[发明专利]电气化铁路牵引供电储能装置及其方法

说明书

技术领域

本发明涉及电气化铁路领域，尤其是涉及一种应用于电气化铁路领域的牵引供电储能装置及其方法。

背景技术

当前世界能源日趋紧张，节能降耗已成为世界性的研究课题，而能量的回收再利用是节能降耗的有效手段。近年来，随着我国轨道交通领域，尤其是电气化铁路高速化、重载化的发展，作为能源消耗重点行业的铁路，在能量的回收及再利用方面具有巨大潜力。一方面，电气化铁路牵引供电系统对电力机车制动回馈电能的利用率不高，很多时候都是直接回馈到三相交流电网，产生不了经济效益。另一方面，牵引供电系统的容量一般是按照牵引负载消耗的峰值功率来确定，而大多数情况下系统均不会满负荷运行，造成了设备容量的浪费。因此研究充分合理的能量回收与再利用的技术方案对于电气化铁路的节能降耗及可持续发展具有重要意义。

目前我国已大批量应用的交流传动电力机车会将制动过程中产生的再生制动电能回馈到牵引供电系统，回馈的电能可供牵引供电网同一供电臂下的其它机车使用。但是，当同一供电臂下没有其它机车运行或负载不能完全消耗掉回馈电能时，多余的制动回馈电能会通过牵引变压器又回馈到三相交流电网。能量回馈至三相电网时，会引起电压升高、负序电流增大、线路损耗增加等问题，且由于电力部门不会对回送的电能计费，对牵引供电系统而言产生不了经济效益。

其次，由于牵引负载消耗的功率是周期性变化的，为随时维持电能供需平衡，牵引变压器的容量一般是按照负载消耗的最大功率来设计的，而在大多数情况下牵引变压器均不会满负荷运行，这样就造成了容量的浪费。牵引变压器容量浪费导致成本的增加，主要体现在两个方面，一是牵引变压器初装费用的增加，二是由于我国现行的两部制电价，会造成基本电费的增加。

同时，牵引负载会引起无功、谐波、负序等电能质量问题。通常牵引变电所针对无功问题都会安装固定电容等补偿装置以提高功率因数，但对于谐波问题一般没有采取抑制措施。随着交流机车的大量投入运用，谐波问题变得较为突出，可能导致相关设备烧损，甚至出现网压振荡。

在现有技术中，采用储能装置进行电能回收利用的方案中，尚未发现有类似结构应用于电气化铁路单相交流牵引供电网的技术方案，由于适用的电网和结构不同，储能装置在连接方式、结构组成和实现功能上会存在较为明显的区别。其次，现有储能装置的技术方案均未涉及通过释放能量以降低牵引变压器的容量，以提高牵引变压器的容量利用率。同时，现有储能装置也均未涉及还具有动态无功补偿及低次谐波治理的功能。

因此，现有电气化铁路牵引供电系统的解决方案存在以下技术缺陷：

（1）现有电气化铁路牵引供电系统对电力机车制动回馈电能的利用率普遍不高经济效益较低，还会引起一些电能质量问题；

（2）牵引变压器的容量一般是按照牵引负载消耗的峰值功率来确定，在大多数情况下现有系统均不能满负荷运行，造成了牵引变压器容量的浪费，增加了系统成本；

（3）目前在城市轨道交通直流牵引供电网中，尚未发现通过释放能量以降低牵引变压器容量的技术方案；

（4）现有技术一般都是分别采用单独的装置进行电能的回收利用或进行无功、谐波等电能质量问题的治理，功能单一、成本较高。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种电气化铁路牵引供电储能装置及其方法，能够应用于单相交流牵引供电系统，充分回收机车制动回馈电能，提高牵引供电系统的能量利用率，并降低牵引变压器的安装容量和计费容量，节约成本。

为了实现上述发明目的，本发明具体提供了一种电气化铁路牵引供电储能装置的技术实现方案，在牵引变压器输出端的α供电臂或β供电臂与钢轨或地之间连接一套储能装置，或在所述牵引变压器输出端的α供电臂和β供电臂与钢轨与地之间各连接一套所述储能装置，所述储能装置设置在牵引变电所中。所述储能装置进一步包括控制单元、隔离变压器和依次相连的PWM变流器、能量变换电路、储能元件，所述控制单元分别与所述PWM变流器和能量变换电路相连。所述隔离变压器的原边绕组连接在所述牵引变压器输出端的α供电臂和/或β供电臂与所述钢轨或地之间，所述隔离变压器的每个次边绕组与一个PWM变流器相连。

优选的，所述储能装置包括一个或两个以上的PWM变流器、能量变换电路及储能元件。当所述PWM变流器的直流回路相互独立时，每个独立的直流回路连接一个能量变换电路。当两个以上所述PWM变流器的直流侧并联时，每个并联的直流回路连接一个能量变换电路。