基于混合储能的电气化铁路牵引供电系统及方法技术方案

本申请公开了一种基于混合储能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、混合储能单元与牵引网单元；所述混合储能单元包括容量型储能设备和功率型储能设备，其中，所述容量型储能设备包括液流电池，所述液流电池采用双联结构，将直流转换为交流；所述功率型储能设备采用锂电池、超级电容器，所述电源单元为混合储能单元充电，混合储能单元通过单相/三相交流母线为牵引网单元供电。采用混合储能单元汇聚风、光等多种清洁电能，实现了电网与牵引网的松耦合，实现了弱网甚至无网地区电气化铁路牵引供电系统的经济建设与清洁供电，解决了现有牵引供电系统附带给电网和电气化铁路牵引网的诸多不利影响，引领了我国铁路绿色发展。

Traction power supply system and method of electrified railway based on hybrid energy storage

【技术实现步骤摘要】
基于混合储能的电气化铁路牵引供电系统及方法
本专利技术涉及一种基于混合储能的电气化铁路牵引供电系统及方法，属于铁路网领域。
技术介绍
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)建设电气化铁路高压电网配套设施繁杂、工程投资大、建设周期长、土地占用多、生态影响严重。(4)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，本专利技术人对此进行研究，专门开发出一种基于混合储能的电气化铁路牵引供电系统及方法，本案由此产生。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于混合储能的电气化铁路牵引供电系统及方法，采用混合储能单元汇聚风、光等多种清洁电能，实现了电网与牵引网的松耦合，实现了弱网甚至无网地区电气化铁路牵引供电系统的经济建设与清洁供电，解决了现有牵引供电系统附带给电网和电气化铁路牵引网的诸多不利影响，引领了我国铁路绿色发展。为了实现上述目的，本专利技术的解决方案是：基于混合储能的电气化铁路牵引供电系统，包括电源单元、混合储能单元与牵引网单元；所述混合储能单元包括容量型储能设备和功率型储能设备，其中，所述容量型储能设备包括液流电池，所述液流电池采用双联结构，将直流转换为交流；所述功率型储能设备采用锂电池、超级电容器，所述电源单元为混合储能单元充电，混合储能单元通过单相/三相交流母线为牵引网单元供电。作为优选，所述液流电池采用双联结构，具体为：每一标准化液流电池对应设有一台双向DC-DC变流器，每两台双向DC-DC变流器与一台DC/AC变流器(PCS)相连，每台DC/AC变流器的低压侧通过分裂牵引变压器低压绕组实现与27.5kV单相/三相交流母线能量的交换。作为优选，所述锂电池、超级电容与DC/AC变流器(PCS)相连，每台DC/AC变流器的低压侧通过分裂牵引变压器低压绕组实现与27.5kV单相/三相交流母线能量的交换。作为优选，所述电源单元至少包括分散式风电机组、分布式光伏组中的一种；所述风散式风电机组、分布式光伏组组成直流微网或交流微网协同为混合储能单元充电。作为优选，所述电源单元还包括第三电源，所述第三电源包括燃料电池组、柴油机、小水电组、0.4kV配电网和/或27.5kV高压电网，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，当所述风散式风电机组、分布式光伏组、第三电源组成交流微网时，所述电气化铁路牵引供电系统还包括升压变压器，将电源单元输出的低压交流升压到27.5kV，并通过27.5kV三相交流母线为混合储能单元充电。作为优选，所述液流电池包括全钒液流电池、锌溴液流电池或铁铬液流电池。作为优选，所述锂电池包括碳酸锂电池、磷酸铁锂电池或锰酸锂电池。基于基于混合储能的电气化铁路牵引供电系统的供电方法，包括如下步骤：统计分析电铁牵引供电系统所在地区的风资源信息、光资源信息、第三电源资源信息和机车用电信息；根据上述统计分析，确定牵引网单元的具体供电方式，所述供电方式包括风+光+第三电源+储能，光+第三电源+储能，风+第三电源+储能。作为优选，当所述供电方式为风+光+第三电源+储能时，统计分析光资源信息、风资源信息、第三电源资源信息和机车用电信息；确定Ert、Prtra_max、Prbra_max、Prtra_min、Pri、Tri1、Tri_min、Trp_min、Trpi、Tday、Trtt、Tpv_min、Tpv_avr、Tpv_max、Tw_min、Tw_avr、Tw_max参数数值；Ert—典型日两供电臂上机车牵引消耗总能量；Prtra_max—两供电臂上机车牵引状态所需最大有功功功率；Prbra_max—两供电臂上机车制动状态回馈最大有功功功率；Prtra_min—两供电臂上机车牵引状态所需最小有功功功率；Pri—距上次机车通过间隔时间最短的供电臂有功功率；Tri1—两供电臂出现最大牵引功率与上次供电臂通过机车的时间间隔；Tri_min—供电臂相邻两次机车通过的最小时间间隔；Trp_min—机车通过供电臂所需最短时间；Trpi—供电臂有功功率为Pri时，机车通过供电臂时间；Tday—一天的小时数；Trtt—典型日机车运行牵引状态的总时间；Tpv_min—典型日光伏最小有效发电小时数；Tpv_avr—典型日光伏年平均有效发电小时数；Tpv_max—典型日光伏最大有效发电小时数，按季节统计；Tw_min—典型日风电最小有效发电小时数，按季节统计；Tw_avr—典型日风电年平均有效发电小时数；Tw_max—典型日风电最大有效发电小时数，按季节统计；计算分散式风电机组、分布式光伏组、混合储能、第三电源功率、容量电气参数；风光互补的配置规模满足如下约束条件式中：Ppv_n、Pw_n分别为光伏组与风电机组所需配置的额定有功功率；混合储能单元配置规模符合如下关系式中：SVRB为液流电池配置容量；Er_max为机车通过供电臂所需最大能量；PVRB_n为液流电池配置额定容量；KVRB1、KVRB2为裕量修正常数；Psc/cb_n为超级电容器或锂离子电池的额定功率；nn为不损害超级电容器/锂电池寿命的额定放电倍率；Ssc/cb为超级电容器或锂电池配置容量；λ为修正系数；ΔP为有功功率偏差量；第三电源配置规模符合如下关系式中：Pot_max为第三电源的总有功功率；Kot1为裕量修正常数；Eot为为第三电源的总容量；Kot为裕量修正常数。作为优选，当所述供电方式为光+第三电源+储能时，统计分析光资源信息、第三电源资源信息和机车用电信息；确定Ert、Prtra_max、Prbra_max、Prtra_min、Pri、Tri1、Tri_min、Trp_min、Trpi、Tday、Trtt、Tpv_min、Tpv_avr、Tpv_max、Tw_min、Tw_avr、Tw_max等参数数值；计算分布式光伏组本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于混合储能的电气化铁路牵引供电系统，其特征在于：包括电源单元、混合储能单元与牵引网单元；所述混合储能单元包括容量型储能设备和功率型储能设备，其中，所述容量型储能设备包括液流电池，所述液流电池采用双联结构，将直流转换为交流；所述功率型储能设备采用锂电池、超级电容器，所述电源单元为混合储能单元充电，混合储能单元通过单相/三相交流母线为牵引网单元供电。/n

【技术特征摘要】
1.基于混合储能的电气化铁路牵引供电系统，其特征在于：包括电源单元、混合储能单元与牵引网单元；所述混合储能单元包括容量型储能设备和功率型储能设备，其中，所述容量型储能设备包括液流电池，所述液流电池采用双联结构，将直流转换为交流；所述功率型储能设备采用锂电池、超级电容器，所述电源单元为混合储能单元充电，混合储能单元通过单相/三相交流母线为牵引网单元供电。


2.如权利要求1所述的基于混合储能的电气化铁路牵引供电系统，其特征在于：所述液流电池采用双联结构，具体为：每一标准化液流电池对应设有一台双向DC-DC变流器，每两台双向DC-DC变流器与一台DC/AC变流器相连，每台DC/AC变流器的低压侧通过分裂牵引变压器低压绕组实现与27.5kV单相/三相交流母线能量的交换。


3.如权利要求1所述的基于混合储能的电气化铁路牵引供电系统，其特征在于：所述锂电池、超级电容与DC/AC变流器相连，每台DC/AC变流器的低压侧通过分裂牵引变压器低压绕组实现与27.5kV单相/三相交流母线能量的交换。


4.如权利要求1所述的基于混合储能的电气化铁路牵引供电系统，其特征在于：所述电源单元至少包括分散式风电机组、分布式光伏组中的一种；所述风散式风电机组、分布式光伏组组成直流微网或交流微网协同为混合储能单元充电。


5.如权利要求4所述的基于混合储能的电气化铁路牵引供电系统，其特征在于：所述电源单元还包括第三电源，所述第三电源包括燃料电池组、柴油机、小水电组、0.4kV配电网和/或27.5kV高压电网，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5所述的基于混合储能的电气化铁路牵引供电系统，其特征在于：当所述风散式风电机组、分布式光伏组、第三电源组成交流微网时，所述电气化铁路牵引供电系统还包括升压变压器，将电源单元输出的低压交流升压到27.5kV，并通过27.5kV三相交流母线为混合储能单元充电。


7.如权利要求1所述的基于混合储能的电气化铁路牵引供电系统，其特征在于：所述液流电池包括全钒液流电池、锌溴液流电池或铁铬液流电池；所述锂电池包括碳酸锂电池、磷酸铁锂电池或锰酸锂电池。


8.基于混合储能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：
统计分析电铁牵引供电系统所在地区的风资源信息、光资源信息、第三电源资源信息和机车用电信息；
根据上述统计分析，确定牵引网单元的具体供电方式，所述供电方式包括风+光+第三电源+储能，光+第三电源+储能，风+第三电源+储能。


9.如权利要求8所述的基于混合储能的电气化铁路牵引供电系统的供电方法，其特征在于：当所述供电方式为风+光+第三电源+储能时，
统计分析光资源信息、风资源信息、第三电源资源信息和机车用电信息；
确定Ert、Prtra_max、Prbra_max、Prtra_min、Pri、Tri1、Tri_min、Trp_min、Trpi、Tday、Trtt、Tpv_min、Tpv_avr、Tpv_max、Tw_min、Tw_avr、Tw_max参数数值；
Ert—典型日两供电臂上机车牵引消耗总能量；
Prtra_max—两供电臂上机车牵引状态所需最大有功功功率；
Prbra_max—两供电臂上机车制动状态回馈最大有功功功率；
Prtra_min—两供电臂上机车牵引状态所需最小有功功功率；
P...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈冲，贾利民，金成日，梁立中，
申请(专利权)人：青海能高新能源有限公司，
类型：发明
国别省市：青海;63