WO2015014249A1 - 一种基于新能源的混合双向互动式直流牵引供电系统 - Google Patents

Abstract

一种基于新能源的混合双向互动式直流牵引供电系统，有两个牵引变电站（1），每个牵引变电站（1）又包括变压器（11，17）、整流器（12）、双向交流-直流（AC-DC）变换器（18）、直流母线（13）、接触网（14）、钢轨（15）和分区所（16）。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系统、分布式电源和1个以上的低压直流微电网（31）构成的直流新能源系统（3），直流新能源系统（3）通过高压直流母线（4）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（31），其中电动汽车充放电系统是由1个以上的用于连接电动汽车动力电池的双向直流-直流充放电机（32）构成。

Description

一种某于新能源的混合双向互动式直流牵引供电系统

技术领域

本发明涉及一种直流牵引供电系统。 特别是涉及一种分布式电源、 换电为主的电动汽车 充放电系统与直流牵引供电系统相结合的基于新能源的混合双向互动式直流牵引供电系统。 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。

传统的直流牵引供电系统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

本发明所要解决的技术问题是， 提供一种基于新能源的混合双向互动式直流牵引供电系 统， 从而实现了分布式电源的有效利用以及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交流侧主变电站的功率因数， 减少谐波， 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。

本发明所采用的技术方案是： 一种基于新能源的混合双向互动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有一个以 上的连接在交流母线上的第一变压器和一个以上的连接在交流母线上的第二变压器， 每一个 第一变压器的另一侧对应连接一个整流器， 每一个第二变压器的另一侧对应连接一个双向交 流-直流变换器，所有整流器和所有双向交流-直流变换器的另一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系统、 分布式电源和 1个以上的低压直流微电网构成的直流新 能源系统， 所述的直流新能源系统通过高压直流母线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， 其中所述的电动汽车充放电系统是由 1个 以上的用于连接电动汽车动力电池的双向直流-直流充放电机构成。

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°

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 -直流变换器连接高压直流母线， 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-直流变换器连接高压直流母线。 所述的低压直流微电网包括有通过一个双向直流-直流变换器连接在高压直流母线上的 环形低压直流母线、 一个以上的储能装置、 一个以上的微型燃气轮机、 一个以上的太阳能光 伏电池、 一个以上的燃料电池、 一个以上的风力发电机、 一个以上的单向直流-交流变换器、 一个以上的双向直流 -直流充放电机和一个以上的单向直流-直流变换器， 其中， 每一个太阳 能光伏电池和每一个燃料电池分别各通过一个单向直流-直流变换器连接环形低压直流母线， 每一个微型燃气轮机和每一个风力发电机分别各通过一个单向交流-直流变换器连接环形低 压直流母线， 每一个储能装置各通过一个双向直流-直流变换器连接环形低压直流母线， 每一 个单向直流-交流变换器的输出连接交流负载， 每一个双向直流-直流充放电机的另一侧连接 电动汽车的动力电池， 每一个单向直流-直流变换器的输出连接直流负载。

所述的低压直流微电网包括有通过一个双向直流 -直流变换器连接在高压直流母线上的放 射形低压直流母线、 一个以上的储能装置、 一个以上的微型燃气轮机、 一个以上的太阳能光 伏电池、 一个以上的燃料电池、 一个以上的风力发电机、 一个以上的单向直流-交流变换器、 一个以上的双向直流 -直流充放电机和一个以上的单向直流-直流变换器， 其中， 每一个太阳 能光伏电池和每一个燃料电池分别各通过一个单向直流-直流变换器连接放射形低压直流母 线， 每一个微型燃气轮机和每一个风力发电机分别各通过一个单向交流-直流变换器连接放射 形低压直流母线， 每一个储能装置各通过一个双向直流-直流变换器连接放射形低压直流母 线， 每一个单向直流-交流变换器的输出连接交流负载， 每一个双向直流 -直流充放电机的另 一侧连接电动汽车的动力电池， 每一个单向直流-直流变换器的输出连接直流负载。

一种基于新能源的混合双向互动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第一变压 器和一个以上的连接在交流母线上的第二变压器， 每一个第一变压器的另一侧对应连接一个 整流器， 每一个第二变压器的另一侧对应连接一个双向交流-直流变换器， 所有整流器和所有 双向交流-直流变换器的另一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， 在直流 母线上设置有由电动汽车充放电系统、 分布式电源和 1个以上的低压直流微电网构成的直流 新能源系统， 所述的直流新能源系统通过高压直流母线与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， 其中所述的电动汽车充放电系统是由 1个以上的用 于连接电动汽车动力电池的双向直流-直流充放电机构成。

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。

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 -直流变换器连接高压直流母线， 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-直流变换器连接高压直流母线。

所述的低压直流微电网包括有通过一个双向直流-直流变换器连接在高压直流母线上的 环形低压直流母线、 一个以上的储能装置、 一个以上的微型燃气轮机、 一个以上的太阳能光 伏电池、 一个以上的燃料电池、 一个以上的风力发电机、 一个以上的单向直流-交流变换器、 一个以上的双向直流 -直流充放电机和一个以上的单向直流-直流变换器， 其中， 每一个太阳 能光伏电池和每一个燃料电池分别各通过一个单向直流-直流变换器连接环形低压直流母线， 每一个微型燃气轮机和每一个风力发电机分别各通过一个单向交流-直流变换器连接环形低 压直流母线， 每一个储能装置各通过一个双向直流-直流变换器连接环形低压直流母线， 每一 个单向直流-交流变换器的输出连接交流负载， 每一个双向直流-直流充放电机的另一侧连接 电动汽车的动力电池， 每一个单向直流-直流变换器的输出连接直流负载。

所述的低压直流微电网包括有通过一个双向直流-直流变换器连接在高压直流母线上的 放射形低压直流母线、 一个以上的储能装置、 一个以上的微型燃气轮机、 一个以上的太阳能 光伏电池、一个以上的燃料电池、一个以上的风力发电机、一个以上的单向直流-交流变换器、 一个以上的双向直流 -直流充放电机和一个以上的单向直流-直流变换器， 其中，每一个太阳能 光伏电池和每一个燃料电池分别各通过一个单向直流 -直流变换器连接放射形低压直流母线， 每一个微型燃气轮机和每一个风力发电机分别各通过一个单向交流-直流变换器连接放射形 低压直流母线， 每一个储能装置各通过一个双向直流 -直流变换器连接放射形低压直流母线， 每一个单向直流-交流变换器的输出连接交流负载，每一个双向直流 -直流充放电机的另一侧连 接电动汽车的动力电池， 每一个单向直流-直流变换器的输出连接直流负载。

本发明的一种基于新能源的混合双向互动式直流牵引供电系统， 基于分布式电源、 换电 为主的电动汽车充放电系统和双向交流 -直流 （AC-DC) 并网变换器所形成的直流微电网， 实 现了分布式新能源的有效利用和电力机车制动能量的回收； 减小了直流母线电压的波动； 利 用脉宽调制 （PWM) 控制提高了交流侧主变电站的功率因数， 减少了谐波； 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， 系统可以孤岛运行， 从而提高了直流牵引供 电系统的供电可靠性； 充分利用直流牵引供电系统实现了电动汽车的充电， 进而减少了电动 汽车充电系统的建设成本； 通过双向交流 -直流（AC-DC)并网变换器实现了电能的双向互动， 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是双边供电的基于新能源的混合双向互动式直流牵引供电系统的结构示意图;

图 3是单边供电的基于新能源的混合双向互动式直流牵引供电系统结构示意图； 图 4是环形低压直流微电网结构示意图；

图 5是放射形低压直流微电网结构示意图。

图中

1： 牵引变电站 2: 电力机车

3： 直流新能源系统 4: 高压直流母线

5： 交流母线 11 : 第一变压器

12： 整流器 13 : 直流母线

14： 接触网 15 : 钢轨

16： 分区所 17: 第二变压器 18： 双向交流 -直流变换器 低压直流微电网

32： 双向直流-直流充放电机 微型燃气轮机

34： 单向交流 -直流变换器 风力发电机

36： 单向交流 -直流变换器 燃料电池

38： 单向直流 -直流变换器 太阳能光伏电池

40： 单向直流 -直流变换器 具体实 式

下面结合实施例和附图对本发明的一种基于新能源的混合双向互动式直流牵引供电系统 做出详细说明。

本发明的一种基于新能源的混合双向互动式直流牵引供电系统， 是基于分布式电源、 换 电为主的电动汽车充放电系统和直流牵引供电系统所形成的直流微电网， 提出了一种双向互 动式直流牵引供电系统。

对于双边供电的一种基于新能源的混合双向互动式直流牵引供电系统， 即基于整流器和 双向交流 -直流 （AC-DC ) 变换器并联并网的双向互动式直流牵引供电系统。 如图 2所示，本 发明的一种基于新能源的混合双向互动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都有一个以上的连接在交流母线 5 上的第一变压器 11和一个以上的连接在交流母线 5上的第二变压器 17， 每一个第一变压器 11的另一侧对应连接一个整流器 12， 每一个第二变压器 17的另一侧对应连接一个双向交流- 直流变换器 18，所有整流器 12和所有双向交流 -直流变换器 18的另一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。 整流器既可以是二极管组成的不控整流器， 也可以是脉宽调制 (PWM)可控整流器。二极管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。 双向交流 -直流（AC-DC )变换器既可以是电压源变换器， 也可以是电流源变换器； 其调制方 式可以是脉宽调制 （PWM); 在图 2中每个牵引变电站虽然给出了两个变压器、 一个整流器 和一个双向交流 -直流 （AC-DC ) 变换器， 但其数目不只限于这些。

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系统、分布式 电源和 1个以上的低压直流微电网 31构成的直流新能源系统 3， 所述的直流新能源系统 3通 过高压直流母线 4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， 其中所述的电动汽车充放电系统是由 1个以上的用于连接电动汽车动力 电池的双向直流-直流充放电机 32构成。 为改善系统的动态性能， 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 （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 -直流变换器 34/36连接高压直流母线 4，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连接高压 直流母线 4。

太阳能光伏电池 39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； 单向交流 -直流变换器 34/36和单向直流 -直流变换器 38/40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。 低压直流微 电网 31通过双向直流 -直流 （DC-DC ) 变换器和高压直流母线 4与接触网相连的直流母线相 连， 它既可以运行在并网状态， 也可以运行在离网 （或孤岛） 状态， 其结构形式既可以是环 式 （如图 4)， 也可以是放射式 （如图 5 ) 或其他形式。 整流器、 双向直流 -直流 （DC-DC )变 换器与直流母线 13直接相连， 分布式电源、 电动汽车充放电系统、低压直流微电网通过高压 直流母线 4与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。

对于单边供电的基于整流器和双向交流 -直流（AC-DC )变换器并联并网的双向互动式直 流牵引供电系统， 如图 3所示， 本发明的一种基于新能源的混合双向互动式直流牵引供电系 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 5上的第一变压器 11和一个以上的连接在交流母线 5上的第二 变压器 17， 每一个第一变压器 11的另一侧对应连接一个整流器 12， 每一个第二变压器 17的 另一侧对应连接一个双向交流 -直流变换器 18， 所有整流器 12和所有双向交流 -直流变换器 18的另一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，电 力机车为牵引变电站的负载。 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。 整流器既可以是二极管组成的不控整流器， 也 可以是脉宽调制（PWM)可控整流器。 二极管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。 双向交流 -直流 （AC-DC ) 变换器既可以是电压源变换器， 也可以是电流源 变换器； 其调制方式可以是脉宽调制 （PWM) ; 图中牵引变电站虽然给出了两个变压器、 一 个整流器和一个双向交流 -直流 （AC-DC ) 变换器， 但其数目不只限于这些。 在直流母线 13 上设置有由电动汽车充放电系统、分布式电源和 1个以上的低压直流微电网 31构成的直流新 能源系统 3， 所述的直流新能源系统 3通过高压直流母线 4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， 其中所述的电动汽车充放电系统是由 1个 以上的用于连接电动汽车动力电池的双向直流-直流充放电机 32构成。 n个双向直流 -直流（图 中为 DC-DC)充放电机构成换电为主的电动汽车充放电系统， 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 -直流变换器 34/36连接高压直流母线 4，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连接高压 直流母线 4。

太阳能光伏电池 39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； 单向交流 -直流变换器 34/36和单向直流 -直流变换器 38/40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。 低压直流微 电网 31通过双向直流 -直流 （DC-DC ) 变换器和高压直流母线 4与接触网相连的直流母线相 连， 它既可以运行在并网状态， 也可以运行在离网 （或孤岛） 状态， 其结构形式既可以是环 式 （如图 4)， 也可以是放射式 （如图 5 ) 或其他形式。 整流器、 双向直流 -直流 （DC-DC )变 换器与直流母线 13直接相连， 分布式电源、 电动汽车充放电系统、低压直流微电网通过高压 直流母线 4与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。

如图 4所示， 本发明图 2、 图 3所示的低压直流微电网 31， 包括有通过一个双向直流- 直流变换器 312连接在高压直流母线 4上的环形低压直流母线 311a、 一个以上的储能装置 3110、 一个以上的微型燃气轮机 316、 一个以上的太阳能光伏电池 317、 一个以上的燃料电池 318、 一个以上的风力发电机 319、 一个以上的单向直流 -交流 （DC-AC ) 变换器 3111、 一个 以上的双向直流 -直流 （DC-DC)充放电机 3112和一个以上的单向直流 -直流（DC-DC)变换 器 3113， 其中， 每一个太阳能光伏电池 317和每一个燃料电池 318分别各通过一个单向直流 -直流（DC-DC )变换器 3117/3116连接环形低压直流母线 31 la， 每一个微型燃气轮机 316和 每一个风力发电机 319分别各通过一个单向交流 -直流 （AC-DC ) 变换器 3114/3115连接环形 低压直流母线 311a， 每一个储能装置 3110各通过一个双向直流 -直流 （DC-DC )变换器 3118 连接环形低压直流母线 311a， 每一个单向直流 -交流 （DC-AC) 变换器 3111的输出连接交流 负载 313， 每一个双向直流 -直流 （DC-DC ) 充放电机 3112的另一侧连接电动汽车 314的动 力电池， 每一个单向直流 -直流 （DC-DC ) 变换器 3113的输出连接直流负载 315。 储能装置 3110依次通过环形低压直流母线 311a、 双向直流 -直流变换器 312和直流母线上 4连接在与 接触网相连的直流母线 13上。

本发明中， 所述的储能装置既可以是蓄电池储能， 也可以是超级电容器储能或其他储能 设备； 所述的直流负载既可以是 LED照明设备， 也可以是消费类电子设备或其他直流负载。 所述的交流负载既可以是空调， 所述的也可以是洗衣机或其他交流负载。 双向直流 -直流 (DC-DC ) 电动汽车充放电机既可以为纯电动汽车充放电， 也可以为插电式混合动力汽车或 动力电池充放电。

如图 5所示， 本发明图 2、 图 3所示的低压直流微电网 31， 还可以是包括有通过一个双 向直流 -直流变换器 312连接在高压直流母线 4上的放射形低压直流母线 311b、一个以上的储 能装置 3110、 一个以上的微型燃气轮机 316、 一个以上的太阳能光伏电池 317、 一个以上的 燃料电池 318、一个以上的风力发电机 319、一个以上的单向直流 -交流（DC-AC)变换器 3111、 一个以上的双向直流 -直流 （DC-DC) 充放电机 3112和一个以上的单向直流 -直流 （DC-DC ) 变换器 3113， 其中， 每一个太阳能光伏电池 317和每一个燃料电池 318分别各通过一个单向 直流 -直流 DC-DC变换器 3117/3116连接放射形低压直流母线 311b，每一个微型燃气轮机 316 和每一个风力发电机 319分别各通过一个单向交流 -直流 （AC-DC ) 变换器 3114/3115连接放 射形低压直流母线 3 l ib，每一个储能装置 3110各通过一个双向直流 -直流 DC-DC变换器 3118 连接放射形低压直流母线 311b， 每一个单向直流 -交流 （DC-AC) 变换器 3111的输出连接交 流负载 313， 每一个双向直流 -直流 （DC-DC) 充放电机 3112的另一侧连接电动汽车 314的 动力电池， 每一个单向直流 -直流 （DC-DC) 变换器 3113的输出连接直流负载 315。

低压直流微电网通过双向直流 -直流 （DC-DC)变换器以及高压直流母线 4连接在与接触 网相连的直流母线上。 储能装置既可以是蓄电池储能， 也可以是超级电容器储能或其他储能 设备； 直流负载既可以是 LED照明设备， 也可以是消费类电子设备或其他直流负载。 交流负 载既可以是空调， 也可以是洗衣机或其他交流负载。 双向直流 -直流（DC-DC) 电动汽车充放 电机既可以为纯电动汽车充放电， 也可以为插电式混合动力汽车或动力电池充放电。

图 4和图 5既适用于图 3所示的单边供电的双向互动式直流牵引供电系统， 也适用于图

2所示的双边供电的双向互动式直流牵引供电系统。

图 2和图 3中所示的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。

本发明的一种基于新能源的混合双向互动式直流牵引供电系统， 通过双向交流 -直流

(AC-DC) 变换器、 分布式电源变换器以及换电为主的电动汽车充放电系统的协调控制来充 分利用分布式电源和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。 当直流 牵引供电系统电能过剩时， 直流母线电压升高而达到所限定的电压阈值， 电动汽车充放电系 统利用多余的电能通过充放电机向电动汽车动力电池充电， 除此以外的多余电能通过双向交 流 -直流（AC-DC)变换器（此时为逆变器） 回馈到交流电网， 以避免直流母线电压超过限定 值； 当直流牵引供电系统电能不足时， 直流母线电压降低到所限定的电压阈值， 双向交流- 直流 （AC-DC) 变换器 （此时为整流器） 将交流电能变为直流电能向直流母线供电， 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， 维持系统的功 率平衡。 通过合理设计和协调控制， 所提出的双向互动式直流牵引供电系统不仅可以实现电 力机车的高质量高可靠供电、 电力机车制动能量的回收利用以及直流母线电压波动的平抑， 而且可以实现电动汽车动力电池的充电和分布式新能源的有效利用。

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， 则直流环形微电网不仅 可以运行在并网状态， 而且可以运行在离网 （或孤岛） 状态。 在交流供电系统故障时， 可以 运行在离网 （或孤岛） 状态， 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， 从而提高直流牵引供电系统的可靠性。

系统中变换器的控制既可以采用主从控制， 也可以采用对等控制或下垂控制， 又可以采 用分层控制。 系统中控制指令可以由控制中心通过通讯系统给定， 也可以根据系统的电压和 电流给定。

本发明的一种基于新能源的混合双向互动式直流牵引供电系统中各变换器的控制和结构 可以有许多种， 具体由实际系统决定。

Claims

权刺要求

1. 一种基于新能源的混合双向互动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 )， 其特征在于， 每一个牵引变电站 （1 ) 都有 一个以上的连接在交流母线 （5 ) 上的第一变压器 （11 ) 和一个以上的连接在交流母线 （5 ) 上的第二变压器 （17)， 每一个第一变压器 （11 ) 的另一侧对应连接一个整流器 （12)， 每 一个第二变压器（17)的另一侧对应连接一个双向交流 -直流变换器（18)， 所有整流器（12) 和所有双向交流 -直流变换器（18)的另一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， 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 电动汽车充放电系统、 分布式电源和 1个以上的低压直流微电网 （31 ) 构成的直流新能源 系统 （3 )， 所述的直流新能源系统 （3 ) 通过高压直流母线 （4) 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， 其中所述的电 动汽车充放电系统是由 1个以上的用于连接电动汽车动力电池的双向直流-直流充放电机 (32) 构成。

2. 根据权利要求 1所述的一种基于新能源的混合双向互动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。

3. 根据权利要求 1所述的一种基于新能源的混合双向互动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) 连接高压直流母线 （4)， 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) 连接高压直流母线 （4)。

4. 根据权利要求 1所述的一种基于新能源的混合双向互动式直流牵引供电系统， 其特 征在于， 所述的低压直流微电网 （31 )包括有通过一个双向直流 -直流变换器（312)连接在 高压直流母线 （4) 上的环形低压直流母线 （311a)、 一个以上的储能装置 （3110)、 一个以 上的微型燃气轮机（316)、一个以上的太阳能光伏电池（317)、一个以上的燃料电池（318)、 一个以上的风力发电机（319)、 一个以上的单向直流 -交流变换器（3111 )、 一个以上的双向 直流-直流充放电机 （3112) 和一个以上的单向直流 -直流变换器 （3113 )， 其中， 每一个太 阳能光伏电池 （317) 和每一个燃料电池 （318) 分别各通过一个单向直流 -直流 （DC-DC) 变换器 （3117/3116) 连接环形低压直流母线 （311a)， 每一个微型燃气轮机 （316) 和每一 个风力发电机 （319) 分别各通过一个单向交流 -直流 （AC-DC) 变换器 （3114/3115 ) 连接 环形低压直流母线（311a)，每一个储能装置（3110)各通过一个双向直流 -直流变换器（3118) 连接环形低压直流母线 （311a)， 每一个单向直流 -交流变换器（3111 ) 的输出连接交流负载 (313 ), 每一个双向直流-直流充放电机（3112)的另一侧连接电动汽车（314)的动力电池， 每一个单向直流 -直流变换器 （3113 ) 的输出连接直流负载 （315 )。

5. 根据权利要求 1所述的一种基于新能源的混合双向互动式直流牵引供电系统， 其特 征在于， 所述的低压直流微电网 （31 )包括有通过一个双向直流 -直流变换器（312)连接在 高压直流母线 （4) 上的放射形低压直流母线 （311b)、 一个以上的储能装置 （3110)、 一个 以上的微型燃气轮机（316)、一个以上的太阳能光伏电池（317)、一个以上的燃料电池（318)、 一个以上的风力发电机（319)、 一个以上的单向直流 -交流变换器（3111 )、 一个以上的双向 直流-直流充放电机 （3112) 和一个以上的单向直流 -直流变换器 （3113 )， 其中， 每一个太 阳能光伏电池 （317) 和每一个燃料电池 （318) 分别各通过一个单向直流 -直流 （DC-DC) 变换器 （3117/3116) 连接放射形低压直流母线 （311b)， 每一个微型燃气轮机 （316) 和每 一个风力发电机 （319) 分别各通过一个单向交流 -直流变换器 （3114/3115 ) 连接放射形低 压直流母线 （311b)， 每一个储能装置 （3110) 各通过一个双向直流 -直流变换器 （3118)连 接放射形低压直流母线 （311b)， 每一个单向直流 -交流变换器（3111 ) 的输出连接交流负载 (313 ), 每一个双向直流-直流充放电机（3112)的另一侧连接电动汽车（314)的动力电池， 每一个单向直流 -直流变换器 （3113 ) 的输出连接直流负载 （315 )。

6. 一种基于新能源的混合双向互动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 )， 其特征在于， 所述的牵引变电站 （1 ) 设置有一个 以上的连接在交流母线 （5 ) 上的第一变压器 （11 ) 和一个以上的连接在交流母线 （5 ) 上 的第二变压器 （17)， 每一个第一变压器 （11 ) 的另一侧对应连接一个整流器 （12)， 每一 个第二变压器 （17) 的另一侧对应连接一个双向交流 -直流变换器 （18)， 所有整流器 （12) 和所有双向交流 -直流变换器（18) 的另一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 )， 在直流母线 （13 ) 上设置有由电 动汽车充放电系统、 分布式电源和 1个以上的低压直流微电网 （31 ) 构成的直流新能源系 统 （3 )， 所述的直流新能源系统 （3 ) 通过高压直流母线 （4) 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， 其中所述的电动汽车充放电 系统是由 1个以上的用于连接电动汽车动力电池的双向直流-直流充放电机 （32) 构成。

7. 根据权利要求 6所述的一种基于新能源的混合双向互动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。

8. 根据权利要求 6所述的一种基于新能源的混合双向互动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) 连接高压直流母线 （4)， 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) 连接高压直流母线 （4)。

9. 根据权利要求 6所述的一种基于新能源的混合双向互动式直流牵引供电系统， 其特 征在于， 所述的低压直流微电网 （31 )包括有通过一个双向直流 -直流变换器（312)连接在 高压直流母线 （4) 上的环形低压直流母线 （311a)、 一个以上的储能装置 （3110)、 一个以 上的微型燃气轮机（316)、一个以上的太阳能光伏电池（317)、一个以上的燃料电池（318)、 一个以上的风力发电机（319)、 一个以上的单向直流 -交流变换器（3111 )、 一个以上的双向 直流-直流充放电机 （3112) 和一个以上的单向直流 -直流变换器 （3113 )， 其中， 每一个太 阳能光伏电池 （317 ) 和每一个燃料电池 （318 ) 分别各通过一个单向直流 -直流变换器 ( 3117/3116) 连接环形低压直流母线 （311a)， 每一个微型燃气轮机 （316) 和每一个风力 发电机 （319) 分别各通过一个单向交流 -直流变换器 （3114/3115 ) 连接环形低压直流母线 ( 311a), 每一个储能装置 （3110)各通过一个双向直流 -直流变换器（3118 )连接环形低压 直流母线 （311a)， 每一个单向直流 -交流变换器 （3111 ) 的输出连接交流负载 （313 )， 每一 个双向直流-直流充放电机（3112) 的另一侧连接电动汽车（314) 的动力电池， 每一个单向 直流 -直流变换器 （3113 ) 的输出连接直流负载 （315 )。

10. 根据权利要求 6所述的一种基于新能源的混合双向互动式直流牵引供电系统， 其 特征在于， 所述的低压直流微电网 （31 )包括有通过一个双向直流 -直流变换器（312)连接 在高压直流母线 （4) 上的放射形低压直流母线 （311b)、 一个以上的储能装置 （3110)、 一 个以上的微型燃气轮机 （316)、 一个以上的太阳能光伏电池 （317)、 一个以上的燃料电池 ( 318)、 一个以上的风力发电机（319)、 一个以上的单向直流 -交流变换器（3111 )、 一个以 上的双向直流-直流充放电机 （3112) 和一个以上的单向直流 -直流变换器 （3113 )， 其中， 每一个太阳能光伏电池 （317) 和每一个燃料电池 （318 ) 分别各通过一个单向直流-直流变 换器 （3117/3116) 连接放射形低压直流母线 （311b )， 每一个微型燃气轮机 （316) 和每一 个风力发电机 （319 ) 分别各通过一个单向交流 -直流变换器 （3114/3115 ) 连接放射形低压 直流母线 （311b)， 每一个储能装置 （3110)各通过一个双向直流 -直流变换器（3118)连接 放射形低压直流母线 （311b )， 每一个单向直流 -交流变换器 （3111 ) 的输出连接交流负载 ( 313 ), 每一个双向直流-直流充放电机（3112)的另一侧连接电动汽车（314)的动力电池， 每一个单向直流 -直流变换器 （3113 ) 的输出连接直流负载 （315 )。