专利名称：一种用于牵引供电的风光互补供电系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及牵引供电系统，尤其是采用风能、光能互补发电直接用于牵引供电的技术领域。
背景技术：
随着电气化铁路的快速发展，2010年我国铁路电气化率已达45%。在我国北方地区，铁路时常穿越戈壁、沙漠等无人区，沿线车站及通讯中继站无电源可供接引，偏远地区电网电压等级难以满足电气化铁路的运行需求，远距离输电方式供电能力较弱且耗资较多。其次，由于牵引负荷的不对称性，大量牵引负荷接入电力系统会引起电力系统的三相不平衡，严重影响电力系统的电能质量。因此，偏远地区的电气化铁路不仅要解决牵引供电电源的接引问题，同时也需要解决负序问题带来的电力系统电能质量问题。我国北方地区尤其是西北地区具有风能资源丰富、日照时间长等特点，国家已建立和拟建立多处风电场和太阳能发电站用以大规模开发利用风能资源和太阳能资源。目前，由于北方地区高耗能负荷较少、风电配套输电工程滞后，已建立的风电场运行时间短， 产生了较严重的风电资源浪费现象。如果利用风能资源和太阳能资源建立风光互补型发电系统直接为电气化铁路供电，不仅能为牵引供电系统提供连续稳定的电能，解决偏远地区特定区段电气化铁路的供电问题，对构建节能、环保型牵引供电系统有重要的作用，同时也可以加快北方风电资源的就地消纳，缓解电力输出能力不足对风电行业发展的制约。
发明内容
鉴于以上陈述的牵引供电系统存在的问题以及电气化铁路的节能需求，本发明旨在提供一种以风光互补系统为主电源、蓄电池组为备用电源直接为电气化铁路供电的方法，并设计了整套供电方案。使之能够解决偏远地区特定区段电气化铁路供电电源的接引问题，抑制电气化铁路产生的负序问题对电力系统的影响，解决电气化铁路的过分相问题， 同时有助于促进新能源在牵弓丨供电中的应用。本发明的目的通过如下手段来实现。—种用于牵引供电的风光互补供电系统，由风力发电机组、光伏电池阵列、蓄电池组、牵引变电所单相变压器构成，其特征在于，所述风光互补发电系统采用如下工作方式 风电机组发出额定电压为690V的三相交流电经整流电路和Boost电路变换为直流1200V ； 光伏电池发出的直流电经Boost电路变换为直流1200V ；1200V直流电经逆变单元逆变为单相50Hz交流电，由单相变压器升压至35KV，直接供给牵引变电所作为牵引供电电源；在风力发电机组及光伏电池阵列的电力输出侧与牵引变电所之间设置有采集单相逆变器输出侧电压和电流并根据供电区段的牵引负荷进行计算、分析并发出控制指令，调节风电机组、 光伏电池、蓄电池组的有功输出的能量管理单元，所述能量管理单元根据实际运行情况将用于牵引供电的风光互补发电系统控制在以下四种工况下运行
1).当P1 > 0且P1彡P^时，即风速传感器检测风速大于启动风速，且风电机组有功输出可以满足时段供电臂负荷运行时，风光互补型牵引供电电源在工况1模式下运行，即仅由风力发电机组供电，蓄电池组充电至额定容量的90% ；2).当P1 > 0且P1 < P^时，即风速传感器检测风速大于启动风速，但风电机组有功输出不能满足牵引供电臂负荷运行时，风光互补型牵引供电电源在工况2模式下运行， 即启动混合发电模式，由风电机组和光伏电池互补发电；3).当P1 = 0但己> 0，即风速传感器检测风速小于启动风速，风电机组处于停机状态时，但光伏发电有功输出可以满足牵引供电臂负荷运行时，风光互补型牵引供电电源在工况3模式下运行，即由光伏电池供电，蓄电池组互补供电；4). iPi = 0且己=0时，即风光互补型牵引供电电源处于无风无光的特殊气象条件时，蓄电池组放电至额定容量的20%或启动备用电源，以满足牵引供电臂负荷运行需求。采用本发明的牵引供电系统，具有如下优点(1)本发明提出的用于牵引供电的风光互补发电系统不并网运行，输出为单相工频交流电，可直接作为牵引供电电源，该供电方式可以有效避免电气化铁路产生的负序问题对电力系统的影响。(2)本发明提出的用于牵引供电的风光互补发电系统输出为单相50Hz交流，直接作为单相电源接入牵引变电所，变电所采用单相变压器为牵引负荷供电，有效解决了传统电气化铁路产生的过分相问题。(3)本发明提出的用于牵引供电的风光互补发电系统可以就近解决偏远地区电气化铁路牵引电源的接引问题，同时有利于北方地区风电资源的就地消纳，促进当地风力资源的开发利用。(4)本发明提出的用于牵引供电的风光互补发电系统结构简单，成本较低且容易实现。
如下图1是用于牵引供电的风光互补发电系统应用方案示意图。图2是风光互补发电单元结构示意图。图3是风光互补型牵引供电电源单相逆变单元结构示意图。图4是风光互补型牵引供电电源单相供电方法示意图。图5是风光互补型牵引供电电源能量管理系统工况决策示意图。图6是风光互补能量管理系统控制模型结构图。
具体实施例方式本发明提出的用于牵引供电的风光互补发电系统如图1-图6所示。以下结合附图对本发明做进一步说明如图1所示，用于牵引供电的风光互补供电系统，由若干个风光互补发电单元、能量管理单元、牵引变电所单相变压器构成，系统采用如下工作方式风电机组发出额定电压为690V的三相交流电经整流电路和Boost电路变换为直流1200V ；光伏电池发出的直流电经Boost电路变换为直流1200V ； 1200V直流电经逆变单元逆变为单相50Hz交流电，由单相变压器升压至35KV，直接供给牵引变电所作为牵引供电电源；在风光互补发电单元的电力输出侧与牵引变电所之间设置有采集单相逆变器输出侧电压和电流并根据供电区段的牵引负荷进行计算、分析并发出控制指令，调节风电机组、光伏电池、蓄电池组的有功输出的
能量管理单元。风光互补发电单元包含永磁直驱风力发电机、风电机组电机侧变流器构成的风力发电机组和由光伏电池阵列、单相逆变器构成的光电机组和蓄电池组组成；风力发电机组和光电机组以并联的方式与蓄电池组连接。如图2所示，每个风光互补发电单元均由永磁直驱风力发电机组、风电机组电机侧变流器、单相逆变器、光伏电池阵列、蓄电池组组成。1. 5MW永磁直驱风电机组发出额定电压为690V三相交流电，通过电机侧变流器和Boost升压电路变换为直流1200V。光伏电池发出直流电通Boost升压电路变换为直流1200V。风电机组和光伏电池互补发电，保持供电单元的恒定输出。如图3所示，风光互补发电单元的单相逆变器由单相全桥逆变电路和单相变压器组成。单相全桥逆变电路中，VTl和VT2的栅极信号互补，VT3和VT4的栅极信号互补，1、4 桥臂和2、3桥臂轮换导通，将直流1200V逆变为单相50Hz交流，再由单相变压器升压至35 千伏。如图4所示，η个风光互补发电单元通过η个单相逆变单元并联组成单相交流电源，直接接入牵引变电所一次侧，变电所采用单相牵引变压器给牵引负荷供电。传统供电方法是将三相电源接入牵引变电所原边，再由不同接线的牵引变压器给单相负荷供电。如图5所示，根据供电臂牵引负荷状况，风光互补型牵引供电电源可分为四种工况运行。设该区段机车在时段内消耗功率为1\，风电场在At时段内输出功率为P1，光伏电池在At时段内输出功率为P2，At根据供电区段机车运行密度及当地盛行风风况设置。四种运行工况如下1.当P1 > 0且P1彡P^时，即风速传感器检测风速大于启动风速，且风电机组有功输出可以满足△ t时段供电臂负荷运行时，风光互补型牵引供电电源在工况1模式下运行， 即仅由风力发电机组供电，蓄电池组充电至额定容量的90%。2.当P1 > 0且P1 < P^时，即风速传感器检测风速大于启动风速，但风电机组有功输出不能满足牵引供电臂负荷运行时，风光互补型牵引供电电源在工况2模式下运行，即启动混合发电模式，由风电机组和光伏电池互补发电。3.当P1 = 0但P2 > 0，即风速传感器检测风速小于启动风速，风电机组处于停机状态时，但光伏发电有功输出可以满足牵引供电臂负荷运行时，风光互补型牵引供电电源在工况3模式下运行，即由光伏电池供电，蓄电池组互补供电。4.当P1 = 0且己=0时，即风光互补型牵引供电电源处于无风无光的特殊气象条件时，蓄电池组放电至额定容量的20%或启动备用电源，以满足牵引供电臂负荷运行需求。图6结合图1所示，能量管理系统监控模块实时检测系统接入点电压、频率以及输出功率，根据采集的数据进行有功和无功计算，并将控制指令分配发送至每个发电单元，调节风电机组、光伏电池、蓄电池组的功率输出，调节单相PWM逆变器输出，从而实现风光互补发电系统的恒功率控制和恒电压控制。能量管理系统根据铁路部门提供的机车运行图计算所供牵引供电臂的负荷情况，对各台风电机组、光伏电池进行优化配置，为系统制定合理的运行计划。 本发明提供的供电方法将风光互补单相电源直接接入牵引变电所一次侧，简化了牵引变压器的复杂性，有效避免了供电区段电气化铁路产生的负序问题和过分相问题，同时有利于促进可再生能源在牵引供电中的应用。用于牵引供电的风光互补发电系统结构简单，成本较低且容易实现。
权利要求
1.一种用于牵引供电的风光互补供电系统，由风光互补发电单元、单相逆变单元、能量管理单元、牵引变电所单相变压器构成，所述风光互补供电系统采用如下工作方式风电机组发出额定电压为690V的三相交流电经整流电路和Boost电路变换为直流1200V ；光伏电池发出的直流电经Boost电路变换为直流1200V ；1200V直流电经逆变单元逆变为单相 50Hz交流电，由单相变压器升压至35KV，直接供给牵引变电所接作为牵引供电电源；在风光互补发电单元的电力输出侧与牵引变电所之间设置有采集单相逆变器输出侧电压和电流并根据供电区段的牵引负荷进行计算、分析并发出控制指令，调节风电机组、光伏电池、 蓄电池组的有功输出的能量管理单元，所述能量管理单元根据实际运行情况将用于牵引供电的风光互补发电系统控制在以下四种工况下运行1).当P1> 0且P1 > &时，即风速传感器检测风速大于启动风速，且风电机组有功输出可以满足△ t时段供电臂负荷运行时，风光互补型牵引供电电源在工况1模式下运行，即仅由风力发电机组供电，蓄电池组充电至额定容量的90% ；2).当P1> 0且P1 < &时，即风速传感器检测风速大于启动风速，但风电机组有功输出不能满足牵引供电臂负荷运行时，风光互补型牵引供电电源在工况2模式下运行，即启动混合发电模式，由风电机组和光伏电池互补发电；3).当P1= 0但P2 > 0，即风速传感器检测风速小于启动风速，风电机组处于停机状态时，但光伏发电有功输出可以满足牵引供电臂负荷运行时，风光互补型牵引供电电源在工况3模式下运行，即由光伏电池供电，蓄电池组互补供电；4).当P1= 0且& = 0时，即风光互补型牵引供电电源处于无风无光的特殊气象条件时，蓄电池组放电至额定容量的20%或启动备用电源，以满足牵引供电臂负荷运行需求。
2.根据权利要求1所述一种用于牵引供电的风光互补供电系统，其特征在于，所述风光互补发电单元包含永磁直驱风力发电机组PMSG、整流电路和Boost电路构成的风力发电机组和由光伏电池阵列和Boost电路构成的光伏发电系统及蓄电池组组成；风力发电机组和光伏发电机组以并联的方式与蓄电池组连接；所述风光互补发电单元通过单相逆变器直接作为单相电源接入牵引变电所一次侧。
全文摘要
本发明公开了一种用于牵引供电的风光互补供电系统，采用如下工作方式风电机组发出额定电压为690V的三相交流电经整流电路和Boost电路变换为直流1200V；光伏电池发出的直流电经Boost电路变换为直流1200V；1200V直流电经逆变单元逆变为单相50Hz交流电，由单相变压器升压至35KV，直接供给牵引变电所作为牵引供电电源；能量管理单元根据实际运行情况将用于牵引供电的风光互补发电系统控制在四种工况下运行。本发明的供电方法将风光互补电源直接接入牵引变电所一次侧，简化了牵引变压器的复杂性，消除了供电区段电气化铁路产生的负序问题和过分相问题，也有利于促进可再生能源在牵引供电中的应用。
文档编号H02J9/00GK102280923SQ201110195598
公开日2011年12月14日 申请日期2011年7月13日 优先权日2011年7月13日
发明者李中西, 李聪, 杨佳, 段晚晴, 王砚帛, 褚召伟, 覃六生, 谭永东, 马天虎, 鲁小兵 申请人:西南交通大学