发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种电气化铁路多场景自洽能源系统，能够因地制宜、因网制宜、因荷制宜的选取可再生能源与铁路系统的融合发展形式，利于实现铁路供能的多元绿色化、用能管理的弹性化，同时在不改变原始牵引供电系统结构的前提下，能够有效改善牵引供电系统电能质量并提高系统供电可靠性。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种电气化铁路多场景自洽能源系统，包括分相牵引供电系统和中央控制器，还包括所内自洽能源系统、所间自洽能源系统和/或区间自洽能源系统，所内自洽能源系统、所间自洽能源系统和/或区间自洽能源系统独立或组合式设置；

所述所内自洽能源系统设置在分相牵引供电系统的牵引变电所电分相处，所述所间自洽能源系统设置在分相牵引供电系统的分区所电分相处，所述区间自洽能源系统设置在分相牵引供电系统的供电臂上，所述中央控制器与所内自洽能源系统、所间自洽能源系统、区间自洽能源系统通信连接。

进一步的是，所述所内自洽能源系统包括多向能量路由装置Ⅰ、多异质新能源供给系统Ⅰ和局域控制单元Ⅰ；所述多向能量路由装置Ⅰ的两相交流传输端口分别跨接于对应的牵引变电所电分相处的供电臂与钢轨之间，所述多向能量路由装置Ⅰ的直流传输端口与多异质新能源供给系统Ⅰ的直流能量枢纽线相连；多向能量路由装置Ⅰ和多异质新能源供给系统Ⅰ均与局域控制单元Ⅰ通信连接，局域控制单元Ⅰ与中央控制器通信连接。

进一步的是，所述所间自洽能源系统结构包括多向能量路由装置Ⅱ、多异质新能源供给系统Ⅱ和局域控制单元Ⅱ；所述多向能量路由装置Ⅱ的的交流传输端口分别跨接于分区所电分相处两侧供电臂与钢轨之间，所述多向能量路由装置Ⅱ的直流传输端口与多异质新能源供给系统Ⅱ的直流能量枢纽线相连；多向能量路由装置Ⅱ和多异质新能源Ⅱ供给系统均与局域控制单元Ⅱ通信连接，局域控制单元Ⅱ与中央控制器通信连接。

进一步的是，所述区间自洽能源系统包括单相降压变压器Ⅲ、单相四象限变流器Ⅲ、直流支撑电容Ⅱ、多异质新能源供给系统Ⅲ和局域控制单元Ⅲ；其中，所述多异质新能源供给系统Ⅲ的输出端口经直流支撑电容Ⅱ与单相四象限变流器Ⅲ直流侧相连，单相四象限变流器Ⅲ交流侧与单相降压变压器Ⅲ副边相连，其原边接入某独立供电臂；各组成环节间由局域控制单元Ⅲ与中央控制器通信连接。

进一步的是，多向能量路由装置Ⅰ和多向能量路由装置Ⅱ的结构相同，包括单相降压变压器Ⅰ、单相降压变压器Ⅱ和背靠背变流器；所述背靠背变流器中单相四象限变流器Ⅰ和单相四象限变流器Ⅱ的交流侧分别与单相降压变压器Ⅰ和单相降压变压器Ⅱ的副边连接，直流侧均连接至直流支撑电容Ⅰ两端，共同维持直流母线电压的稳定；所述单相降压变压器Ⅰ和单相降压变压器Ⅱ的原边分别引出两相交流传输端口，直流支撑电容Ⅰ两端引出直流传输端口，与分相牵引供电系统和多异质新能源供给系统进行能量的多向交互；所述多向能量路由装置在保证能量有效传输的同时，还可兼具实现牵引侧电能质量综合补偿功能。

进一步的是，多异质新能源供给系统Ⅰ、多异质新能源供给系统Ⅱ和多异质新能源供给系统Ⅲ的结构相同，依据不同供能场景，包括既有新能源发电供能单元、新建新能源发电供能单元和/或能量存储及综合利用单元，既有新能源发电供能单元、新建新能源发电供能单元和/或能量存储及综合利用单元独立或组合式设置；所述既有新能源发电供能单元、新建新能源发电供能单元、和能量存储及综合利用单元并行接入直流能量枢纽线；多异质新能源供给系统可依据线路实际建设情况，因地制宜、因荷制宜、因网制宜的选取上述独立或组合式供能场景，以保证系统综合效益最大化。

进一步的是，所述既有新能源发电供能单元包括独立利用沿线既有新能源并网发电系统供能装置和/或独立利用沿线既有直流微电网群供能装置；

沿线既有新能源并网发电系统供能装置独立或组合式包括沿线既有光伏并网发电系统、沿线既有风力并网发电系统、沿线既有水力并网发电系统和/或其他新能源并网发电系统，通过在既有并网发电系统与三相公共电网Ⅱ间设置相同电压等级的未消纳电能外送点，将沿线可用新能源电能尽可能汇集至交流防雷汇流箱，汇流后的电能经三相降压变压器降压，再经三相AC/DC整流器Ⅰ整流为需求电压等级的直流电；其中，所述三相AC/DC整流器Ⅰ的交流侧与三相降压变压器的副边相连，直流侧并行接入直流能量枢纽线实现能量交互；

独立利用沿线既有直流微电网群供能装置包括沿线可用的第一直流微电网至第n直流微电网，所述微电网未消纳的电能经直流防雷汇流箱汇流，再由DC/DC变换器Ⅰ变换为需求电压等级的直流电，所述DC/DC变换器Ⅰ的输入侧与直流防雷汇流箱相连，输出侧并行接入直流能量枢纽线实现能量交互。

进一步的是，综合沿线可再生能源分布情况及建设条件，独立或组合式建设多异质能源系统，所述新建新能源发电供能单元独立或组合式包括光伏发电装置、风力发电装置、水力发电装置、微型燃气轮机发电装置和/或其他可用的新能源发电装置；其中，所述光伏发电装置中光伏阵列输出端与DC/DC变换器Ⅴ输入端相连；所述风力发电装置中风力发电机输出端与三相AC/DC变换器Ⅱ交流端相连；所述水力发电装置中水力发电机输出端与三相AC/DC变换器Ⅲ交流端相连；所述微型燃气轮机发电装置中微型燃气轮机输出端与三相AC/DC变换器Ⅳ交流端相连；各变换器的直流输出端均并行接入直流能量枢纽线实现能量交互，各变换器内部独立实现交/直流电能变换及最大功率点跟踪等功能。

进一步的是，所述能量存储及综合利用单元独立或组合式包括储能单元、直流充电桩装置、制氢装置和/或燃料电池发电装置；所述储能单元中储能装置输出端与双向DC/DC变换器相连；所述直流充电桩单元中直流充电桩与DC/DC变换器Ⅱ输出端相连；所述制氢单元中电解槽与DC/DC变换器Ⅲ输出端相连；所述燃料电池发电单元中燃料电池电堆与DC/DC变换器Ⅳ输入端相连；各变换器的直流输入/输出端均并行接入直流能量枢纽线实现能量交互；

所述能量存储及综合利用单元作为能量中转站，一方面当系统中存在无法完全消纳的新能源电能或未转移利用的再生制动电能时，此环节可将多余电能直接存储于储能单元，或将多余电能通过直流充电桩单元为列车上有能量消耗的车载应急电源充电/或为来往于车站的电动车辆充电，抑或是通过制氢单元将多余电能转化为氢气，除了可为燃料电池发电单元供给燃料，多余氢气也可供给临近本地负荷使用；另一方面，当牵引侧需求电能不能完全满足时，储能单元和燃料电池发电单元进行及时地电能补充，以保证整个系统能量的供需平衡。

进一步的是，所述所内自洽能源系统采用多重化所内自洽能源系统，由多个所内自洽能源系统进行模块化并联构成；所间自洽能源系统采用多重化所间自洽能源系统，由多个所间自洽能源系统进行模块化并联构成；所述区间自洽能源系统采用多重化区间自洽能源系统，由多个区间自洽能源系统进行模块化并联构成；以达到系统扩容、故障容错等运行目的。

采用本技术方案的有益效果：

本发明能够因地制宜的选择不同新能源供能形式，对于沿线含有已建新能源并网发电系统或微电网群可采用直接供能形式，能够在提高既有系统电能消纳率的同时(减少弃风弃光弃水)，降低铁路新能源系统投资成本；对于不具备既有新能源系统的线路，可综合沿线可再生能源分布情况及建设条件，采用新建新能源发电系统供能形式；此类应用形式利于保证供能场景的经济可持续性。

本发明能够因网制宜的选择新能源发电系统与牵引供电系统的耦合方案，包括所内自洽能源系统耦合方案、所间自洽能源系统耦合方案、区间自洽能源系统耦合方案，各方案均能独立实现供能的低碳绿色化；多种耦合位置能够更好的适配现有牵引网宽区域跨度及分段供电特性，增加了实际应用场景的可选择性；同时，组合式供电方案在上述效益基础上还能够实现全局/局域线路柔性互联，利于特定区段的能量路由及功率融通，尤其是对于未消纳电能及应急供电场景，可进一步提升系统用能能效及供电可靠性。

本发明能够因荷制宜的提高牵引供电系统供电质量及用能弹性化，具体来说，一方面所内/所间自洽能源系统中采用的背靠背结构在保证能量有效传输的同时，可兼具实现牵引侧电能质量综合补偿功能；区间自洽能源系统中采用的单相逆变结构虽电能质量综合效果不及前者，但技术成熟度更高、建设成本更低，这也为用户提供了多种权衡空间；另一方面，三种方案均设置有能量存储及综合利用环节，能够实现新能源电能及再生制动能量的高效利用，利于实现综合效益的最大化。