CN111959350A - 一种基于源网荷储用的一体化牵引供电系统架构 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种基于源网荷储用的一体化牵引供电系统架构。该一体化牵引供电系统架构至少包括：牵引供电系统、轨道交通车辆、储能模块以及测控模块；所述牵引供电系统用于为所述轨道交通车辆供电；所述轨道交通车辆消耗电能或通过再生制动反馈电能；所述测控模块在所述轨道交通车辆反馈电能时，控制所述储能模块储存反馈的电能。本公开实施例可以解决现有的正反向潮流冲击、再生能量回收利用和牵引网不稳定的问题。

Description

一种基于源网荷储用的一体化牵引供电系统架构

技术领域

本公开涉及电气化铁路技术领域，尤其涉及一种基于源网荷储用的一体化牵引供电系统架构。

背景技术

随着干线铁路延伸至复杂艰险山区，列车运行过程中经常出现长大坡道多、桥隧比例高以及列车再生制动频繁等情况。对于复杂艰险山区的铁路工程，其线路起伏较多，陡坡地段较长，且坡度差通常较大，各类爬坡峰值功率与再生能量频繁交替出现；与此同时，铁路沿线外部薄弱电网，由此更加加剧了牵引供电系统，尤其是牵引网由于正反向潮流冲击而导致的牵引网网压浮动较大的问题。

发明内容

为了解决上述技术问题或者至少部分地解决上述技术问题，本公开提供了一种基于源网荷储用的一体化牵引供电系统架构，以稳定牵引网电压。

本公开提供了一种基于源网荷储用的一体化牵引供电系统架构，该一体化牵引供电系统架构包括牵引供电系统、轨道交通车辆、储能模块以及测控模块；

所述牵引供电系统用于为所述轨道交通车辆供电；所述轨道交通车辆消耗电能或通过再生制动反馈电能；所述测控模块在所述轨道交通车辆反馈电能时，控制所述储能模块储存反馈的电能，以及在所述轨道交通车辆消耗电能时，控制所述轨道交通车辆受电。

可选的，所述储能模块包括依次电连接的单相匹配变压器、单相交直变换器、直流环节、直直变换器以及储能元件；

所述单相匹配变压器与所述牵引供电系统电连接。

可选的，所述牵引供电系统包括接触网、钢轨和牵引变电所；

所述单相匹配变压器的输入侧两端分别与所述接触网和所述钢轨电连接。

可选的，所述测控模块包括电气采集子模块和处理控制子模块；

所述电气采集子模块设置于所述接触网上，用于监测所述轨道交通车辆的工作参数，并传输至所述处理控制子模块；

所述处理控制子模块用于根据所述工作参数确定所述轨道交通车辆的运行状态，并根据所述轨道交通车辆的运行状态控制所述牵引网和所述储能模块共同为所述轨道交通车辆供电，或者控制所述牵引网单独为所述轨道交通车辆供电。

可选的，所述工作参数包括驱动电流、驱动电压、驱动功率、运行速度、运行加速度中的至少一个。

可选的，所述轨道交通车辆包括列车。

可选的，该牵引供电系统还包括电力系统；

所述牵引供电系统由所述电力系统接引。

可选的，所述电力系统包括火力发电、水力发电、风力发电以及光伏发电中的至少一种。

可选的，所述储能模块的一输出端还与公用电网电连接。

可选的，该基于源网荷储用的一体化牵引供电系统架构还可包括再生能量利用模块，所述再生能量利用模块与所述储能模块的一输出端电连接；

所述储能模块还用于在所述测控模块的控制下为所述再生能量利用模块供电。

可选的，所述再生能量利用模块包括依次电连接的三相交直变换器、三相匹配变压器以及用电负荷；

所述三相交直变换器与所述储能模块电连接。

本公开还提供了一种牵引供电方法，可应用上述基于源网荷储用的一体化牵引供电系统架构执行，该方法包括：

检测所述轨道交通车辆的运行状态；

在所述轨道交通车辆反馈电能时，控制所述储能模块储存反馈的电能。

可选的，该方法还包括：

在所述轨道交通车辆处于牵引状态时，释放所述储能模块储存的能量。

可选的，所述释放所述储能模块储存的能量，包括：

牵引网的负荷功率小于削峰功率设定值时，所述储能模块为用电负荷供电；

牵引网的负荷功率大于削峰功率设定值时，所述储能模块为所述轨道交通车辆供电。

本公开实施例提供的技术方案与现有技术相比具有如下优点：提出一种基于源网荷储用的一体化牵引供电系统架构，该一体化牵引供电系统架构至少包括牵引供电系统、轨道交通车辆、储能模块以及测控模块；通过设置测控模块监测轨道交通车辆的状态，并在轨道交通车辆反馈电能时，控制储能模块储存其所反馈的电能，可使轨道交通车辆反馈的电能由储能模块储存，从而轨道交通车辆的再生能量不再回流至牵引变电所，而是由接触网引流至储能模块，以此再生能量不在接触网积累，从而达到抑制牵引网电压升高的作用，有利于提高牵引网的供电稳定性。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。

为了更清楚地说明本公开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，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本公开实施例提供的一种基于源网荷储用的一体化牵引供电系统架构的结构示意图；

图2为本公开实施例提供的另一种基于源网荷储用的一体化牵引供电系统架构的结构示意图；

图3为本公开实施例提供的又一种基于源网荷储用的一体化牵引供电系统架构的结构示意图；

图4为本公开实施例提供的又一种基于源网荷储用的一体化牵引供电系统架构的结构示意图；

图5为本公开实施例提供的一种牵引供电方法的流程示意图。

其中，附图标记与其表示的结构名称的对应关系：10、基于源网荷储用的一体化牵引供电系统架构；110、电力系统；120、牵引供电系统，121、接触网，122、牵引变电所；130、轨道交通车辆；140、储能模块，141、单相匹配变压器，142、单相交直变换器，143、直流环节，144、直直变换器，145、储能元件；150、测控模块，151、电气采集子模块，152、处理子模块，153、控制子模块；160、再生能量利用模块，161、三相交直变换器，162、三相匹配变压器，163、用电负荷。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本公开的上述目的、特征和优点，下面将对本公开的方案进行进一步描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本公开，但本公开还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施；显然，说明书中的实施例只是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的各本公开实施例在不冲突的前提下，可相互组合，其中的结构部件或功能模块可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本公开的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本公开的范围，而是仅仅表示本公开的选定实施例。基于本公开中的实施例，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，都属于本公开保护的范围。

在本公开的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该公开产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本公开的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。

本公开实施例提供的牵引供电系统和牵引供电方法，可适用于铁路牵引供电系统的列车制动再生能量储存于再利用，同时采用测控模块对牵网和储能模块进行协同调节，可在提升列车的再生能量利用率的同时，稳定牵引网电压。下面结合图1-图5对本公开实施例提供的牵引供电系统和牵引供电方法进行示例性说明。

图1为本公开实施例提供的一种基于源网荷储用的一体化牵引供电系统架构的结构示意图，图2为本公开实施例提供的另一种基于源网荷储用的一体化牵引供电系统架构的结构示意图，图3为本公开实施例提供的又一种基于源网荷储用的一体化牵引供电系统架构的结构示意图，图4为本公开实施例提供的又一种基于源网荷储用的一体化牵引供电系统架构的结构示意图。参照图1-图4任一图，该基于源网荷储用的一体化牵引供电系统架构10(下文中可简称为“一体化牵引供电系统架构10”)至少包括牵引供电系统120、轨道交通车辆130、储能模块140以及测控模块150；牵引供电系统120用于为轨道交通车辆130供电；轨道交通车辆130消耗电能或通过再生制动反馈电能；测控模块150在轨道交通车辆130反馈电能时，控制储能模块140储存反馈的电能。

本公开实施例提供的基于源网荷储用的一体化牵引供电系统架构10中，测控模块150实时监控轨道交通车辆130的运行状态(也称为“运动状态”)，在轨道交通车辆130平稳运行时，由牵引供电系统120为其提供牵引电能；在轨道交通车辆130处于再生制动状态时，其产生的再生制动反馈电能(也称为“再生制动能量”或“再生能量”)经牵引供电系统120到达储能模块140，并被储能模块140吸收，从而再生能量不再回流至牵引变电所122，而是由接触网121引流至储能模块140，达到再生制动反馈电能的能量回收、抑制接触网121电压升高的目的；由此使牵引供电系统120的供电较稳定，有利于提高列车运行安全性。

此外，在轨道交通车辆130处于牵引状态且其耗能较多时，储能模块140中储存的能量可再次传输至牵引供电系统120，并通过接触网121为轨道交通车辆130供电，此时，可避免接触网121上的电压下降较大，由此可改善由于轨道交通车辆130的耗能变化而引起的对牵引供电系统120的稳定性的影响，即有利于提高牵引供电系统120以及包括该牵引供电系统120的一体化牵引供电系统架构10的稳定性，同时可实现对再生能量的再次利用，有利于提高轨道交通车辆130的再生制动能量的利用率，下文中详述。

示例性的，测控模块150对轨道交通车辆130的运行状态的监控，可通过其对接触网121的电学参数的监控实现，也可通过其对轨道交通车辆130的运动参数的监控实现，下文中进行示例性说明。

在一实施例中，继续参照图3或图4，储能模块140包括依次电连接的单相匹配变压器141、单相交直变换器142、直流环节143、直直变换器144以及储能元件145；单相匹配变压器141与牵引网120电连接。

其中，当测控模块150在线监测到轨道交通车辆130运行于再生制动状态时，通过控制储能模块140的开关元件，将轨道交通车辆130产生的再生能量经接触网121，依次通过单相匹配变压器141、单相交直变换器142、直流环节143以及直直变换器144，进行降压、整流、稳压以及直直变换处理，最终由储能元件145吸收，如此可实现再生能量的回收，以及有利于抑制牵引网电压升高，确保其稳定性。

在一实施例中，继续参照图3或图4，牵引供电系统120包括接触网121钢轨123和牵引变电所122；单相匹配变压器141的输入侧两端分别于接触网121和钢轨123电连接。

如此，牵引供电系统120的牵引变电所122输出的电能可经接触网121提供至轨道交通车辆；同时，轨道交通车辆130产生的再生能量经接触网121达到单相匹配变压器141的输入侧，以最终被储能元件145吸收。

示例性的，储能模块140可设置于分区所内，并与供电臂末端接触网及钢轨电连接。

在一实施例中，继续参照图3或图4，测控模块150包括电气采集子模块151、处理子模块152和控制子模块153；电气采集子模块151设置于接触网121上，用于监测轨道交通车辆130的工作参数；处理子模块152的输入端与电气采集子模块151通信连接，处理子模块152的输出端与控制子模块153通信连接；处理子模块152用于根据工作参数确定轨道交通车辆130的运行状态，并通过控制子模块153控制牵引供电系统120和储能模块140共同为轨道交通车辆130供电，或者控制牵引网120单独为轨道交通车辆130供电。

如此，可实现对轨道交通车辆130的运行状态的在线监测，以及实时地根据轨道交通车辆130的运行状态对储能模块140和电力系统110的协同供电状态进行调整，上下文中存在示例性说明，在此不再赘述。

示例性的，电气采集子模块151可包括电流互感器、电压互感器以及本领域技术人员可知的其他电气监测元器件，本公开实施例对此不限定。

示例性的，处理子模块152和控制子模块153可采用硬件结构结合软件程序实现。

在其他实施方式中，处理子模块152与控制子模块153还可集成设置，可称为处理控制子模块，本公开实施例对此不限定。

在一实施例中，工作参数包括驱动电流、驱动电压、驱动功率、运行速度、运行加速度中的至少一个。

其中，通过判别驱动电流的方向可辨别轨道交通车辆130的运行状态。示例性的，驱动电流由牵引供电系统120流向轨道交通车辆130时，轨道交通车辆130处于牵引状态，驱动电流由轨道交通车辆130向牵引供电系统120回流时，轨道交通车辆130处于制动状态。

或者，可通过驱动电压或驱动功率的大小判断轨道交通车辆130的运行状态。示例性的，当驱动电压或驱动功率小于设定阈值时，轨道交通车辆130处于牵引状态，当驱动电压或驱动功率大于或等于设定阈值时，轨道交通车辆130处于制动状态，其中，设定阈值的大小可根据牵引供电系统120以及其所牵引的轨道交通车辆130的需求设置，本公开实施例对此不限定。

或者，可以根据轨道交通车辆130的运行速度变化或者运行加速度的方向确定轨道交通车辆130的运行状态。示例性的，当运行速度逐渐减小或者运行加速度的方向与轨道交通车辆130的运行方向相反时，则确定轨道交通车辆130处于制动状态；当运行速度逐渐增大或保持在设定范围时，或者加速度方向与轨道交通车辆130的运行方向相同时，则确定轨道交通车辆130处于牵引状态。

在其他实施方式中，还可采用本领域技术人员可知的其他工作参数作为辨识轨道交通车辆130的运行状态的依据，本公开实施例对此不赘述也不限定。

在一实施例中，轨道交通车辆130包括列车。

在其他实施方式中，轨道交通车辆130还可为其他运载设备或耗能设备，本公开实施例对此不限定。

在一实施例中，该牵引供电系统10还可包括电力系统110，牵引供电系统120接引于电力系统110。

其中，牵引供电系统120可将电力系统110提供的电能转换为适合轨道交通车辆130利用的电能，以向轨道交通车辆130供电。

在一实施例中，电力系统110包括火力发电、水力发电、风力发电以及光伏发电中的至少一种。

如此，多元能源发电方式可协调互补，有利于确保电力系统110的供电稳定性。

在一实施例中，继续参照图2，储能模块140的一输出端还与公用电网电连接。

如此，可使轨道交通车辆130的再生制动能量经转换和存储后上网，有利于实现该部分能量的再利用，提高其利用率。

需要说明的是，为使储能模块140储存的能量符合接入公用电网的需求，还可在储能模块140与公用电网之间接入交直变换器、匹配变压器或本领域技术人员可知的其他电路元器件，本公开实施例对此不限定。

在一实施例中，继续参照图3，该一体化牵引供电系统架构10还可包括再生能量利用模块160，再生能量利用模块160与储能模块140的一输出端电连接；储能模块140还用于在测控模块150的控制下为再生能量利用模块160供电。

如此，当轨道交通车辆130的耗能较小时，还可将轨道交通车辆130的再生制动能量经转换和存储后，为再生能量利用模块160供电，由此同样可提高再生制动能量的利用率。

在一实施例中，再生能量利用模块160包括依次电连接的三相交直变换器161、三相匹配变压器162以及用电负荷163；三相交直变换器161与储能模块140电连接。

其中，测控模块150通过控制储能模块140和再生能量利用模块160的开关元件，将储能元件145储存的再生制动能量释放，依次通过直直变换器144、直流环节143、三相交直变换器161以及三相匹配变压器162，分别进行直直变换、稳压、逆变以及升压处理，最终为用电负荷163供电，由此实现再生能量的利用，提高其利用率。

示例性的，用电负荷163可为铁路沿线用电设备，例如照明设备、显示设备、信号传输设备或本领域技术人员可知的其他用电设备，本公开实施例对此不限定。

上文中，储能模块140中的开关元件和再生能量利用模块160中的开关元件均可为设置于对应模块中的绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)元件或其他具有开关功能的电路元器件。在其他实施方式中，开关元件还可设置于具有电连接关系的相邻两个功能模块之间，以实现对线路各模块之间的连通与否的控制，本公开实施例对此不赘述也不限定。

在上述实施方式的基础上，本公开实施例还提供了一种牵引供电方法，该牵引供电方法可应用上述实施方式提供的任一种一体化牵引供电系统架构执行。因此，该牵引供电方法也具有上述实施方式中的一体化牵引供电系统架构所具有的有益效果，相同之处可参照上文中对牵引供电系统的解释说明进行理解，下文中不再赘述。

示例性地，图5为本公开实施例提供的一种牵引供电方法的流程示意图。参照图5，该牵引供电方法可包括：

S210、检测轨道交通车辆的运行状态。

S220、在轨道交通车辆反馈电能时，控制储能模块储存反馈的电能。

由此，可在轨道交通车辆制动产生再生能量时，将该再生能量引流至储能模块，以改善其对牵引供电系统(尤其是牵引网)的冲击，有利于确保牵引供电系统的稳定性，从而确保列车运行安全。

此外，还可在轨道交通车辆耗能过多时，可重新利用储能模块中储存的能量为轨道交通车辆供电，从而可改善轨道交通车辆瞬时用电过多时对牵引供电系统的供电需求过大而引起的牵引供电系统不稳定的现象，有利于进一步确保牵引供电系统的稳定性，下文中详述。

在一实施例中，该方法还可包括：在轨道交通车辆处于牵引状态时，释放储能模块储存的能量。

如此，可确保储能模块中的能量被释放掉，从而在轨道交通车辆制动产生再生能量时，其产生的再生能量可顺利储存至储能模块中。

在一实施例中，释放储能模块储存的能量，具体可包括：牵引网的负荷功率小于削峰功率设定值时，储能模块为用电负荷供电；牵引网的负荷功率大于削峰功率设定值时，储能模块为轨道交通车辆供电。

示例性的，可继续参照图4，以轨道交通车辆130为列车为例。当测控模块150在线监测到列车运行于再生制动状态时，通过控制储能模块140开关元件，将列车产生的再生能量经牵引网，依次通过单相匹配变压器141、单相交直变换器142、直流环节143以及直直变换器144，进行降压、整流、稳压以及直直变换处理，最终由储能元件145吸收，以此达到再生能量回收、抑制牵引网电压升高的目的。

当测控模块150在线监测到列车运行于牵引状态时，若负荷功率小于削峰功率设定值时，列车需要的牵引功率由电力系统110提供；此时，通过控制储能模块140和再生能量利用模块160的开关元件，将储能元件145储存的再生制动能量释放，依次通过直直变换器144、直流环节143、三相交直变换器161以及三相匹配变压器162，分别进行直直变换、稳压、逆变以及升压处理，最终为用电负荷163供电，由此实现再生能量的利用。

当测控模块150在线监测到列车运行于牵引状态时，若负荷功率大于削峰功率设定值时，列车需要的牵引功率由电力系统110和储能模块140共同提供；此时，通过控制储能模块140开关元件，将储能元件145储存的再生制动能量释放，依次通过直直变换器144、直流环节143、三相交直变换器161以及三相匹配变压器162，分别进行直直变换、稳压、逆变以及升压处理，最终列车供电，由此削弱负荷峰值功率对电力系统的影响和实现再生能量的利用。

示例性的，电力系统110可为“源”，牵引供电系统120可为“网”，轨道交通车辆130为“荷”，储能模块140为“储”，再生能量利用模块160为“用”，如此，本公开实施例提供的基于“源网荷储用”的一体化牵引供电系统架构和牵引供电方法，可储存列车再生制动能量，减小列车运行状态变化对牵引供电系统影响；同时，增加了牵引供电系统功率调节的手段，提升了列车再生制动能量的利用率，稳定了牵引网电压。

以上所述仅是本公开的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本公开。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本公开的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本公开将不会被限制于本文所述的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种基于源网荷储用的一体化牵引供电系统架构，其特征在于，至少包括牵引供电系统、轨道交通车辆、储能模块以及测控模块；

所述牵引供电系统用于为所述轨道交通车辆供电；所述轨道交通车辆消耗电能或通过再生制动反馈电能；所述测控模块在所述轨道交通车辆反馈电能时，控制所述储能模块储存反馈的电能。

2.根据权利要求1所述的基于源网荷储用的一体化牵引供电系统架构，其特征在于，所述储能模块包括依次电连接的单相匹配变压器、单相交直变换器、直流环节、直直变换器以及储能元件；

所述单相匹配变压器与所述牵引网电连接。

3.根据权利要求2所述的基于源网荷储用的一体化牵引供电系统架构，其特征在于，所述牵引供电系统包括接触网、钢轨和牵引变电所；

所述单相匹配变压器的输入侧两端分别与所述接触网和所述钢轨电连接。

4.根据权利要求3所述的基于源网荷储用的一体化牵引供电系统架构，其特征在于，所述测控模块包括电气采集子模块和处理控制子模块；

所述电气采集子模块设置于所述接触网上，用于监测所述轨道交通车辆的工作参数，并传输至所述处理控制子模块；

所述处理控制子模块用于根据所述工作参数确定所述轨道交通车辆的运行状态，并根据所述轨道交通车辆的运行状态控制所述牵引供电系统和所述储能模块共同为所述轨道交通车辆供电，或者控制所述牵引供电系统单独为所述轨道交通车辆供电。

5.根据权利要求4所述的基于源网荷储用的牵引供电系统，其特征在于，所述工作参数包括驱动电流、驱动电压、驱动功率、运行速度、运行加速度中的至少一个。

6.根据权利要求1所述的基于源网荷储用的一体化牵引供电系统架构，其特征在于，所述轨道交通车辆包括列车。

7.根据权利要求1所述的基于源网荷储用的一体化牵引供电系统架构，其特征在于，所述储能模块的一输出端还与公用电网电连接。

8.根据权利要求1所述的基于源网荷储用的一体化牵引供电系统架构，其特征在于，还包括再生能量利用模块，所述再生能量利用模块与所述储能模块的一输出端电连接；

所述储能模块还用于在所述测控模块的控制下为所述再生能量利用模块供电。

9.根据权利要求8所述的基于源网荷储用的一体化牵引供电系统架构，其特征在于，所述再生能量利用模块包括依次电连接的三相交直变换器、三相匹配变压器以及用电负荷；

所述三相交直变换器与所述储能模块电连接。

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