一种可再生能源微网供电的铁路能量路由系统

1.本实用新型属于电气化铁路技术领域，尤其涉及一种可再生能源微网供电的铁路能量路由系统。


背景技术：

2.随着轨道交通的快速发展，铁路电气化占比越来越高，列车产生的再生制动能量越来越多。制动或者下坡恒速时，能量从电机往牵引网流动，如果回馈的能量没有被完全吸收，则有可能造成牵引网压上升而引起牵引系统保护。同时，当铁路沿线电网薄弱，供电困难时，能源问题成为制约铁路发展的首要原因。而我国太阳能、风能资源丰富，具有取之不尽用之不竭的特点，是当今可再生能源中发展速度最快的能源。但是光伏发电和风力发电受环境影响较大，波动性强，直接接入牵引供电系统，会给铁路系统运行稳定性带来威胁。另外，在高海拔山脉列车运行过程中，由于各种原因出现供电故障时，若列车停靠于隧道内将会大大增加救援难度，且等待救援的时间也很难把控。
3.现有技术提出通过背靠背变流器设备直流侧集成光伏发电系统与储能系统的新型供电模式。该系统可用有效改善牵引供电系统无功、负序、谐波等电能质量，同时兼顾消纳光伏电能和风电电能，回收再生制动能量。
4.但是，目前的研究主要侧重于集中式的光伏储能背靠背变流器系统，这种系统不具备局部容错能力，若外置设备中局部元件异常或者发生故障，整体设备需要切出运行状态；并且既有系统容量较大，对系统内部电力电子器件的额定容量以及耐受水平等要求严苛。由此可见，现有技术无法充分发挥铁路能量路由器的功能。


技术实现要素：

5.为了克服现有技术方法的不足，本实用新型的目的在于提出一种可再生能源微网供电的铁路能量路由系统，能够改善牵引供电系统的电能质量问题；组串式铁路能量路由器结构可以提高牵引供电系统供电可靠性，扩大系统容量，提高系统容错能力，降低子系统内电力电子器件的耐受压力；增强系统故障应急能力与灵活性。
6.为实现以上目的，本实用新型采用技术方案是：一种可再生能源微网供电的铁路能量路由系统，包括：多个路由子系统、直流微网和多绕组变压器，各路由子系统直流侧与直流微网连接；各路由子系统的交流侧连接至多绕组变压器，通过多绕组变压器连接至牵引网。
7.进一步的是，所述路由子系统包括背靠背变流器，背靠背变流器直流侧与直流微网连接；背靠背变流器的交流两侧分别连接至第一多绕组变压器副边和第二多绕组变压器副边，通过第一多绕组变压器和第二多绕组变压器分别连接至牵引网。
8.进一步的是，所述第一多绕组变压器为α相多绕组变压器，所述第二多绕组变压器为β相多绕组变压器；多个路由子系统的背靠背变流器两侧分别连接至α相多绕组变压器副边和β相多绕组变压器副边，通过α相多绕组变压器和β相多绕组变压器分别与牵引网中α供
电臂、β供电臂和钢轨连接。
9.进一步的是，所述路由子系统还包括第一控制开关和第二控制开关，所述背靠背变流器两交流侧分别与第一控制开关和第二控制开关连接；第一控制开关)连接至第一多绕组变压器副边，第二控制开关连接至β相多绕组变压器副边。可以有效提高系统的容错能力，当发生局部故障时，可断开两侧控制开关，将故障切除，仍能够保证系统连续运行。控制开关可采用隔离保护开关和控制开关等各种可控开关。
10.进一步的是，所述背靠背变流器包括第一四象限变流器、第二四象限变流器和公用直流电容；第一四象限变流器和第二四象限变流器的直流侧并联接至公用直流电容。
11.进一步的是，所述直流微网包括直流母线和可再生能源供电系统，可再生能源供电系统连接至直流母线，各路由子系统直流侧均与直流母线连接。
12.进一步的是，所述可再生能源发电系统包括光伏系统和/或风电系统，光伏系统和/或风电系统输出电能通向直流母线。
13.进一步的是，所述可再生能源供电系统还包括储能系统，所述储能系统连接直流母线。
14.进一步的是，所述储能系统包括双向能量变换器和储能装置，或者仅包括储能装置；
15.所述光伏系统包括光伏阵列和dc/dc变流器；
16.所述风电系统包括风机系统和ac/dc整流器，或者直接输出直流电能的风机系统。
17.进一步的是，还包括中央控制系统，所述中央控制系统通过通信信道与牵引网和多个路由子系统进行信息交互。
18.采用本技术方案的有益效果：
19.本实用新型路由子系统采用模块化组串式结构，可以在子模块发生局部故障的情况下及时切除运行状态，不影响整个系统的运行，有效提高牵引系统的供电可靠性，提高系统的容错能力。
20.本实用新型所提系统采用模块化组串式结构，使得每个子模块承受的容量减小，因此可以降低由于高压大容量环境下对系统电力电子器件性能的要求；可以根据应用场景的容量需求，自由组织需要组串的子模块个数，因此提供系统利用率。
21.本实用新型所提系统为两侧供电臂提供了能量流通渠道，以及接入直流微网的渠道，改善牵引供电系统电能；同时兼顾消纳直流微网产生的电量，有效回收列车再生制动产生的能量。
附图说明
22.图1为本实用新型的一种可再生能源微网供电的铁路能量路由系统的结构示意图；
23.图2为本实用新型实施例中路由子系统的结构示意图；
24.图3为本实用新型实施例中直流微网的结构示意图；
25.其中，1是牵引网，11是α供电臂，12是β供电臂，13是钢轨，21是路由子系统，22是第一多绕组变压器，23是第二多绕组变压器，211是第一四象限变流器，212是第二四象限变流器，213公用直流电容，214是第一控制开关，215是第二控制开关；3是直流微网，31是直流母
线，32是储能系统，33是光伏系统，34是风电系统，322是光伏阵列，331是dc/dc变流器，4是中央控制系统。
具体实施方式
26.为了使实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本实用新型作进一步阐述。
27.在本实施例中，参见图1所示，牵引网1包括α相供电臂11、β相供电臂12、钢轨13、牵引负荷；所述α相供电臂11和β相供电臂12分别与钢轨13构成回路，牵引负荷连接至α/β相供电臂11/12和钢轨13之间。
28.一种可再生能源微网供电的铁路能量路由系统，如图1所示，包括：多个路由子系统21、直流微网3和多绕组变压器，各路由子系统21直流侧与直流微网3连接；各路由子系统21的交流侧连接至多绕组变压器，通过多绕组变压器连接至牵引网1。
29.作为上述实施例的优化方案，如图2所示，所述路由子系统21包括背靠背变流器，背靠背变流器直流侧与直流微网3连接；背靠背变流器的交流两侧分别连接至第一多绕组变压器22副边和第二多绕组变压器23副边，通过第一多绕组变压器22和第二多绕组变压器23分别连接至牵引网1。
30.其中优选的，所述第一多绕组变压器22可采用α相多绕组变压器，所述第二多绕组变压器23可采用β相多绕组变压器；多个路由子系统21的背靠背变流器两侧分别连接至α相多绕组变压器副边和β相多绕组变压器副边，通过α相多绕组变压器和β相多绕组变压器分别与牵引网1中α供电臂11、β供电臂12和钢轨13连接。
31.其中优选的，所述背靠背变流器采用四象限变流器的背靠背变流器，包括第一四象限变流器211、第二四象限变流器212和公用直流电容213；第一四象限变流器211和第二四象限变流器212的直流侧并联接至公用直流电容213。
32.作为上述实施例的优化方案，所述路由子系统21还包括第一控制开关214和第二控制开关215，所述背靠背变流器两交流侧分别与第一控制开关214和第二控制开关215连接；第一控制开关214连接至第一多绕组变压器22副边，第二控制开关215连接至β相多绕组变压器23副边。可以有效提高系统的容错能力，当发生局部故障时，可断开两侧控制开关，将故障切除，仍能够保证系统连续运行。控制开关可采用隔离保护开关和控制开关等各种可控开关。
33.作为上述实施例的优化方案，如图3所示，所述直流微网3包括直流母线31和可再生能源供电系统，可再生能源供电系统连接至直流母线31，各路由子系统21直流侧均与直流母线31连接。
34.可再生能源发电系统可包括光伏系统33和/或风电系统34，光伏系统33和/或风电系统34输出电能通向直流母线31。所述可再生能源供电系统还可包括储能系统32，所述储能系统32连接直流母线31。
35.所述直流微网3包括但不限于直流母线31、可选的储能系统32、可选的光伏系统33、可选的风电系统34和/或其它电源或负荷；所述直流母线31一侧连接至组串式背靠背变流器系统直流侧，另一侧并联接入可选的储能系统32、可选的光伏系统33、可选的风电系统34和/或其它电源或负荷。
36.所述储能系统32包括双向能量变换器和储能装置，或者仅包括储能装置；所述储能装置的介质包括且不限于蓄电池储能、超导储能、超级电容储能、飞轮储能、液流电池等中的一种或多种混合储能介质。
37.所述光伏系统33包括光伏阵列332和dc/dc变流器331。
38.所述风电系统34包括风机系统和ac/dc整流器，或者直接输出直流电能的风机系统。
39.作为上述实施例的优化方案，如图1所示，一种可再生能源微网供电的铁路能量路由系统，还包括中央控制系统4，所述中央控制系统4通过通信信道与牵引网1和多个路由子系统21进行信息交互。
40.所述中央控制系统4可实时检测包括两供电臂电压/电流数据、光伏系统的电压/电流/温度数据、风电系统的风速/电压/电流数据、储能系统实时荷电状态/电压/电流/温度数据；所述中央集中控制系统4计算牵引负荷功率、光伏输出功率、风电系统输出功率，根据计算结果选择运行模式；所述中央集中控制系统4根据不同模式为组串式背靠背变流器系统、可再生能源和储能系统分配功率和/或电流，实现系统协调控制。
41.为了更好的理解本实用新型，下面对本实用新型的工作原理作一次完整的描述：
42.通过控制单相背靠背变流器实现有功功率转移，通过控制单相背靠背变流器动态输出相应的无功和谐波电流，实现无功和谐波补偿。路由子系统采用模块化组串式结构，可以在子模块发生局部故障的情况下及时切除运行状态，不影响整个系统的运行，有效提高牵引系统的供电可靠性，提高系统的容错能力。本系统采用模块化组串式结构，使得每个子模块承受的容量减小，因此可以降低由于高压大容量环境下对系统电力电子器件性能的要求；可以根据应用场景的容量需求，自由组织需要组串的子模块个数，因此提供系统利用率。本系统为两侧供电臂提供了能量流通渠道，以及接入直流微网的渠道，改善牵引供电系统电能；同时兼顾消纳直流微网产生的电量，有效回收列车再生制动产生的能量。
43.以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。