25 西安交通大学 一种耦合地铁运行的地下储能系统

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