專利名稱：一種用于牽引供電的風(fēng)光互補供電系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及牽引供電系統(tǒng)，尤其是采用風(fēng)能、光能互補發(fā)電直接用于牽引供電的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著電氣化鐵路的快速發(fā)展，2010年我國鐵路電氣化率已達(dá)45%。在我國北方地區(qū)，鐵路時常穿越戈壁、沙漠等無人區(qū)，沿線車站及通訊中繼站無電源可供接引，偏遠(yuǎn)地區(qū)電網(wǎng)電壓等級難以滿足電氣化鐵路的運行需求，遠(yuǎn)距離輸電方式供電能力較弱且耗資較多。其次，由于牽引負(fù)荷的不對稱性，大量牽引負(fù)荷接入電力系統(tǒng)會引起電力系統(tǒng)的三相不平衡，嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量。因此，偏遠(yuǎn)地區(qū)的電氣化鐵路不僅要解決牽引供電電源的接引問題，同時也需要解決負(fù)序問題帶來的電力系統(tǒng)電能質(zhì)量問題。我國北方地區(qū)尤其是西北地區(qū)具有風(fēng)能資源豐富、日照時間長等特點，國家已建立和擬建立多處風(fēng)電場和太陽能發(fā)電站用以大規(guī)模開發(fā)利用風(fēng)能資源和太陽能資源。目前，由于北方地區(qū)高耗能負(fù)荷較少、風(fēng)電配套輸電工程滯后，已建立的風(fēng)電場運行時間短， 產(chǎn)生了較嚴(yán)重的風(fēng)電資源浪費現(xiàn)象。如果利用風(fēng)能資源和太陽能資源建立風(fēng)光互補型發(fā)電系統(tǒng)直接為電氣化鐵路供電，不僅能為牽引供電系統(tǒng)提供連續(xù)穩(wěn)定的電能，解決偏遠(yuǎn)地區(qū)特定區(qū)段電氣化鐵路的供電問題，對構(gòu)建節(jié)能、環(huán)保型牽引供電系統(tǒng)有重要的作用，同時也可以加快北方風(fēng)電資源的就地消納，緩解電力輸出能力不足對風(fēng)電行業(yè)發(fā)展的制約。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于以上陳述的牽引供電系統(tǒng)存在的問題以及電氣化鐵路的節(jié)能需求，本發(fā)明旨在提供一種以風(fēng)光互補系統(tǒng)為主電源、蓄電池組為備用電源直接為電氣化鐵路供電的方法，并設(shè)計了整套供電方案。使之能夠解決偏遠(yuǎn)地區(qū)特定區(qū)段電氣化鐵路供電電源的接引問題，抑制電氣化鐵路產(chǎn)生的負(fù)序問題對電力系統(tǒng)的影響，解決電氣化鐵路的過分相問題， 同時有助于促進(jìn)新能源在牽弓丨供電中的應(yīng)用。本發(fā)明的目的通過如下手段來實現(xiàn)?！N用于牽引供電的風(fēng)光互補供電系統(tǒng)，由風(fēng)力發(fā)電機組、光伏電池陣列、蓄電池組、牽引變電所單相變壓器構(gòu)成，其特征在于，所述風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)采用如下工作方式 風(fēng)電機組發(fā)出額定電壓為690V的三相交流電經(jīng)整流電路和Boost電路變換為直流1200V ； 光伏電池發(fā)出的直流電經(jīng)Boost電路變換為直流1200V ；1200V直流電經(jīng)逆變單元逆變?yōu)閱蜗?0Hz交流電，由單相變壓器升壓至35KV，直接供給牽引變電所作為牽引供電電源；在風(fēng)力發(fā)電機組及光伏電池陣列的電力輸出側(cè)與牽引變電所之間設(shè)置有采集單相逆變器輸出側(cè)電壓和電流并根據(jù)供電區(qū)段的牽引負(fù)荷進(jìn)行計算、分析并發(fā)出控制指令，調(diào)節(jié)風(fēng)電機組、 光伏電池、蓄電池組的有功輸出的能量管理單元，所述能量管理單元根據(jù)實際運行情況將用于牽引供電的風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)控制在以下四種工況下運行
1).當(dāng)P1 > 0且P1彡P(guān)^時，即風(fēng)速傳感器檢測風(fēng)速大于啟動風(fēng)速，且風(fēng)電機組有功輸出可以滿足時段供電臂負(fù)荷運行時，風(fēng)光互補型牽引供電電源在工況1模式下運行，即僅由風(fēng)力發(fā)電機組供電，蓄電池組充電至額定容量的90% ；2).當(dāng)P1 > 0且P1 < P^時，即風(fēng)速傳感器檢測風(fēng)速大于啟動風(fēng)速，但風(fēng)電機組有功輸出不能滿足牽引供電臂負(fù)荷運行時，風(fēng)光互補型牽引供電電源在工況2模式下運行， 即啟動混合發(fā)電模式，由風(fēng)電機組和光伏電池互補發(fā)電；3).當(dāng)P1 = 0但己> 0，即風(fēng)速傳感器檢測風(fēng)速小于啟動風(fēng)速，風(fēng)電機組處于停機狀態(tài)時，但光伏發(fā)電有功輸出可以滿足牽引供電臂負(fù)荷運行時，風(fēng)光互補型牽引供電電源在工況3模式下運行，即由光伏電池供電，蓄電池組互補供電；4). iPi = 0且己=0時，即風(fēng)光互補型牽引供電電源處于無風(fēng)無光的特殊氣象條件時，蓄電池組放電至額定容量的20%或啟動備用電源，以滿足牽引供電臂負(fù)荷運行需求。采用本發(fā)明的牽引供電系統(tǒng)，具有如下優(yōu)點(1)本發(fā)明提出的用于牽引供電的風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)不并網(wǎng)運行，輸出為單相工頻交流電，可直接作為牽引供電電源，該供電方式可以有效避免電氣化鐵路產(chǎn)生的負(fù)序問題對電力系統(tǒng)的影響。(2)本發(fā)明提出的用于牽引供電的風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)輸出為單相50Hz交流，直接作為單相電源接入牽引變電所，變電所采用單相變壓器為牽引負(fù)荷供電，有效解決了傳統(tǒng)電氣化鐵路產(chǎn)生的過分相問題。(3)本發(fā)明提出的用于牽引供電的風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)可以就近解決偏遠(yuǎn)地區(qū)電氣化鐵路牽引電源的接引問題，同時有利于北方地區(qū)風(fēng)電資源的就地消納，促進(jìn)當(dāng)?shù)仫L(fēng)力資源的開發(fā)利用。(4)本發(fā)明提出的用于牽引供電的風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本較低且容易實現(xiàn)。


如下圖1是用于牽引供電的風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用方案示意圖。圖2是風(fēng)光互補發(fā)電單元結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是風(fēng)光互補型牽引供電電源單相逆變單元結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是風(fēng)光互補型牽引供電電源單相供電方法示意圖。圖5是風(fēng)光互補型牽引供電電源能量管理系統(tǒng)工況決策示意圖。圖6是風(fēng)光互補能量管理系統(tǒng)控制模型結(jié)構(gòu)圖。
具體實施例方式本發(fā)明提出的用于牽引供電的風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)如圖1-圖6所示。以下結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步說明如圖1所示，用于牽引供電的風(fēng)光互補供電系統(tǒng)，由若干個風(fēng)光互補發(fā)電單元、能量管理單元、牽引變電所單相變壓器構(gòu)成，系統(tǒng)采用如下工作方式風(fēng)電機組發(fā)出額定電壓為690V的三相交流電經(jīng)整流電路和Boost電路變換為直流1200V ；光伏電池發(fā)出的直流電經(jīng)Boost電路變換為直流1200V ； 1200V直流電經(jīng)逆變單元逆變?yōu)閱蜗?0Hz交流電，由單相變壓器升壓至35KV，直接供給牽引變電所作為牽引供電電源；在風(fēng)光互補發(fā)電單元的電力輸出側(cè)與牽引變電所之間設(shè)置有采集單相逆變器輸出側(cè)電壓和電流并根據(jù)供電區(qū)段的牽引負(fù)荷進(jìn)行計算、分析并發(fā)出控制指令，調(diào)節(jié)風(fēng)電機組、光伏電池、蓄電池組的有功輸出的
能量管理單元。風(fēng)光互補發(fā)電單元包含永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機、風(fēng)電機組電機側(cè)變流器構(gòu)成的風(fēng)力發(fā)電機組和由光伏電池陣列、單相逆變器構(gòu)成的光電機組和蓄電池組組成；風(fēng)力發(fā)電機組和光電機組以并聯(lián)的方式與蓄電池組連接。如圖2所示，每個風(fēng)光互補發(fā)電單元均由永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機組、風(fēng)電機組電機側(cè)變流器、單相逆變器、光伏電池陣列、蓄電池組組成。1. 5MW永磁直驅(qū)風(fēng)電機組發(fā)出額定電壓為690V三相交流電，通過電機側(cè)變流器和Boost升壓電路變換為直流1200V。光伏電池發(fā)出直流電通Boost升壓電路變換為直流1200V。風(fēng)電機組和光伏電池互補發(fā)電，保持供電單元的恒定輸出。如圖3所示，風(fēng)光互補發(fā)電單元的單相逆變器由單相全橋逆變電路和單相變壓器組成。單相全橋逆變電路中，VTl和VT2的柵極信號互補，VT3和VT4的柵極信號互補，1、4 橋臂和2、3橋臂輪換導(dǎo)通，將直流1200V逆變?yōu)閱蜗?0Hz交流，再由單相變壓器升壓至35 千伏。如圖4所示，η個風(fēng)光互補發(fā)電單元通過η個單相逆變單元并聯(lián)組成單相交流電源，直接接入牽引變電所一次側(cè)，變電所采用單相牽引變壓器給牽引負(fù)荷供電。傳統(tǒng)供電方法是將三相電源接入牽引變電所原邊，再由不同接線的牽引變壓器給單相負(fù)荷供電。如圖5所示，根據(jù)供電臂牽引負(fù)荷狀況，風(fēng)光互補型牽引供電電源可分為四種工況運行。設(shè)該區(qū)段機車在時段內(nèi)消耗功率為1\，風(fēng)電場在At時段內(nèi)輸出功率為P1，光伏電池在At時段內(nèi)輸出功率為P2，At根據(jù)供電區(qū)段機車運行密度及當(dāng)?shù)厥⑿酗L(fēng)風(fēng)況設(shè)置。四種運行工況如下1.當(dāng)P1 > 0且P1彡P(guān)^時，即風(fēng)速傳感器檢測風(fēng)速大于啟動風(fēng)速，且風(fēng)電機組有功輸出可以滿足△ t時段供電臂負(fù)荷運行時，風(fēng)光互補型牽引供電電源在工況1模式下運行， 即僅由風(fēng)力發(fā)電機組供電，蓄電池組充電至額定容量的90%。2.當(dāng)P1 > 0且P1 < P^時，即風(fēng)速傳感器檢測風(fēng)速大于啟動風(fēng)速，但風(fēng)電機組有功輸出不能滿足牽引供電臂負(fù)荷運行時，風(fēng)光互補型牽引供電電源在工況2模式下運行，即啟動混合發(fā)電模式，由風(fēng)電機組和光伏電池互補發(fā)電。3.當(dāng)P1 = 0但P2 > 0，即風(fēng)速傳感器檢測風(fēng)速小于啟動風(fēng)速，風(fēng)電機組處于停機狀態(tài)時，但光伏發(fā)電有功輸出可以滿足牽引供電臂負(fù)荷運行時，風(fēng)光互補型牽引供電電源在工況3模式下運行，即由光伏電池供電，蓄電池組互補供電。4.當(dāng)P1 = 0且己=0時，即風(fēng)光互補型牽引供電電源處于無風(fēng)無光的特殊氣象條件時，蓄電池組放電至額定容量的20%或啟動備用電源，以滿足牽引供電臂負(fù)荷運行需求。圖6結(jié)合圖1所示，能量管理系統(tǒng)監(jiān)控模塊實時檢測系統(tǒng)接入點電壓、頻率以及輸出功率，根據(jù)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行有功和無功計算，并將控制指令分配發(fā)送至每個發(fā)電單元，調(diào)節(jié)風(fēng)電機組、光伏電池、蓄電池組的功率輸出，調(diào)節(jié)單相PWM逆變器輸出，從而實現(xiàn)風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)的恒功率控制和恒電壓控制。能量管理系統(tǒng)根據(jù)鐵路部門提供的機車運行圖計算所供牽引供電臂的負(fù)荷情況，對各臺風(fēng)電機組、光伏電池進(jìn)行優(yōu)化配置，為系統(tǒng)制定合理的運行計劃。 本發(fā)明提供的供電方法將風(fēng)光互補單相電源直接接入牽引變電所一次側(cè)，簡化了牽引變壓器的復(fù)雜性，有效避免了供電區(qū)段電氣化鐵路產(chǎn)生的負(fù)序問題和過分相問題，同時有利于促進(jìn)可再生能源在牽引供電中的應(yīng)用。用于牽引供電的風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本較低且容易實現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種用于牽引供電的風(fēng)光互補供電系統(tǒng)，由風(fēng)光互補發(fā)電單元、單相逆變單元、能量管理單元、牽引變電所單相變壓器構(gòu)成，所述風(fēng)光互補供電系統(tǒng)采用如下工作方式風(fēng)電機組發(fā)出額定電壓為690V的三相交流電經(jīng)整流電路和Boost電路變換為直流1200V ；光伏電池發(fā)出的直流電經(jīng)Boost電路變換為直流1200V ；1200V直流電經(jīng)逆變單元逆變?yōu)閱蜗?50Hz交流電，由單相變壓器升壓至35KV，直接供給牽引變電所接作為牽引供電電源；在風(fēng)光互補發(fā)電單元的電力輸出側(cè)與牽引變電所之間設(shè)置有采集單相逆變器輸出側(cè)電壓和電流并根據(jù)供電區(qū)段的牽引負(fù)荷進(jìn)行計算、分析并發(fā)出控制指令，調(diào)節(jié)風(fēng)電機組、光伏電池、 蓄電池組的有功輸出的能量管理單元，所述能量管理單元根據(jù)實際運行情況將用于牽引供電的風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)控制在以下四種工況下運行1).當(dāng)P1> 0且P1 > &時，即風(fēng)速傳感器檢測風(fēng)速大于啟動風(fēng)速，且風(fēng)電機組有功輸出可以滿足△ t時段供電臂負(fù)荷運行時，風(fēng)光互補型牽引供電電源在工況1模式下運行，即僅由風(fēng)力發(fā)電機組供電，蓄電池組充電至額定容量的90% ；2).當(dāng)P1> 0且P1 < &時，即風(fēng)速傳感器檢測風(fēng)速大于啟動風(fēng)速，但風(fēng)電機組有功輸出不能滿足牽引供電臂負(fù)荷運行時，風(fēng)光互補型牽引供電電源在工況2模式下運行，即啟動混合發(fā)電模式，由風(fēng)電機組和光伏電池互補發(fā)電；3).當(dāng)P1= 0但P2 > 0，即風(fēng)速傳感器檢測風(fēng)速小于啟動風(fēng)速，風(fēng)電機組處于停機狀態(tài)時，但光伏發(fā)電有功輸出可以滿足牽引供電臂負(fù)荷運行時，風(fēng)光互補型牽引供電電源在工況3模式下運行，即由光伏電池供電，蓄電池組互補供電；4).當(dāng)P1= 0且& = 0時，即風(fēng)光互補型牽引供電電源處于無風(fēng)無光的特殊氣象條件時，蓄電池組放電至額定容量的20%或啟動備用電源，以滿足牽引供電臂負(fù)荷運行需求。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種用于牽引供電的風(fēng)光互補供電系統(tǒng)，其特征在于，所述風(fēng)光互補發(fā)電單元包含永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機組PMSG、整流電路和Boost電路構(gòu)成的風(fēng)力發(fā)電機組和由光伏電池陣列和Boost電路構(gòu)成的光伏發(fā)電系統(tǒng)及蓄電池組組成；風(fēng)力發(fā)電機組和光伏發(fā)電機組以并聯(lián)的方式與蓄電池組連接；所述風(fēng)光互補發(fā)電單元通過單相逆變器直接作為單相電源接入牽引變電所一次側(cè)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于牽引供電的風(fēng)光互補供電系統(tǒng)，采用如下工作方式風(fēng)電機組發(fā)出額定電壓為690V的三相交流電經(jīng)整流電路和Boost電路變換為直流1200V；光伏電池發(fā)出的直流電經(jīng)Boost電路變換為直流1200V；1200V直流電經(jīng)逆變單元逆變?yōu)閱蜗?0Hz交流電，由單相變壓器升壓至35KV，直接供給牽引變電所作為牽引供電電源；能量管理單元根據(jù)實際運行情況將用于牽引供電的風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)控制在四種工況下運行。本發(fā)明的供電方法將風(fēng)光互補電源直接接入牽引變電所一次側(cè)，簡化了牽引變壓器的復(fù)雜性，消除了供電區(qū)段電氣化鐵路產(chǎn)生的負(fù)序問題和過分相問題，也有利于促進(jìn)可再生能源在牽引供電中的應(yīng)用。
文檔編號H02J9/00GK102280923SQ201110195598
公開日2011年12月14日 申請日期2011年7月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月13日
發(fā)明者李中西, 李聰, 楊佳, 段晚晴, 王硯帛, 褚召偉, 覃六生, 譚永東, 馬天虎, 魯小兵 申請人:西南交通大學(xué)