一种基于电网的固体蓄能发电系统的制作方法

本发明关于能源技术领域，特别是关于绿色能源的储存技术，具体的讲是一种基于电网的固体蓄能发电系统。

背景技术：

风能、太阳能等绿色能源对国家“节能减排”战略十分重要，但由于此类绿色能源受气象条件影响极大，无法提供持续不断的电力来源，故电网无法正常接纳。最好的方式是在电网无法接纳时将风能、太阳能储存起来，待电网需要时再将蓄能发出。在我国风能、太阳能丰富地区往往缺乏水源，故无法建造大型抽水蓄能电站将风能、太阳能储存起来。

目前，我国风能、太阳能是直接受电网调度控制，风能、太阳能不能储存，一旦气象条件合适就必须并网发电，否则就会发生弃风、弃光，浪费绿色能源。现有技术方案是建立大型抽水蓄能电站，利用风能、光能将水抽入上池水库蓄能，在电网需要时放水发电。抽水蓄能电站存在以下技术缺陷：

1.抽水蓄能电站水库工程量巨大，投资多，见效慢。

2.抽水蓄能电站系统复杂，设备众多，技术要求高，机组维护工作量大。

3.在风能、太阳能丰富地区水源十分缺乏，抽水蓄能电站水源无法就近解决。

因此，如何研究和开发出一种新的方案，其能够电网无法接纳时将风能、太阳能储存起来，待电网需要时再将蓄能发出是本领域亟待解决的技术难题。

技术实现要素：

本发明提供了一种基于电网的固体蓄能发电系统，使用电动发电机牵引重载列车，将绿色能源转化为重载列车的势能，在电网需要时，重载列车滑下山坡，将势能转化为动能，通过电动发电机再转为电能送入电网，充分利用当地资源和条件实现了储存风能、太阳能，为电网消纳绿色能源提供有利条件。

本发明的目的是，提供一种基于电网的固体蓄能发电系统，所述系统包括：

重载铁道，修建在一山坡上；

电动发电机，安装在所述山坡的顶端；

重载列车，通过钢缆与所述电动发电机联接，用于在所述电动发电机的牵引下行驶在所述重载铁道上；

绞盘，与所述钢缆联接且与所述电动发电机通过刚性联轴节联接，用于收纳所述钢缆；

所述电动发电机，用于当风能、太阳能暂时不能被电网接纳时，在所述风能、太阳能的作用下将所述重载列车牵引至所述山坡的顶端，将所述风能、太阳能转变为所述重载列车的势能；当所述电网需要时，在所述山坡的顶端将所述重载列车放至所述山坡下，将所述重载列车的势能转变为动能，将所述动能转化为电能送入所述电网。

本发明的有益效果在于，提供了一种基于电网的固体蓄能发电系统，本发明提供了一种基于电网的固体蓄能发电系统，使用电动发电机牵引重载列车，将绿色能源转化为重载列车的势能，在电网需要时，重载列车滑下山坡，将势能转化为动能，通过电动发电机再转为电能送入电网，充分利用当地资源和条件实现了储存风能、太阳能，为电网消纳绿色能源提供有利条件。

为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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为本发明实施例提供的一种基于电网的固体蓄能发电系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种基于电网的固体蓄能发电系统中电动发动机传动及转速控制示意图；

图3为本发明提供的具体实施例中电动发动机转速控制算法示意图；

图4为本发明提供的实施例中电动发动机与风力发电机的母线连接示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

风能、太阳能等绿色能源对国家“节能减排”战略十分重要，但由于此类绿色能源受气象条件影响极大，无法提供持续不断的电力来源，故电网无法正常接纳。最好的方式是在电网无法接纳时将风能、太阳能储存起来，待电网需要时再将蓄能发出。在我国风能、太阳能丰富地区往往缺乏水源，故无法建造大型抽水蓄能电站将风能、太阳能储存起来。本发明提供了一种基于电网的固体蓄能发电系统，是一种利用牵引重载列车蓄积势能并在需要时释放以发出电力的固体蓄能发电系统。下面参考本发明的若干代表性实施方式，详细阐释本发明的原理和精神。以下所使用的术语“模块”和“单元”，可以是实现预定功能的软件和/或硬件。尽管以下实施例所描述的模块较佳地以软件来实现，但是硬件，或者软件和硬件的组合的实现也是可能并被构想的。

图1为本发明实施例提供的一种基于电网的固体蓄能发电系统的结构框图，请参阅图1，所述系统包括：

重载铁道100，修建在一山坡上；

电动发电机200，安装在所述山坡的顶端；

重载列车300，通过钢缆与所述电动发电机联接，用于在所述电动发电机的牵引下行驶在所述重载铁道上；

绞盘400，与所述钢缆联接且与所述电动发电机通过刚性联轴节01联接，用于收纳所述钢缆；

所述电动发电机200，用于当风能、太阳能暂时不能被电网接纳时，在所述风能、太阳能的作用下将所述重载列车牵引至所述山坡的顶端，将所述风能、太阳能转变为所述重载列车的势能；当所述电网需要时，在所述山坡的顶端将所述重载列车放至所述山坡下，将所述重载列车的势能转变为动能，将所述动能转化为电能送入所述电网。

在本发明中，首先挑选合适坡度的山坡上修建坡度不超过30‰(即每1000米距离升高30米高度)的重载铁道，由多个重载货车车厢组成重载列车，由安装在山坡顶端的电动发电机牵引重载列车行驶在重载铁道上。当风能、太阳能暂时不能被电网接纳时，安装在山坡顶端的电动发电机作为电动机利用绿色能源将重载列车牵引至山坡顶端，即将风能、太阳能转变为重载列车的势能。当电网需要时，在山坡顶端将重载列车放至山坡下，此时重载列车的势能将被转变为动能。山坡顶端的电动发电机仍然与重载列车通过钢缆联接，电动发电机转换为发电机模式，将重载列车动能转化为电能送入电网。

在本发明的具体实施方式中，重载列车的车厢个数需要根据山坡实际高度及蓄能电站所配备的电动发电机功率来决定，重载列车诸如可由100节重载货车车厢组成。

在本发明的其他实施方式中，如图2的电动发动机传动及转速控制示意图所示，所述系统还包括：

测速探头500，设置于所述电动发电机的转动轴上，用于检测转速，在具体的实施方式中，测速探头可以为多个。

转速控制器600，与所述重载列车以及测速探头相连接，用于根据所述转速以及预先设定的所述电动发电机的转速阈值生成控制指令。转速控制器包括：

转速接收模块，用于接收多个测速探头发送的转速；

转速确定模块，用于根据多个转速确定所述电动发电机的转速；

阈值获取模块，用于获取预先设定的转速阈值；

指令生成模块，用于根据所述电动发电机的转速以及所述速度阈值生成控制指令；

指令发送模块，用于将所述控制指令发送至所述重载列车。

所述重载列车的电空制动装置700，用于根据所述控制指令调节所述重载列车的机车刹车闸瓦的制动力以控制所述重载列车的滑行速度。

图3为本发明提供的具体实施例中电动发动机转速控制算法示意图，如图3所示，为了保证电动发电机始终保证匀速运行，在转动轴上设计有测速探头检测电动发电机转速，设计一台转速控制器，其控制指令送至重载列车上的电空制动装置，调节机车刹车闸瓦的制动力，控制重载列车下坡滑行速度，进而使电动发电机转速控制在一定范围内。

在本发明的其他实施方式中，所述系统还包括所述风能对应的风力发电机以及所述太阳能对应的太阳能发电机。所述电动发电机的输电线路与所述电力发电机的输电线路、所述太阳能发电机的输电线路母线联接。图4为本发明提供的实施例中电动发动机与风力发电机的母线连接示意图，其中，1为隔离开关，2为断路器，3为升压变压器，4为风力发电机。由图4所示，将电动发电机输电线路与风力发电、太阳能发电的输电线路做母线联接，增强风电场的低电压穿越能力。

此外，尽管在上文详细描述中提及了固体蓄能发电系统的若干单元模块，但是这种划分仅仅并非强制性的。实际上，根据本发明的实施方式，上文描述的两个或更多单元的特征和功能可以在一个单元中具体化。同样，上文描述的一个单元的特征和功能也可以进一步划分为由多个单元来具体化。

以下结合具体实施例，详细说明利用本发明的固体蓄能发电系统是如何实现的。

重载列车在本实施例中采用铁路敞车货车装运岩石、碎石、沙料等废弃土石方，经查询铁路车皮参数，确定采用C80C车型，该车型自重20.2吨，载重80吨，商业运行速度100km/h，车长10米。

按照铁路有关要求，电力机车铁轨建设坡度应不大于30‰(即每1000米距离升高30米)，如坡度过大则铁道筑路十分困难，且重载机车的车厢、联接挂钩等设备需重新核算机械强度，重新制造列车部件，本发明力求采用现有重载列车的设备，不做太大改动，避免不必要的投资，故采用最大30‰(即每1000米距离升高30米)坡度，但可以根据实际地形情况予以降低。

重载列车由钢缆牵引，钢缆另一端由设置在坡顶端的钢缆绞盘收纳。重载列车滑动时钢缆带动钢缆绞盘转动，钢缆绞盘与电动发动机做同轴刚性联接，则电动发动机也做同转速转动，电动发动机发出电力至电网。如果绿色能源无法送出，电动发动机转为电动机模式，接受风电、太阳能发出的电力，带动钢缆绞盘转动，将重载列车提升，将绿色能源转化为重载列车的势能进行储存。

在电动发电机转动轴上安装三个测速探头，分别检测电动发电机转速，检测到的三个转速通过转速控制器做三取中处理，选择出一路合理的转速信号，该信号与转速控制器中设定转速进行比较后进行运算，运算后的控制指令送至重载列车上的电空制动装置，迅速调节机车刹车闸瓦的制动力，控制重载列车下坡滑行速度，进而使电动发电机转速控制在一定范围内。

将电动发电机的输出送电线路与风力发电、太阳能发电的输电线路做母线联接，在风力发电机因外部输电线路故障，导致母线电压急剧降低，风电发电机可能全部切机时，电动发电机将转为发电机模式向母线内注入有功功率和无功功率，无功功率将支撑母线电压，保证风电机组不会大面积切除。

重载列车由100节铁路敞车货车组成，按一节货车10米计算，一列重载列车长度约1000米；总重为货车自重加载重，一列重量约为10020吨。铁轨铺设长度应根据当地地形地貌确定，本发明设计为在30‰(即每1000米距离升高30米)坡度的山坡上修筑8000米长的重载列车铁道，重载列车将可提升高度240米。

根据能量公式：W＝FS，则一列重量约为10020吨的重载列车在垂直高度提升240米所获得的能量约为：

W＝10000×1000kg×9.8N/kg×240m＝2.352×10¹⁰J

由重载列车的商业运行速度100km/h可知列车在轨道的运行速度为27.8m/s，按照30‰(即每1000米距离升高30米)坡度计算，列车由坡顶放至坡下的垂直下降速度约为0.83m/s，根据功率公式P＝W/t＝FV，则坡顶安装的电动发电机最高功率为：

P＝10000×1000kg×9.8N/kg×0.83m/s＝81.34MW

大概持续的发电时间t＝240m/(0.83m/s)＝288秒。

合计发电电量约81.34MW×288秒＝6507.2kWh。

由此可知，本发明的重载列车可相当于一台81.34MW的发电机组连续发出近5分钟的电量，这将大大提高风电、太阳能发电的低电压穿越能力，为电网消纳绿色能源提供良好条件。

如上所述，即为本发明提供了一种基于电网的固体蓄能发电系统，使用电动发电机牵引重载列车，将绿色能源转化为重载列车的势能，在电网需要时，重载列车滑下山坡，将势能转化为动能，通过电动发电机再转为电能送入电网，充分利用当地资源和条件实现了储存风能、太阳能，为电网消纳绿色能源提供有利条件。

本发明能够因地制宜，避开当地水源缺乏的瓶颈，将风能、太阳能等绿色能源以重力势能储存至重载列车，在电网需要时利用电动发电机的发电功能将重载列车的动能转化为电能送入电网。即防止了“弃风弃光”对绿色能源的损失，又便利了电网对绿色能源的消纳，同时增强了风电场、光电场的低电压穿越能力，是一举多得的好方法。

本发明的技术关键点在于：

1)使用电动发电机牵引重载列车，将绿色能源转化为重载列车的势能。在电网需要时，重载列车滑下山坡，将势能转化为动能，通过电动发电机再转为电能送入电网。

2)为保证电动发电机转速稳定，设计一个转速控制回路，通过调节重载列车刹车的制动力来确保电动发电机转速恒定，保证电动发电机安全并入电网。

3)将电动发电机的输出送电线路与风力发电、太阳能发电的输电线路做母线联接，在外部输电线路发生故障时，及时对母线电压做无功支撑，确保风电场低电压穿越能力。

本发明的欲保护点在于：

1)应用重载列车、山坡铁路及电动发电机对绿色能源的蓄能发电的设计方案。

2)为保证电动发电机转速稳定，转速控制回路设计方案。

3)电动发电机的输出送电线路与风力发电的输电线路做母线联接，保证风电场低电压穿越能力的方案设计。

此外，尽管在上文详细描述中提及了系统的若干单元模块，但是这种划分仅仅并非强制性的。实际上，根据本发明的实施方式，上文描述的两个或更多单元的特征和功能可以在一个单元中具体化。同样，上文描述的一个单元的特征和功能也可以进一步划分为由多个单元来具体化。

上述实施例阐明的系统、装置、模块或单元，具体可以由计算机芯片或实体实现，或者由具有某种功能的产品来实现。

为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种单元分别描述。当然，在实施本申请时可以把各单元的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。

通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本申请可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

本申请可用于众多通用或专用的计算机系统环境或配置中。例如：个人计算机、服务器计算机、手持设备或便携式设备、平板型设备、多处理器系统、基于微处理器的系统、置顶盒、可编程的消费电子设备、网络PC、小型计算机、大型计算机、包括以上任何系统或设备的分布式计算环境等等。

本申请可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述，例如程序模块。一般地，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等等。也可以在分布式计算环境中实践本申请，在这些分布式计算环境中，由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。

虽然通过实施例描绘了本申请，本领域普通技术人员知道，本申请有许多变形和变化而不脱离本申请的精神，希望所附的权利要求包括这些变形和变化而不脱离本申请的精神。