CN203358379U - 一种含分布式电源的制动能量回收式直流牵引供电系统 - Google Patents

Abstract

一种含分布式电源的制动能量回收式直流牵引供电系统，有两个以上的牵引变电站，每个牵引变电站设置有多个连接在交流母线上的变压器，变压器的输出侧对应连接输出侧连接在所位于的牵引变电站的直流母线上的整流器，直流母线的正负极对应连接接触网和钢轨，电力机车的正负极对应连接接触网和钢轨，相邻的牵引变电站的接触网上都接有一个分区所，分区所的两端连接所对应的直流母线的正极，在相邻的两个牵引变电站之间的直流母线上设置有由电动汽车充放电单元和分布式电源单元构成的直流新能源系统，直流新能源系统与相邻的两个牵引变电站的直流母线相连，从而在一个供电分区内形成直流环形微电网。本实用新型提高了直流牵引供电系统的可靠性。

Description

一种含分布式电源的制动能量回收式直流牵引供电系统

技术领域

本实用新型涉及一种直流牵引供电系统。特别是涉及一种用于城市电气化交通车辆供电的具有高电能质量的基于分布式电源的直流牵引供电系统。

背景技术

随着经济和城市化进程的快速发展，能源危机、环境污染和交通拥堵已成为当今世界所面临的严重问题。城市电气化交通车辆（地铁、有轨电车和无轨电车）和电动汽车可以缓解城市日益严重的交通拥堵，降低有限的化石燃料的消耗，减少空气污染，实现节能减排和城市的可持续发展，是未来城市大力发展的主要交通工具。

电动汽车的发展需要相对应的充电系统，常用的充电模式有常规充电、快速充电和动力电池组快速更换系统（简称换电）三种。对于城市公共交通电动车辆，换电是一种很好的充电模式。电动汽车充电系统不仅需要巨大的建设成本，而且会对电力系统产生许多不良影响。同时，电动汽车动力电池也是一个容量巨大的储能设备。

传统的直流牵引供电系统通常采用二极管整流器供电，牵引变电站向接触网供电的方式有单边供电和双边供电。我国国标规定的直流供电的电压等级有750V和1500V两种。电力机车的制动能量通常消耗在制动电阻上，这不仅造成了能量的浪费，而且还会导致隧道温度的升高，增加温控系统的负担，进一步导致能源的浪费。电力机车制动能量的回收利用是牵引供电系统未来发展的方向。

如图1所示，现有的直流牵引供电系统包括有：一个或两个以上的用于向电力机车2提供直流电能的牵引变电站1，该牵引变电站1是采用传统的二极管整流直流牵引供电系统。每一个牵引变电站1都是由变压器11、整流器12、直流母线13、接触网14、钢轨15和分区所16构成。其中，变压器11可以是双绕组变压器、三绕组变压器或原边采用延边三角形连接的移相±7.5°的三绕组变压器。整流器12可以是六脉波整流器、12脉波整流器或24脉波整流器。

在电力机车运行低谷和停运期间，交流侧主变电站的功率因数很低，需要采取无功补偿措施。

经济的迅猛发展促进了电力需求的快速增长，传统的集中式大电网成本高、运行难度大，难以满足用户越来越高的安全性和可靠性的要求。分布式发电与集中式发电相比，具有污染少、能源利用率高、安装地点灵活等优点，节省了输配电资源和运行费用，减少了集中输电的线路损耗，减少了电网总容量，改善了电网峰谷性能，提高了可靠性，是大电网的有力补充和有效支撑，是电力系统的发展趋势之一。

分布式电源包括太阳能光伏电池、风力发电机、微型燃气轮机、燃料电池和生物质能发电等。

分布式电源单机接入成本高、控制困难。它相对于大电网来说是一个不可控源，因此大电网往往采取限制、隔离的方式来处置分布式电源，以期减小其对大电网的冲击，这就大大限制了分布式电源的利用。

充分利用城市电气化公交线路的空间可以发展利用诸如太阳能光伏电池、微型燃气轮机和燃料电池等分布式电源。

微电网是一种由负荷、微电源（即微电网中的分布式电源，如光伏发电、风力发电等）、储能装置和电力电子功率变换装置共同组成的有机系统；微电网内部的电源主要由电力电子器件负责能量的转换，并提供必需的控制；微电网可以有效解决上述分布式电源接入大电网的问题，协调大电网和分布式电源之间的矛盾。

微电网可分为交流微电网、直流微电网、高频微电网和交直流混合微电网。因为分布式电源中的太阳能光伏电池和燃料电池本身为直流，而风力发电机、微型燃气轮机和生物质能发电等虽然为频率不同的交流，但可以经过一次整流变换为直流。直流微电网具有无集肤效应、损耗小、效率高、无需无功补偿、不存在交流供电系统固有的稳定问题、输送距离和功率也不受电力系统同步运行稳定性的限制以及易于控制等优点，在电力系统中具有广阔的发展和应用前景。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是，提供一种含分布式电源的制动能量回收式直流牵引供电系统，能够实现分布式电源的有效利用和电力机车制动能量的回收，减小现有直流牵引供电系统直流电压的波动范围，提高直流牵引供电系统低负荷和空载时交流侧主变电站的功率因数，提高直流牵引供电系统的可靠性，减少电动汽车充电系统的建设成本。

本实用新型所采用的技术方案是：一种含分布式电源的制动能量回收式直流牵引供电系统，包括有两个以上的用于向电力机车提供直流电能的牵引变电站，每一个牵引变电站都设置有一个以上的连接在交流母线上的变压器，每一个变压器的输出侧对应连接一个整流器，所有整流器的输出侧均连接在所位于的牵引变电站的直流母线上，所述的直流母线的正负极分别对应连接接触网和钢轨，所述的电力机车的正负极分别对应连接接触网和钢轨，每一个牵引变电站的接触网上都接有一个分区所，所述分区所的两端还分别连接所对应的直流母线的正极，在相邻的两个牵引变电站之间的直流母线上设置有由电动汽车充放电单元和分布式电源单元构成的直流新能源系统，所述的直流新能源系统与相邻的两个牵引变电站的直流母线相连，从而在一个供电分区内形成直流环形微电网。

所述的直流新能源系统通过直流新能源系统直流母线连接在相邻的两个牵引变电站的直流母线上，所述的电动汽车充放电单元和分布式电源单元分别连接在直流新能源系统直流母线上。

所述的分布式电源包括有一个以上的微型燃气轮机、一个以上的风力发电机、一个以上的燃料电池和一个以上的太阳能光伏电池，其中，每一个微型燃气轮机和每一个风力发电机都各自通过一个单向交流-直流变换器连接直流新能源系统直流母线，每一个燃料电池和每一个太阳能光伏电池都各自通过一个单向直流-直流变换器（38/40）连接直流新能源系统直流母线。

所述的电动汽车充放电单元包括有1个以上的连接在直流新能源系统直流母线上的双向直流-直流充放电机，每一个双向直流-直流充放电机的输出端连接一个电动汽车动力电池。

所述的每个双向直流-直流充放电机的连接电动汽车动力电池的输出端还并联超级电容器。

一种含分布式电源的制动能量回收式直流牵引供电系统，包括有一个用于向电力机车提供直流电能的牵引变电站，所述的牵引变电站设置有一个以上的连接在交流母线上的变压器，每一个变压器的输出侧对应连接一个整流器，所有整流器的输出侧均连接在牵引变电站的直流母线上，所述的直流母线的正负极分别对应连接接触网和钢轨，所述的电力机车的正负极分别对应连接接触网和钢轨，在牵引变电站的直流母线上设置有由电动汽车充放电单元和分布式电源单元构成的直流新能源系统，所述的直流新能源系统与相邻的两个牵引变电站的直流母线相连，从而在一个供电分区内形成直流环形微电网。

所述的直流新能源系统通过直流新能源系统直流母线连接在牵引变电站的直流母线上，所述的电动汽车充放电单元和分布式电源单元分别连接在直流新能源系统直流母线上。

所述的分布式电源包括有一个以上的微型燃气轮机、一个以上的风力发电机、一个以上的燃料电池和一个以上的太阳能光伏电池，其中，每一个微型燃气轮机和每一个风力发电机都各自通过一个单向交流-直流变换器连接直流新能源系统直流母线，每一个燃料电池和每一个太阳能光伏电池都各自通过一个单向直流-直流变换器连接直流新能源系统直流母线。

所述的电动汽车充放电单元包括有1个以上的连接在直流新能源系统直流母线上的双向直流-直流充放电机，每一个双向直流-直流充放电机的输出端连接一个电动汽车动力电池。

所述的每个双向直流-直流充放电机的连接电动汽车动力电池的输出端还并联超级电容器。

本实用新型的一种含分布式电源的制动能量回收式直流牵引供电系统，充分利用现有直流牵引供电系统，基于分布式电源、换电为主的电动汽车充放电系统实现了分布式电源的有效利用和电力机车制动能量的回收：在电力机车牵引运行时，由传统直流牵引供电系统、分布式电源和电动汽车动力电池提供能量，减小直流母线电压的降落；在电力机车制动运行时，利用换电为主的电动汽车充放电系统为电动汽车动力电池充电，减小直流母线电压的升高；在直流牵引供电系统低负荷和空载运行时，利用分布式电源和换电为主的电动汽车充放电系统为电动汽车动力电池充电，提高交流侧主变电站的功率因数；在交流电网故障时，如果分布式电源和换电为主的电动汽车充放电系统容量足够大，利用分布式电源和电动汽车动力电池为直流牵引供电系统供电，提高直流牵引供电系统的可靠性；换电为主的电动汽车充放电系统利用了现有直流牵引供电系统，从而减少电动汽车充电系统的建设成本；另外，系统还具有“削峰填谷”的作用，提高了整个系统的经济性。

附图说明

图1是现有的直流牵引供电系统的结构示意图；

图2是双边供电的含分布式电源的制动能量回收式直流牵引供电系统的结构示意图；

图3是单边供电的含分布式电源制动能量回收式直流牵引供电系统结构示意图。

图中

1：牵引变电站                 2：电力机车

3：直流新能源系统             4：交流母线

11：变压器                    12：整流器

13：直流母线                  14：接触网

15：钢轨                      16：分区所

31：直流新能源系统直流母线    32：双向直流-直流充放电机

33：微型燃气轮机              34：单向交流-直流变换器

35：风力发电机                36：单向交流-直流变换器

37：燃料电池                  38：单向直流-直流变换器

39：太阳能光伏电池            40：单向直流-直流变换器

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本实用新型的一种含分布式电源的制动能量回收式直流牵引供电系统做出详细说明。

本实用新型的一种含分布式电源的制动能量回收式直流牵引供电系统，通过直流母线将分布式电源、换电为主的电动汽车充放电系统与现有的二极管整流直流牵引供电系统相连，在一个牵引供电分区内，形成一个直流环形微电网。

如图2所示，本实用新型的一种含分布式电源的制动能量回收式直流牵引供电系统，即，双边供电含分布式电源的制动能量回收式直流牵引供电系统，包括有两个以上的用于向电力机车2提供直流电能的牵引变电站1，每一个牵引变电站1都是采用传统的二极管整流直流牵引供电系统，每一个牵引变电站1都设置有一个以上的连接在交流母线4上的变压器11，每一个变压器11的输出侧对应连接一个整流器12，所有整流器12的输出侧均连接在所位于的牵引变电站1的直流母线13上，所述的直流母线13的正负极分别对应连接接触网14和钢轨15，所述的电力机车2的正负极分别对应连接接触网14和钢轨15，每一个牵引变电站1的接触网14上串接有一个分区所16，所述分区所16的两端还分别连接所对应的直流母线13的正极。其中，变压器可以是双绕组变压器、三绕组变压器或原边采用延边三角形连接的移相±7.5°的三绕组变压器。整流器可以是六脉波整流器、12脉波整流器或24脉波整流器。图2中虽然给出了两个变压器和两个整流器，但其数目不只限于两个。图2中电力机车2为两个牵引变电站所共有的负载。在相邻的两个牵引变电站1之间的直流母线13上设置有由电动汽车充放电单元和分布式电源单元构成的直流新能源系统3，所述的直流新能源系统3与相邻的两个牵引变电站1的直流母线13相连，从而在一个供电分区内形成直流环形微电网。

所述的直流新能源系统3通过直流新能源系统直流母线31连接在相邻的两个牵引变电站1的直流母线13上，所述的电动汽车充放电单元和分布式电源单元分别连接在直流新能源系统直流母线31上。

所述的电动汽车充放电单元包括有1个以上的连接在直流新能源系统直流母线31上的双向直流-直流（DC-DC）充放电机32，每一个双向直流-直流充放电机32的输出端连接一个电动汽车动力电池。为改善系统的动态性能，在每个双向直流-直流（DC-DC）充放电机的连接电动汽车动力电池的输出端还并联超级电容器（图中未画出）。通过换电为主的1个以上的双向直流-直流（DC-DC）充放电机的充放电协调控制来利用分布式电源，并吸收电力机车的制动能量，维持直流母线电压稳定在要求的范围内。

所述的分布式电源用于向直流牵引供电系统供电，为电力机车或电动汽车动力电池提供电能。包括有一个以上的微型燃气轮机33、一个以上的风力发电机35、一个以上的燃料电池37和一个以上的太阳能光伏电池39，其中，每一个微型燃气轮机33和每一个风力发电机35都各自通过一个单向交流-直流（AC-DC）变换器34/36连接直流新能源系统直流母线31，每一个燃料电池37和每一个太阳能光伏电池39都各自通过一个单向直流-直流（DC-DC）变换器38/40连接直流新能源系统直流母线31。其中，太阳能光伏电池37和风力发电机35根据不同情况可以采用最大功率跟踪控制，也可以采用最大电流控制；本实用新型中的单向交流-直流（AC-DC）变换器34、36和单向直流-直流（DC-DC）变换器38、40的控制可以采用主从控制、对等控制或下垂控制，也可以采用分层控制。由于图空间所限，图中针对四种分布式电源只画出了一个作为代表；实际上，分布式电源的种类和数量没有限制。

如图3所示，本实用新型的一种含分布式电源的制动能量回收式直流牵引供电系统，还可以是针对单边供电制动能量回收式直流牵引供电系统，包括有一个用于向电力机车2提供直流电能的牵引变电站1，所述的牵引变电站1设置有一个以上的连接在交流母线4上的变压器11，每一个变压器11的输出侧对应连接一个整流器12，所有整流器12的输出侧连接在牵引变电站1的直流母线13上，所述的直流母线13的正负极分别对应连接接触网14和钢轨15，所述的电力机车2的正负极分别对应连接接触网14和钢轨15。其中，变压器可以是双绕组变压器、三绕组变压器或原边采用延边三角形连接的移相±7.5°的三绕组变压器。整流器可以是六脉波整流器、12脉波整流器或24脉波整流器。图中虽然给出了两个变压器和两个整流器，但其数目不只限于两个。图3中电力机车2为牵引变电站的负载。在牵引变电站1的直流母线13上设置有直流新能源系统3，所述的直流新能源系统3与牵引变电站1的直流母线13相连，从而在一个供电分区内形成直流环形微电网。

所述的直流新能源系统3通过直流新能源系统直流母线31连接在牵引变电站1的直流母线13上，所述的电动汽车充放电单元和分布式电源单元分别连接在直流新能源系统直流母线31上。

所述的电动汽车充放电单元包括有1个以上的连接在直流新能源系统直流母线31上的双向直流-直流充放电机32，1个以上的双向直流-直流（DC-DC）充放电机共同组成换电为主的电动汽车充放电单元，每一个双向直流-直流充放电机32的输出端连接一个电动汽车动力电池。为改善系统的动态性能，所述的每个双向直流-直流（DC-DC）充放电机32的连接电动汽车动力电池的输出端还并联超级电容器（图中未画出）。

所述的分布式电源包括有一个以上的微型燃气轮机33、一个以上的风力发电机35、一个以上的燃料电池37和一个以上的太阳能光伏电池39，其中，每一个微型燃气轮机33和每一个风力发电机35都各自通过一个单向交流-直流（AC-DC）变换器34/36连接直流新能源系统直流母线31，每一个燃料电池37和每一个太阳能光伏电池39都各自通过一个单向直流-直流（DC-DC）变换器38/40连接直流新能源系统直流母线31。

其中，太阳能光伏电池37和风力发电机35根据不同情况可以采用最大功率跟踪控制，也可以采用最大电流控制；本实用新型中的单向交流-直流（AC-DC）变换器34、36和单向直流-直流（DC-DC）变换器38、40的控制可以采用主从控制、对等控制或下垂控制，也可以采用分层控制。由于图空间所限，图中针对四种分布式电源只画出了一个作为代表；实际上，分布式电源的种类和数量没有限制。

图3所给出的一种含分布式电源的制动能量回收式直流牵引供电系统，既适用于单边供电的制动能量回收式直流牵引供电系统，也适用于双边供电的制动能量回收式直流牵引供电系统。

本实用新型的一种含分布式电源的制动能量回收式直流牵引供电系统，直流接触网与直流牵引变电站的直流输出正极相连，采用架空接触网对电力机车供电，钢轨与直流牵引变电站的直流输出负极相连，用于实现钢轨回流。除了采用接触网供电外，也可以采用第三轨供电。钢轨采用悬浮安装，以减少对地下管线的电流腐蚀。

本实用新型的一种含分布式电源的制动能量回收式直流牵引供电系统的工作原理是，当分布式电源、电力机车制动引起直流母线电压升高而达到所限定的电压阈值时，1个以上的双向直流-直流充放电机32向电动汽车动力电池充电，以避免直流母线电压超过限定值；当电力机车运行导致直流母线电压降低到所限定的电压阈值时，电动汽车动力电池通过充放电机向直流母线供电，以避免直流母线电压低于限定值。在电力机车运行低谷和停运期间，通过该供电系统为电动汽车动力电池充电，在满足电动汽车动力电池充电的同时，也解决了直流牵引供电系统在低负荷和空载时，交流侧主变电站功率因数大幅降低的问题。因此，通过换电为主的电动汽车充放电单元和电动汽车动力电池充放电的协调控制，不仅实现了分布式电源的利用和电力机车制动能量的回收，平抑了直流母线电压的波动，而且利用直流牵引供电系统在低负荷和空载时，为电动汽车动力电池充电，解决了直流牵引供电系统交流侧主变电站功率因数大幅降低的问题。

如果分布式电源和换电为主的电动汽车充放电单元容量足够大，则在交流电网故障时，可以由分布式电源和换电为主的电动汽车充放电系统为电力机车供电，从而提高了直流牵引供电系统的可靠性。同时也充分利用直流牵引供电系统大大降低了换电为主的电动汽车充电系统的建设成本，对供电系统具有“削峰填谷”的作用，提高了整个系统的经济性和综合利用效益。

本实用新型的一种含分布式电源的制动能量回收式直流牵引供电系统中，电动汽车充放电系统的充放电控制指令可以由控制中心通过通讯系统给定，也可以根据直流母线电压给定。

换电为主的电动汽车充放电系统的控制和结构有许多种，具体由实际系统决定。

Claims (10)

1.一种含分布式电源的制动能量回收式直流牵引供电系统，包括有两个以上的用于向电力机车（2）提供直流电能的牵引变电站（1），每一个牵引变电站（1）都设置有一个以上的连接在交流母线（4）上的变压器（11），每一个变压器（11）的输出侧对应连接一个整流器（12），所有整流器（12）的输出侧均连接在所位于的牵引变电站（1）的直流母线（13）上，所述的直流母线（13）的正负极分别对应连接接触网（14）和钢轨（15），所述的电力机车（2）的正负极分别对应连接接触网（14）和钢轨（15），每一个牵引变电站（1）的接触网（14）上都接有一个分区所（16），所述分区所（16）的两端还分别连接所对应的直流母线（13）的正极，其特征在于，在相邻的两个牵引变电站（1）之间的直流母线（13）上设置有由电动汽车充放电单元和分布式电源单元构成的直流新能源系统（3），所述的直流新能源系统（3）与相邻的两个牵引变电站（1）的直流母线（13）相连，从而在一个供电分区内形成直流环形微电网。

2.根据权利要求1所述的一种含分布式电源的制动能量回收式直流牵引供电系统，其特征在于，所述的直流新能源系统（3）通过直流新能源系统直流母线（31）连接在相邻的两个牵引变电站（1）的直流母线（13）上，所述的电动汽车充放电单元和分布式电源单元分别连接在直流新能源系统直流母线（31）上。

3.根据权利要求1或2所述的一种含分布式电源的制动能量回收式直流牵引供电系统，其特征在于，所述的分布式电源包括有一个以上的微型燃气轮机（33）、一个以上的风力发电机（35）、一个以上的燃料电池（37）和一个以上的太阳能光伏电池（39），其中，每一个微型燃气轮机（33）和每一个风力发电机（35）都各自通过一个单向交流-直流变换器（34/36）连接直流新能源系统直流母线（31），每一个燃料电池（37）和每一个太阳能光伏电池（39）都各自通过一个单向直流-直流变换器（38/40）连接直流新能源系统直流母线（31）。

4.根据权利要求1或2所述的一种含分布式电源的制动能量回收式直流牵引供电系统，其特征在于，所述的电动汽车充放电单元包括有1个以上的连接在直流新能源系统直流母线（31）上的双向直流-直流充放电机（32），每一个双向直流-直流充放电机（32）的输出端连接一个电动汽车动力电池。

5.根据权利要求4所述的一种含分布式电源的制动能量回收式直流牵引供电系统，其特征在于，所述的每个双向直流-直流充放电机（32）的连接电动汽车动力电池的输出端还并联超级电容器。

6.一种含分布式电源的制动能量回收式直流牵引供电系统，包括有一个用于向电力机车（2）提供直流电能的牵引变电站（1），所述的牵引变电站（1）设置有一个以上的连接在交流母线（4）上的变压器（11），每一个变压器（11）的输出侧对应连接一个整流器（12），所有整流器（12）的输出侧均连接在牵引变电站（1）的直流母线（13）上，所述的直流母线（13）的正负极分别对应连接接触网（14）和钢轨（15），所述的电力机车（2）的正负极分别对应连接接触网（14）和钢轨（15），其特征在于，在牵引变电站（1）的直流母线（13）上设置有由电动汽车充放电单元和分布式电源单元构成的直流新能源系统（3），所述的直流新能源系统（3）与相邻的两个牵引变电站（1）的直流母线（13）相连，从而在一个供电分区内形成直流环形微电网。

7.根据权利要求6所述的一种含分布式电源的制动能量回收式直流牵引供电系统，其特征在于，所述的直流新能源系统（3）通过直流新能源系统直流母线（31）连接在牵引变电站（1）的直流母线（13）上，所述的电动汽车充放电单元和分布式电源单元分别连接在直流新能源系统直流母线（31）上。

8.根据权利要求6或7所述的一种含分布式电源的制动能量回收式直流牵引供电系统，其特征在于，所述的分布式电源包括有一个以上的微型燃气轮机（33）、一个以上的风力发电机（35）、一个以上的燃料电池（37）和一个以上的太阳能光伏电池（39），其中，每一个微型燃气轮机（33）和每一个风力发电机（35）都各自通过一个单向交流-直流变换器（34/36）连接直流新能源系统直流母线（31），每一个燃料电池（37）和每一个太阳能光伏电池（39）都各自通过一个单向直流-直流变换器（38/40）连接直流新能源系统直流母线（31）。

9.根据权利要求6或7所述的一种含分布式电源的制动能量回收式直流牵引供电系统，其特征在于，所述的电动汽车充放电单元包括有1个以上的连接在直流新能源系统直流母线（31）上的双向直流-直流充放电机（32），每一个双向直流-直流充放电机（32）的输出端连接一个电动汽车动力电池。

10.根据权利要求9所述的一种含分布式电源的制动能量回收式直流牵引供电系统，其特征在于，所述的每个双向直流-直流充放电机（32）的连接电动汽车动力电池的输出端还并联超级电容器。

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