專利名稱：利用軌道運輸?shù)膬δ芟到y(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一 種利用軌道運輸?shù)膬δ馨l(fā)電系統(tǒng)，屬于大規(guī)模電力儲能領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
當(dāng)前電網(wǎng)運行面臨用電負(fù)荷持續(xù)增加、間歇性能源接入比例提高、調(diào)峰能力有限等挑戰(zhàn)，需要發(fā)展大規(guī)模儲能技術(shù)來幫助平滑間歇性電源功率波動、減小負(fù)荷峰谷差和增強(qiáng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力，保證電力系統(tǒng)的安全運行，提高系統(tǒng)對可再生能源的利用和減少經(jīng)濟(jì)發(fā)展對日益貧乏的傳統(tǒng)化石能源的依賴。目前人們已開發(fā)多種儲能技術(shù)，可分為機(jī)械儲能、電磁儲能、電化學(xué)儲能、相變儲能等。常見的抽水蓄能就是機(jī)械儲能的一種。抽水蓄能是目前技術(shù)上比較成熟的大規(guī)模、 集中式的儲能方式，利用抽水把電能轉(zhuǎn)化成蓄在高處的水的勢能，在系統(tǒng)需要時放水，利用水力發(fā)電。這樣在系統(tǒng)負(fù)荷處于低谷，有多余電力的時候抽水蓄能，在負(fù)荷高峰時放水發(fā)電，起到削峰填谷的作用。抽水蓄能的優(yōu)點是技術(shù)成熟可靠，蓄能容量可以很大，只是受到蓄水水庫庫容的限制，但是建設(shè)抽水蓄能電站需要苛刻的地理條件，需要大量的水和較好的建壩建庫條件，受自然條件限制較多，初始投資巨大，對生態(tài)環(huán)境有一定的影響。抽水蓄能在抽水和發(fā)電能量轉(zhuǎn)換過程中有一定的能量損失，儲存效率可達(dá)80%。而其他儲能方式， 如壓縮空氣或飛輪動能、化學(xué)電池、超大規(guī)模電容等實現(xiàn)的成本和技術(shù)難度很大，儲能容量小，難以實現(xiàn)國家骨干電網(wǎng)級別的超大規(guī)模的電力儲能需求。近幾年制動發(fā)電技術(shù)在混合動力/電動汽車和電力牽引機(jī)車中得到廣泛應(yīng)用。其原理是在汽車或機(jī)車制動時，利用電磁制動，把動能轉(zhuǎn)化成電能儲存在車載電池中。該原理也在飛輪儲能方式中體現(xiàn)，電能提供驅(qū)動飛速旋轉(zhuǎn)的飛輪，將電能轉(zhuǎn)換成動能，通過制動旋轉(zhuǎn)的飛輪發(fā)電，而將動能轉(zhuǎn)化為電能。目前在電氣化鐵路運輸中，電力牽引機(jī)車通過電動機(jī)將電能轉(zhuǎn)化成牽引動力，拖動負(fù)荷前進(jìn)，在制動時，電動機(jī)轉(zhuǎn)換成發(fā)電機(jī)工作，把動能轉(zhuǎn)換成電能儲存或送回電網(wǎng)。該技術(shù)成熟可靠。軌道運輸儲能系統(tǒng)正是利用相同的思想，在系統(tǒng)電力多余的時候，利用軌道運輸把負(fù)載運到高處，在電力緊缺時，利用機(jī)車把負(fù)載運到低處過程中制動發(fā)電。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于解決當(dāng)前電力儲能容量小，投資高等問題，提出了利用電氣化軌道運輸儲能和利用制動發(fā)電相結(jié)合的一種大規(guī)模電力儲能方法和一種利用軌道運輸?shù)膬δ馨l(fā)電系統(tǒng)。在系統(tǒng)電力多余時，利用電力牽引機(jī)車把重負(fù)載從低處拉到高處，將電能轉(zhuǎn)化成勢能儲存；在系統(tǒng)電力需求高時，再利用電力機(jī)車把重負(fù)載從高處拉到低處過程中制動發(fā)電，把勢能轉(zhuǎn)化成電能送回電網(wǎng)。按照本發(fā)明提供的技術(shù)方案，所述利用軌道運輸?shù)膬δ芟到y(tǒng)包括用于停放負(fù)載的高、低負(fù)載場；用于運輸負(fù)載的運輸軌道；用于提供牽引動力和傳輸制動發(fā)電的輸電線路；以及牽引/制動單元，負(fù)載單元，存儲軌道，安全軌道，控制中心，電網(wǎng)接入模塊；所述存儲軌道位于高、低負(fù) 載場中，用于停放負(fù)載單元；安全軌道位于低負(fù)載場，為運輸組合異常運行時提供緩沖；高、低負(fù)載場通過支路和所述運輸軌道連接，高、低負(fù)載場之間要求有高于100米的高度差；牽引/制動單元與輸電線路連接，牽引/制動單元從低負(fù)載場拖動負(fù)載單元至高負(fù)載場達(dá)到將電能轉(zhuǎn)化成勢能儲存，牽引/制動單元從高負(fù)載場拖動負(fù)載單元至低負(fù)載場通過制動將勢能轉(zhuǎn)化成電能通過輸電線路送入電網(wǎng)；輸電線路通過電網(wǎng)接入模塊與高壓電網(wǎng)連接，電網(wǎng)接入模塊具有變壓、整流、保護(hù)的功能，保證電力供應(yīng)和回送電網(wǎng)的電能質(zhì)量；控制中心用來管理儲能系統(tǒng)運行，根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度指令對運輸組合進(jìn)行操作控制， 控制中心利用無線或有線通信通道連接牽引/制動單元，控制儲能和發(fā)電過程。所述牽引/制動單元包括依次連接的雙模式工作電機(jī)、電源接口模塊和一個控制模塊，所述電源接口模塊與輸電線路連接；在把負(fù)載單元從低處拉到高處的過程中，雙模式工作電機(jī)工作在電動機(jī)模式，在負(fù)載單元從高處拉到低處時，雙模式工作電機(jī)工作在發(fā)電機(jī)模式，電源接口模塊把輸電線路接入雙模式工作電機(jī)，以保證雙模式工作電機(jī)在牽引時的供電和在發(fā)電時的電力輸出；所述控制單元接收控制中心的信號并自動控制雙模式工作電機(jī)完成牽引或發(fā)電任務(wù)。所述負(fù)載單元是蓄能載體，負(fù)載單元包括滿足軌道運輸?shù)牡妆P和統(tǒng)一模塊化的高比重負(fù)載，每個負(fù)載采用長方體設(shè)計。本發(fā)明的優(yōu)點是本發(fā)明運用簡單的原理，成熟的技術(shù)和模塊化設(shè)計實現(xiàn)超大容量儲能，儲電供電運行靈活，運營管理簡單，能量循環(huán)效率超高，能夠幫助平滑間歇性電源功率波動、減小負(fù)荷峰谷差和增強(qiáng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力，保證電力系統(tǒng)的安全運行，提高系統(tǒng)對可再生能源的利用和減少經(jīng)濟(jì)發(fā)展對日益貧乏的傳統(tǒng)化石能源的依賴。本發(fā)明負(fù)載能量密度高、占地少、無污染、造價低，容量可控，并且能量循環(huán)效率高，運營成本低，經(jīng)濟(jì)效益顯著， 社會效益巨大。


圖1為本方法的工程實施示意圖。圖2為階梯形負(fù)載場設(shè)計示意圖，圖2 (a)為高負(fù)載場，圖2 (b)為低負(fù)載場。圖3為運輸軌道設(shè)計示意圖，圖3 (a)為上升坡度不同軌道，圖3 (b)為曲線上升軌道。圖4為牽引/制動單元功能結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。本發(fā)明的軌道運輸儲能系統(tǒng)包括高、低負(fù)載場1，2，運輸軌道3，牽引/制動單元5，高比重負(fù)載單元6，輸電線路4，存儲軌道 7，安全軌道8，電網(wǎng)接入模塊10和控制中心9。如圖1所示，具體如下。1)高、低負(fù)載場1，2 負(fù)載場是用來存儲負(fù)載。負(fù)載場可以根據(jù)地形設(shè)計，包括平面展開或?qū)蛹壵归_，高、低負(fù)載場1，2通過支路和主運輸軌道3連接。高、低負(fù)載場1，2之間要求有高于100米的高度差，這樣可以使得1噸負(fù)載可儲能大于0. 27 (度)KWh，從而保證儲能效率。2)運輸軌道3 軌道的長度和坡度應(yīng)滿足儲能容量和拖動/制動功率設(shè)計；運輸軌道3數(shù)量應(yīng)大于或等于1，可以利用當(dāng)前鐵路貨物運輸重載軌道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，也可以采用寬軌設(shè)計，提高運輸能力。 3)提供牽引動力和傳輸制動發(fā)電的輸電線路4 輸電線路4的設(shè)計可以利用當(dāng)前電氣化鐵路運輸電力網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計，利用直流輸電進(jìn)行電力的傳輸。4)牽引/制動單元5 牽引/制動單元5應(yīng)含有雙模式工作電機(jī)(可以進(jìn)行電動機(jī)和發(fā)電機(jī)模式切換的機(jī)組)，接收和輸出電力的輔助設(shè)備和接收調(diào)度控制自動運行的控制模塊。在把負(fù)載從低處拉到高處的過程中，電機(jī)工作在電動機(jī)模式；在負(fù)載從高處拉到低處時，電機(jī)工作在發(fā)電機(jī)模式?？刂颇K接收控制中心的信號并自動完成牽引或發(fā)電任務(wù)。5)負(fù)載單元6 負(fù)載單元6是蓄能載體。負(fù)載單元6包括滿足軌道運輸?shù)牡妆P和統(tǒng)一模塊化的高比重負(fù)載，如混凝土構(gòu)件，每個負(fù)載采用長方體設(shè)計，根據(jù)牽引動力和運輸軌道的能力進(jìn)行組合。6)存儲軌道7:存儲軌道7位于負(fù)載場1，2中，用于停放負(fù)載單元6。存儲軌道7 的多少是根據(jù)負(fù)載單元6的數(shù)量來決定。7)安全軌道8 安全軌道8是位于低負(fù)載場2，為運輸組合異常運行時，提供緩沖。 安全軌道8具有一定的緩沖能力和制動能力，把異常的運輸組合導(dǎo)入安全軌道后減速，避免進(jìn)入正常存儲軌道，妨礙正常運行。8)控制中心9 控制中心9管理儲能系統(tǒng)運行，根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度指令對運輸組合進(jìn)行操作控制?？刂浦行?是一個通信、控制、監(jiān)視集成中心，對整個軌道運輸儲能系統(tǒng)進(jìn)行自動控制，包括接收電網(wǎng)調(diào)度，操作運輸組合運輸進(jìn)行儲能和發(fā)電，管理儲能系統(tǒng)運行。9)電網(wǎng)接入模塊10 電網(wǎng)接入模塊10具有變壓、整流、保護(hù)等功能，保證電力供應(yīng)和回送電網(wǎng)的電能質(zhì)量。本發(fā)明所述儲能系統(tǒng)使用直流，通過整流逆變，接入交流電網(wǎng)，保證電源質(zhì)量。以下是詳細(xì)的實施例。1)如圖1所示，高負(fù)載場1和低負(fù)載場2形成高度差，同樣的物體在高負(fù)載場1上比在低負(fù)載場2上多出勢能。假如1噸重的物體，在高度差是100米的高低負(fù)載場上的勢能是1000X9. 8 X 100=980000焦耳=0. 272千瓦時(度)電能。固定重量的物體，高度和勢能成正比，高度差越大，勢能越大。理想的高低負(fù)載場高度差應(yīng)在400米以上，這樣1噸物體可儲能大于1千瓦時(度)電能。負(fù)載場可以根據(jù)地形設(shè)計，包括平面展開(如圖1所示)或?qū)蛹壵归_(如圖2所示)， 通過支路和主運輸軌道連接。平面負(fù)載場是理想的負(fù)載場，所有負(fù)載在同一場中，可以靈活組合，尤其是在多軌儲能系統(tǒng)運行中可自由調(diào)度。層級負(fù)載場可以沿地形變化建設(shè)，減少對地形要求，適于在頂部面積有限的山上。2)運輸軌道3主要是提供運輸組合運行的軌道。軌道的長度和坡度應(yīng)滿足儲能容量和拖動/制動功率設(shè)計。理想的運輸軌道是具有相同坡度的軌道。這樣可以在負(fù)載勻速移動時保持相同的功率，易于控制。其他的選擇，如圖3，具有不同上升坡度的運輸軌道(如 a所示)和曲線上升的運輸軌道(如b所示)也是可以的。運輸軌道3可以利用當(dāng)前鐵路貨物運輸重載軌道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，也可以采用寬軌設(shè)計，提高運輸能力。運輸軌道3數(shù)量大于或等于1。假如一條400米高的軌道每小時可以運輸10000 噸，儲能10000千瓦時，兩條軌道就可以運輸20000千瓦時，這相當(dāng)于一臺20兆瓦的機(jī)組運行一個小時。采用多軌 運輸可以提高儲能/發(fā)電的速度。3)輸電線路4是提供牽引動力和傳輸制動發(fā)電的電力傳輸通道，它的設(shè)計可以利用當(dāng)前電氣化鐵路運輸電力網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計，采用直流輸電進(jìn)行電力的傳輸。4)牽引/制動單元5是能量轉(zhuǎn)換平臺。如圖4所示，牽引/制動單元5至少含有電動機(jī)/發(fā)電機(jī)雙模式工作電機(jī)，電源接口模塊和控制模塊。雙模式工作電機(jī)、電源接口模塊和控制模塊依次連接，電源接口模塊與輸電線路4連接。在把負(fù)載單元6從低處拉到高處的過程中，雙模式工作電機(jī)工作在電動機(jī)模式，在負(fù)載單元6從高處拉到低處時，雙模式工作電機(jī)工作在發(fā)電機(jī)模式。電源接口模塊主要把輸電線路4接入電機(jī)，以保證電機(jī)在牽引時的供電和在發(fā)電時的電力輸出?？刂颇K具有無線通信能力，提供無人操作功能。它接收控制中心的信號并自動控制雙模式工作電機(jī)完成牽引或發(fā)電任務(wù)。5)負(fù)載單元6是蓄能載體。負(fù)載單元6包括滿足軌道運輸?shù)牡妆P和統(tǒng)一模塊化的高比重負(fù)載(例如混凝土構(gòu)件)，每個負(fù)載采用長方體設(shè)計，根據(jù)牽引動力和運輸軌道的能力進(jìn)行組合。假設(shè)每個負(fù)載單元100噸重，儲能10000千瓦時，需要100個負(fù)載。6)存儲軌道7是用于停放負(fù)載單元的軌道。這些軌道組成負(fù)載存儲場。存儲軌道 7的多少是根據(jù)負(fù)載單元6的數(shù)量來決定。如果每個負(fù)載20米長，對于一個10000千瓦時的儲能場，100個負(fù)載，至少需要2000米存儲軌道。7)安全軌道8是為運輸組合異常運行時，提供緩沖的軌道。安全軌道8位于低負(fù)載場，具有一定的緩沖能力和制動能力，把異常的運輸組合導(dǎo)入安全軌道后減速，避免進(jìn)入正常存儲軌道，妨礙正常運行。安全軌道8具有一定的上升坡度，在軌道盡頭是緩沖帶，讓異常運行負(fù)載停止運行。8)控制中心9用來管理儲能系統(tǒng)運行，根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度指令對運輸組合進(jìn)行操作控制，控制中心9利用無線或有線通信通道連接牽引/制動單元5，控制儲能和發(fā)電過程?？刂浦行?含有監(jiān)控系統(tǒng)，對儲能系統(tǒng)的各個單元進(jìn)行監(jiān)控。9)電網(wǎng)接入模塊10具有變壓、整流、保護(hù)等功能，保證電力供應(yīng)和回送電網(wǎng)的電能質(zhì)量。運輸系統(tǒng)使用直流，通過整流逆變，接入交流電網(wǎng)，保證電源質(zhì)量。對本發(fā)明分析如下本發(fā)明將非線性潮流約束線性化，將連續(xù)性隨機(jī)變量離散化， 形成利于求解的二階段隨機(jī)優(yōu)化問題。對系統(tǒng)進(jìn)行故障分析，選擇對系統(tǒng)運行影響較大的故障類型，來縮小系統(tǒng)隨機(jī)變量空間，減少問題求解的難度?？紤]新能源發(fā)電的間歇性，在故障情況下和發(fā)電出力不確定時，要求足夠的系統(tǒng)備用容量來保證系統(tǒng)運行的可靠性。本發(fā)明可以幫助系統(tǒng)運行方式合理地計劃系統(tǒng)在大量新能源發(fā)電接入情況下的發(fā)電出力和系統(tǒng)備用；對運行計劃中的系統(tǒng)備用和非計劃中的系統(tǒng)備用進(jìn)行區(qū)分，設(shè)計適當(dāng)?shù)膮?shù)來保證優(yōu)先調(diào)度計劃中系統(tǒng)備用，校核系統(tǒng)故障后的備用容量的可用性。因系統(tǒng)故障而引起的系統(tǒng)傳輸堵塞會限制一些發(fā)電機(jī)出力，包括備用容量的調(diào)度。該方法計算故障后的再調(diào)度，考慮了故障后輸電的可行性。分析所有組合的再調(diào)度的情況，給系統(tǒng)運行和計劃人員提供系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)和獲取額外系統(tǒng)備用的信息，增強(qiáng)系統(tǒng)運行的可靠性。綜上，本發(fā)明擁有以下優(yōu)點。1)本發(fā)明利用電氣化軌道運輸儲能和利用制動發(fā)電相結(jié)合，在系統(tǒng)電力多余時， 利用電力牽引機(jī)車把重負(fù)載從低處拉到高處，將電能轉(zhuǎn)化成勢能儲存；在系統(tǒng)電力需求高時，再利用電力機(jī)車把重負(fù)載從高處拉到低處過程中制動發(fā)電，把勢能轉(zhuǎn)化成電能送回電網(wǎng)，原理簡單，技術(shù)成熟。2)本發(fā)明運用模塊化設(shè)計，結(jié)構(gòu)簡單，擴(kuò)展容易。 3)本發(fā)明利用電力牽引和制動發(fā)電，電機(jī)在電動機(jī)和發(fā)電機(jī)工作模式效率高，考慮運輸中消耗，儲能效率可超過80%。4)本發(fā)明利用軌道運輸，軌道可以沿山體建設(shè)，土工建設(shè)成本低。5)本發(fā)明分離牽引/制動單元和負(fù)載單元，可重復(fù)使用高成本牽引/制動單元，降低成本，提高牽引/制動單元使用效率。6)本發(fā)明在運輸系統(tǒng)使用直流，和電網(wǎng)隔離，運行對電網(wǎng)沒有頻率的影響。7)本發(fā)明利用高比重的材料做負(fù)載，能量密度大，占地少。8)本發(fā)明在運行中不產(chǎn)生廢氣廢物排放，無污染。9)本發(fā)明利用遙控運輸組合工作，無需運行人員跟隨操作，減少運行人員需求，降低運營成本。
權(quán)利要求
1.利用軌道運輸?shù)膬δ芟到y(tǒng)，其特征是包括用于停放負(fù)載的高、低負(fù)載場(1，2)；用于運輸負(fù)載的運輸軌道(3)；用于提供牽引動力和傳輸制動發(fā)電的輸電線路(4);以及牽引/制動單元(5)，負(fù)載單元(6)，存儲軌道(7)，安全軌道(8)，控制中心(9)，電網(wǎng)接入模塊 (10)；所述存儲軌道(7)位于高、低負(fù)載場(1，2)中，用于停放負(fù)載單元(6)；安全軌道(8) 位于低負(fù)載場(2)，為運輸組合異常運行時提供緩沖；高、低負(fù)載場(1，2)通過支路和所述運輸軌道(3)連接，高、低負(fù)載場(1，2)之間要求有高于100米的高度差；牽引/制動單元 (5)與輸電線路(4)連接，牽引/制動單元(5)從低負(fù)載場(2)拖動負(fù)載單元(6)至高負(fù)載場(1)達(dá)到將電能轉(zhuǎn)化成勢能儲存，牽引/制動單元(5)從高負(fù)載場(1)拖動負(fù)載單元(6) 至低負(fù)載場(2)通過制動將勢能轉(zhuǎn)化成電能通過輸電線路(4)送入電網(wǎng)；輸電線路(4)通過電網(wǎng)接入模塊(10)與高壓電網(wǎng)連接，電網(wǎng)接入模塊(10)具有變壓、整流、保護(hù)的功能，保證電力供應(yīng)和回送電網(wǎng)的電能質(zhì)量；控制中心(9)用來管理儲能系統(tǒng)運行，根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度指令對運輸組合進(jìn)行操作控制，控制中心(9)利用無線或有線通信通道連接牽引/制動單元 (5)，控制儲能和發(fā)電過程。
2.如權(quán)利要求1所述利用軌道運輸?shù)膬δ芟到y(tǒng)，其特征是所述牽引/制動單元(5)包括依次連接的雙模式工作電機(jī)、電源接口模塊和一個控制模塊，所述電源接口模塊與輸電線路(4)連接；在把負(fù)載單元(6)從低處拉到高處的過程中，雙模式工作電機(jī)工作在電動機(jī)模式，在負(fù)載單元(6)從高處拉到低處時，雙模式工作電機(jī)工作在發(fā)電機(jī)模式，電源接口模塊把輸電線路(4)接入雙模式工作電機(jī)，以保證雙模式工作電機(jī)在牽引時的供電和在發(fā)電時的電力輸出；所述控制單元接收控制中心(9)的信號并自動控制雙模式工作電機(jī)完成牽引或發(fā)電任務(wù)。
3.如權(quán)利要求1所述利用軌道運輸?shù)膬δ芟到y(tǒng)，其特征是所述負(fù)載單元(6)是蓄能載體，負(fù)載單元(6)包括滿足軌道運輸?shù)牡妆P和統(tǒng)一模塊化的高比重負(fù)載，每個負(fù)載采用長方體設(shè)計。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種利用軌道運輸?shù)膬δ芟到y(tǒng)，包括用于停放負(fù)載的高、低負(fù)載場；用于運輸負(fù)載的運輸軌道；用于提供牽引動力和傳輸制動發(fā)電的輸電線路；以及牽引/制動單元，負(fù)載單元，存儲軌道，安全軌道，控制中心，電網(wǎng)接入模塊。本發(fā)明利用電氣化軌道運輸儲能和利用制動發(fā)電相結(jié)合，在系統(tǒng)電力多余時，利用電力牽引機(jī)車把重負(fù)載從低處拉到高處，將電能轉(zhuǎn)化成勢能儲存；在系統(tǒng)電力需求高時，再利用電力機(jī)車把重負(fù)載從高處拉到低處過程中制動發(fā)電，把勢能轉(zhuǎn)化成電能送回電網(wǎng)。本發(fā)明可以實現(xiàn)超大容量儲能，能量密度高、容量可控，并且運營管理簡單，能量循環(huán)效率超高。
文檔編號H02J3/28GK102157951SQ201110053679
公開日2011年8月17日 申請日期2011年3月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月7日
發(fā)明者雍太有 申請人:無錫愛索思電力科技有限公司