一种基于系统储能及网压维持的直流牵引供电系统的制作方法

1.本发明涉及轨道交通工程，特别涉及一种基于系统储能及网压维持的直流牵引供电系统。


背景技术：

2.目前，类似现代有轨电车工程、空轨、云轨等轻型城市轨道交通工程在国内的推广应用越来越多，其牵引供电系统较多采用dc1500v(或dc750v)牵引网作为列车运行取电的牵引供电制式，通过牵引变电所直流馈线分别向两侧的上、下行线路供电，在任意一个牵引所故障退出情况下，能采用大双边供电的模式持续供电，保证整个牵引供电系统的可靠性。
3.该类轨道交通工程与常规大运量的地铁/轻轨工程相比，由于载客量及车辆编组均较小，且行车密度也较低，导致整个牵引供电系统的负荷较轻，故视其为特殊轻负荷类型的轨道交通工程。
4.尽管乘客的客流强度及行车密度很低，但在牵引变电所的布点方案中，考虑到牵引网的电压降指标以及任意牵引变电所故障退出的情况下的越区供电支援能力，仍然会导致设置较多的牵引变电所给牵引网供电。由于牵引变电所内涉及的设备设施及种类较多，不仅配置复杂、占地面积大，其工程投资也较多，给该类轨道交通工程希望能降低工程投资的立项初衷，及后期的工程实施、运营管理成本等均带来一定的困扰。
5.因此，针对该类特殊轻负荷类型轨道交通工程需求的现状，为减少工程投资及对土地的占用，同时满足直流牵引供电系统正常及故障运行情况下的牵引网电压降指标及车辆再生制动能量吸收的需求，从运营安全可靠、系统节能运行，便于施工安装及运营管理与维护的角度，提出一种基于系统储能及网压维持的直流牵引供电系统方案。


技术实现要素：

6.本发明所要解决的技术问题是提供一种基于系统储能及网压维持的直流牵引供电系统，充分利用牵引网间隔行车以及区间牵引网电压上下波动幅度较大的特点，以有效地实现包括牵引变电所布点及牵引网载流形式在内整个牵引供电系统方案的优化，降低工程投资，并提高工程的运营灵活性。
7.本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：
8.本发明一种基于系统储能及网压维持的直流牵引供电系统，外部进线电源通过中压环网接线向轨道交通工程沿线的牵引变电所供电。在牵引变电所之间的区间范围内设置成套系统储能及网压维持装置，牵引变电所及成套系统储能及网压维持装置均直接与牵引网相连，共同向沿线运行的机车车辆供电；牵引变电所布点设置方案仅考虑正常供电的情况；而当某一座牵引变电所退出运行或其他情况，区间牵引网电压在机车车辆通过时出现电压偏低的情况时，由在相邻区间设置的成套系统储能及网压维持装置持续向牵引网供电，满足机车车辆的正常运行；当牵引网的电压较高时，或者当机车车辆处于再生制动状态时，成套系统储能及网压维持装置从牵引网上吸收电能并进行存储，实现系统的节能运行。
9.所述成套系统储能及网压维持装置将输入开关设备、进线电压检测装置、逆变功率模块、ups电源模块、大容量储能单元、监控单元、dc
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dc双向斩波模块整合在成套装置柜体内；所述进线电压检测装置对从牵引网通过直流进线电缆接入该成套装置的直流电压进行实时监测，所述装置的监控单元根据其牵引网的电压波动及变化情况自动控制该成套装置在各种工作模式之间进行转换；所述装置的ups电源模块为该成套装置提供工作电源。
10.本发明的有益效果主要体现在如下方面：
11.一、提供了一种更为简洁的牵引供电系统方案，该方案能完全适应目前现代有轨电车、空轨、云轨等轻型城市轨道交通工程的各种运营需求，能在地下区段、高架及地面区段等各种工程形式中安装运用；
12.二、该成套系统储能及牵引网电压维持装置根据牵引网的实时电压及负荷情况，实现正常储能、再生制动储能及牵引网压维持的功能，可根据现场供电容量需求，按模块化功率组合配置，实现大容量的储能及供电输出。且可以根据工程的现场情况，自行提供装置所需的工作电源，无需由临近的变电所提供交流及直流工作电源，简化系统工程量并节省工程投资；
13.三、采用该成套装置后，通过电压及电流传感器实时采集数据，结合牵引网的运行情况，通过闭合或分断输入回路开关，能自动实现与牵引网连接或脱离功能。
14.四、该装置将进线回路及相应开关、单相(或三相)逆变功率模块、dc
‑
dc双向斩波模块、大容量储能单元、电流电压检测及监控装置单元等整体集成组合在一个柜体中，集成度高，占地面积小，可根据需要在牵引供电的区间灵活设置，也便于运营管理与维护；
15.五、针对轻型轨道交通线路行车对数低及负荷轻的特点，该牵引供电系统方案可以利用行车间隙，采用小电流充电的模式通过牵引网将电能存储在装置的储能元件中，尽量减少对牵引网的影响；当牵引网网压指标偏低时，可根据需要实现大功率、大容量的向牵引网提供电能，维持牵引网的供电能力。
16.六、采用该装置后柜体内的进线总开关采用隔离开关或有明显断口的负荷开关，实现维护检修时的安全可靠分断；通过采用断路器(负荷开关、接触器等)，成套装置接入回路可以根据需要直接带电操作，而无需将变电所或牵引网停电，且其动作时间短，可有效提高工程的运营灵活性及安全性。
17.本发明一种基于系统储能及网压维持的直流牵引供电系统，无需其他特殊措施，即可有效地实现包括牵引变电所布点方案及牵引网载流形式在内整个牵引供电系统方案的优化，降低工程投资，并提高工程的运营灵活性。
附图说明
18.本说明书包括如下三幅附图：
19.图1是本发明一种基于系统储能及网压维持的直流牵引供电系统的结构示意图；
20.图2是成套系统储能及网压维持装置的结构示意图；
21.图3是成套系统储能及网压维持装置的工作模式转换原理示意图。
22.图中示出部件和对应的标记：外部进线电源1，中压环网接线2，牵引变电所3，成套系统储能及网电压维持装置4，机车车辆5，牵引网6，直流进线电缆61，电压检测装置62，进线隔离开关63，进线断路器64、进线回路电流传感器65、直流接触器66，柜内直流连接母排
67，逆变功率模块68，ups电源模块69，柜内交流输出连接母排70，dc
‑
dc双向斩波模块81，大容量储能单元82，监控单元80，柜体90。
具体实施方式
23.下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
24.参照附图1，本发明一种基于系统储能及网压维持的直流牵引供电系统，其特征是：外部进线电源1通过中压环网接线2向轨道交通工程沿线的牵引变电所3供电，在牵引变电所3之间的区间范围内设置成套系统储能及网压维持装置4，牵引变电所3及成套系统储能及网压维持装置4均直接与牵引网6相连，共同向沿线运行的机车车辆5供电；牵引变电所3布点设置距离可以仅考虑正常供电的情况，当任意一座牵引变电所3退出运行时，由相邻区间设置的成套系统储能及网压维持装置4持续向牵引网6供电，满足机车车辆5的正常运行，最低电压不低于规范要求数值(dc1000v或dc500v)；当牵引网6的电压较高，或者当机车车辆5处于再生制动状态时，成套系统储能及网压维持装置4从牵引网6上吸收电能并进行存储，实现系统的节能运行，同时限制牵引网6的最高电压不高于规范要求数值(dc1800v或dc900v)。
25.采用不同的直流牵引供电系统电压(dc1500v或dc750v)其电压的波动范围要求不同。以下内容以采用dc1500v直流牵引供电系统电压为例进行详细说明。
26.参照图2，所述成套系统储能及网压维持装置4将电压检测装置62、进线隔离开关63，进线断路器64、进线回路电流传感器65、进线直流接触器66、柜内直流连接母排67、逆变功率模块68、ups电源模块69、大容量储能单元82、监控单元80、dc
‑
dc双向斩波模块81整合在成套装置柜体90内；
27.所述牵引网6通过直流进线电缆61接入该成套装置的进线隔离开关63，并通过进线断路器64、进线回路电流传感器65、直流接触器66接入柜内直流连接母排67；
28.所述柜内直流连接母排67其中一个回路通过一个或多个并联的dc
‑
dc双向斩波模块81与大容量储能单元82相连；另外一个回路通过逆变功率模块68与柜内交流输出连接母排70相连，然后再与ups电源模块69相连。
29.所述进线侧的电压检测装置62对从牵引网6通过直流进线电缆61接入该成套装置的直流电压进行实时监测，所述监控单元80根据其引入牵引网电压波动及变化情况，自动控制该成套装置在各种工作模式之间进行转换；所述ups电源模块69为该成套装置提供工作电源。
30.当牵引网正常带电工作的情况下：
31.1、闭合该成套装置的进线隔离开关63、进线断路器64和直流接触器66，将外部的牵引网电源接入柜内直流连接母排67。通过进线侧的电压检测装置62对牵引网6侧的直流电压uq进行实时监测，进线回路电流传感器65对进线电流进行实时监测。
32.2、单相(或三相)逆变功率模块68与柜内直流连接母排67相连；通过母线侧的电压检测装置62对柜内直流连接母排67上的直流电压um进行实时监测，当柜内直流连接母排67上的直流电压um处于正常工作范围时，将该直流电源逆变输出为单相(或三相)交流电源，输出至柜内交流输出连接母排70，为该成套装置正常工作所需要的操作、通风、散热等工作电源；当母排上的直流电压um处于非正常工作范围时，自动闭锁单相(或三相)逆变功率模
块68的工作；ups电源模块69与柜内交流输出连接母排70相连，其稳定输出的交流电源作为整体装置正常工作时的操作电源，保证成套装置的安全可靠运行。
33.3、dc
‑
dc双向斩波模块81上端口与柜内直流连接母排67相连，下端口与大容量储能单元82相连。
34.正常情况下，当进线侧的电压检测装置62检测到牵引网直流电压uq较高时，dc
‑
dc双向斩波模块81处于正向工作模式，将牵引网6上引入的电源斩波输出，向柜体内的大容量储能单元82充电，实现牵引供电系统的储能。当进线侧的电压检测装置62检测到当牵引网直流电压偏低时，dc
‑
dc双向斩波模块81处于逆向工作模式，将柜体内大容量储能单元82中储存的电能大功率放电，斩波逆向输出，向牵引网6提供牵引电源，实现牵引网电压的维持，满足机车车辆5的正常运行需求。
35.当处于非正常情况时，当进线侧的电压检测装置62检测到牵引网直流电压uq的电压超高(uq＞1850v)或超低时(uq≤800v)，或者当其电压处于无需本装置工作介入的直流电压区间(1200v＜uq≤1500v时)，自动闭锁dc
‑
dc双向斩波模块81的工作，停止输出。
36.当牵引网电压处于非正常的情况下：
37.1、当进线侧的电压检测装置62检测到牵引网直流电压uq超高(uq＞1850v)或超低时(uq≤800v)，断开进线断路器(64)，将该成套装置与牵引网6脱离。
38.2、当检测到进线断路器64处于断开状态，装置内部进入待机工作模式，控制dc
‑
dc双向斩波模块81进入逆向工作模式，将大容量储能单元82中储存的电能放电，斩波逆向输出至柜内直流连接母排67，当母排上的直流电压um处于正常工作范围时，该成套装置内部的单相(或三相)逆变功率模块(68)将直流电源逆变输出为单相(或三相)交流电源，输出至柜内交流输出连接母排70、持续提供本装置正常工作所需要的操作、通风、散热等工作电源；当装置内部的大容量储能设备中的能量下降至警戒值时，关闭dc
‑
dc双向斩波模块81。
39.3、当进线侧的电压检测装置62检测到牵引网6的电压uq正常时，自动恢复投入成套系统储能及牵引网电压维持装置并保持运行。
40.当该成套装置需要进入检修模式时：断开进线断路器64，同时断开进线隔离开关63，与牵引网6完全脱离，并提供一个明显的开断点，保证检修维护时人员及设备的安全。
41.附图3是成套系统储能及网电压维持装置4的工作模式转换基本原理示意图，根据进线侧的电压检测装置62检测到的牵引网6电压，根据其电压波动及变化情况，监控单元80控制该成套装置4自动在脱离模式、反馈模式、待机模式、充电模式1、充电模式2之间进行转换。
42.以下以采用dc1500v直流牵引供电系统电压为例，对成套系统储能及网电压维持装置4(简称为“成套装置”)工作模式的转换基本原理描述如下：
43.1、设牵引网6的电压为uq，当牵引网电压800v＜uq≤1850v时，为该成套装置的正常工作模式区间。该成套装置投入输入回路相应的开关设备，与牵引网6直接连接，投入运行；该成套装置根据牵引网进线侧的电压检测装置(62)上测得的电压uq，在以下几种工作模式间自动转换：
44.(1)当牵引网电压uq≤800v，为脱离模式。该成套装置断开输入回路的开关设备(断开进线断路器64或直流接触器66)，与牵引网6脱离，整体退出。此时dc
‑
dc双向斩波模块81进入逆向工作模式，将大容量储能单元82中的能量斩波逆向输出，向装置内部的逆变功
率模块68及ups电源模块69供电，维持装置自身的带电工作模式，并发出牵引网电压过低故障报警信息。
45.当大容量储能单元82中的能量下降至警戒值时，dc
‑
dc双向斩波模块81停止工作。
46.(2)当牵引网电压800v＜uq≤1200v时，为正常的工作模式。该成套装置投入运行，此时dc
‑
dc双向斩波模块81进入逆向工作模式，将大容量储能单元82中的能量斩波逆向输出，向牵引网6补充电能，维持牵引网电压，给机车车辆5。
47.当牵引网电压始终uq≤1200v时，发出牵引网电压过低故障报警信息。
48.(3)当牵引网电压1200v＜uq≤1500v时，且装置大容量储能单元82容量已低于60％，同时反向输出电流小于50a时(具体数据可根据现场情况调整)，该成套装置停止工作，进入待机模式。dc
‑
dc双向斩波模块81退出运行，牵引网6通过装置内部的直流母线，向逆变功率模块68、ups电源模块69，维持成套装置自身的带电工作模式。
49.(4)当牵引网电压1500v＜uq≤1750v时，为充电模式1。牵引网6与装置内部的直流母线相连，向逆变功率模块68、ups电源模块69供电，维持装置自身的带电工作模式；同时dc
‑
dc双向斩波模块81投入运行，进入正向斩波工作模式，通过牵引网6向大容量储能单元82补充能量，充电至70％的容量状态后(具体比例可以根据现场情况调整)，dc
‑
dc双向斩波模块81退出正向斩波工作模式运行。
50.(5)当牵引网电压1750v＜uq≤1850v时，为充电模式2。牵引网与装置内部的直流母线相连，向逆变功率模块68、ups电源模块69供电，维持装置自身的带电工作模式；同时dc
‑
dc双向斩波模块81投入运行，进入正向斩波工作模式，通过牵引网6向大容量储能单元82补充能量，充电至100％的容量状态后，dc
‑
dc双向斩波模块81退出正向斩波工作模式运行。
51.(6)当牵引网电压uq＞1850v时，为脱离模式。该成套装置断开输入回路的开关设备(断开进线断路器64或直流接触器66)，与牵引网6脱离，整体退出。dc
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dc双向斩波模块81进入逆向工作模式，大容量储能单元82向逆变功率模块68，ups电源模块69供电，维持装置自身的带电工作模式，并发出牵引网电压过高故障报警信息。
52.上述各自模式下，当大容量储能单元82中的能量下降至警戒值时，关闭dc
‑
dc双向斩波模块81。
53.2、设该成套装置内部直流母线67安装的电压检测装置(62)上测得的电压为um，该成套装置内部的逆变功率模块68根据对应测得的电压um，自动在以下两种工作模式间自动转换：
54.(1)当装置内部直流母线电压800v≤um≤1850v时，为逆变功率模块68的正常工作模式，自动投入运行，给成套装置提供正常的工作电源。
55.(2)当装置内部直流母线电压um＜800v或um＞1850v时，逆变功率模块68自动退出运行，进入待机模式；成套装置的内部工作电源由ups电源模块69维持供电。
56.以上的容量比例、电压、电流转换点数据均可以根据现场情况进行设置调整，本说明书中只是阐述其基本原理，并非一定要限制为这些数据。