应用于电气化铁路的新能源发电系统

技术领域

本发明涉及电气化铁路牵引供电技术领域，具体涉及一种应用于电气化铁路的新能源发电系统。

背景技术

现有的电气化铁路牵引供电系统普遍采用单相工频交流制，由公用电网向牵引变电所供电，再由设置在牵引变电所内的牵引变压器将三相高压电(通常为110kV、220kV或330kV)转换至适合牵引负荷的单相电压(27.5kV)，最后由馈线向接触网供电，电力机车或动车组通过车顶受电弓从接触网获得电能。其中，牵引变电所一般输出两路电源，向相邻两段接触网供电，常称为供电臂a、供电臂b。因此，传统牵引供电系统从公用电网获取电能，能源类型完全由传统发电厂决定，一般多为火力发电或水力发电，其中火力发电占比较大。

目前，可再生能源发电技术在轨道交通领域的应用有较多研究和探索，多聚焦于光伏发电在轨道交通车站动力照明和新能源电动车辆方面。对于干线铁路，由于线网规模巨大、牵引供电电压等级高、列车牵引负荷冲击性强等因素，新能源相关技术应用当前仍限于铁路非牵引负荷供能。

可再生能源发电接入电气化铁路牵引供电系统的工程应用鲜有报道，但该领域已经引起众多学者广泛关注。

申请号为2019224918719的专利申请公开一种多源接入的牵引供电系统的实用新型专利，保护一种由电源单元向储能单元充电，再由储能单元向牵引网单元供电的结构。该专利权利要求中的电源单元、储能单元、牵引网单元是依次串联结构，因此电能管理不够灵活，不能由电源电源、储能单元共同向牵引网单元供电，能源综合利用效率不高。申请号为201810934439X的专利申请公开一种基于电池储能的多能互补的离网型牵引供电系统的发明专利，由三相风力发电、三相光伏发电配合储能单元为三相交流母线供电，再由连接于三相交流母线的牵引变压器为牵引网供电。该专利权利要求中三相交流母线是必要元素，而采用三相交流母线、三相风电、光伏的资源投入相对较大。申请号为2018205817065、2018205817135、2017213348040的专利申请分别公开了不同形式的应用于电气化铁路牵引变电所的光伏发电或风光储发电系统，均需要通过两台变压器连接交直交变流器，交直交变流器直流端连接新能源发电、储能等。由于接触网电压等级较高，因此上述专利均需通过两台变压器连接接触网。申请号为2016212117468、2016212128388、2017201233385的专利申请分别公开了一种应用于牵引变电所的光伏发电系统，该专利仅适用于三相逆变器分别通过Vv、Ynd11、Dyn11不同接线形式的变压器接入牵引网的场景。

综上，现有的在新能源接入电气化铁路牵引供电系统方面，仍存在如下缺点：由于各子单元(如风力发电单元、光伏发电单元、储能单元、并网单元等)结构特征，电能管理不够灵活，不能由新能源发电单元、储能单元等多个子单元共同向牵引网单元供电，能源综合利用效率不高；为了满足接触网的较高电压等级，交直交变流器通过两台独立变压器接入牵引网，一般变压器投资高、占地大，变压器数量越多对技术推广越不利；为适应传统三相新能源发电系统，采用三相交流母线和三相变压器接入牵引网，相对单相系统而言资源投入相对较大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种实现新能源在电气化铁路牵引负荷得到有效消纳，促进新能源与轨道交通融合，提高电气化铁路的绿色化发展水平的应用于电气化铁路的新能源发电系统，以解决上述背景技术中存在的至少一项技术问题。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：

本发明提供一种应用于电气化铁路的新能源发电系统，包括：

发电单元、汇集母线、牵引交流单元a、牵引交流单元b以及控制单元；

所述发电单元电性连接所述汇集母线；

所述牵引交流单元a和牵引交流单元b并列连接在所述汇集母线上，所述牵引交流单元a的交流输出端和牵引交流单元b的交流输出端均连接接触网，所述牵引交流单元a的另一端和牵引交流单元b的另一端均连接牵引回流端(如钢轨)；

所述发电单元、牵引交流单元a、牵引交流单元b、均通信连接所述控制单元；所述控制单元用于实现整个系统的能量管理。

优选的，所述发电单元、所述牵引变流单元a、所述牵引变流单元b均包含独立的变流器。

优选的，所述发电单元包含光伏发电、光热发电、风力发电、氢能发电、地热发电的一种或几种。

优选的，所述牵引变流单元a和所述牵引变流单元b可实现电能双向可控传输，且至少有一个是额定27.5kV多电平变流器。

优选的，当发电单元产生电能时，通过控制单元评估负荷状态，当任意一个接触网存在牵引负荷时，由牵引变流单元从直流母线吸收电能，向接触网馈能。

优选的，汇集母线上还连接储能装置。

优选的，当发电单元产生电能且牵引负荷无法完全消纳时，由控制单元输出指令使储能装置存储剩余的电能；当存在牵引负荷时，储能装置根据控制单元指令输出电能。

优选的，汇集母线上还连接非牵引用电单元。

优选的，当发电单元产生电能且牵引负荷无法完全消纳时，由控制单元输出指令实现非牵引用电单元负载消纳剩余电能，即由非牵引负荷消纳剩余电能。

优选的，所述非牵引用电单元，为10kV供电电路、380V供电电路或220V供电电路。

本发明有益效果：新能源发电单元和牵引变流单元a、牵引变流单元b均包含独立变流器，可实现能量的双向可控传输，因此整个系统电能管理更加灵活；牵引变流单元a、牵引变流单元b仅需一台变压器接入牵引网，即其中一个牵引变流单元可由多电平变流器实现直接接入牵引网运行；进一步降低了变压器投资高、占地大的不利影响。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所述的应用于电气化铁路的新能源发电系统结构图。

图2为本发明实施例所述的应用于电气化铁路的新能源发电系统的牵引变流单元的结构图。

图3为本发明实施例所述的应用于电气化铁路的新能源发电系统的发电单元结构图。

图4为本发明实施例所述的应用于电气化铁路的新能源发电系统的输出端连接至牵引网首端的结构图。

图5为本发明实施例所述的应用于电气化铁路的新能源发电系统的输出端连接至牵引网末端的结构图。

具体实施方式

下面详细叙述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。

还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件和/或它们的组。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

在本说明书的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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，仅是为了便于描述本技术和简化描述，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技术的限制。

除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定相连、设置，也可以是可拆卸连接、设置，或一体地连接、设置。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。

为便于理解本发明，下面结合附图以具体实施例对本发明作进一步解释说明，且具体实施例并不构成对本发明实施例的限定。

本领域技术人员应该理解，附图只是实施例的示意图，附图中的部件并不一定是实施本发明所必须的。

实施例

本实施例中，提供了一种用于电气化铁路牵引供电的新能源发电系统，可通过两个交流输出端口连接至相邻的两段接触网，能够应用于交流牵引供电系统，实现新能源发电在电气化铁路牵引供电系统的应用，促进新能源在轨道交通领域的高效消纳，提高能源综合利用率，如图4所示，该系统的输出端可连接至牵引网首端，如图5所说，该系统的输出端可连接至牵引网末端。该系统主要包括新能源发电单元、汇集母线(直流母线)、牵引变流单元、储能或非牵引用电单元及相关控制单元构成，如图1所示。其中，新能源发电单元和牵引变流单元a、牵引变流单元b均包含独立变流器，可实现能量的双向可控传输，因此整个系统电能管理更加灵活。

牵引变流单元a、牵引变流单元b仅需一台变压器接入牵引网，即其中一个牵引变流单元可由多电平变流器实现直接接入牵引网运行。该方案进一步降低了变压器投资高、占地大的不利影响。

所述电气化铁路牵引供电的新能源发电系统，具有两个交流输出端口，分别连接至两段接触网(如图1的接触网a、接触网b)与牵引回流端(如图1的钢轨)。

其中，新能源发电单元和牵引变流单元a、牵引变流单元b均包含独立的变流器，各单元分别连接于汇集母线(直流母线)，可实现能量的可控传输控制，因此整个系统电能管理更加灵活。

其中，新能源发电单元包含光伏发电、光热发电、风力发电、氢能发电、地热发电的一种或几种。

其中，牵引变流单元a、牵引变流单元b可实现电能双向可控传输，且至少有一个是额定27.5kV多电平变流器，可无需变压器而直接连接于27.5kV牵引母线，如图2所示。

其中，储能或非牵引用电单元，包括连接至电力储能装置、10kV供电电路、380V供电电路、220V供电电路中的一种或几种。

其中，控制单元用于实现整个系统的能量管理，包括发电单元输出功率和负荷检测、设备投切状态检测、并网功率控制，其中，并网功率控制实现方式多样化，已在书籍、论文中大量公开，属于公知技术，在此不再赘述。

本实施例中，该系统的工作原理如下：

(1)由新能源发电单元产生电能，通过新能源发电单元的变流器将所发电能向汇集母线(直流母线)传输，如图2所示。

以典型的光伏发电、风力发电为例：

如图3所示，光伏发电包含光伏阵列和光伏变流器，由于光伏阵列输出直流电，因此光伏变流器为DC/DC型直流变流器(直流变直流型变流器)；

风力发电包含风机和风电变流器，由于风机输出三相交流电，因此风电变流器为AC/DC型直流变流器(交流变直流型变流器)；

当光照、风速条件达到设备启动条件时，光伏阵列、风机输出电能，由光伏变流器、风电变流器实现将所发电能传输至母线。

(2)当新能源发电单元产生电能时，通过控制单元检测发电单位输出功率和牵引负荷，当任意一个接触网存在牵引负荷时，由牵引变流单元从直流母线吸收电能，向接触网馈能。

(3)此外，汇集母线(直流母线)上还连接储能或非牵引供电单元，即汇集母线(直流母线)连接至电力储能装置、10kV供电电路、380V供电电路、220V供电电路中的一种或几种。

若连接至储能装置，则当新能源发电且牵引负荷无法完全消纳时，由控制单元输出指令使储能装置存储剩余的电能。

若连接至10kV供电电路、380V供电电路、220V供电电路中的一种或几种，则当新能源发电且牵引负荷无法完全消纳时，由控制单元输出指令实现由上述电路负载消纳剩余电能，即由非牵引负荷消纳剩余电能。

(4)由控制单元实现各单元之间的能量调节管理，为实现该功能，控制单元需采集计算各接触网的负载功率、新能源发电单元的发电功率。

综上所示，本发明实施例所述的应用于电气化铁路的新能源发电系统，主要包括新能源发电单元、汇集母线(直流母线)、牵引变流单元、储能或非牵引用电单元及相关控制单元构成。其中，新能源发电单元和牵引变流单元a、牵引变流单元b均包含独立变流器，可实现能量的双向可控传输，因此整个系统电能管理更加灵活。牵引变流单元a、牵引变流单元b仅需一台变压器接入牵引网，即其中一个牵引变流单元可由多电平变流器实现直接接入牵引网运行，进一步降低了变压器投资高、占地大的不利影响。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域技术人员在不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形，都应涵盖在本发明的保护范围之内。