离网型新能源驱动的交流牵引供电系统

1.本发明涉及电气化铁路牵引供电技术领域，具体涉及一种离网型新能源驱动的交流牵引供电系统。


背景技术：

2.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。
3.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。
4.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。
5.申请号为201810934439x的专利申请公开一种基于电池储能多能互补的孤网电铁供电系统，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。此外，交流母线仅通过变压器向接触网供电，牵引变压器不能实现电能的可控调节，因此电能管理调控水平不高。申请号为201910028546.0的专利申请公开了一种离网铁路牵引供电系统及调控方法，包括接触网、分布式电源变电站、电分相和电分相开关。其中，光伏电池电源作为一级新能源发电装置，燃料电池电源作为二级可控型新能源备用电源，二者相互独立，且均通过各自的单相升压变压器连接至接触网。该专利分布式电源单元、储能单元均通过变压器连接于接触网，因此仅能通过接触网进行电能相互调节，不但所需变压器数量多，而且电能调节的路径长、不够灵活。申请号为201820581706.5、201820581713.5、201721334804.0的专利申请以及论文“光伏接入牵引供电系统谐波交互影响及其适应性分析”、“电气化铁路背靠背光伏发电系统及控制策略”等，均公开或提出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。由于上述方案仅能应用于具有三相电网或牵引变压器的牵引变电所，即牵引网首端应用场景，不适用于离网型的应用场景。
6.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：当前大多交流牵引供电系统的新能源应用技术，需要应用于既有牵引变电所、开闭所、at所等，即需要接触网由公用电网供电，新能源发电系统在牵引网处并网工作，不适用于无公用电
网供电的离网型应用场景。已有的离网型技术方案，交流母线仅通过变压器向接触网供电，牵引变压器不能实现电能的可控调节，因此电能管理调控水平不高，或分布式电源单元、储能单元均通过变压器连接于接触网，仅能通过接触网进行电能相互调节，所需变压器数量多，而且电能调节的路径长、不够灵活。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供一种实现电气化铁路牵引负荷的绿色化供电，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离网型新能源驱动的交流牵引供电系统，以解决上述背景技术中存在的至少一项技术问题。
8.为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：
9.本发明提供一种离网型新能源驱动的交流牵引供电系统，包括：
10.新能源牵引变电所、分区所、接触网、钢轨；
11.新能源牵引变电所连接至接触网并向其供电，在两个相邻新能源牵引变电所的接触网之间设置接触网电分相。
12.优选的，当铁路线路为双行线时，接触网电分相处设置所述分区所，分区所内包括多个越区开关和2段交流母线。
13.优选的，新能源牵引变电所包括多个发电系统、馈线系统、直流母线、交流母线和电压互感器；发电系统、馈线系统具有交流端口，连接于交流母线；储能系统具有直流端口，连接于直流母线上。
14.优选的，所述发电系统，包括多个分布式电源、多个发电变流器、牵引变流器、变压器、断路器以及电流互感器；每个分布式电源连接一个发电变流器，发电变流器连接直流母线，直流母线连接牵引变流器，牵引变流器连接变压器，变压器连接断路器，断路器连接交流母线、牵引变流器、变压器、断路器、电流互感器。
15.优选的，储能系统包括储能设备和储能变流器；储能变流器一端连接储能设备，另一端连接至直流母线。
16.优选的，多个发电系统、储能系统的直流母线相互连接，构成一个直流母线。
17.优选的，馈线系统包括多个馈线断路器、多个馈线电流互感器；每一个馈线断路器对应一个馈线电流互感器，馈线断路器一端连接于交流母线，另一端连接馈线电流互感器；馈线系统输出端连接至接触网。
18.优选的，交流母线还连接多个电压互感器。
19.本发明有益效果：实现无需公用电网、仅由新能源供电驱动牵引负荷(电动车辆)，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。新能源牵引变电所由同一个直流母线连接主用发电系统、备用发电系统、储能系统的直流端，每个系统均有独立的变流器，可通过直流母线实现内部的电能实时调节，能量流通路径短、调节更加灵活。通过直流母线连接发电系统、储能系统，然后共用变流器、变压器连接于交流母线，减少了变压器数量。
20.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
21.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。
22.图1为本发明实施例所述的离网型新能源驱动的交流牵引供电系统新能源牵引变电所结构示意图。
23.图2为本发明实施例所述的单行线时牵引供电系统示意图。
24.图3为本发明实施例所述的双行线时牵引供电系统示意图。
具体实施方式
25.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。
26.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。
27.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。
28.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。
29.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。
30.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。
31.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。
32.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。
33.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。
34.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。
35.实施例
36.为了实现新能源在电气化铁路牵引供电系统的应用，本实施例中，提供了一种离网型新能源驱动的交流牵引供电系统，将新能源发电系统在牵引变电所接入电气化铁路牵引供电系统，实现无需公用电网、仅由新能源供电驱动牵引负荷(电动车辆)。主要包括新能源牵引变电所、接触网、钢轨。新能源牵引变电所连接至接触网并向其供电，在两个相邻新能源牵引变电所的接触网之间设置接触网电分相。如图2所示，当应用于单线电气化铁路时，两变电所之间一般只在接触网设置电分相，不设置分区所，当铁路线路为双行线时，接触网电分相处设置分区所，分区所内包括不少于1个越区开关和2段交流母线。
37.如图1所示，新能源牵引变电所包括多个发电系统，如可包括两个发电系统，其中一个为主用发电系统，另一个为备用发电系统，还包括有馈线系统、直流母线、交流母线和电压互感器。主用发电系统、备用发电系统、馈线系统具有交流端口，连接于交流母线。储能系统具有直流端口，连接于直流母线上。主用发电系统、备用发电系统结构相同，包括不少于1个分布式电源(dg1～dgn)、对应数量的发电变流器(发电变流器1～发电变流器n)、牵引变流器、变压器、断路器、电流互感器。发电变流器一端连接于发电变流器，另一端连接于直流母线。牵引变流器一端连接于直流母线，另一端连接于变压器。变压器另一端分别连接断路器、电流互感器，最后连接至交流母线。备用发电系统处于备用工作模式，具体为并联运行、热备用、冷备用的一种。
38.其中，储能系统包括储能设备和储能变流器。储能变流器一端连接储能设备，另一端连接至直流母线。
39.其中，主用发电系统、备用发电系统、储能系统的直流母线相互连接，构成一个直流母线。
40.其中，馈线系统包括不少于1个馈线断路器(馈线断路器1～馈线断路器m)、馈线电流互感器(馈线电流互感器1～馈线电流互感器m)。馈线断路器一端连接于交流母线，另一端连接馈线电流互感器。
41.其中，交流母线还连接不少于1个电压互感器(电压互感器1、电压互感器2)。馈线系统输出端连接至接触网。
42.铁路线路为单行线时，即仅有1组接触网和钢轨，电动车辆向一个方向行驶，如图2所示，新能源变电所馈线系统由1个输出端，连接于临近的接触网。新能源变电所的交流母线额定电压为27.5kv。相邻新能源变电所之间两段接触网(接触网1、接触网2)之间有电分相。
43.当铁路线路为双行线时，即有2组接触网和钢轨，分为上行和下行，如图3所示，上行线路和下行线路的电动车辆向相反方向行驶。新能源变电所馈线系统由2个输出端，连接于临近的上行接触网和下行接触网。新能源变电所的交流母线额定电压为27.5kv。分区所具有4段交流母线，额定电压为27.5kv，连接于上行接触网的两段母线之间设置1个越区开
关，连接于下行接触网的两段母线之间设置1个越区开关。连接于上、下行接触网的两个母线之间设置并联开关(并联开关a、并联开关b)。当接触网末端需要并联运行时，并联开关闭合，否则并联开关断开。分区所附近上行接触网、下行接触网各自的两段接触网(接触网1、接触网2)之间均有1个电分相。
44.综上所示，本发明实施例所述的离网型新能源驱动的交流牵引供电系统，主要包括新能源牵引变电所、接触网、钢轨。新能源牵引变电所无需公用电网供电，而是由新能源(分布式发电和储能)供电，新能源牵引变电所连接至接触网并向其供电。新能源牵引变电所包括主用发电系统、备用发电系统、馈线系统、直流母线、交流母线和电压互感器。主用发电系统、备用发电系统、馈线系统具有交流端口，连接于交流母线。储能系统具有直流端口，连接于直流母线上。主用发电系统、备用发电系统、储能系统的直流母线相互连接，构成一个直流母线，及由同一个直流母线连接主用发电系统、备用发电系统、储能系统的直流端。备用发电系统处于备用工作模式，具体为并联运行、热备用、冷备用的一种。实现了无需公用电网、仅由新能源供电驱动牵引负荷(电动车辆)，促进新能源与轨道交通融合，提高了电气化铁路的绿色化发展水平。新能源牵引变电所由同一个直流母线连接主用发电系统、备用发电系统、储能系统的直流端，每个系统均有独立的变流器，可通过直流母线实现内部的电能实时调节，能量流通路径短、调节更加灵活。通过直流母线连接发电系统、储能系统，然后共用变流器、变压器连接于交流母线，减少了变压器数量。
45.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。

技术特征：
1.一种离网型新能源驱动的交流牵引供电系统，其特征在于，包括：新能源牵引变电所、接触网、钢轨；新能源牵引变电所连接至接触网并向其供电，在两个相邻新能源牵引变电所的接触网之间设置接触网电分相；其中，当铁路线路为双行线时，接触网电分相处设置所述分区所，分区所内包括多个越区开关和两段交流母线。2.根据权利要求1所述的离网型新能源驱动的交流牵引供电系统，其特征在于，新能源牵引变电所包括多个发电系统、馈线系统、直流母线、交流母线和电压互感器；发电系统、馈线系统具有交流端口，连接于交流母线；储能系统具有直流端口，连接于直流母线上。3.根据权利要求2所述的离网型新能源驱动的交流牵引供电系统，其特征在于，所述发电系统，包括多个分布式电源、多个发电变流器、牵引变流器、变压器、断路器以及电流互感器；每个分布式电源连接一个发电变流器，发电变流器连接直流母线，直流母线连接牵引变流器，牵引变流器连接变压器，变压器连接断路器，断路器连接交流母线、牵引变流器、变压器、断路器、电流互感器。4.根据权利要求3所述的离网型新能源驱动的交流牵引供电系统，其特征在于，储能系统包括储能设备和储能变流器；储能变流器一端连接储能设备，另一端连接至直流母线。5.根据权利要求3所述的离网型新能源驱动的交流牵引供电系统，其特征在于，多个发电系统、储能系统的直流母线相互连接，构成一个直流母线。6.根据权利要求3所述的离网型新能源驱动的交流牵引供电系统，其特征在于，馈线系统包括多个馈线断路器、多个馈线电流互感器；每一个馈线断路器对应一个馈线电流互感器，馈线断路器一端连接于交流母线，另一端连接馈线电流互感器；馈线系统输出端连接至接触网。7.根据权利要求3所述的离网型新能源驱动的交流牵引供电系统，其特征在于，交流母线还连接多个电压互感器。

技术总结
本发明提供一种离网型新能源驱动的交流牵引供电系统，属于电气化铁路牵引供电技术领域，包括新能源牵引变电所、接触网、钢轨；新能源牵引变电所连接至接触网并向其供电，在两个相邻新能源牵引变电所的接触网之间设置接触网电分相；其中，当铁路线路为双行线时，接触网电分相处设置所述分区所，分区所内包括多个越区开关和两段交流母线。本发明实现了无需公用电网、仅由新能源供电驱动牵引负荷，新能源牵引变电所由同一个直流母线连接主用发电系统、备用发电系统、储能系统的直流端，每个系统均有独立的变流器，实现内部的电能实时调节，能量流通路径短、调节更加灵活，共用变流器、变压器连接于交流母线，减少了变压器数量。减少了变压器数量。减少了变压器数量。


技术研发人员：吴丽然 吴命利 杨少兵 刘秋降 何婷婷
受保护的技术使用者：北京交通大学
技术研发日：2023.03.16
技术公布日：2023/7/7