基于储能的箱式变电站的制作方法

1.本实用新型属于轨道交通供电系统技术领域，尤其涉及一种基于储能的箱式变电站。


背景技术：

2.目前随着国内轨道交通行业的不断扩大，在面临跨越山区、丘陵、江河和海洋的地形中出现了越来越多的长区间或长大坡道区间。如深圳地铁4号线由特区内延伸到特区外的二线拓展区,需要穿越大脑壳山；重庆地铁1号线由市区延伸到西部大学城,需要穿越歌乐山；深圳地铁11号线，跨海总长大 4175米；青岛地铁1号线，跨海段线路全长约8.1km；武汉地铁规划了多条跨越长江的地铁线路。长大区间的供电线路在运营密度较大时易出现供电电压过低的问题。
3.此外，随着国内经济的发展，城市轨道交通的运力也越来越大，部分城市地铁线路在设计初期未能考虑到变电所供电需求容量远期变化如此之大，导致供电变电所距离远的供电线路，在运营高峰期时，远离两端变电所的区域存在多列车牵引时，因变电所容量不足或线路阻抗过大，导致直流供电电压跌落严重，影响了行车安全和供电系统的稳定性。
4.针对上述出现的供电区间，特别是长区间内，供电电压过低的问题，现有的解决方式为增加既有变电所一次供电回路配置容量或在区间内增设变电所，以满足该区间内牵引网供电电压的要求。增设传统变电所需接入轨道车辆的ac35kv/10kv中压供电环网，或单独从城市电网的中压电网取电，通过降压整流后，经开关柜接入dc750v/15o0v直流供电网。
5.然而，接入地铁的ac35kv/10kv中压供电环网需要增加地铁线路主变电所的供电容量，单独从城市电网的中压电网取电需要单独增加该变电所的用电容量。两种方式均需要向国家电网报备审批，占用国家电网供电总容量；增设传统变电所会增加土地占用和供电设备成本；增设传统变电所施工量巨大,增加了工程投资，甚至影响现有线路的运营。


技术实现要素：

6.针对相关技术中存在的不足之处，本实用新型提供了一种基于储能的箱式变电站，该箱式变电站可直接接入供电区间电网，从电网上吸收并释放电能，无需额外增加既有变电所的供电容量，无需大规模施工，简单易行，成本低。
7.本实用新型提供一种基于储能的箱式变电站，用于轨道交通供电区间内吸收并释放电能，包括：
8.馈线柜，馈线柜接入供电区间的接触网或供电轨上；
9.负极柜，负极柜接入供电区间的供电线路的回流轨上；
10.控制柜，控制柜与馈线柜连接，控制柜内设置有上位控制器，用于系统逻辑控制；
11.信号柜，信号柜与控制柜连接，用于箱式变电站内部以及箱式变电站与外部轨道线路的通信；
12.变流单元，变流单元与控制柜和负极柜连接，变流单元包括一台或两台以上dc/dc
变流器；
13.能量储存单元，能量储存单元与变流单元和控制柜连接，能量储存单元用于存储和释放电能；
14.其中，控制柜被配置为：当电网电压高于充电阈值时控制能量储存单元进行充电，当电网电压低于放电阈值时控制能量储存单元进行放电。
15.在其中一些实施例中，控制柜内还设置有校时服务器，校时服务器与上位控制器连接，用以获取当前时间并根据当前时间的行车数量匹配相应的工作模式。
16.在其中一些实施例中，能量储存单元包括一台或两台以上的超级电容器或电池。
17.在其中一些实施例中，能量储存单元内设置有第一底层控制器，第一底层控制器与上位控制器和超级电容器或电池连接，用于实现电能的管理并根据上位控制器的指令进行操作。
18.在其中一些实施例中，能量储存单元还包括放电装置，放电装置与超级电容器或电池连接，用于检修维护时将能量储存单元的电能释放至安全水平。
19.在其中一些实施例中，变流单元内还设置第二底层控制器，第二底层控制器与上位控制器以及dc/dc变流器连接，用于执行变流器算法并根据上位控制器的指令进行操作。
20.在其中一些实施例中，信号柜内配置有光纤接口以及调制解调器，信号柜通过光纤接口以光纤方式与外部轨道线路的远程遥控系统互通；或
21.信号柜内配置有无线通信模块，信号柜通过无线通信模块以无线方式与外部轨道线路的远程遥控系统互通。
22.在其中一些实施例中，馈线柜包括两台，分别接入上行轨道和下行轨道的接触网或供电轨中，以实现上行线路和下行线路的单独供电。
23.在其中一些实施例中，馈线柜包括高速断路器、综合保护装置以及避雷器；负极柜包括电动隔离开关和框架保护装置，框架保护装置在箱式变电站出现接地故障时切断箱式变电站与箱变地之间的电气连接。
24.在其中一些实施例中，箱式变电站还包括空调冷却系统、乙腈检测系统以及消防系统。
25.基于上述技术方案，本实用新型实施例中所提供的基于储能的箱式变电站，集成了能量储存单元，可作为微型变电所直接安装在供电区间内，用于解决轨道交通供电区间，特别是长区间，供电电网电压较低的问题，无需报备审批增加供电容量，无需大规模施工，简单易行，成本低。
附图说明
26.此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本技术的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：
27.图1为本实用新型基于储能的箱式变电站实施例的结构示意图；
28.图中：1、馈线柜；2、负极柜；3、控制柜；4、信号柜；5、变流单元； 6、能量储存单元。
具体实施方式
29.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而非全部的实施例。基于本实用新型的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
30.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
31.术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
32.在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
33.在本实用新型基于储能的箱式变电站的一个示意性实施例中，该箱式变电站内集成了能量储能单元，用于在轨道交通供电区间内吸收并释放电能。如图1所示，该基于储能的箱式变电站包括：馈线柜1，接入供电区间的接触网或供电轨上；负极柜2，接入供电区间的供电线路的回流轨上；控制柜3，与馈线柜1连接，控制柜3内设置有上位控制器，用于系统逻辑控制；信号柜4，与控制柜3连接，用于箱式变电站内部以及箱式变电站与外部轨道线路的通信；变流单元5，与控制柜3和负极柜2连接，变流单元5包括一台或两台以上dc/dc变流器；能量储存单元6，与变流单元5和控制柜3连接，能量储存单元用于存储和释放电能；其中，控制柜3被配置为：当电网电压高于充电阈值时控制能量储存单元6进行充电，当电网电压低于放电阈值时控制能量储存单元6进行放电。
34.需要说明的是，在上述示意性实施例中，所提供的基于储能的箱式变电站，集成了能量储存单元6，该能量储存单元6既可从电网直接获取电能也可回收相邻区间内列车制动产生的再生制动能量并储存起来，以供电网电压跌落严重时放电。上述实施例中的充电阈值和放电阈值，本领域技术人员可根据实际供电线路的运营情况进行设置。
35.该箱式变电站可用于轨道交通线路中无法增设传统变电所或无法增加城市电网用电容量的场合，可作为微型变电所直接装机应用在供电区间内，用于解决轨道交通供电区间，特别是长区间，供电电网电压较低的问题；以经济可行的方式解决或缓解长区间供电电网电压跌落严重的问题，无需报备审批增加供电容量，土建工作量小，可户外安装，且不会影响既有线路的正常运行，简单易行，成本低。
36.区别于传统的变电所需要向国家电网增加2mw以上的中压电网 110kv/35kv/10kv用电容量，本实施例所提供的箱式变电站仅需从外部取用市电20kw的380vac的电源用于系统的控制电源，本装置利用地铁既有线路直流供电环节闲时的供电容量，错时调峰，不需要向国家电网申请增加中压电网110kv/35kv/10kv用电容量。
37.例如，在长区间供电区段直流母线电压跌落严重的区域安装该箱式变电站，可以
容易地实现线路无车或少车运行时，从供电线路中小功率汲取并储存电能，当线路区间多列车牵引导致电网电压跌落严重时，该箱式变电站可释放电能，支撑相应区段的电网电压。
38.在一些实施例中，该箱式变电站安装于直流电网电压最低点，不受线路阻抗因素干扰。
39.该箱式变电站的控制柜3内含上位控制器，用于系统的逻辑控制，可实现箱式变电站内所有馈线柜1、负极柜2内开关器件的本地和遥控操作，以及箱式变电站的投退功能。
40.控制柜3内设置有通讯接口，与信号柜4进行信息交互，实现远程遥控功能。
41.在一些实施例中，控制柜3内设置有电动隔离开关和电流分断能力开关。
42.在一些实施例中，控制柜3内还设置有校时服务器，校时服务器与上位控制器连接，用以获取当前时间并根据当前时间的行车数量匹配相应的工作模式。
43.上述实施例针对轨道交通运营过程中，在某供电区间内并非所有时间段均有列车牵引运行的情况提出。例如，部分线路运营时，只有上下班早高峰时间段或特殊时间点才会在供电区间内出现多辆列车牵引的情况，此时易出现电压跌落的情况；其余时间段内可能仅有一辆列车运行或无列车运行，此时电网电压不需要大功率支撑。针对该不同时间段内电网电压需求不同的情况，该实施例所提供的箱式变电站具有校时功能，可获取当前时间，进而根据当前时间内的行车数量匹配合理的工作模式。例如，针对多列车牵引的时间段，箱式变电站以放电功能为主，为电网提供电压支撑；针对仅有一辆列车或无车运行时间段，箱式变电站可吸收相邻区间内列车制动产生的能量并储存起来，以供电网电压跌落时使用。通过以上方式可实现电能的合理分配和使用。
44.在一些实施例中，能量储存单元6包括一台或两台以上的超级电容器或电池。只要可以实现储存和释放电能，本领域技术人员可根据实际需要进行选择。
45.在一些实施例中，能量储存单元6内设置有第一底层控制器，该第一底层控制器与超级电容器或电池连接，并且与控制柜3内的上位控制器存在硬线和通讯连接，能量储存单元6按照上位控制器的指令进行设备的启停动作。
46.在一些实施例中，能量储存单元6还包括放电装置，放电装置与超级电容器或电池连接，用于检修维护时将能量储存单元的电能释放至安全水平。
47.在一些实施例中，变流单元5内还设置第二底层控制器，用于执行变流器算法，第二底层控制器与dc/dc变流器连接用于为能量储存单元6充放电，并且变流单元5与控制柜3内的上位控制器存在硬线和通讯连接，以按照上位控制器的指令进行设备的启停动作。
48.在一些实施例中，针对可敷设光缆的场合，信号柜4内配置有光纤接口以及调制解调器，信号柜4通过光纤接口以光纤方式与外部轨道线路的远程遥控系统互通。
49.在一些实施例中，针对不方便敷设光缆的场合，信号柜4内配置有无线通信模块，信号柜4通过无线通信模块以无线方式与外部轨道线路的远程遥控系统互通。本领域技术人员可根据实际需要选择相应的无线通信模块，例如，可采用4g模块进行无线通信。
50.在一些实施例中，信号柜4与控制柜3采用modbus
‑
rtu协议通讯。
51.在一些实施例中，馈线柜1用于将箱式变电站的正极接入供电电网的正极；每台箱式变电站配置两台馈线柜1，分别接入上行轨道和下行轨道的接触网或供电轨中，以实现上行线路和下行线路的单独供电，使得该箱式变电站具有双线路供电和单线路工作模式，可实现在上行线路故障时，向非故障的下行线路单独供电，反之亦然。
52.具体的，馈线柜1可通过敷设线缆的方式接到长区间供电区段上行轨道和下行轨道的接触网或供电轨上。
53.在一些实施例中，馈线柜1包括高速断路器、综合保护装置以及避雷器，可实现快速断路保护和雷击保护功能。
54.在一些实施例中，负极柜2用于将箱式变电站的负极接入供电电网的负极，具体地可通过敷设线缆的方式接入供电区间的供电线路的回流轨上。
55.在一些实施例中，负极柜2包括电动隔离开关和框架保护装置，框架保护装置在箱式变电站出现接地故障时切断箱式变电站与箱变地之间的电气连接。
56.在一些实施例中，箱式变电站还包括空调冷却系统、乙腈检测系统以及消防系统。
57.通过对本实用新型基于储能的箱式变电站的多个实施例的说明，可以看到本实用新型基于储能的箱式变电站实施例至少具有以下一种或多种优点：
58.(1)该基于储能的箱式变电站，集成了能量储存单元，可作为微型变电所直接安装在供电区间内，用于解决轨道交通供电区间，特别是长区间内，供电电网电压较低的问题，且不会影响既有线路的正常运行；
59.(2)该基于储能的箱式变电站，无需报备审批增加供电容量，土建量小，施工方便，可户外安装，成本低，可节省传统变电所建设成本90％以上，为缓解城市轨道交通长区间供电电压跌落提供了一种经济可行的解决方案；
60.(3)在长区间供电区段直流母线电压跌落严重的区域安装该箱式变电站，可以容易地实现线路无车或少车运行时，从供电线路中小功率汲取并储存电能，当线路区间多列车牵引导致电网电压跌落严重时，该箱式变电站可释放电能，支撑相应区段的电网电压，以实现不通过新增国家电网电容量来支撑电网电压；
61.(4)针对不同时间段内电网电压需求不同的情况，该基于储能的箱式变电站设置有校时服务器，使得箱式变电站具有校时功能，可获取当前时间，进而根据当前时间内的行车数量匹配合理的工作模式，实现电能的合理分配和使用。
62.最后应当说明的是：本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
63.以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本实用新型的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本实用新型技术方案的精神，其均应涵盖在本实用新型请求保护的技术方案范围当中。