CN117335459A - 高海拔地铁储能与融冰功能一体化的装置及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高海拔地铁储能与融冰功能一体化的装置，其特征在于：所述装置包括中央控制模块、电流监测单元和2个供储能模块，单个供储能模块包括储能单元、双向变流器和变压器；所述储能单元包括风力发电装置和2个飞轮储能装置；还提供一种针对上述装置的控制方法，其特征在于：单个供储能模块内的2个飞轮储能装置动态分配分别用于列车制动再生能量和风力发电能量的储存；通过对两个供储能模块的控制，使两个供储能模块之间形成电压差，从而在直流牵引网的覆冰段形成融冰电流达到融冰目的。采用本发明所述的装置和方法能高效利用制动再生能量和风力发电能量实现对直流牵引网融冰，节约了成本，还解决了多种能量储存之间的协调管理问题。

Description

高海拔地铁储能与融冰功能一体化的装置及其控制方法
技术领域
本发明涉及交通运输技术领域，特别是一种高海拔地铁储能与融冰功能一体化的装置及其控制方法。
背景技术
地铁列车在轨道上运行是通过在轨旁布设的第三轨或顶部直流接触网上接受电能来实现，它具有起动和制动频繁的特点，列车的制动会产生再生电能，如果不对这些制动再生电能进行有效利用或储存，不仅会造成能源浪费，还会造成直流接触网的电压波动，影响列车的正常取电。另外，作为高海拔地区运行的地铁还具有自身独特的特点：温度变化大、降水量大、气压低、风多、风大，高海拔地区的风力大，这是由于气压差异造成的，高海拔气压低，高压区周围的空气会向低压区流动形成风，同时，风也会受到地形和地貌的影响，在山顶和山脊上，风力较大，所以高海拔地区的地铁线路还有优质的风力能源可以加以利用。
另一方面，在高海拔地区地铁直流接触网供电方式中，由于气温、空气湿度和风速的共同作用，直流接触网将会产生覆冰现象，直流接触网覆冰会导致受电弓无法正常取流，甚至引起导线舞动断裂和导致受电弓损坏，供电中断将严重影响列车正常运营。因此，实现接触网的高效融冰，已成为保障高海拔地区地铁在恶劣环境中安全、可靠供电的重点。
现有技术中，主要是通过融冰车或利用交流市电整流后对直流接触网的覆冰进行消融，利用融冰车融冰效率低，而单纯利用交流市电整流会消耗额外的电能，且无法有效利用再生制动电能和风能，既不节能也不环保。
发明内容
针对背景技术的问题，本发明提供一种高海拔地铁储能与融冰功能一体化的装置，以及针对上述装置的控制方法，以解决如何充分对列车再生制动能量和风能进行回收利用，同时实现对列车直流接触网进行高效、节能、环保地融冰的问题。
为实现本发明的目的，本发明提供了一种高海拔地铁储能与融冰功能一体化的装置，其创新点在于：所述装置包括中央控制模块、电流监测单元和2个供储能模块，2个供储能模块分别设置在2个相邻的牵引变电站内；电流检测单元和2个供储能模块均与中央控制模块连接；2个供储能模块包括第一供储能模块和第二供储能模块；
电流监测单元用于监测直流牵引网的电流值；
单个供储能模块包括储能单元、双向变流器和变压器；所述储能单元包括风力发电装置和2个飞轮储能装置，所述风力发电装置的电输出端设置有用于交直流电转换的整流器，整流器与2个飞轮储能装置之间通过第一开关连接，所述第一开关能控制整流器与2个飞轮储能装置之间的选通；所述双向变流器的一端通过变压器与交流供电网连接，所述双向变流器的另一端通过第二开关与用于列车运行取电的直流牵引网连接，将第二开关与直流牵引网之间的输电线记为供电段，2个所述飞轮储能装置分别通过一个第三开关与所述供电段并联；所述第二开关常闭，所述第三开关常开；
所述飞轮储能装置的工作模式包括储能模式和放电模式；当飞轮储能装置处于所述储能模式时，飞轮储能装置能存储风力发电装置产生的电能或列车制动产生的再生电能；当飞轮储能装置处于所述放电模式时，飞轮储能装置能为直流牵引网提供电能；所述飞轮储能装置内设置有电量监测单元，所述电量监测单元能监测飞轮储能装置的储电量；
所述双向变流器的工作模式包括整流模式和逆变模式，双向变流器能在所述整流模式时，将交流供电网的交流电整流为直流电传输给直流牵引网；双向变流器还能在所述逆变模式时，将直流牵引网上列车制动产生的再生直流电转换为交流电回馈到交流供电网；
所述中央控制模块能控制第一开关的选通，还能控制第二开关和第三开关的断开或闭合；中央控制模块还能控制飞轮储能装置和双向变流器二者工作模式的切换；中央控制模块还能通过电流监测单元获取直流牵引网的电流值；中央控制模块还能通过电量检测单元获取飞轮储能装置的储电量；中央控制模块还能对各个飞轮储能装置的储电量进行比较和逻辑判断；中央控制模块存储有常规融冰电压、快速融冰电压和最小融冰电流三者的设定值。
进一步地，所述飞轮储能装置包括依次连接的双向DC/AC变换器、永磁同步电机和飞轮；所述双向DC/AC能在所述储能模式下将直流电转换为交流电传输给永磁同步电机使用，双向DC/AC还能在所述放电模式下将永磁同步电机传输的交流电转换为直流电输出；永磁同步电机能在所述储能模式下驱动飞轮储能，永磁同步电机还能在所述放电模式下将飞轮的动能转化为电能输出。
本发明还提供一种针对上述装置的控制方法，其创新点在于：所述控制方法包括：储能模式控制和融冰模式控制；所述储能模式控制包括调度运行时间内储能控制和调度运行时间外储能控制；所述融冰模式控制包括紧急融冰模式控制和常规融冰模式控制；
所述调度运行时间内储能控制包括：
当运行列车制动产生再生电能且需要储能时，中央控制模块对2个供储能模块均按以下方式进行控制；
对于单个供储能模块来说：
一)中央控制模块控制第二开关断开；
二)中央控制模块从2个电量监测单元获取2个飞轮储能装置的储电量，然后对2个飞轮储能装置的储电量进行比较，将储电量较大的飞轮储能装置记为第一飞轮储能装置，将储电量较小的飞轮储能装置记为第二飞轮储能装置；
三)中央控制模块控制第一开关使整流器与第一飞轮储能装置选通，同时使整流器与第二飞轮储能装置断开；然后中央控制模块控制与第二飞轮储能装置连接的第三开关闭合；
四)如果列车制动产生的再生电能被2个供储能模块对应的2个第二飞轮储能装置全部吸收，则程序结束；如果2个供储能模块对应的2个第二飞轮储能装置的储电量均满载，且仍有部分列车制动产生的再生电能未被吸收，进入步骤五)；
五)中央控制模块控制双向变流器的工作模式切换为逆变模式，同时中央控制模块控制第二开关闭合，同时中央控制模块控制第三开关断开；
六)当列车制动产生的再生电能被完全吸收后，中央控制模块控制双向变流器切换为整流模式；
所述调度运行时间外储能控制包括：
中央控制模块对2个供储能模块均按以下方式进行控制；
对于单个供储能模块来说：
1)中央控制模块从电量监测单元获取2个飞轮储能装置的储电量，然后对2个飞轮储能装置的储电量进行比较，将储电量较大的飞轮储能装置记为第三飞轮储能装置，将储电量较小的飞轮储能装置记为第四飞轮储能装置；
2)中央控制模块控制第一开关使整流器与第四飞轮储能装置选通，同时使整流器与第三飞轮储能装置断开；
3)当第四飞轮储能装置的储电量满载后，中央控制模块控制第一开关使整流器与第四飞轮储能装置断开，同时使整流器与第三飞轮储能装置选通；
所述紧急融冰模式控制包括：
当2个牵引变电站之间的直流牵引网覆冰情况达到设定的严重级别，需要紧急融冰时：
中央控制模块控制其中一个供储能模块的双向变流器工作于整流模式并提高该双向变流器的电压到快速融冰电压，同时，中央控制模块控制另一个供储能模块的双向变流器工作于逆变模式；所述快速融冰电压为设定值；
所述常规融冰模式控制包括：
当2个牵引变电站之间的直流牵引网的覆冰情况达到融冰级别但未达到严重级别，需要常规融冰时：
a)中央控制模块控制2个供储能模块的第二开关均断开；
b)中央控制模块从4个电量监测单元获取4个飞轮储能装置的储电量；
c)将第一供储能模块所辖的任意一个飞轮储能装置与第二供储能模块所辖的任意一个飞轮储能装置组合得到一个储电量比较组，则按上述方式，将第一供储能模块所辖的2个飞轮储能装置与第二供储能模块的2个飞轮储能装置组合得到4个储电量比较组；
中央控制模块对每个储电量比较组所辖的2个飞轮储能装置的储电量进行求差计算得到二者的储电量差值，然后对4个储电量比较组的储电量差值进行比较，将储电量差值的绝对值最大的储电量比较组记为融冰组，将融冰组中储电量较大的飞轮储能装置记为临时放电飞轮装置，将融冰组中储电量较小的飞轮储能装置记为临时储能飞轮装置，将临时放电飞轮装置所属的储能单元记为临时放电单元，将临时储能飞轮装置所属的储能单元记为临时储能单元；将与临时放电飞轮装置同属临时放电单元的另一个飞轮储能装置记为放电端飞轮装置，将与临时储能飞轮装置同属临时储能单元的另一个飞轮储能装置记为储能端飞轮装置；
d)中央控制模块控制临时放电单元的第一开关使对应的整流器与放电端飞轮装置选通，中央控制模块控制与放电端飞轮装置连接的第三开关断开，中央控制模块控制与临时放电飞轮装置连接的第三开关闭合；中央控制模块控制临时储能单元的第一开关使对应的整流器与储能端飞轮装置选通，中央控制模块控制与储能端飞轮装置连接的第三开关断开，中央控制模块控制与临时储能飞轮装置连接的第三开关闭合；
同时，中央控制模块控制临时放电飞轮装置的工作模式切换到放电模式，中央控制模块控制临时储能飞轮装置的工作模式切换到储能模式；
e)中央控制模块通过电流监测单元获取直流牵引网的电流值I测，中央控制模块将I测与最小融冰电流I融进行比较：如果I测>I融，则进入步骤f；如果I测≦I融，则进入步骤g；所述I融为设定值；
f)中央控制模块持续通过电流监测单元获取直流牵引网的电流值I测，直到I测＝I融，返回步骤b)；
g)中央控制模块控制全部第三开关均断开，中央控制模块控制2个第二开关均闭合；中央控制模块控制其中一个供储能模块的双向变流器工作于整流模式并提高该双向变流器的电压到常规融冰电压，同时，中央控制模块控制另一个供储能模块的双向变流器工作于逆变模式；所述常规融冰电压为设定值。
进一步地，所述常规融冰电压小于快速融冰电压。
本发明的原理如下：
本发明针对高海拔地铁运行的特点，采用“三位一体”的装置和控制方法，同时解决了列车制动再生电能的储存和利用、风力发电能源的储存和利用以及直流接触网覆冰消融三个问题，不仅高效地解决了高海拔地铁运行常见的接触网覆冰对列车取电的不利影响，还充分利用了列车制动再生能源和风能这种低碳环保的资源，大大降低了交流供电网的用电量，节约了运行成本，具体来说：
硬件上，本发明创造性地设计了2套供储能模块，2套供储能模块分别设置在两个相邻的牵引变电站内，一方面提高了储能的容量，更主要的是2个供储能模块能在直流接触网段的两端形成电压差，从而在直流接触网段产生电流，以实现消融覆冰的目的。而在单个供储能模块内部同时设计了双向变流器和储能单元，其目的是为融冰电流的产生提供两个供能来源，即储能单元储存能源供电以及交流供电网供电，而储能单元实现的是对列车再生制动能量和风能的存储，是本发明主要利用的再生和清洁能源，这些能源主要提供直流接触网最多最常规的融冰需求，满足大多数融冰场景的需要，而交流供电网的能源作为特殊情况下需要紧急快速融冰的需要，是作为备选、保障的设计方案。
硬件上本发明的另一个创新点在于：在单个储能单元内部设计了2套飞轮储能装置，解决了风力发电新能源与列车制动再生能源之间的协调和管理问题。不仅如此，风力发电虽然清洁环保，但存在缺点：其非常依赖天气，风能发电存在着天气波动性，风速不稳定，随机性强，会影响到发电效率和可靠性。若只采用一套飞轮储能装置，实际上是将风力发电直接接入了直流接触网，将会带来直流接触网的能量波动，影响列车供电的稳定性和可靠性，从而影响到通过该直流接触网供电的所有列车运行，造成难以估量的影响和损失。另一方面，将风力发直接电接入直流接触网后，由于列车牵引供电系统是一个复杂的车、网动态交互系统，将会带来列车牵引、制动等不同运行阶段混合储能系统能量分配方式的变化，列车制动再生能量与风力发电能量二者的存储和利用之间会出现难以解决的冲突和矛盾。本发明通过独有的在同一个储能单元中采用两套飞轮储能装置的技术方案，通过开关的切换将接触网与风力发电进行隔离，风力发电使用一套飞轮储能装置储能，而列车制动再生电能使用使用另外一套飞轮储能装置储能，从而较好地解决了上述问题。
控制方法上，本发明从储能和融冰两种工作模式分别设计了控制方案，而储能模式按列车调度时间进行了区分：1、列车的调度运行时间外，运行线路没有列车运行，此时没有列车制动产生再生电能，只需要存储风力发电的电能，因此只需要将风力发电的电能按储电量由低到高的顺序依次充满各个飞轮储能装置即可。2、列车调度运行时间内，列车运行会产生制动再生电能，此时需要同时考虑列车制动产生的再生电能以及风力发电的电能二者的有序存储。本发明利用单个储能单元中的2个飞轮储能装置分别为列车制动再生能量和风力发电装置储能，二者相互独立，风力发电的电能不会影响直流接触网的电压稳定；而且，因为列车再生制动的功率在短时间内远远大于风力发电的功率，因此，本发明通过电量监测单元的监测，动态地将储电量更低的飞轮储能装置分配用于列车再生制动能量的储存，能充分合理地分配和利用各个飞轮储能装置的存储空间。作为备份，当列车的制动再生能量较多，飞轮储能装置都装不下的情况，还能通过双向变流器的逆变工作模式，将制动再生能量回馈到交流供电网，最大限度保障能源不流失和浪费。
而融冰工作模式上，本发明按紧急和常规两种场景对控制方法进行了区分：1、对于紧急模式，需要在短时间内快速处理，此时利用覆冰段两端设置的2个双向变流器，一个提高电压，另一个切换到逆变工作模式，即可在覆冰段形成电流融冰，由于交流供电网的能量充足，电流持续稳定且功率大，可以提供一个较大的电流，能在短时间内将严重覆冰去除，避免影响列车调度或减小对列车调度影响。2、对于常规融冰模式，通常是针对覆冰不严重，或者列车调度时间外有充足融冰时间的情况，此种情况下，可以利用储能单元内提前储存的制动再生和风力发电的电能，使设置在覆冰段两端的两个飞轮储能装置一个放电一个充电，即可在覆冰段形成融冰电流。本发明的另一个创新点在于，常规融冰过程中，动态地比较2个储能单元的飞轮储能装置的储电量，动态地选择2个储电量差值最大的飞轮储能装置作为融冰组，充分利用各个飞轮储能装置的储电量融冰。为了提高常规融冰的可靠性，当储能单元能提供的融冰电流不够时，切换到与紧急融冰类似的控制方法，利用交流供电网的电能融冰，不同的是，常规融冰情况下，交流供电网产生的融冰电流小于紧急情况下的融冰电流。
由此可见，本发明具有如下的有益效果：本发明提供了一种高海拔地铁兼储能与接触网融冰功能一体化的装置和控制方法，充分利用了风力新能源和列车制动再生能源来解决高海拔地区直流接触网的融冰问题，保障列车的运行安全，也减少了市电供电，减少了额外的电能开销，大大节约了运营成本。同时还解决了风力发电直接接入接触网所带来的电压波动的问题，以及新能源能量与再生制动能量值之间协调管理的问题。
附图说明
本发明的附图说明如下。
附图1本发明所涉及硬件的连接示意图。
图中：1、电流监测单元；2、双向变流器；3、变压器；4、风力发电装置；5、飞轮储能装置；6、整流器；7、第一开关；8、第二开关；9、第三开关；10、交流供电网；11、直流牵引网。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明。
如附图1所示，本发明所述高海拔地铁储能与融冰功能一体化的装置包括中央控制模块(图中未示出)、电流监测单元1和2个供储能模块，2个供储能模块分别设置在2个相邻的牵引变电站内；电流检测单元和2个供储能模块均与中央控制模块连接；2个供储能模块包括第一供储能模块和第二供储能模块；
电流监测单元1用于监测直流牵引网11的电流值；
单个供储能模块包括储能单元、双向变流器2和变压器3；所述储能单元包括风力发电装置4和2个飞轮储能装置5，所述风力发电装置4的电输出端设置有用于交直流电转换的整流器6，整流器6与2个飞轮储能装置5之间通过第一开关7连接，所述第一开关7能控制整流器6与2个飞轮储能装置5之间的选通；所述双向变流器2的一端通过变压器3与交流供电网10连接，所述双向变流器2的另一端通过第二开关8与用于列车运行取电的直流牵引网11连接，将第二开关8与直流牵引网11之间的输电线记为供电段，2个所述飞轮储能装置5分别通过一个第三开关9与所述供电段并联；所述第二开关8常闭，所述第三开关9常开；
所述飞轮储能装置5包括依次连接的双向DC/AC变换器、永磁同步电机和飞轮；所述飞轮储能装置5的工作模式包括储能模式和放电模式；所述双向DC/AC能在所述储能模式下将直流电转换为交流电传输给永磁同步电机使用，双向DC/AC还能在所述放电模式下将永磁同步电机传输的交流电转换为直流电输出；永磁同步电机能在所述储能模式下驱动飞轮储能，永磁同步电机还能在所述放电模式下将飞轮的动能转化为电能输出。当飞轮储能装置5处于所述储能模式时，飞轮储能装置5能存储风力发电装置4产生的电能或列车制动产生的再生电能；当飞轮储能装置5处于所述放电模式时，飞轮储能装置5能为直流牵引网11提供电能；所述飞轮储能装置5内设置有电量监测单元，所述电量监测单元能监测飞轮储能装置5的储电量；
所述双向变流器2的工作模式包括整流模式和逆变模式，双向变流器2能在所述整流模式时，将交流供电网10的交流电整流为直流电传输给直流牵引网11；双向变流器2还能在所述逆变模式时，将直流牵引网11上列车制动产生的再生直流电转换为交流电回馈到交流供电网10；
所述中央控制模块能控制第一开关7的选通，还能控制第二开关8和第三开关9的断开或闭合；中央控制模块还能控制飞轮储能装置5和双向变流器2二者工作模式的切换；中央控制模块还能通过电流监测单元1获取直流牵引网11的电流值；中央控制模块还能通过电量检测单元获取飞轮储能装置5的储电量；中央控制模块还能对各个飞轮储能装置5的储电量进行比较和逻辑判断；中央控制模块存储有常规融冰电压、快速融冰电压和最小融冰电流三者的设定值。
本发明针对上述装置还提出了一种控制方法包括：储能模式控制和融冰模式控制；所述储能模式控制包括调度运行时间内储能控制和调度运行时间外储能控制；所述融冰模式控制包括紧急融冰模式控制和常规融冰模式控制；
所述调度运行时间内储能控制包括：
当运行列车制动产生再生电能且需要储能时，中央控制模块对2个供储能模块均按以下方式进行控制；
对于单个供储能模块来说：
一)中央控制模块控制第二开关8断开；
二)中央控制模块从2个电量监测单元获取2个飞轮储能装置5的储电量，然后对2个飞轮储能装置5的储电量进行比较，将储电量较大的飞轮储能装置5记为第一飞轮储能装置，将储电量较小的飞轮储能装置5记为第二飞轮储能装置；
三)中央控制模块控制第一开关7使整流器6与第一飞轮储能装置选通，同时使整流器6与第二飞轮储能装置断开；然后中央控制模块控制与第二飞轮储能装置连接的第三开关9闭合；
四)如果列车制动产生的再生电能被2个供储能模块对应的2个第二飞轮储能装置全部吸收，则程序结束；如果2个供储能模块对应的2个第二飞轮储能装置的储电量均满载，且仍有部分列车制动产生的再生电能未被吸收，进入步骤五)；
五)中央控制模块控制双向变流器2的工作模式切换为逆变模式，同时中央控制模块控制第二开关8闭合，同时中央控制模块控制第三开关9断开；此时，制动再生电能回馈到交流供电网10中，以保障对制动再生能量的完全吸收利用，避免能量浪费。
六)当列车制动产生的再生电能被完全吸收后，中央控制模块控制双向变流器2切换为整流模式；
所述调度运行时间外储能控制包括：
中央控制模块对2个供储能模块均按以下方式进行控制；
对于单个供储能模块来说：
由于第二开关8常闭，第三开关9常开，初始状态，储能单元与直流牵引网11是断开的，
1)中央控制模块从电量监测单元获取2个飞轮储能装置5的储电量，然后对2个飞轮储能装置5的储电量进行比较，将储电量较大的飞轮储能装置5记为第三飞轮储能装置，将储电量较小的飞轮储能装置5记为第四飞轮储能装置；
2)中央控制模块控制第一开关7使整流器6与第四飞轮储能装置选通，同时使整流器6与第三飞轮储能装置断开；
3)当第四飞轮储能装置的储电量满载后，中央控制模块控制第一开关7使整流器6与第四飞轮储能装置断开，同时使整流器6与第三飞轮储能装置选通；
所述紧急融冰模式控制包括：
当2个牵引变电站之间的直流牵引网11覆冰情况达到设定的严重级别(覆冰级别为设定值，包括严重级别和融冰级别)，需要紧急融冰时：
因为所述第二开关8常闭，所述第三开关9常开；所以2个供储能模块的共4个第三开关9均断开；2个供储能模块的共2个第二开关8均闭合；此时，中央控制模块控制其中一个供储能模块的双向变流器2工作于整流模式并提高该双向变流器2的电压到快速融冰电压，同时，中央控制模块控制另一个供储能模块的双向变流器2工作于逆变模式；所述快速融冰电压为设定值；
所述常规融冰模式控制包括：
当2个牵引变电站之间的直流牵引网11的覆冰情况达到融冰级别但未达到严重级别，需要常规融冰时：
a)中央控制模块控制2个供储能模块的第二开关8均断开；
b)中央控制模块从4个电量监测单元获取4个飞轮储能装置5的储电量；
c)将第一供储能模块所辖的任意一个飞轮储能装置5与第二供储能模块所辖的任意一个飞轮储能装置5组合得到一个储电量比较组，则按上述方式，将第一供储能模块所辖的2个飞轮储能装置5与第二供储能模块的2个飞轮储能装置5组合得到4个储电量比较组；
中央控制模块对每个储电量比较组所辖的2个飞轮储能装置5的储电量进行求差计算得到二者的储电量差值，然后对4个储电量比较组的储电量差值进行比较，将储电量差值的绝对值最大的储电量比较组记为融冰组(特殊情况下，如果存在多个储电量比较组的储电量差值的绝对值相等且最大，则在这多个储电量比较组中随机选择一个作为融冰组)，将融冰组中储电量较大的飞轮储能装置5记为临时放电飞轮装置，将融冰组中储电量较小的飞轮储能装置5记为临时储能飞轮装置，将临时放电飞轮装置所属的储能单元记为临时放电单元，将临时储能飞轮装置所属的储能单元记为临时储能单元；将与临时放电飞轮装置同属临时放电单元的另一个飞轮储能装置5记为放电端飞轮装置，将与临时储能飞轮装置同属临时储能单元的另一个飞轮储能装置5记为储能端飞轮装置；
d)中央控制模块控制临时放电单元的第一开关7使对应的整流器6与放电端飞轮装置选通，中央控制模块控制与放电端飞轮装置连接的第三开关9断开，中央控制模块控制与临时放电飞轮装置连接的第三开关9闭合；中央控制模块控制临时储能单元的第一开关7使对应的整流器6与储能端飞轮装置选通，中央控制模块控制与储能端飞轮装置连接的第三开关9断开，中央控制模块控制与临时储能飞轮装置连接的第三开关9闭合；
同时，中央控制模块控制临时放电飞轮装置的工作模式切换到放电模式，中央控制模块控制临时储能飞轮装置的工作模式切换到储能模式；
e)中央控制模块通过电流监测单元1获取直流牵引网11的电流值I测，中央控制模块将I测与最小融冰电流I融进行比较：如果I测>I融，则进入步骤f；如果I测≦I融，则进入步骤g；所述I融为设定值；
f)中央控制模块持续通过电流监测单元1获取直流牵引网11的电流值I测，直到I测＝I融，返回步骤b)；
g)中央控制模块控制全部第三开关9均断开，中央控制模块控制2个第二开关8均闭合；中央控制模块控制其中一个供储能模块的双向变流器2工作于整流模式并提高该双向变流器2的电压到常规融冰电压，同时，中央控制模块控制另一个供储能模块的双向变流器2工作于逆变模式；所述常规融冰电压为设定值。所述常规融冰电压小于快速融冰电压，以减少融冰用电对市电供电网电压的影响。

Claims (4)

1.一种高海拔地铁储能与融冰功能一体化的装置，其特征在于：所述装置包括中央控制模块、电流监测单元和2个供储能模块，2个供储能模块分别设置在2个相邻的牵引变电站内；电流检测单元和2个供储能模块均与中央控制模块连接；2个供储能模块包括第一供储能模块和第二供储能模块；
电流监测单元用于监测直流牵引网的电流值；
单个供储能模块包括储能单元、双向变流器和变压器；所述储能单元包括风力发电装置和2个飞轮储能装置，所述风力发电装置的电输出端设置有用于交直流电转换的整流器，整流器与2个飞轮储能装置之间通过第一开关连接，所述第一开关能控制整流器与2个飞轮储能装置之间的选通；所述双向变流器的一端通过变压器与交流供电网连接，所述双向变流器的另一端通过第二开关与直流牵引网连接，将第二开关与直流牵引网之间的输电线记为供电段，2个所述飞轮储能装置分别通过一个第三开关与所述供电段并联；所述第二开关常闭，所述第三开关常开；
所述飞轮储能装置的工作模式包括储能模式和放电模式；当飞轮储能装置处于所述储能模式时，飞轮储能装置能存储风力发电装置产生的电能或列车制动产生的再生电能；当飞轮储能装置处于所述放电模式时，飞轮储能装置能为直流牵引网提供电能；所述飞轮储能装置内设置有电量监测单元，所述电量监测单元能监测飞轮储能装置的储电量；
所述双向变流器的工作模式包括整流模式和逆变模式，双向变流器能在所述整流模式时，将交流供电网的交流电整流为直流电传输给直流牵引网；双向变流器还能在所述逆变模式时，能将直流牵引网上列车制动产生的再生直流电转换为交流电回馈到交流供电网；
所述中央控制模块能控制第一开关的选通，还能控制第二开关和第三开关的断开或闭合；中央控制模块还能控制飞轮储能装置和双向变流器二者工作模式的切换；中央控制模块还能通过电流监测单元获取直流牵引网的电流值；中央控制模块还能通过电量检测单元获取飞轮储能装置的储电量；中央控制模块还能对各个飞轮储能装置的储电量进行比较和逻辑判断；中央控制模块存储有常规融冰电压、快速融冰电压和最小融冰电流三者的设定值。
2.如权利要求1所述的高海拔地铁储能与融冰功能一体化的装置，其特征在于：所述飞轮储能装置包括依次连接的双向DC/AC变换器、永磁同步电机和飞轮；所述双向DC/AC能在所述储能模式下将直流电转换为交流电传输给永磁同步电机使用，双向DC/AC还能在所述放电模式下将永磁同步电机传输的交流电转换为直流电输出；永磁同步电机能在所述储能模式下驱动飞轮储能，永磁同步电机还能在所述放电模式下将飞轮的动能转化为电能输出。
3.一种高海拔地铁储能与融冰功能一体化的控制方法，其特征在于：所涉及的硬件包括中央控制模块、电流监测单元和2个供储能模块，2个供储能模块分别设置在2个相邻的牵引变电站内；电流检测单元和2个供储能模块均与中央控制模块连接；2个供储能模块包括第一供储能模块和第二供储能模块；
电流监测单元用于监测直流牵引网的电流值；
单个供储能模块包括储能单元、双向变流器和变压器；所述储能单元包括风力发电装置和2个飞轮储能装置，所述风力发电装置的电输出端设置有用于交直流电转换的整流器，整流器与2个飞轮储能装置之间通过第一开关连接，所述第一开关能控制整流器与2个飞轮储能装置之间的选通；所述双向变流器的一端通过变压器与交流供电网连接，所述双向变流器的另一端通过第二开关与用于列车运行取电的直流牵引网连接，将第二开关与直流牵引网之间的输电线记为供电段，2个所述飞轮储能装置分别通过一个第三开关与所述供电段并联；所述第二开关常闭，所述第三开关常开；
所述飞轮储能装置的工作模式包括储能模式和放电模式；当飞轮储能装置处于所述储能模式时，飞轮储能装置能存储风力发电装置产生的电能或列车制动产生的再生电能；当飞轮储能装置处于所述放电模式时，飞轮储能装置能为直流牵引网提供电能；所述飞轮储能装置内设置有电量监测单元，所述电量监测单元能监测飞轮储能装置的储电量；
所述双向变流器的工作模式包括整流模式和逆变模式，双向变流器能在所述整流模式时，将交流供电网的交流电整流为直流电传输给直流牵引网；双向变流器还能在所述逆变模式时，能将直流牵引网上列车制动产生的再生直流电转换为交流电回馈到交流供电网；
所述中央控制模块能控制第一开关的选通，还能控制第二开关和第三开关的断开或闭合；中央控制模块还能控制飞轮储能装置和双向变流器二者工作模式的切换；中央控制模块还能通过电流监测单元获取直流牵引网的电流值；中央控制模块还能通过电量检测单元获取飞轮储能装置的储电量；中央控制模块还能对各个飞轮储能装置的储电量进行比较和逻辑判断；中央控制模块存储有常规融冰电压、快速融冰电压和最小融冰电流三者的设定值。
所述控制方法包括：储能模式控制和融冰模式控制；所述储能模式控制包括调度运行时间内储能控制和调度运行时间外储能控制；所述融冰模式控制包括紧急融冰模式控制和常规融冰模式控制；
所述调度运行时间内储能控制包括：
当运行列车制动产生再生电能且需要储能时，中央控制模块对2个供储能模块均按以下方式进行控制；
对于单个供储能模块来说：
一)中央控制模块控制第二开关断开；
二)中央控制模块从2个电量监测单元获取2个飞轮储能装置的储电量，然后对2个飞轮储能装置的储电量进行比较，将储电量较大的飞轮储能装置记为第一飞轮储能装置，将储电量较小的飞轮储能装置记为第二飞轮储能装置；
三)中央控制模块控制第一开关使整流器与第一飞轮储能装置选通，同时使整流器与第二飞轮储能装置断开；然后中央控制模块控制与第二飞轮储能装置连接的第三开关闭合；
四)如果列车制动产生的再生电能被2个供储能模块对应的2个第二飞轮储能装置全部吸收，则程序结束；如果2个供储能模块对应的2个第二飞轮储能装置的储电量均满载，且仍有部分列车制动产生的再生电能未被吸收，进入步骤五)；
五)中央控制模块控制双向变流器的工作模式切换为逆变模式，同时中央控制模块控制第二开关闭合，同时中央控制模块控制第三开关断开；
六)当列车制动产生的再生电能被完全吸收后，中央控制模块控制双向变流器切换为整流模式；
所述调度运行时间外储能控制包括：
中央控制模块对2个供储能模块均按以下方式进行控制；
对于单个供储能模块来说：
1)中央控制模块从电量监测单元获取2个飞轮储能装置的储电量，然后对2个飞轮储能装置的储电量进行比较，将储电量较大的飞轮储能装置记为第三飞轮储能装置，将储电量较小的飞轮储能装置记为第四飞轮储能装置；
2)中央控制模块控制第一开关使整流器与第四飞轮储能装置选通，同时使整流器与第三飞轮储能装置断开；
3)当第四飞轮储能装置的储电量满载后，中央控制模块控制第一开关使整流器与第四飞轮储能装置断开，同时使整流器与第三飞轮储能装置选通；
所述紧急融冰模式控制包括：
当2个牵引变电站之间的直流牵引网覆冰情况达到设定的严重级别，需要紧急融冰时：
中央控制模块控制其中一个供储能模块的双向变流器工作于整流模式并提高该双向变流器的电压到快速融冰电压，同时，中央控制模块控制另一个供储能模块的双向变流器工作于逆变模式；所述快速融冰电压为设定值；
所述常规融冰模式控制包括：
当2个牵引变电站之间的直流牵引网的覆冰情况达到融冰级别但未达到严重级别，需要常规融冰时：
a)中央控制模块控制2个供储能模块的第二开关均断开；
b)中央控制模块从4个电量监测单元获取4个飞轮储能装置的储电量；
c)将第一供储能模块所辖的任意一个飞轮储能装置与第二供储能模块所辖的任意一个飞轮储能装置组合得到一个储电量比较组，则按上述方式，将第一供储能模块所辖的2个飞轮储能装置与第二供储能模块的2个飞轮储能装置组合得到4个储电量比较组；
中央控制模块对每个储电量比较组所辖的2个飞轮储能装置的储电量进行求差计算得到二者的储电量差值，然后对4个储电量比较组的储电量差值进行比较，将储电量差值的绝对值最大的储电量比较组记为融冰组，将融冰组中储电量较大的飞轮储能装置记为临时放电飞轮装置，将融冰组中储电量较小的飞轮储能装置记为临时储能飞轮装置，将临时放电飞轮装置所属的储能单元记为临时放电单元，将临时储能飞轮装置所属的储能单元记为临时储能单元；将与临时放电飞轮装置同属临时放电单元的另一个飞轮储能装置记为放电端飞轮装置，将与临时储能飞轮装置同属临时储能单元的另一个飞轮储能装置记为储能端飞轮装置；
d)中央控制模块控制临时放电单元的第一开关使对应的整流器与放电端飞轮装置选通，中央控制模块控制与放电端飞轮装置连接的第三开关断开，中央控制模块控制与临时放电飞轮装置连接的第三开关闭合；中央控制模块控制临时储能单元的第一开关使对应的整流器与储能端飞轮装置选通，中央控制模块控制与储能端飞轮装置连接的第三开关断开，中央控制模块控制与临时储能飞轮装置连接的第三开关闭合；
同时，中央控制模块控制临时放电飞轮装置的工作模式切换到放电模式，中央控制模块控制临时储能飞轮装置的工作模式切换到储能模式；
e)中央控制模块通过电流监测单元获取直流牵引网的电流值I测，中央控制模块将I测与最小融冰电流I融进行比较：如果I测>I融，则进入步骤f；如果I测≦I融，则进入步骤g；所述I融为设定值；
f)中央控制模块持续通过电流监测单元获取直流牵引网的电流值I测，直到I测＝I融，返回步骤b)；
g)中央控制模块控制全部第三开关均断开，中央控制模块控制2个第二开关均闭合；中央控制模块控制其中一个供储能模块的双向变流器工作于整流模式并提高该双向变流器的电压到常规融冰电压，同时，中央控制模块控制另一个供储能模块的双向变流器工作于逆变模式；所述常规融冰电压为设定值。
4.如权利要求3所述的高海拔地铁储能与融冰功能一体化的控制方法，其特征在于：所述常规融冰电压小于快速融冰电压。
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN118336723A (zh) * 2024-06-13 2024-07-12 杭州佳辰电力科技有限公司 一种分布式高压直流融冰站的调度方法及系统

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