专利名称：公用设施规模电能储存系统的制作方法
公用设施规模电能储存系统
相关申请的引用
本申请要求William R. Peitzke和Matt Brown的于2009年8月11日提交的名称为UTILITY SCALE ELECTRIC ENERGY STORAGE SYSTEM (公用设施规模电能储存系统)的美国临时专利申请序列号61/233，052的优先权，其公开内容通过引用并入本文。
背景
领域
本发明大体上涉及电力储存和发电。更具体地，本发明提供用于势能储存的系统，该系统采用在下储存设施和上储存设施之间运载可装载的物体的电驱动式轨道组合物 (consists)(组合物在本文中被定义为多个火车汽车元件)以通过下述方式进行势能储存对组合物应用电网电力以使物体从下储存设施向上储存设备的运输，并且通过在物体的从上储存设备向下储存设备的运输期间组合物的电磁再生制动且在辅助支持下而使势能回收和返回至电网，其中辅助支持包括可变功率和无功功率的支持以及向上调节和向下微调的能力。
相关技术
电力电网越来越复杂，并且发电供应与电力使用的匹配是保持操作的稳定性的关键要素。随着所具有的固有问题与电力生产相一致的可选择的能量产生源例如风力和太阳能的加入，这一问题变得更复杂。对作为电力供应电网的一部分的公用设施规模能量储存的需要因对于日常负荷转移和电能质量服务(包括频率调节、电压控制、运转备用、非运转备用和自行启动)的日益增长的需求而被促进。目前估计美国的能量储存电力需求对于负荷转移将接近200，000MW并且对于电能质量服务将超出20，000MW。
电能储存可以使用电池技术、电容储存系统、动能储存系统例如飞轮或势能储存系统来实现。用于锂离子电池、液流电池和可充电钠硫电池(NaS)的电池技术正在改进，但是通常将提供仅在50MW或更小的范围内的估计容量。相似地，以合理规模的电容性储存系统仅提供1-10MW之间的容量。飞轮储存系统也通常被限于小于20MW，这是由于物理尺寸和结构材料约束。
常规的势能储存装置由抵抗重力来升高重物的机械提升装置和抽水蓄能法 (Pumped Hydro)组成，抽水蓄能法是以抵抗重力将水向上泵送的形式来储存能量的方法。 机械提升装置在其高度方面被限制在几百英尺并且因此需要大量的物体以储存大量的电能。这导致非常大的成本，使这些装置是昂贵的且不经济的。在抽水蓄能法中，水从较低海拔高度的水库被泵送至较高的海拔高度；被储存的水然后在被需要时通过涡轮而被释放以将被储存的能量转换为电。这样的系统的往返行程的储存循环效率损失通常在25 %的范围内，并且在批准、构建和操作上的困难使抽水蓄能法难以实施。建筑这样一种系统可能耗费十几年。
因此，期望的是，提供具有在100-2，000MW的发电范围内的容量并且具有高效率以及减少的安装和资本投资要求的势能储存。
概述
本文公开的实施方案提供一种高效率的公用设施规模的能量储存系统。大的物体被向上运输以储存能量并且向下运输以释放能量。带电的钢铁路网络通过具有以组合物的形式而被组合并且由自动化控制系统来操作的电动机-发电机的电供能的穿梭单元使物体在具有不同的海拔高度的两个储存场地之间穿梭。示例性的实施方案结合有轨道系统， 轨道系统具有上储存场地和下储存场地并且具有在上场地和下场地之间的互连路轨以及具有用于配置系统中的路轨路线的多个控制元件。穿梭单元具有被互相连接于支撑轮的电动机/发电机并且结合有用于可移除地运载物体的支撑结构和一体式转移机构。穿梭单元上的电动机/发电机被互相连接于电网。与电网、穿梭单元和轨道系统控制元件通信的控制系统在电网具有过量电力时执行第一控制序列以储存能量并且在另外的电力被需要时执行第二控制序列以向电网提供电力。第一控制序列使所选择的穿梭单元获取位于下储存场地中的物体，并且将电动机/发电机用作从电网汲取电力的电动机，将所选择的穿梭单元从下储存场地驱动至上储存场地，且使控制元件配置为给穿梭单元定路线，穿梭单元然后将物体卸载在上储存场地中。第二控制序列使所选择的穿梭单元获取位于上储存场地中的物体，并且将电动机/发电机用作发电机，通过从上储存场地向下储存场地再生制动所选择的穿梭单元而向电网供应电力，其中控制元件被配置为给所选择的穿梭单元定路线， 所选择的穿梭单元然后将物体卸载在下储存场地中。
在示例性的实施方案中，物体储存在上储存场地和下储存场地中并被支承于储存场地路轨上方，并且每个穿梭单元被接收在所选择的物体的下方。转移机构结合有支撑元件，支撑元件被每个穿梭单元上的结构承载并且被接收在所储存的物体的下方以提供在负荷下方的滚动。
在示例性的实施方案中，变电站被连接于电网以接收高压电力并且轨道旁配电系统被连接于变电站，其中变压器以所选择的间距而连接于配电系统。电力供应轨道被连接于变压器，其中每个电力供应轨道与轨道系统中的路轨相关联。每个穿梭单元包括牵引控制单元(TCU)以及用于连接至电力供应轨道的接触器。TCU结合有整流器/倒相电路以及控制板，整流器/倒相电路用于电力控制并且被连接于电动机/发电机，控制板用于控制整流器/倒相电路，以用于电动机/发电机的加速、减速和稳态操作。第一公用设施侧整流器 /倒相器和第二电动机/发电机侧整流器/倒相器被采用，其中控制板控制公用设施侧整流器/倒相器中的无功功率以对电网进行无功伏安(VAR)调整。
在某些实施方案中，反转旁路连接器响应于来自控制板的信号，通过用于所选择的连接动力路轨上的穿梭单元的电动机/发电机向电力供应轨道的直接连接而选择性地绕过整流器/倒相电路，以在穿梭单元的加速/减速之后进行同步操作。系统中的响应于公用设施信号以进行向上调节或向下调节的电压调整利用异步操作而在每个穿梭单元中被实现。
所公开的实施方案允许用于使用被连接于电网的轨道系统和穿梭单元来提供公用设施规模辅助服务的方法。当接收对于辅助服务的命令时，穿梭单元的所选择的一组穿梭单元被控制以实现无功功率、加速和减速，从而与电网相互作用以满足辅助服务命令。如果对于辅助服务的命令是VAR命令，那么具有整流器/倒相电路以向电动机/发电机提供电力的穿梭单元控制整流器/倒相电路中的无功功率，以进行对电网的VAR控制调整。如果辅助服务命令是向上调节/向下调节命令，那么连接的路轨中的至少一个动力路轨被选择以进行异步操作，并且在所选择的动力路轨上移动的穿梭单元上的电动机/发电机被控制成对被供应至电网或从电网储存的电力进行向上调节或向下调节。
附图简述
图IA是本能量储存系统的实施方案的透视概观；
图2是在
图1中公开的能量储存系统中可采用的具有多个穿梭单元和储存物体的操作组合物的第一示例性的实施方案的透视图3是第一实施方案的具有被接合和被抬升的用于运输的物体的一个穿梭单元的侧视图4是图3的处于适当位置中以接合用于运输的物体的穿梭单元的侧视图5是具有第二示例性的实施方案的穿梭单元和储存物体的操作组合物的透视图6是具有在运输位置中的物体的第二实施方案的一个穿梭单元的侧视图7A是图6的穿梭单元的端视图7B是穿梭单元和轨道旁部件的部分透视侧视图8是第二实施方案的一个穿梭单元的透视图，其中物体在用于储存的旋转过渡中；
图9是第二实施方案的穿梭的端视图，其中物体已被旋转以进行储存；
图IOA是用于在如图6中定义的穿梭上的物体操纵的旋转支撑系统的详细的等距视图IOB是示例性的用于与传动轴一起使用的变速器的横截面；
图IlA是在能量储存系统的实施方案中被采用的示例性的多路轨动力和返回布局的示图IlB是用于能量储存系统的示例性的上储存场地布局；
图IlC是示例性的下储存场地布局；
图IlD是示例性的用于补充性的上储存场地和下储存场地扩展的布局；
图12是用于系统的实施方案的轨道旁电力示意图13A-D是用于能量储存系统的所公开的实施方案的示例性的操作方案的流程图14是对于系统的实施方案的穿梭单元动力示意图15A是用于穿梭单元电力控制器的操作特性的流程图15B是由系统支撑的VAR的示例性的操作的流程图15C是由系统进行的向上调节或向下调节的示例性的微调操作的流程图。
详细描述
现在参照用于多个实施方案的更详细的描述的附图，图1示出了先进轨道能量储存(AREQ系统的实施方案，其具有上储存场地10、下储存场地12以及连接路轨14和16。 虽然仅单一的动力路轨和返回路轨在图1中示出，但是根据系统要求可以采用多个路轨， 如将在下文更详细地描述的。大物体18通过电供能的组合物20而在储存场地10和12之间被运输以储存或释放能量，电供能的组合物20是多个单元元件，多个单元元件具有在路轨14、16所产生的带电的钢铁路网络M上的一个或多个穿梭单元22。空的穿梭单元(被指定为22')在带电的钢铁路网络M上被返回。钢铁路网络结合有允许已装载的和空的穿梭单元的双向运动的多个连接路轨组。在储存或释放时期的期间，连续流的电供能的穿梭单元组合物将物体在储存场地之间运载。钢铁路网络通过被连接于变电站观的线26而连接于本地电网并且通过轨道旁交流配电线路30和变压器32而被分布，轨道旁交流配电线路30和变压器32向电力供应轨道或“第三轨道”提供以约1，060'间距的电力互相连接，如将在下文更详细地描述的，电力供应轨道或“第三轨道”结合有具有沿着其长度的高导电性材料例如铝或铜的部件以避免在电力传输期间的电阻性损失。铁路网络可以包括用于穿梭单元的储存和修理元件35。
每个组合物20中的所选择的数量的穿梭单元22作为带电的拖车(mule)或小块而被电供能并且被自动化控制系统34控制，如将在下文更详细地描述的。每个带电的拖车采用起落架卡车，起落架卡车类似于目前在柴油电动机车上使用的那些，起落架卡车使用可逆电动机-发电机作为牵引电动机，以将物体从下储存场地运载至上储存场地和作为发电机以在将物体从上储存场地运载至下储存场地时进行动态制动。在本申请中，给轮子供能的电力牵引电动机-发电机在以电动机模式将物体向上升高时储存势能并且在将物体向下下降时通过在动态制动中的发电而递送能量。对于本文描述的示例性的实施方案，穿梭单元采用标准铁路转向架，例如由Electro-Motive Diesel, Inc.生产的3轮轴径向转向架，如在于2010年1月21日公布的名称为klf-Steering Radial Bogie (自转向径向转向架)的美国专利公布US 2010/0011984A1中描述的。每个卡车具有多个轮子以接合ARES 系统铁路网络的钢轨，并且具有用于与一般的载物轨道线路的兼容性的常规的规格。
图1和图2中公开的实施方案示出了具有转向架36的穿梭单元22，转向架36每个具有在铁路网络中的轨道39上行驶的多个轮子38。每个穿梭单元结合有支撑结构，其在下文更详细地描述，以运载物体18，物体18可能由混凝土(例如增强和/或后张混凝土，或由矿石材料例如铁燧石制成的增强和/或后张重混凝土)或由任何其他的具有足够的刚性和足够的高强度的材料例如高强度塑料、金属、木材和类似物制成。物体可以是由基础材料例如钢筋混凝土制成的实心体，或是中空的并且被填充有优选地在现场地挖掘期间所产生的装料42例如泥土、岩石、水、湿砂、湿砂砾、湿玄武岩、铁矿石或任何其他的具有足够高密度的材料。对于示例性的实施方案，每个物体是钢筋混凝土容器，该钢筋混凝土容器由具有高度17'乘宽度17'乘长度19. 5'的外尺寸的预浇铸的、后加张力的或增强的混凝土面板构建。物体的侧壁和基部是18"厚，产生5，636立方英尺的总容积。对于以每立方英尺约1501bs的装料以及相似密度的容器材料，每个物体的总重量可以接近4 吨。每个物体可以配备有多个歧管，以使被包封的材料在需要调整物体重量或重心的情况下或在储存介质的润湿是对于微调物体密度是所期望的情况下能够被水或空气喷射而液化，允许其层理内容物被容易地除去和更换。
穿梭单元22在轮廓上是低的，使得它们可以在被填充的物体下方滚动，其中被填充的物体储存在上储存场地和下储存场地中并被支承于储存场地路轨上方，如将在下文更详细地描述的。如图3和4中所示的，第一实施方案的储存转移机构结合有杠杆基部50，杠杆基部50在第一端处通过枢轴销56而被安装于从穿梭单元22的第一转向架M延伸的支柱52。可伸缩铰链58邻近第二端而将杠杆基部附接于穿梭单元的第二转向架60。在图4 中示出的杠杆基部50的收缩位置中，穿梭单元22可以在物体18下方自由地滚动。使用液压油缸61使可伸缩铰链58延伸以提升杠杆基部50，如图3中所示的，将物体提升离开其支墩62，如图3和4中所示的，或离开一体式腿支撑器64，如图2中所示的。这种操作在上储存场地和下储存场地中被可逆地重复，以装载和卸载物体。对于所示的实施方案，杠杆基部是在形状上弧形的，以允许在被安装在下降位置中的销/支柱处的第一端的间隙。杠杆基部的梁结构的预应力，以及杠杆基部的由于在物体的提升时被施加的应力的相关联的伸直，提供了在卸载的收缩状态中的所需要的弧形形状。杠杆基部上的接合销66被接收在物体18中的匹配的凹陷部(relief)68中，以固定物体，从而抵抗在可伸缩铰链的延伸时在杠杆基部上的运动。
对于图3和4的实施方案，墩62被定位为以适合四个矩形的物体的支撑，使每个物体被支撑在相关联的墩上的一个角落处。在可选择的实施方案中，K轨道或相似的直立的支撑元件可以被采用，降低对准公差的要求。在图2中公开的自站立腿实施方案中，具有用于物体的地平面支撑器允许到达储存场地中的储存路轨65的轨道39以进行维护。相似地，K-轨道、可运动支墩或相似的可运动支撑结构的使用允许维护到达。
通过使穿梭单元能够在物体下方滚动，成为可能的是，在储存场地中精确地按序拾取和放下分别的物体。这允许ARES系统将分别的物体在储存场地中靠近地停放在一起， 很大地降低为了储存目的而所需要的带电的轨道系统的长度。这种特征还允许分别的物体具有在电穿梭单元上的更大的间隔，由此允许在运动中的每个物体对应多个轮子转向架； 从而产生需要较少的储存路轨的较重的物体的总体运输能力。由此，总系统的能量储存密度和经济可行性被很大地改进。
用于组合物的第二实施方案采用如图5中所示的穿梭单元和被运载的物体。在本实施方案中，每个组合物70结合有四个穿梭单元72。在本示例性的实施方案中，组合物中的穿梭单元中的两个穿梭单元是被供能的拖车，如将在下文更详细地描述的，并且另两个穿梭单元是无动力的。物体74在水平截面中呈矩形，允许物体的着陆部位(foot print) 被穿梭单元的结构外围地支撑，如将在下文更详细地描述的。如图6和7A中所示的，每个物体74在穿梭单元72上被纵向地运载，以进行在铁路网络内的运输。每个穿梭单元，对于所示的实施方案，采用运载着支撑结构78的两个3轮轴径向转向架76。这允许每个轮轴的约50吨的可接受的负重。每个穿梭单元结合有在下文更详细地描述的储存转移机构，这允许物体74被提升和旋转至横向或横向的取向，如图8中所示的。当被完全旋转时，如图 9中所示的，物体垂直于储存路轨65并且被转移机构下降以被支撑在墩或支撑轨道76上。 如参照之前的实施方案描述的，作为用于物体储存的支撑轨道而被采用的可运动K-轨道允许向储存场地路轨的无阻碍到达，以易于维护。K-轨道被普遍用作交通阻挡物。对于所示的实施方案，K-轨道在截面上是在其基部处约6'宽，逐渐变窄至在顶部处的2'宽。每个支撑轨道的顶部表面是一层增强橡胶缓冲器。支撑轨道被铺设在轨道旁的压碎岩石主压载物中。
如同第一实施方案，在上文描述的示例性的大规模ARES系统中的势能被储存在约14，000个物体中，每个重量约240吨，每个物体是由具有高度13'乘宽度39'乘(路轨) 长度6. 6'的外尺寸的预浇铸的、后加张力的或增强的混凝土面板而构建的钢筋混凝土容器。物体的侧壁和基部将约18"厚，产生3，350立方英尺的总物体容积。每个物体的容积将被填充有铺设在砂中的优选地在现场地挖掘期间所产生的重岩石例如玄武岩，取决于具体的地点，这种材料的混合物将提供约143磅每立方英尺的重量。混凝土容器结构的重量也是约143磅每立方英尺。物体垂直于储存路轨而被储存在可运动钢筋混凝土支撑轨道上， 可运动钢筋混凝土支撑轨道平行于储存场地中的路轨，最小化空间需求并且利于向穿梭单元上的迅速装载，如上文描述的。每个物体可以配备有由管构成的歧管，以使被包封的材料在需要调整物体重量或重心的情况下或在储存介质的润湿对于微调物体密度是所期望的情况下能够被水或空气喷射液化，允许其层理内容物被容易地除去和更换。在可选择的实施方案中，物体由材料的互锁的层构建，允许在层或部分中的物体的起重机除去或递送。这些物体的允许其在储存路轨上方的垂直储存的高度矩形的方面极大地降低了具有给定容量的ARES系统所需要的储存路轨的长度，并且当被装载和在运动中时提供穿梭单元的惯性极矩的显著的减少，改进可靠性并且减少轮子磨损。第二实施方案的矩形的物体可以被控制尺寸以符合用于有限的交换业务货运的AREMA(American Railway Engineering and Maintenance-of-Way Association，美国铁路保养和工程协会)尺寸，允许空物体容器的通过轨道的运输，以用于在ARES设施处的使用。
返回图5，并且另外地参照图10A，在4-穿梭单元组合物70中的每个穿梭单元72 配备有转移机构，转移机构采用被伺服螺线管或其他的常规的控制装置致动的多个液压油缸80，并且由组合物上的液压泵82供能。液压泵从第三轨道吸取其的动力。转移机构还包括液压升降机86，液压升降机86结合有物体被放置在其上的旋转接合台87，旋转接合台 87被定位在被结合在支撑结构78中的纵向结构元件88和横向结构元件90支撑的穿梭单元的中部，其根据需要而被制定尺寸以适应物体的重量以及任何在操作期间产生的颠覆力矩。
当组合物被定位为拾取第一物体时，升降机致动并且接合台被提升以及物体被升高离开支撑轨道至间隙高度。然后组合物运动远离被储存的物体，直到第二物体被定位在第二穿梭单元上方以进行拾取。当第二物体正在被提升时，第一物体和接合台被液压油缸 80旋转，直到物体平行于路轨。然后物体被下降至支撑结构78上，在穿梭单元的两个转向架上方。该操作被重复，以进行物体向组合物的第三和第四穿梭单元上的装载。然后组合物为发送至动力轨道上而做好准备。
物体在到达储存场地时的卸载通过逆转所描述的过程被实现。组合物进入储存路轨，并且最后的物体被提升并从纵向位置旋转至横向位置，以减少在储存支撑K-轨道上的间隔布置。当组合物向前运动以放置第一物体时，在组合物中的毗邻的物体然后被提升、旋转、然后被依次地下降至支撑轨道上。对组合物上的第三和第四物体重复该步骤，然后组合物穿过被储存的物体的列的下方并且然后被释放以过渡至通向最初的储存场地的返回路轨上。
图IlA示出了动力路轨和返回路轨系统的开始路轨部分的示例性的实施的细节。 每个ARES系统设施的具体的元件将随其意图的储存和发电能力、上场地和下场地之间的海拔高度差以及坡度而改变。具有在上储存场地和下储存场地之间的3，600英尺海拔高度差以及7. 5%的平均场地间坡度的ARES设施将能够以1，000丽充电或放电，同时提供 SOOOMWh的净能量储存。这样的示例性的实施方案可以结合有以下的固定元件。
五个平行的带电的主路轨由两个动力路轨14a和14b、两个返回路轨16a和16b以及能够以任一个模式操作的一个备用路轨17组成；每个主路轨在长度上约8. 1英里，连接在上储存场地和下储存场地之间。在可选择的实施方案中，另外的动力路轨和返回路轨可以被采用，以增减ARES系统的规模以满足能量需要。在采用四个动力路轨和两个返回路轨的实施方案中，主路轨提供适于203或更多个组合物在连续操作中被充电或放电和返回的容量。动力路轨上的组合物操作速度在同步操作中在使用用于带电的穿梭单元的机载动力系统时是约35mph，如将在下文描述的，但是可以为了功率输入或输出的改变而以期望的可选择的速度被控制。同步控制速度允许穿梭单元上的牵引电动机/发电机向交流轨道旁系统的直接连接，具有显著的效率节约。返回路轨上的空组合物速度是系统中的组合物的总数量的函数；然而近似的返回速度将是60-70mph。在该配置中，总动力路轨长度的约百分之十四被正在运动的组合物占据，当四个路轨被用于充电/放电并且两个被用于返回组合物时，正在运动的组合物在运动中以约1，300英尺被间隔开。在上储存场地和下储存场地之间的六个操作路轨的组合的长度是48. 6英里。备用路轨可以根据需要代替动力路轨或返回路轨，以允许系统维护和增强操作可靠性。动力路轨、返回路轨和备用路轨全部完全地能够在任一个容量中起作用，并且可以代替彼此，允许在日常的路轨维护期间的旋转以及路轨磨损的均勻分布。
图IlB和IlC中示出了对于示例性的实施方案的上储存场地10和下储存场地12， 每个结合有约十六个1. 2英里长的储存路轨65。每个储存场地是约1. 7英里长并且在宽度上800'；额外的长度允许分别的储存路轨被扭曲为梯形的足迹，允许在每个路轨的开始和结束处的切换。多个互相连接的线路和切换器被配置成使离开储存场地的已装载的组合物能够以上文所提出的在组合物之间的间隔而每7. 4秒将在其中一个主路轨上被启动。如上文描述的，多个绝缘电力供应轨道84给主路轨、备用路轨和储存场地路轨上操作的组合物中的拖车穿梭单元提供轨道旁交流功率。这些电力供应轨道以合适的间距而连接于轨道旁 2，300V交流配电系统，轨道旁2，300V交流配电系统在储存场地中的操作期间以及在主路轨上的发电或放电时向组合物中传输功率或从组合物向外传输功率。图7A示出了电力供应轨道84以及相关联的接触器89的示例性的配置，其被安装于组合物中的被供能的拖车的结构。对于所示的实施方案，示出了承载着以三相排列的供应轨道的直立支撑器91。在可选择的实施方案中，轨道旁电力通过3kV直流电源轨道而被供应入穿梭单元中以及从穿梭单元供应出，并且具有在穿梭单元上的合适的交流功率转换。
另外的储存路轨可以在被认为合适时被包括，以提供具有能迅速到达储存场地的后备组合物，以在故障的情况下进行立即的使用。另外的物体，在被认为合适时，可以被提供以被储备待用。储备穿梭单元和储备物体可以被储存在同一个后备侧线上。支路93(图 IlA中所示的)被包括以提供从ARES设施向一般的承载物轨道线路的到达(以利于最初的构建、穿梭单元的递送以及零件的维护和修理)。穿梭单元在不同的地点处的ARES设施之间可互换，以成本有效地适应峰值地区储存需求的时期。用于穿梭单元的标准规格转向架允许通过商业铁路网络向任何期望的地点的运输。
图IlD示出了嵌套在上场地和下场地10和12内的补充性的上储存场地和下储存场地10'和12'。这种配置允许更大的储存能力的加入，同时保持向铁路系统中的动力路轨、返回路轨和备用路轨的容易的切换到达。
对于所示的实施方案，ARES系统设施中的所有的路轨，包括储存场地路轨，是带电的，其中平行的电力供应轨道向穿梭单元提供连续的交流电源。路轨是重(1361b./码)淬火标准规格轨道。对于所示的示例性的实施方案来说，路轨位于增强重容量路基上，且路轨直接固定至以约620'间距间隔的钢筋混凝土锚固物，以防止沿斜坡的路轨坍方。路基基质包括多个压载物下层，其典型地具有热浙青混合物底衬的岩石主体压载物。储存场地含有多个平行的储存路轨，使得用于每个物体的发送的时间余量不受单列的穿梭单元的定位和接合其分别的负载而所需要的时间限制。
图12示出了本实施方案的轨道旁电力系统。如上文参照图1描述的，被附接于高压电力线路的变电站观将可用的电力变压至；34. 5KV。轨道旁配电线路30沿着系统中的在图12中被表示为动力路轨14和返回路轨16的路轨而分布或返回电力。保险丝断接器90 将配电线路连接于变压器32以进行在34.5KV和2300V交流操作电压之间的电压调整。电路断路器92连接三相电力供应轨道8 或84b，三相电力供应轨道8 或84b与用于互相连接于组合物中带电拖车上的接触器的每个路轨相关联。为了增加效率，来源于动力路轨或返回路轨上的制动再生的电力通过与路轨电力供应轨道之间的互相连接部94的直接连接而被提供，以用于给向上行进的组合物提供优选的电力，避免相关联的变电站损失和现场地变压器损失以及传输损失。
在宽泛的实施方案中，本发明是高效率且低成本的势能储存系统。输入和输出的速率可以通过对运动中的电供能的穿梭单元的速度和/或数量控制而被相当大地改变。标准的摩擦制动可以用于停放被电供能的穿梭单元以及用于在故障的情况下将它们停止。
被容纳在自动化控制系统34中的运行监视控制和数据采集(SCADA)软件的一个或多个计算机将被用于控制能量储存系统操作。以下是可以被用于控制如对于示例性的实施方案描述的ARES系统的计算机传感器、致动器和示例性的算法的描述。这仅是计算机传感器、致动器和过程的一个实施例，并且能量储存系统操作不限于这些计算机传感器、致动器和过程。
ARES系统以预先确定的方式操作，取决于诸如对于储存或释放能量的要求、正在被储存或释放的电力的速率、系统正在向电网提供的辅助服务的范围、天气条件以及其他的因素。其使用包括但不限于分别的组合物位置、速度、加速、物体位置、轮子速度和打滑、 电部件安培值、电分电压、电部件温度、机械部件温度、轨道切换器位置和其他的传感器。这些传感器和通信部件可以被与多种通信系统和协议硬连接或无线连接。控制系统可以使用包括但不限于分别的组合物摩擦制动、路轨切换运动、电切换器和电子切换器、组合物物体提升机构和其他的控制器。这些控制器可以是机电的、气动的或液压的。
沿着主路轨每50英尺被放置的轨道旁地点标签95，如图7B中所示的(如示例性的，被附接于电力供应轨道的支柱)，将向组合物上的传感器96信号指示，报告每个组合物的地点和速度。使用这种信息，SCADA系统将控制所有的在运动中的穿梭单元的运动。在储存场地中，地点标签将以更接近的间隔被定位，以利于定位组合物以进行物体拾取。地点标签也可以被放置在物体自身上，以进行最终的拾取定位。组合物上的差分GPS应答器97， 作为地点传感器/地点标签的后备，还可以将所有的穿梭单元地点传输至控制中心中的实时显示器。在ARES设施上或附近的现场地差分GPS发射机将被采用，以增强被在控制中心处接收的穿梭单元数据的精确度。每个组合物上的另外的传感器将监控和控制处于SCADA 系统的控制下的整流器/倒相器功能、后备电池状态、电动机发电机状态、提升机构功能、 制动功能、路轨条件和液压流体输出。对于示例性的实施方案，多个遥测系统通过能够向每个组合物递送独特命令的轨道来操作，其中后备通信系统被引导至地点传感器。
启动、操作和停止能量储存系统的过程可以是部件经历的预先计划的一组步骤。 还可以具有用于改变动力输入或输出、从过程除去组合物以进行修理和其他的预先计划的步骤。过程中的每个步骤可以被单一的或多个传感器和/或致动器实现。此外，每个组合物可以被编程以作为特别的网状网络系统的构件，在特别的网状网络系统中组合物响应于被从控制中心以预编程的方式接收的关于其的相对于其他的组合物和切换器设置的位置的操作要求。操作流程的实施例在图13A-D中示出。
过量的电网电力在步骤1302中被检测，并且ARES系统被接合以储存能量。为了参照目的使用具有第二被描述的实施方案以及假想的组合物数量、物体数量和储存地点的示例性的系统，组合物#178连接于电网并且被运动至在地点4L-U8处的物体#1584下的位置(储存路轨4，下场地储存位置128)，步骤1304。组合物在步骤1306中被装载；组合物#178的第一穿梭上的转移机构被延伸以接合物体#1584，组合物被运动一个位置并且第二穿梭上的转移机构被延伸以接合物体#1585，组合物被运动一个位置并且第三穿梭上的转移机构被延伸以接合物体#1586，组合物被运动一个位置并且第四穿梭上的转移机构被延伸以接合物体#1587。在步骤1308中轨道切换器#L47将储存路轨#4切换至所选择的动力路轨上的道路的上右方。该装载过程被依次地重复。例如，然后组合物#179运动至在地点4L-132处的物体#1588下方的位置(路轨4，下场地塔架位置13 等等。
组合物#178沿着储存路轨M行进至道路的上右方上并且采用电网电力，步骤 1310。机载控制部将组合物加速至同步速度，步骤1312，并且然后转换为直接同步操作，步骤1314。ARES系统然后对微调(来自公用设施或ISO的向上调节/向下调节要求)进行监控，步骤1316，并且对VAR要求进行监控，步骤1318。轨道切换器U21将道路的上右方切换至上储存场地中的储存路轨#8上，步骤1320。机载控制部从直接同步操作转换，以将组合物从同步速度减速，步骤1322。组合物#178将物体#1584定位在地点8U-275处(路轨 8，上场地塔架位置27 ，步骤13M。然后组合物卸载物体，步骤13 ；组合物#178的第一穿梭上的转移机构被延伸以在地点8U-275处卸载物体#1584，组合物被运动一个位置并且第二穿梭上的转移机构被延伸以卸载物体#1585，组合物被运动一个位置并且第三穿梭上的转移机构被延伸以卸载物体#1586，组合物被运动一个位置并且第四穿梭上的转移机构被延伸以卸载物体#1587。然后确定是将#178储存在上场地处还是返回至下场地以进行另外的物体运输，步骤13观。如果被返回，那么轨道切换器U21将储存路轨#8切换至在所选择的返回路轨上的道路的下右方，步骤1330，并且组合物#178从路轨#8下降至下场地，步骤1332。如果被储存，那么切换器U21将储存路轨#8切换至上储存场地侧线，步骤1333， 并且组合物#178将路轨#8转换至上储存场地侧线，步骤1334。取决于储存轨道要求，组合物可以被储存在在物体下方的位置中。步骤被对另外的储存物体依次地重复，直到被公用设施或ISO通信的电力储存要求被完成。
当动力需求被从公用设施或ISO接收，步骤1336时，切换器U21将上储存场地侧线连接于上储存路轨#8，并且组合物#178连接于电网，步骤1338，并且被运动至在地点 8U-275处的物体#1587下方的位置(路轨8，上场地塔架位置27 并且被装载，步骤1340。 为了装载组合物，组合物#178的第一穿梭上的转移机构被延伸以在地点8U-275处装载物体#1584，组合物被运动一个位置并且第二穿梭上的转移机构被延伸以装载物体#1586，组合物被运动一个位置并且第三穿梭上的转移机构被延伸以装载物体#1585，组合物被运动一个位置并且第四穿梭上的转移机构被延伸以装载物体#1584。轨道切换器#U21将路轨 #8切换为道路的下右方，步骤1344。组合物#178沿着路轨#8行进至道路的下右方上并且采用转向架发电机进行对电网产生电力的速度控制传递，同时到达下场地，步骤1346。该操作被对于另外的组合物依次地重复。组合物#177运动至地点8U276处的物体#1583下方的位置等等。
机载控制部将组合物#178加速至同步速度并且然后转换为直接同步操作，步骤 1348。系统然后对微调(向上调节/向下调节要求)进行监控，步骤1350，并且对VAR要求进行监控，步骤1352。在接近下储存场地时，轨道切换器147将道路的下右方切换至下储存路轨#4上，步骤13M。机载控制部从直接同步操作转换，以将组合物从同步速度减速， 步骤1356。组合物#178将物体#1587定位在地点4L-U8处，步骤1358。然后组合物卸载物体，步骤1360 ；组合物#178的第一穿梭上的转移机构被延伸以在地点4LU8处卸载物体 #1587，组合物被运动一个位置并且第二穿梭上的转移机构被延伸以卸载物体#1586，组合物被运动一个位置并且第三穿梭上的转移机构被延伸以卸载物体#1585，组合物被运动一个位置并且第四穿梭上的转移机构被延伸以卸载物体#1584。然后确定是将组合物#178储存在下场地处还是返回至上场地以进行另外的物体运输，步骤1362。如果被返回，那么轨道切换器U21将路轨#8切换至在所选择的返回路轨上的道路的上右方，步骤1364，并且组合物#178从储存路轨#8上升至上场地，步骤1366。如果被保持在下储存场地中，那么组合物位置被保持或储存路轨被切换至侧线，步骤1368，并且组合物被运动至侧线上，步骤1370。
返回至图10A，每个组合物中的穿梭单元中的两个，每个具有两个3轮轴径向转向架76，提供总共六个轮轴101，被交流掩埋永久磁铁同步电动机-发电机102供能，以产生足够的牵引力，以制动向下的组合物。这些同步电动机-发电机代替当前在铁路行业中使用的异步电动机-发电机。其余的穿梭单元不被牵引驱动轮轴供能并且被组合物中的拖车交替地间隔，以实现在装载和卸载期间的从被装载的物体的最大的附着。在可选择的实施方案中，被供能的轮轴和/或穿梭单元的总数量可以取决于操作要求被改变。
电动机-发电机的转矩被通过机械齿轮箱104向和从传动轴传输，并且驱动轮的速度被电动机/发电机中的磁极的数量、齿轮箱的固定齿数比以及对每个拖车提供的牵引控制单元(TCU) 106的驱动频率确定，如将在下文更详细地描述的。
如图IOB中所示的，组合物的与轨道旁配电系统同步的操作通过使用齿轮箱104 中的传输元件被增强。在齿轮系107a和107b之间操作的爪形离合器105允许选择用于被装载的组合物中的穿梭单元的动力路轨操作的第一同步速度和用于以卸载状态的组合物的返回操作的第二同步速度。
组合物的速度被TCU确定，TCU响应于来自控制中心SCADA系统的命令确定同步电动机/发电机操作的频率以及因此组合物中的穿梭单元的速度。
对于所公开的实施方案，组合物中的被作为带电的拖车供能的两个穿梭单元每个正行驶在两对径向3轮轴柴油电动机车转向架上。这种配置允许每个汽车六个轮轴并且提供50，OOOlb的被装载的组合物轮子负载(50吨每轮轴)。对于被描述的实施方案的示例性的实施，用于被描述的实施方案的每个再生性的牵引电动机/发电机具有被耦合于轮轴的1. 25MW的峰值功率容量，具有减少的变速器齿轮箱，如上文描述的。以7. 5%坡度上的35mph，每个配备电动机/发电机的轮轴将从在运动中的每个组合物所运载的物体的势能产生向电网的0.74MW的净输出(在系统效率损失之后)。峰值拖车轴功率需要是基于在以35mph的运动中的组合物的物体的功率(12. 5MW)除以每个组合物的被供能的轮轴的数量(12)乘以用于加速/减速的20%的储备功率(1.2)。
向电网的净拖车轴功率可以被计算，作为在以35mph的运动中的被装载的组合物的功率(12. 5MW)除以物体与组合物重量比(1. 26)除以每个组合物的被供能的轮轴的数量 (12)乘以单向系统效率损失(0. 89)；等于0. 74MW。
示例性的实施方案的每个组合物，即两个拖车加两个无动力的穿梭单元列，提供 12个被供能的轮轴，将产生约8. 8净兆瓦功率，当被以35mph的速度在7. 5%坡度上直接地同步入电网中时。具体的ARES设施内的坡度的变化通过增减每个轮轴上的电动机/发电机单元和/或齿轮箱的规模被适应，以响应于最大斜坡输出和储备功率部件，以进行适合于这样的斜坡的加速或减速。在不同的ARES部位处的斜坡的变化可以通过具有更多的无动力的轮轴，如果峰值坡度较小的话，或增加被供能的轮轴的数量，如果斜坡较陡峭的话， 被适应。可选择地，在不同的ARES部位处的斜坡的变化可以通过改变组合物中的拖车与无动力的穿梭单元的比率被改变；或通过两个工具的组合。
采用以全额定功率的1，000MWARES设施的情况，在给定的时间内具有1，326个轮轴的电动机/发电机将装载在六个动力路轨上的处于运动中的装载有物体的114个组合物中的227个拖车上。其他的106个组合物正在返回至被装载的储存场地以拾取其下一个负荷的物体或正在在排序其负荷的过程中。(通过本实施方案中的变速齿轮比改变以允许同步的返回操作)使被卸载的组合物返回以用于以约动力路轨上的被装载的控制速度的两倍速度在返回路轨上装载很大地减少系统资金成本并且具有对效率影响很小。
在给定的系统上的坡度的变化可以通过为了轨道的最陡峭的部分的功率要求增减电动机/发电机的规模和减少给定的穿梭单元或组合物上的被接合的电动机/发电机的数量被适应，使得功率要求匹配在给定的点处的路轨坡度的势能。这允许每个组合物保持设置的电网同步化速度，而不损失直接同步化。在实际中，通过改变组合物的在线电动机/ 发电机的数量以匹配路轨坡度来节流组合物，而非改变组合物的电动机/发电机的控制频率。
为了提供被供能的穿梭单元中的所需要的操作特性，如图14中所示的机载动力系统被采用。轨道旁电力系统(对于所示的是三相2300V交流的实施方案)被通过向电力供应轨道84的间隔的主电路断路器92连接于带电的穿梭单元或拖车。穿梭单元上的接触器89连接于牵引控制单元(TCU) 106。被TCU控制板108控制的主线路接触器107，如下文更详细地描述的，互相连接于电力供应轨道接触器，具有通过交流线路过滤器110的对第一公用设施侧3-水平主动整流器/倒相器112的电力调节。对于所示的实施方案，绝缘栅双极型晶体管(IGBT)电路被采用。第二发电机侧3-水平主动整流器/倒相器114向(或从)电动机/发电机102传递功率。也被控制板命令的总线预充电电路116被提供。电流传感器120a和120b和电压传感器122a、122b和122c被控制板采用以进行整流器/换流器的轨道旁电力系统侧的传感和控制，并且电流传感器126a和126b和电压传感器U8a、 128b和128c被控制板采用以进行电动机/发电机功率的传感和控制。控制板提供电动机 /发电机的加速、减速和微调控制，如将在下文更详细地描述的。
逆转绕过接触器130被提供以用于电动机/发电机向轨道旁电力系统的直接连接，以进行对穿梭单元的以预先确定的控制速度的同步操作。穿梭单元的向控制速度的加速通过IGBT整流器/倒相电路被实现，在此时，在没有微调控制要求时，控制板接合合适的逆转绕过接触器以进行同步操作。当需要时，控制板重新接合IBGT整流器/倒相电路，断开逆转绕过接触器，以进行穿梭单元的减速或为了电网微调要求，如将在下文更详细地描述的。
被控制中心中的SCADA软件进行的控制互相连接被每个穿梭单元控制板实现，如上文描述的。穿梭单元的操作控制被TCU控制板108实现。控制板将实际功率从用于发电机侧整流器/倒相器和用于公用设施侧整流器/倒相器二者的无功功率去耦合。去耦合通过使用静止至旋转变换被实现，如在文献中熟知的。在发电机侧整流器/倒相器114(图14 中所示的)中，无功功率被与发电机的直轴线对准。在公用设施侧整流器/倒相器112(图 14中所示的)中，实际功率轴线被与公用设施电压对准，而无功功率分量以90度与公用设施电压不同相。实际功率和无功功率的去耦合允许加速和减速速率以及穿梭汽车功率速率被分离地且独立于被穿梭单元提供的无功功率地控制。即使在零速度和零加速度时也是这样，此时实际功率是零，但是无功功率仍然可选择且为公用设施支撑器可用。
如图15A中详细地示出的，为了整流器/倒相器112、114中的每个的控制，来自电压传感器U8a、128b和128c的三相电压Va、Vb和Vc (根据需要成比例)被接收在提供二相电压输出Vx和Vy的初相转换器140中。相位角计算器142向提供实际电压分量Vdf和假想电压分量Vqf的输出的第一静止至旋转变压器144提供相位角θ (作为θ = tan"1 (Vx/ Vy)计算)。相似地，三相电流值ia、ib和ic被从电流传感器126a和126b获得，作为向提供二相电流输出Ix和Iy的第二转换器146的输入。第二相位角计算器148向提供实际电流分量Id和假想电流分量Iq的输出的第二静止至旋转变压器150提供相位角θ (作为 θ = tar^dx/Iy)计算)。基于加速/减速要求或其他的系统要求，如将在下文更详细地描述的，控制中心SCADA提供实际功率命令(被指定为icf)，实际功率命令被接收在倒相器整流器控制器154中的第一加合器152中，倒相器整流器控制器IM接收来自第二静止至旋转变压器150的输出。无功功率命令(被指定为iq*)被SCADA向整流器/倒相器控制器中的第二加合器156提供，整流器/倒相器控制器接收来自第二静止至旋转变压器的iq 输出。被加合的实际功率分量被向第一补偿器158提供并且被加合的无功功率分量被向第二补偿器160提供。第一补偿器的输出被向接收来自第一静止至旋转变压器的Vdf的加合器162提供以提供实际电压命令Vcf，并且第二补偿器的输出被向接收来自第一静止至旋转变压器的Vqf的加合器164提供以提供无功电压命令Vq*。VcT和Vcf被作为输入向矢量调制器166提供，矢量调制器166向整流器/倒相器提供数字交换信号SA、SA倒数、SB、SB倒数以及SC倒数、SC倒数，以进行电力控制。用于公用设施侧整流器/倒相器112的整流器 /倒相器控制器接收来自SCADA的实际功率命令和无功功率命令，而用于发电机侧整流器/ 倒相器114的整流器/倒相器控制器使无功功率命令被设置为零。
在目前公开的实施方案中，整流器/倒相器被基于电动机/发电机要求部分地调整，以允许系统中的所有的被供能的穿梭单元的对被连接于ARES系统的公用设施或独立系统操作者(ISO)的无功伏安(VAR)动力支撑的组合的IGBT无功功率控制的使用。每个穿梭单元中的至少一个IGBT被通过机载和轨道旁电系统连接于高电压传输系统，如参照图12和14示出的和描述的。来自TCU控制板的实际功率命令(P分量)提供穿梭单元的必需的加速和减速操作。整流器/倒相器IGBT中可用的无功功率⑴分量)可以被为了从高压系统的无功功率输入/吸收控制，如上文描述的。对于所有的不产生任何实际功率(被停止的等候装载或过渡)的穿梭单元，TCU中的IGBT的整个功率容量是为无功功率可用的。在命令时，被控制板引导经过整流器/倒相器IGBT的无功电流(与电压输入不同相)可以被采用以产生对电网系统中的电压的大的影响。电压测量和VAR命令输入可以被从在与ARES 系统地理上分离的期望的地点处的电网控制中心电压测量获得。
对于示例性的实施方案，为了允许具有100%的在操作中的IGBT的VAR控制以进行加速/减速或异步地操作所选择的穿梭单元，具有约4%的额外容量的倒相器被采用，由此允许25%的额定功率可用性，以进行响应于VAR请求/要求的无功功率控制。
VAR命令可以被以三种实际的方式中的一个产生。第一个包括能量储存系统简单地命令VAR水平。这可以是变化的或固定的，并且经常被设置为零以单位功率因数操作系统。在第二个途径中，VAR水平被外部操作者命令，外部操作者经常是电网传输系统操作者。 这种操作者将根据需要手动地命令在一天期间或季节中的不同的VAR水平。第三个途径是在电压设定点被对于操作工厂确定并且电压设定点被与实际的操作电压比较时关闭电压调节环路。这两个水平之间的差异产生可以然后被用于命令VAR的误差信号。在自动化控制系统中操作的SCADA系统，如图14中所示的，结合有这种对于所描述的实施方案的调节能力。以这种方式，普遍的或个别的命令可以被发送至为了实现所需要的VAR调整所必需的所选择的数量的穿梭单元整流器/倒相器。
VAR命令被穿梭单元整流器/倒相器处理，如图15B中所示的。VAR水平命令被从电网控制中心接收在ARES控制系统中，步骤1502。SCADA确定静止的穿梭单元的数量，步骤1504，并且向这些穿梭单元中的控制板发出命令，以进行最大无功功率改变，直至所需要的总VAR，步骤1506。这些穿梭单元中的被命令的穿梭单元整流器/倒相器单元中的控制板发出对于待被公用设施侧整流器/换流器产生的全无功功率的Iq*命令，步骤1508。如果在可以被静止的穿梭单元提供的VAR之外的另外的VAR被需要，步骤1510，那么SCADA确定对每个正在操作的穿梭单元的实际功率水平，步骤1512，并且命令无功功率，直至对于在运动中的穿梭单元的整流器/倒相器(如上文描述的)的全额定功率，步骤1514，直至所需要的总VAR。被SCADA命令的每个穿梭单元中的控制板发出Iq*命令，直至与对于穿梭单元的操作中的实际功率被命令的IcT 一致的全额定功率，步骤1516。
相似地，虽然总体ARES系统中的最大的效率可以使用动力路轨上的带电的穿梭单元的同步操作被获得，但是电网向上调节或向下调节以及正在被储存或产生的电力的微调可以通过与TCU异步地操作所选择的穿梭单元，如参照图14和15A描述的，以具体的期望的电力驱动或制动电动机/发电机单元被实现。一个或多个所选择的动力路轨的专用， 根据对于用于提供所需要的向上调节/向下调节或微调的量的需要，通过所选择的轨道上的组合物的异步操作允许给定的轨道上的所有的组合物的速度被控制，同时保持在运动中的组合物之间的分离，并且允许向储存场地中的排队进入和从储存场地的排队出来。将其余的动力路轨保持为同步操作模式保留系统中的其余的被供能的穿梭单元的较高的总效率。
在系统的发电操作期间，迅速向下调节的需要将要求在所选择的动力路轨上的组合物的初始的另外的制动，导致功率波动。为了避免在电网上施加这种波动，如图12中所示的轨道旁电力系统允许功率被SCADA命令吸收至正在返回的穿梭单元，以增加速度，由此导致更大的能量使用率。返回的组合物的用于吸收任何功率波动的用途允许即时的向下调节命令被没有影响地实施，与ARES系统的操作状态无关。
用于向上调节或向下调节和微调的操作在图15C中示出。当调节命令被从联系的公用设施或ISO的电网控制中心接收，步骤1550时，确定是否一个动力路轨正在以非同步化模式操作，步骤1552。如果不是的话，SCADA命令所选择的路轨上的组合物切换至整流器/倒相器操作，步骤1554。在切换之后，或如果一个动力路轨已经正在以非同步化模式操作，SCADA向所选择的路轨上的组合物发出命令使以预编程的模式加速或减速，步骤1556， 其中动力消耗变化等于被命令的向上调节或向下调节。在其中减速将以其他方式产生该路轨的动力消耗中的尖峰的向下调节请求中，如上文描述的动力路轨的互相连接允许过量动力被用于供能返回路轨上的正在返回的穿梭单元组合物。然后组合物以对于期望的动力消耗的改变的速度恢复对整流器/换流器电力的恒定的速度操作。如果不足够的向上调节或向下调节通过将一个动力路轨转换至异步操作被实现，那么SCADA将引导第二动力路轨上的组合物以转换为整流器/倒相器电力。
微调操作被在ARES系统内实现以通过调整在异步操作中的一个或多个路轨提供具体的输出或能量储存，以用于组合物的具体的动力消耗。更长时期的微调调整可以通过改变在给定的动力路轨上的组合物的发送速率被适应。
所描述的实施方案提供对于单一的系统中的电力储存和供应以及辅助服务例如 VAR、向上调节和向下调节的能力。
虽然本发明的以上的描述使本领域的技术人员能够制造和使用目前被认为是其的最好的模式的内容，但是本领域的技术人员将理解和意识到本文的具体的实施方案、方法和实施例的变化、组合和等效的存在。本发明因此不被上文描述的实施方案、方法和实施例限制，而是被在如要求保护的本发明的范围和精神内的所有的实施方案和方法限制。
权利要求
1.一种能量储存系统，包括轨道系统(M)，其具有上储存场地和下储存场地(10、1幻并且具有连接所述上场地和所述下场地的互连路轨(14、16)以及具有用于配置所述系统中的路轨路线的多个控制元件(30)；多个穿梭单元(22)，其具有被互相连接于支撑轮的电动机/发电机(102)，所述穿梭单元还具有用于可移除地运载物体(74)的支撑结构(78)和一体式转移机构(80、86、87)； 用于电互相连接的工具，其用于所述电动机/发电机(78)向电网06)的电互相连接； 控制系统(34)，其与所述电网、所述多个穿梭单元和所述轨道系统控制元件通信，并且具有用于在所述电网具有过量电力时执行第一控制序列以储存能量的工具以及用于在需要另外的电力时执行第二控制序列以向所述电网提供电力的工具，所述第一控制序列使所选择的穿梭单元获取位于所述下储存场地中的物体，并且将所述电动机/发电机用作从所述电网汲取电力的电动机以将所述所选择的穿梭单元从所述下储存场地驱动至所述上储存场地，所述控制元件被配置为给所述所选择的穿梭单元定路线，并且使所述所选择的穿梭单元将所述物体卸载在所述上储存场地中；所述第二控制序列使所选择的穿梭单元获取位于所述上储存场地中的物体，并且将所述电动机/发电机用作通过从所述上储存场地向所述下储存场地再生制动所述所选择的穿梭单元而向所述电网供应电力的发电机，所述控制元件被配置为给所述所选择的穿梭单元定路线，并且使所述所选择的穿梭单元将所述物体卸载在所述下储存场地中。
2.根据权利要求1所述的能量储存系统，其中所述物体(74)储存在所述上储存场地和所述下储存场地(10、1 中并被支承于储存场地路轨(6 上方，并且每个穿梭单元被接收在所选择的物体的下方，并且所述转移机构包括支撑元件(87)，所述支撑元件(87)被每个穿梭单元上的结构承载并且被接收在所储存的物体的下方。
3.根据权利要求2所述的能量储存系统，其中所述转移机构从被支承的储存位置提升和旋转所述物体。
4.根据权利要求1所述的能量储存系统，其中所述用于电互相连接的工具包括 变电站(观)，其被连接于所述电网06)以接收高压电力；轨道旁配电系统(30)，其被连接于所述变电站； 多个变压器(32)，其以所选择的间距连接于所述配电系统；以及， 多个电力供应轨道(84)，其被连接于所述变压器，每个电力供应轨道与所述轨道系统中的路轨相关联。
5.根据权利要求4所述的能量储存系统，其中所述多个穿梭单元中的每个穿梭单元还包括接触器(89)，其用于连接至所述电力供应轨道(84)； 牵引控制单元(TCU) (106)，包括:整流器/倒相电路(112、114)，其用于电力控制并且被连接于所述电动机/发电机 (102)；控制板(108)，其用于控制所述整流器/倒相电路，以用于所述电动机/发电机的加速、 减速和稳态操作。
6.根据权利要求5所述的能量储存系统，其中所述TCU还包括反转旁路连接器(130)，其响应于来自所述控制板的信号，以通过所述电动机/发电机向所述电力供应轨道的直接连接而选择性地绕过所述整流器/倒相电路以进行同步操作。
7.根据权利要求4所述的能量储存系统，其中所述整流器/倒相电路包括第一公用设施侧整流器/倒相器(11 和第二电动机/发电机侧整流器/倒相器(114)，并且所述控制板还包括用于控制所述公用设施侧整流器/倒相器中的无功功率以对所述电网进行VAR调整的工具(154)。
8.根据权利要求4所述的能量储存系统，其中所述控制系统包括用于响应于公用设施信号来指示所述系统中的电压调整以进行向上调节或向下调节的工具，并且每个穿梭单元中的所述TCU响应于来自所述控制系统的所述调整信号以进行异步操作。
9.根据权利要求8所述的能量储存系统，其中所述互连路轨包括多个动力路轨(14a、 14b)和至少一个返回路轨(16a)，所述多个动力路轨中的至少一个动力路轨被选择用于该至少一个所选择的路轨上的穿梭单元的响应于由所述控制系统通过信号指示的所述电压调整的异步操作。
10.根据权利要求1所述的能量储存系统，其中所述一体式转移机构包括杠杆基部(50)，其在第一端处通过枢轴销(56)而安装于从每个穿梭单元的第一转向架(54)延伸的支柱(52)；可伸缩铰链(58)，其邻近于通向所述穿梭单元的第二转向架(60)的第二端而被附接至所述杠杆基部；所述铰链从所述杠杆基部的第一收缩位置能够运动至用于提升所述杠杆基部的第二延伸位置，在所述第一收缩位置中所述穿梭单元能够在所选择的物体下方自由地滚动，在所述第二延伸位置中所述物体被从储存位置提升。
11.根据权利要求1所述的能量储存系统，其中所述一体式转移机构包括多个液压油缸(80)；液压升降机(86)，其结合有被定位在所述穿梭单元的中部中的旋转接合台(87)，所述升降机从第一位置能够延伸至第二位置以将物体从储存位置提升，所述液压油缸从第一位置能够运动至第二位置以旋转所述接合台从而将所述物体纵向地与所述穿梭单元对准并且所述升降机能够撤回至所述第一位置，所述升降机还能够从所述第一位置延伸至所述第二位置且使所述物体在所述接合台上，所述液压油缸从所述第二位置能够运动至所述第一位置以使所述物体横向于所述穿梭单元而定向，并且所述升降机能够撤回至所述第一位置以使所述物体坐落在储存地点中。
12.根据权利要求1所述的能量储存系统，还包括第二多个无动力的穿梭单元)， 其选择性地被接合于所述第一多个穿梭单元，形成具有有动力的穿梭单元和无动力的穿梭单元的组合物00)。
13.一种用于公用设施规模能量储存的方法，包括提供轨道系统，所述轨道系统具有上储存场地和下储存场地并且具有连接所述上场地和所述下场地的互连路轨以及具有用于配置所述系统中的路轨路线的多个控制元件；提供多个穿梭单元，所述多个穿梭单元具有被互相连接于支撑轮的电动机/发电机， 所述穿梭单元还具有用于可移除地运载物体的支撑结构和一体式转移机构；将所述轨道系统连接于电网；当接收对于能量储存的命令时，控制所述多个穿梭单元的所选择的一组穿梭单元，以使每个穿梭单元装载来自所述下储存场地中的所选择的储存路轨的物体；将所述储存路轨连接于动力路轨；驱动每个穿梭单元上的所述电动机/发电机，以将所述物体沿所述动力路轨向上提升至所述上储存场地；控制所述所选择的一组穿梭单元以将所述物体卸载至所述上储存场地中的所选择的储存路轨；当接收对于能量返回的命令时，控制所选择的一组穿梭单元，以使每个穿梭单元装载来自所述上储存场地中的所选择的储存路轨的物体；将所述储存路轨连接于动力路轨；制动每个穿梭单元上的所述电动机/发电机，以将所述物体沿所述动力路轨向下运载至所述下储存场地；控制所述穿梭单元以将所述物体卸载至所述下储存场地中的所选择的储存路轨。
14.根据权利要求13所述的方法，其中将所述系统连接于电网包括提供具有与所述轨道系统中的路轨相关联的电力供应轨道的轨道旁电力系统，并且其中提供多个穿梭单元还包括给所述穿梭单元提供整流器/倒相电路以向所述电动机/发电机提供电力，并且其中驱动所述电动机/发电机还包括将所述电动机/发电机加速至同步操作速度；绕过所述整流器/倒相电路；将所述电动机/发电机直接地连接于所述供应轨道以进行同步操作。
15.根据权利要求14所述的方法，其中提供轨道系统包括提供在所述上储存场地和所述下储存场地之间的多个动力路轨，并且其中驱动所述电动机/发电机还包括选择至少一个动力路轨以进行异步操作；以及对在所述至少一个动力路轨上移动的穿梭单元上的所述电动机/发电机进行控制，以对被供应至所述电网或从所述电网储存的电力进行微调和向上调节或向下调节。
16.根据权利要求15所述的方法，还包括互相连接所述系统中的所有路轨中的所述电力供应轨道；从所述电动机/发电机吸收电力以进行在向下调节期间的瞬时控制，同时通过由所述互相连接的电力供应轨道向返回的穿梭单元补偿电力来给所述电网供应电力；以及从处于发电模式的返回的穿梭单元向处于以电动机模式的穿梭单元供电。
17.根据权利要求13所述的方法，其中提供多个穿梭单元还包括向所述穿梭单元提供整流器/倒相电路以向所述电动机/发电机提供电力，并且还包括控制所述整流器/倒相电路中的无功功率以进行对所述电网的VAR控制调整。
18.根据权利要求14所述的方法，其中通过响应于正在改变的路轨坡度而改变所选择的待被供能的轮轴来保持同步。
19.一种用于公用设施规模辅助服务的方法，包括提供轨道系统，所述轨道系统具有上储存场地和下储存场地并且具有连接所述上场地和所述下场地的多个互连路轨以及具有多个用于配置所述系统中的路轨路线的控制元件；提供多个穿梭单元，所述多个穿梭单元具有被互相连接于支撑轮的电动机/发电机并且运载物体；将所述轨道系统连接于电网；当接收对于辅助服务的命令时，控制所述多个穿梭单元的所选择的一组穿梭单元以实现无功功率、加速和减速，从而与所述电网相互作用以满足所述辅助服务命令。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述对于辅助服务的命令是VAR命令，并且另外地其中提供多个穿梭单元还包括向所述穿梭单元提供整流器/倒相电路以向所述电动机/ 发电机提供电力，并且还包括控制所述整流器/倒相电路中的无功功率以进行对所述电网的VAR控制调整。
21.根据权利要求19所述的方法，其中所述辅助服务命令是向上调节/向下调节命令， 并且还包括选择至少一个动力路轨以进行异步操作；以及对在所述至少一个动力路轨上移动的穿梭单元上的电动机/发电机进行控制，以对被供应至所述电网或从所述电网储存的电力进行向上调节或向下调节。
全文摘要
势能储存系统结合有多个被安装在路轨上的具有电动机/发电机(102)的穿梭单元(22)，其使用一体式转移机构(80、86、87)驱动转向架(76)和结构(88、90)，以利用来自驱动电动机的电网的过量能量将能量储存物体从第一较低海拔高度储存场地(12)可移除地运载至第二较高海拔高度储存场地(10)，除去第二储存场地中的物体以进行能量储存，获取物体并且将物体从第二储存场地返回至第一储存场地以通过发电机恢复电能。
文档编号B61C3/00GK102498023SQ201080035897
公开日2012年6月13日 申请日期2010年8月8日 优先权日2009年8月11日
发明者大卫·I·斯科特, 威廉·H·穆尔黑德, 威廉·L·厄尔德曼, 威廉·R·佩兹克, 罗伯特·T·斯科特, 道格拉斯·C·布洛杰特, 马修·B·布朗 申请人:艾德万斯得瑞尔能量储备有限公司