【铁路变电所储能系统分析9700字（论文）】

铁路变电所储能系统研究目录TOC\o"1-3"\h\u3679一、绪论 122463（一）研究背景 118422（二）相关研究阐述 165201.国外研究 1268592.国内研究 128506二、多种储能系统分析 231657（一）蓄电池储能技术 2158951.蓄电池储能分类 2118162.蓄电池充电方式 212183(二)超级电容储能技术 339241.超级电容工作原理 3310192.超级电容特点 416622三、铁路储能系统分析 414461（一）背靠背混合储能系统分析 42359（二）飞轮储能系统 4176681.系统整体结构 5192302.变流器系统结构 6507（三）混合储能系统 6247871.系统结构 6238552.系统工作原理 629667（四）电气化铁路同相储能供电技术 6187191系统构成 618712.工作原理 719256参考文献 8摘要铁路运输是我国的主要交通工具之一，我国年铁路里程达8万多公里，居亚洲首位。随着社会经济的发展和居民经济水平的提高，原有的传统铁路运营方式已不能满足当今社会的发展需要，因此我国逐步转向电气化轨道交通。我国电气化铁路起步较晚，但进步惊人。我国电气化铁路的建设始于1950年代后期，用了三年时间完成了第一条电气化铁路。然而，尽管实现了电气化，我国铁路行业仍然落后。我国随后意识到电力在铁路发展中的重要性，决定加快铁路电力建设。随着中国、华北、华南三大电气化铁路系统的部署，我国的电气化铁路行业在电池储能方面达到了前所未有的水平。电力铁路一直交通运输方面发挥着重要作用。高铁的高速发展，近几年也十分引人瞩目。作由于机车的制动方式会产生大量的再生制动能量，会给电力系统造成严重的能源质量问题，也将直接影响铁路部门的经济效益。本篇文章从储能系统的国内外研究背景出发，进行多种储能技术的介绍以及铁路储能系统的分析。关键词：铁路；储能技术；储能系统绪论（一）研究背景高铁的高成本增加了铁路部门的财政负担，因为高铁的赤字和收入经常减少。随着电力公司负担的增加，铁路公司必须为经济增长做好准备。由于牵引负载往往具有振动、不规则振荡、频繁摆动和峰谷区间大等特点，而我国没有系统的运行数据，因此无法获得变压器的牵引功率。压力满足最大拉伸载荷极限。高峰负荷不仅会引起能源质量问题,而且对电力成本有直接的经济影响。由于高峰负荷和环境压力容量收费以及高峰需求收费密切相关，如果负荷过高，铁路用户必须支付额外的费用。牵引系统的实际运行往往会导致变压器的负载时间更短、功耗更低，从而降低供电系统的经济效益。电力系统通常使用峰值划痕和填谷测量来减少从峰值到谷值的负载偏差。对于电网来说，峰值容量和填谷有助于减少最大峰值负荷差异，提高容量利用率，减少发电机组投资，并产生电力供需。为了维持电网的平衡和运作，用户可以使用最高和最低价格之间的差异来实现减少电费的经济影响。削峰和腹部脱皮有很多步骤可以实现。用户侧经常配合电力部门提出的用电负荷控制措施来改变用电的方式和时间。为此，该电网侧使用了储能技术。传统的储能方法是使用水泵节水。现代节能技术主要研究飞轮储能、铅酸电池、锂电池等电池的储能，以及电磁能在超导体和超窄电池中的储能。研究表明，电池储能系统，尤其是狭义储能系统及其混合储能系统，具有独特的优势，在实际应用中发挥着主要作用。（二）相关研究阐述1.国外研究对电池的研究已经非常成熟。电池电压低，输出率低，与车载电力能源系统相比，电池更适合地热储能系统。自2007年以来，我国已经开发了可用于混合动力汽车的混合动力电池的地面离子存储装置。意大利的一项研究证实，可以使用高密度离子电池。在高压电池中，这种类型的电池更经济。日本从1980年开始对铅酸电池进行研究，2006年开始广泛使用堆离子电池。陆地能源系统已经非常成功，并进行了类似的研究对于镍金属电池，但不实用。集成储能系统的优势相对狭窄，而电池的寿命相对较短。电动火车设备由东日本旅客铁道株式会社和庞巴迪传动设计开发，主要以电池供电，铁路和轻轨可以通过接触网或电池和无线电信道行驶。微观密度的研究也非常广泛。根据德国的实验，轻轨超级电容器的节能效率为30%。从东海铁路公司获得了类似的实验结果。轻轨除外，超级电熔机还可用于具有牵引力系统的混合动力汽车。研究表明，在配备消防车的德国动力汽车中使用超级电容器储存能量可以减少二氧化碳排放和成本。超小功率的电容器耗低但寿命长。初期投资也在10年内收回。超级电容器也可用于接地系统。超级电容器是日本地热储存系统的关键要素。意大利的一项案例研究表明，使用超级电容器的地热储存系统不仅可以最大限度地提高储存量，还可以降低通风成本。对飞机机轮储能的研究也是飞扇发展的一部分。在电力系统中，飞轮储能技术主要用于降低峰谷电负荷，提高系统稳定性。美国从2009年开始进入飞轮节能市场。本次事件进一步刺激了飞轮节能技术的发展，多飞轮技术协同使用，动力和产能大幅提升。飞轮的功率从千瓦增加到兆瓦。2010年，美国BeaconPower组建了200个100kW/25kWh飞轮阵列，使飞轮储能系统总容量达到100MW/SMWh}2}。德国在单飞轮方面做了大量的研究，致力于提高单飞轮、飞轮的充放电功率和储能能力。2011年，德国派珀公司利用单个飞轮的充放电功率，保持最大功率15秒，最大调峰功率1.65兆瓦。由于工程使用的需要，飞轮储能系统正以大容量、大容量的形式发展。2.国内研究我国将电池应用于电力系统的研究有着悠久的历史。由于电力工业的发展和电池制造技术的快速发展，未来10年它一直在不断变化。一般来说，1970年代之前用于电力系统的电池都是铅酸电池。1970年代开始使用半封闭式铅酸电池，1980年代中期开始普遍使用100Ah以下的镍强化电池。1990年代具有安装方便、维护少、环保等一系列高可靠性优点。1990年代后期迅速占领市场，广泛应用于工业领域。2010年，三套100kw镍氢电池储能系统在九溪变电站储能试验园实施。在我国，飞轮能量的利用还处于理论研究阶段，大部分理论成果还处于实验阶段，与其他国家相比还存在技术应用方面的不足。1997年清华大学研制的复合式飞轮储能装置是我国第一台成功装载发布的飞轮储能系统。1999年设计的第二代双存储系统，具有双容量[yo-I2]。随后，中科院研制并实施了惯性储能装置。该装置的主要目的是提高微电网能源的质量，其用途是保证和提高电子网络的稳定性和可靠性。让中科院在磁悬浮超领先技术上取得成功。2017年，盾石磁能科技有限公司研发成功GTR飞轮储能装置。该机器的单飞轮放电功率为333kW，存储容量为1.56kWh。它在充电和放电过程中采用高振动磁振荡技术。飞轮储能技术这是我国飞轮储能技术应用史上的一个重要里程碑，并已广泛应用于我们的项目中。二、多种储能系统分析（一）蓄电池储能技术1.蓄电池储能分类储能电池是一项长期成熟的储能技术，广泛应用于社会各个领域，多种类型也在不断发展。以下是有关最常见电池的信息，以及在充电和放电过程中要学习的参数。以下是一些常见电池的示例：W铅酸阀调节电池：由于它们的设计特点，这些电池的能耗非常低，因此需要添加的水非常少。优点是对高温和振动的适应性好，使用寿命长，自放电率低。VRB铅酸主要用于汽车和电动汽车，最近广泛应用于通信、交通牵引等领域。铅酸胶体电池：凝胶电池基于铅酸电池，硫酸通过凝胶形成物质。其主要优点是：成本低、环保、可提高电池性能、放电稳定、流点高、比能量高、寿命比铅酸阀长。它是一种有条件的电池，对温度的影响较小。胶体电池近年来也得到了广泛应用，主要用于大规模储能。Ni-FuBattery:Ni-Fu该电池为经济型电池，充放电寿命超过1000次，放电时电压不明显下降。它非常适合在直流电子设备中用作数字设备，但由于毒性而在许多国家/地区被禁止使用。镍氢电池：镍氢电池比标准碱性电池大，比镍氟电池好，非常适用于快速耗电。主要用于电池，但也广泛用作通讯设备的电源。桩电池：桩电池以桩离子为材料储存电能，具有两极之间向后移动的能力，能量密度高、寿命长、环保。它们主要由电脑、手机和其他小型设备供电。磷酸铁焦耳技术的发展是高容量焦耳电池节能的关键。尽管焦耳磷酸铁的能量密度较低，但其安全性能得到了显着提升。液流电池（包括钒电池和锌澳电池）:该系列电池充放电性能好，频率高。产生和储存能量的能力取决于反应范围和储存的电解液质量，并且可以专门设计以显着延长电池的使用寿命。液体电池具有低电化学极化。此外，全钒漏电池与其他同类产品相比，具有储能容量高、100%深充、能效高、充放电快、使用寿命长等优点。2.蓄电池充电方式在对电池进行充放电的同时，不同的充电方式会不同程度地影响电池的寿命。充电方式主要有恒流充电、恒压充电、恒功率充电、风扇快充。（1）恒流充电方式电池恒流充电是指恒定的充电电流，充电曲线如2-1所示。在充电过程中，根据电池电压的变化实时调整充电电流，保证电流恒定。这种方法主要用于多块电池有序放置的情况。这种充电方式更适合小电流但使用时间长的情况，因为当电池中的电压低于其他值或标准值时，电池中的低电压电流会很快。这种方法的缺点是在充电后期，充电电流变大，释放的气体较多，一定程度上影响了充放电效率。(2)恒压充电方式恒压充电是指用电压连续给电池充电，充电曲线如图2-2所示。开始充电时，电池的初始电压较低，因此电流略高，但在充电过程中电流逐渐减小。在充电过程结束时，电流可能会下降到一个很小的值，所以在这个过程中没有必要控制电流。与上述方法相比，充电过程中产生的气体更少，充电时间更短。需要注意的是，过大的初始充电电流可能会超过电池的额定电流，容易损坏电池。(3)恒功率充电方式恒定功率充电是指从固定电源对对电池充电。传统电力系统是一个集发电、转换、输电、配电和使用为一体的综合系统。电力系统容量实时波动，必须检查电流平衡。能耗稍低的电网，如微电网，新能源经常用于发电，用户数量经常变化。这种现象，当系统检测到并接收到功率变化时，电子转换器控制平衡系统以确保电池连续充电。因此，储能系统可以恒流储存和提供能量，实现电流的内部平衡，实现系统的电压和频率稳定。这种方法实际上可以解决平衡问题，尤其是在可以控制和分配能量的微电网中使用时。(4)分段充电方式基于上述方法，常用的有二阶段充电法和三阶段充电法，如图2-3所示。两步充电法是在启动时恒流充电，当电池达到一定容量时再恒压充电的方法。三相充电是基于增加了一个恒压浮充阶段。可以确认电池已经充满电了，这种方法充电效果很好，很完美。(5)快迷充电方式除上述方法外，为总结上述优点和缺点，已经开发了几种方法和技术来减少反应时间，主要包括脉冲充电方法、交流充电方法等。(二)超级电容储能技术1.超级电容工作原理这是一种环保且非常实用的储能方法。近来，我国日益增长的能源部门中超密度发展迅速，许多西方国家已将与过度拥挤相关的超密度确定为国家重大研发项目。超级电容器作为分布式储能设备用于多种用途，为电网中的突发事件做准备。功率稳定性超级电容器和燃料电池的组合可用于电动或混合动力汽车，以最大限度地减少电池损耗并延长使用寿命，同时提高动力汽车的耐用性和实用性。储能系统的寿命，在交通运输方面，列车的特殊功能需要连续频繁的起停，在此期间，由于工况反复变化而损失的能量非常大，超级电容器可以储存制动时的能量，释放时，除了省电性能外，还可以用于各种领域，即使是军用，其用途也非常广泛。超级电容器的设计和原理不同于传统的储能单元，其工作原理是基于双电源的效果。双电层电容器由集流体、电解液、极化电极和隔膜四部分组成，电容器性能受极化电极和电解质的影响。2.超级电容特点与化学电池相比，超级电容器具有明显的性能特点和储能优势：充电更快。通常，将化学电池充电到一定容量可能需要几个小时，但由于充电器以大电流充电，所以几分钟甚至10秒就可以充满。高功率密度，超级电容器的能量密度是传统化学电池的10倍，因此可以产生特别高的脉冲电流，并且可以调节具有一定容量的超级电容器来满足电池的要求，也适用于频繁负载。振荡范围可以显着提高系统的稳定性。寿命更长。与其他类型的电容器不同，超级电容器的充电和释放过程没有内部化学变化，是一个物理过程，整个过程是完全可逆的，因此超级电容器的寿命会缩短，充放电时不会缩短。受环境温度影响较小。超级电容器在军队中发挥着非常重要的作用，即使在零下10摄氏度的环境下也能很好地发挥作用，因此与其他储能设备相比，它可以很好地适应较低的温度和恶劣的环境并保持良好的性能。对环境有轻微污染。使用碳作为材料的超导体在整个应用过程中都是无污染的。与普通化学电池相比，可以减少很多有害物质的排放。今天，全球污染问题严重且密集，值得探讨除了上述优点外，超级电容器还有一些无法绕过的缺点。超级电容器的能量密度非常低。因此，使用单一电源需要超级电容器，它需要更多的空间、重量和成本，这是由于压缩电压波动造成的问题。超级电容器中的电压会发生变化，因此需要额外的电子设备以在充电和放电期间保持输出电压稳定并节省能源。这是一个电压平衡问题。超导电压密度相对较低，常采用串并联方式满足高电压和高可用性要求。然而，电容器组内部存在电压不平衡问题，影响其效率，缩短其使用寿命，因此有必要对其电压平衡控制进行研究。由于交流列车高铁的制动功率较高，对容量和功率等级的需求高于地铁等直流网络。牵引网在这方面存在一些缺陷，所以没有选择这个话题。三、铁路储能系统分析（一）背靠背混合储能系统分析背靠背混合储能系统接入牵引供电系统的整体结构如图所示。它们由混合储能系统组成，主要由混合储能单元、背靠背转换器和降压变压器组成。在混合储能系统中，电池和超级电容器通过双向DC/DC转换器与主直流电容器并联，实现电量的余缺调剂；采用两个单相四相参数，直流侧连接公共电容器，而交流侧通过空间电压的方式连接两侧27.5kV的吸引电流。它们沉淀形成对称的背靠背结构。两侧变量的输出功率保证了α相和β相之间可再生制动能量的最大利用，以及无功功率和负功率的强平衡。（二）飞轮储能系统储能技术与之前的相比，飞轮节能系统（FESS）是一种超越常规化学电池范围的新型机械储能技术。高速飞轮用于节能省电，动能通过与飞轮相连的电动机/发电机相互转换。飞轮节能的努力在国外首次进行，是在1970年以美国为首，日本、德国紧随其后。我国在飞轮节能领域起步晚于欧美，在中国汽车研究院的飞轮节能领域处于领先地位。科学院牵头研究它。1990年代以后，一些高校逐渐开始探索相关领域。总的来说，我国对飞轮储能技术的研究大多集中在高校和科研院所，大多处于理论研究阶段，相关实验和实际工程应用较少。飞轮储能技术主要由三部分组成：飞轮的旋转运动，储存能量；发电机或电动机负责改变电流；吸气系统，辅助旋转。还有真空分离、底盘等支撑系统。由于最大旋转与发展密切相关，因此材料行业对飞轮的广泛研究和开发是飞轮未来发展的关键。轴承的作用是支撑飞轮转子和电机。常规轴承、超导磁力提升机、永磁提升机和电磁提升机都是为了满足高速、高负载和低飞轮旋转的要求而设计的。高温超导磁体具有转动时间更长、使用寿命更长、无机械磨损等优点。这在很多国家都发生过，也是未来克服大型飞轮技术难点的关键因素。飞轮电机是电力和机械电力转换的关键。汽车可以通过两种方式运行：发电机和发动机，而且由于飞轮旋转得如此之快，汽车通常使用更强大的发动机。永磁电机、电磁电机和励磁电机的结构非常复杂。其中永磁电机结构简单、磁场密度高、无磁场损失、效率高，适用于中小型电源。供电系统与电动机之间的桥梁是系统的功率转换电路，主要用于控制电动机（或发电机）在电能与动力之间的转换。和互惠的能量流。随着电子技术的发展，新型GCT（如IGBT）的工业应用越来越普及和成熟。可以提高功率转换循环的能量转换效率，设备的转换频率和体积，减少电导率损失。使用飞轮储能系统的主要原理是利用高速飞轮的转动将传输的电能转化为储存的机械能。具体过程如下：当飞轮节能器充电并处于节能模式时，此时飞轮电机作为电机运行，三相变流器通电后运行电机。通过将叶片连接到风扇以将电能转换为动能来实现节能。当飞轮升到全速时，储能系统从节能模式切换到节能模式（待机模式），此时飞轮的转速保持恒定。当发动机处于发电机模式时，操作系统将飞轮置于释放（release）模式，飞轮转子驱动发电机发电并为电网供电。此外，它通过传感器充电将动能转化为电能。飞轮储能系统工作时，发动机功率发生了彻底的变化，因此选择合适的电机型号对飞轮的储能能力影响很大。选择发动机类型时，必须遵守以下要求：(1)基本条件：电机必须是可逆的。这意味着它必须与发电和电力的模式相对应，同时发电/生产的效率必须很高。(2)应用条件：电机可以高速旋转，适应大范围的风度变化。(3)稳定条件：为了保证整个储能系统的持续运行，飞轮电机必须具有快速的充放电响应和更好的控制性能。(4)功能条件：电机必须有更大的输出和输出扭矩，并且必须有更低的空载损耗。(5)经济条件：是机电寿命和空载损失。为了最大限度地节约能源，飞轮发动机应具有较长的使用寿命和较低的空载损失。(6)实用性：该电机结构简单，经久耐用，可连续运行，易于维护。根据上述要求，可提供感应电机、永磁电机和磁阻电机。永磁飞轮储能装置依靠电机的状态变化来实现各种工况的运行，通常具有充电功能，工作条件和连续工作条件。1.系统整体结构该系统安装在变电站内，系统由现有铁组成，采用高铁常用的VW型变压器连接方式设计。在连接开关闭合的情况下，两个供电臂分别为左右上下线供电，飞轮储能单元通过后部与供电臂相连。用于储能和释放的背对背转换器和降压变压器。两根动力杆通过后变量相互连接，飞轮蓄电单元安装在直流连接的前面。这种安装方式是一种飞轮储能系统，可以同时使用两种动力源。替代项目T1和T2可以显着降低最大电压的可能性，同时吸收和再利用两个能源部门产生的可再生能源，实际上减少了损害。2.变流器系统结构两个接收器中的每一个都连接到具有降压变压器的互易转换系统。该系统由两个串联的电压转换器、一个安装在转换器直流侧的电容器、一个用于稳定直流侧电压的直流电容器和一个电流存储装置组成。连接动力飞轮，采用单控。两台逆变器，一台逆变器控制直流网络中的无功功率和直流电压，另一台逆变器负责配电和飞轮储能在机器外放变压器时对外释放。经认可的负载，可最大程度降低变压器峰值需求。当制动能量在线时发生恢复。背靠背变流器通过电抗器和单相变压器开路器连接到牵引变压器辅助侧的供电臂，使两个供电支路的功率合流，使两个供电支路的电源相同。负载，所以它是一个负序。这两个变量实际上都可以抑制谐波。飞轮储能系统可通过多种变流器实现能量传输，降低最大需量变压器，减少最大需量充电，避免电源罚款，同时减少投资。（三）混合储能系统1.系统结构混合能系统主要由电流控制器（RPC）、双向DC-DC转换器、电池和超级电容器组成。RPC由形成对称往复结构的两个电压供应参数组成。变流器的运行方式识别了变电站左右两侧有功功率到张力变电站的双向传输。电池和超级电容器以与双向DC-DC转换器相同的顺序连接到DC总线以创建混合。储能系统的充电和放电由两个控制单元独立控制，便于在其他储能组件之间进行能量规划和能量分配。并可以实现充电状态和排放的灵活分配，以及可再生能源的维护和释放。2.系统工作原理电气化铁路混合储能系统忽略了系统中输电线路的损耗，将列车制动产生的可再生能源有效更新为相关参数并呈正向显示功率比。PHESS为混合储能系统的输出功率，pbat为电池的输出功率，Ps。超级电容器的输出。当列车产生再生制动能量时，在牵引供电系统中优先用于同一臂或不同臂。左右拖网的正曝光量定义为pLoad，即pLoad=pLa+pL，混合储能系统的充放电阈值为pN。这里，当pLoad>pN时，多余的再生制动能量被混合储能系统吸收，混合储能系统释放再生制动能量以减少轨道上的负载。因此，为了平衡左右臂的负荷，混合存储的测量容量可以表示如下。系统必须限制混合功率转换器和存储系统的最大输出功率，并限制能量存储设备的电流和充电(SOC)状态在特定领域运作。（四）电气化铁路同相储能供电技术普通供电线路可以取消变电站出口的电气分相，消除无电区域，更有利于列车运行和再生能源的合理利用。主要在负序和储能的调峰功能可以降低国标评价的负序指数（电压不平衡），因此在一定程度上可以将牵引变电所使用的单相牵引变压器与储能相结合系统组成同相供电系统。同时，储能系统可用于降峰填谷。列车再生制动能量成本与利用的考虑1系统构成我国牵引供电系统采用单相工频交流供电系统，作为三相不对称负载，电力机车和动车组牵引负载引起的负序不可避免地影响电力系统。分相电力系统从整体上减少了进入电力系统的负序分量，几乎所有电气部分连接方式不同的牵引变电站都实现了相位整流连接。也就是说，它们交替访问和设置电力系统的不同阶段。电源分相环节，本文中共模储能供电方案是指在牵引变电所采用单相牵引变压器实现共模供电，并取消与牵引变电所的电气分相.为牵引客车增加储能系统。储能系统由匹配变压器、AC/DC转换器、储能装置和控制器组成。电压互感器和电流互感器分别采集电压和电流信号。将牵引母线和牵引瞬时传输到控制器控制器通过转换器控制能量存储设备充电和放电。2.工作原理电气化铁路的牵引负荷是波动的，高峰负荷功率与技术经济两方面有关，因为高峰负荷与外围电压容量的充电和电网高峰需求的充电密切相关。两段电价，调峰（调峰）可以获得技术和经济上的双重优势。不仅可以控制负面序列，减少副作用，还可以受益于两部制电价的实施。也就是说，它有一个固定的、准确的周期性，给定调峰需求或降低主变容量以盈利，然后电轨运行图以星期几为基准，即建立适当的峰谷填充策略的关键。结论我国电气化铁路的建设始于1950年代后期，用了三年时间完成了第一条电气化铁路。然而，尽管实现了电气化，我国铁路行业仍然落后。我国随后意识到电力在铁路发展中的重要性，决定加快铁路电力建设。随着中国、华北、华南三大电气化铁路系统的部署，我国的电气化铁路行业在电池储能方面达到了前所未有的水平。电力铁路一直交通运输方面发挥着重要作用。高铁的高速发展，近几年也十分引人瞩目。作由于机车的制动方式会产生大量的再生制动能量，会给电力系统造成严重的能源质量问题，也将直接影响铁路部门的经济效益。在此背景下，本篇文章共分为三个部分进行阐述。首先是对电气化铁路的供电技术做了相应的研究阐述。第二部分对多种储能系统进行了详细地阐述和分析。最后一个部分对常见的电气化铁路储能系统的系统整体结构以及工作原理进行了详细的分析。参考文献[1]耿安琪,胡海涛,张育维,等.基于阶梯能量管理的电气化铁路混合储能系统控制策略[J].电工技术学报,2021,36(23):10.[2]邬明亮,戴朝华.电气化铁路自发自用型光伏储能系统及其控制策略[J].供用电,2018,35(12):7.[3]邬明亮,王世彦.面向电气化铁路的超级