專利名稱：再生混合電源系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種混合電源系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用兩種電源裝置，其中包括基本電源裝置，用來調(diào)節(jié)基本電力的暫時過剩與不足，以及輔助電源裝置，用來消除電力過?；虿豢杀苊獾耐蝗坏臅簳r的或短時間的電力不足，這總是或多或少地發(fā)生，只要電源應(yīng)用在這樣的領(lǐng)域中，其中電力被部分地或全部地利用，或應(yīng)用于所有這樣的系統(tǒng)，其中具有從發(fā)出功率的第一級到例如機械系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等的最末級各種可利用的功率狀態(tài)。
更具體地說，本發(fā)明涉及一種混合電源系統(tǒng)，該系統(tǒng)在發(fā)電廠、變電站或和電車的供電系統(tǒng)相連的要求負載的電車中電力過剩時作為負載用來儲存能量；并涉及一種混合電源系統(tǒng)，它在電力供應(yīng)不足時由輔助的電源裝置向負載供電作為調(diào)節(jié)。
參照圖6說明常規(guī)的混合電源系統(tǒng)。圖6所示的混合電源系統(tǒng)100包括作為能量存儲裝置的輕油存儲裝置26，作為能量轉(zhuǎn)換器的柴油機27，發(fā)電裝置3，電車上的電力再生制動裝置4a，例如再生裝置，鉛酸蓄電池28，電源調(diào)節(jié)裝置29?；旌想娫聪到y(tǒng)100是一種電車上的蓄電池再生型混合電源裝置，用來向包括驅(qū)動設(shè)備等的負載13供電。例如，圖中所示的混合電源系統(tǒng)100被安裝在柴油機車內(nèi)。在通常時間內(nèi)，它借助于使用作為驅(qū)動源的柴油機27的發(fā)電裝置3發(fā)電，并向負載13供電，以便使其上的電車運行，并且也對鉛酸電池28用多余電力充電。當(dāng)在短時間內(nèi)發(fā)生電力不足時，缺少的電力由鉛酸電池28補償。借助于在電車上的發(fā)電裝置4通過再生發(fā)電發(fā)出的電力用來給鉛酸電池28充電。
一些這種混合電源系統(tǒng)的例子在下列文獻中出現(xiàn)了“Internal CombustionEngine and Accumulator”(Intersociety Energy Conversion EngineeringConferenceIECEC，15th，1980，Vol.3，PP.1760)，和“Hybrid Power Device ofExternal Combustion Engine and Accumulator”(IECEC，27th，1992.Vol.3，pp.3167).然而存在的問題是由蓄電池的充電速度決定的充電能力(KW)低；以及在這種常規(guī)系統(tǒng)中單位重量的充電能量(KWh)也低.還有一種使用內(nèi)燃機和飛輪的混合電源裝置(IECEC，25th，1994，pp.205-211)。然而，這種裝置的問題在于，在當(dāng)前環(huán)境下單位飛輪重量的充電容量(KWh)相當(dāng)?shù)汀＿€有另一種包括內(nèi)燃機和熱電轉(zhuǎn)換器的混合電源裝置，但是它具有相當(dāng)?shù)偷臒犭娹D(zhuǎn)換效率(IECEC，25th1994，pp.1419)的問題。有另外一種包括燃料電池和蓄電池的混合電源裝置的混合電源裝置(IECEC，23rd，1988，pp.227)，但它有蓄電池的重量能量效率及其充電能力非常低的問題。
這種常規(guī)的混合電源裝置是通過結(jié)合多個已經(jīng)付諸實用的發(fā)電裝置實現(xiàn)的。這些混合電源裝置采用多個發(fā)電電源，并利用它們之間的互補關(guān)系用對方的長處補償各自的不足，因此構(gòu)成了比一個包括單獨的電源裝置的電源系統(tǒng)更先進的電源系統(tǒng)。雖然這種常規(guī)的裝置已經(jīng)部分地被實際應(yīng)用，但每個裝置都存在和單位重量和體積的充電能力，放電能力，充電量等有關(guān)的再生能力方面的問題。
此外，有一種再生和再現(xiàn)型電源裝置，該裝置被認為是一種再生型電源裝置，其中使用屬于一種電源裝置的單個能量存儲裝置，在把電力存儲到能量存儲裝置之后當(dāng)需要電力時再輸出存儲的電力以滿足需要，所述電力借助于再生制動從電車的動能中收集(IECEC，25th，1994 PP.1430)。然而，在這種常規(guī)的再生型電源裝置中存在著由再生和再現(xiàn)而導(dǎo)致的效率低的問題。
此外，作為在空間技術(shù)中使用的一種再生型電源裝置，有一能使用再生燃料電池發(fā)電的系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用預(yù)先存儲的作為燃料的氫和氧，所用的氫和氧是通過使用太陽能電池的水電解裝置來電解水獲得的(IECEC，24th，1989，PP.1631)。然而，這種再生燃料電池被用于存儲和再現(xiàn)能量，而不是為了高階(high rank order)的電力維持。作為在地面上使用的相應(yīng)的系統(tǒng)，有一種類似的燃料電池系統(tǒng)(International Hydragen and Clean Energy Symposium Sponsored byNEDO，1995，PP.31)，但它只用于存儲和再生能量，而不是為了借助于利用全部發(fā)電能力以最大的運行效率存儲和釋放多余的電力來維持高階(high rank order)的所需電力。也有一種作為另一種再生型發(fā)電系統(tǒng)的泵儲電站(The Journal of theInstitute of Electrical Engineers of Japan，Vol.115-B，6，1995，pp.447)。泵儲電站的位置一般遠離用電處，因此，該系統(tǒng)存在不可避免的電力傳輸損耗的問題。
此外，有一種使用調(diào)節(jié)器等裝置用來調(diào)節(jié)供需平衡的系統(tǒng)，所述平衡受電力負載的變化以及由發(fā)電裝置的異常斷開而導(dǎo)致的發(fā)電量的變化的影響，但仍然存在在常規(guī)的電源系統(tǒng)中的調(diào)節(jié)速度不總是象所期望的那樣快的問題。
本發(fā)明的目的在于通過在大的發(fā)電系統(tǒng)中實現(xiàn)快速的能量轉(zhuǎn)換和存儲系統(tǒng)來解決上述問題，以便維持大的能量對重量和體積的效率。
按照本發(fā)明，提供一種再生型混合電源系統(tǒng)，它包括用來產(chǎn)生電力以及向電力系統(tǒng)供應(yīng)電力的發(fā)電和供電裝置；利用由發(fā)電和供電裝置供應(yīng)的電力來存儲化學(xué)能并利用所存儲的化學(xué)能再生電力的再生燃料電池，其中包括電解水和水電解裝置，在電解的氫和氧當(dāng)中至少存儲氫的存儲裝置，一種燃料電池，它使用存儲在存儲裝置中的氫和作為燃料的氧產(chǎn)生電力，以及交換水電解裝置、存儲裝置、燃料電池和大氣中的熱的熱交換器；用來從發(fā)電和供電裝置以及再生燃料電池中接收電力的負載；再生控制裝置，用來比較由發(fā)電和供電裝置產(chǎn)生的電力和負載接收的電力之間的供需之差。所述再生控制裝置根據(jù)需要用發(fā)出電力的剩余電力操作水電解裝置；當(dāng)發(fā)出的電力處于供應(yīng)過剩時存儲至少被電解所得的氫；并在發(fā)出的電力不足時，通過利用存儲的氫和氧借助于燃料電池再生發(fā)電來控制發(fā)生在電力系統(tǒng)中的過量的剩余電力。
本發(fā)明的另一個方面是一種再生型混合電源系統(tǒng)，它包括第一電車，它具有包括用來驅(qū)動設(shè)備、空氣調(diào)節(jié)器、燈等的電力負載的負載(象在所有下述的例子中那樣)；發(fā)電裝置，其中包括在第一電力供應(yīng)裝置、第二電力供應(yīng)裝置以及第三電力供應(yīng)裝置當(dāng)中的至少一個電力供應(yīng)裝置，所述第一電力供應(yīng)裝置被提供在第一電車上并產(chǎn)生電力，第二電力供應(yīng)裝置被提供在地面上并產(chǎn)生電力，還對產(chǎn)生的電力進行傳送和轉(zhuǎn)換，第三電力供應(yīng)裝置被提供在與第一電車不同的其它電車上，并向外部供應(yīng)剩余的電力；再生燃料電池，用來通過利用從電力產(chǎn)生裝置提供的電力來存儲化學(xué)能，并再生被存儲的電力，它包括電解水的水電解裝置，存儲電解所得的氫和氧中的至少氫的存儲裝置，使用由存儲裝置存儲的氫和氧作為燃料發(fā)電的燃料電池以及熱交換器，用來交換水電解裝置、存儲裝置、燃料電池和大氣中的熱；再生控制裝置，用來控制由再生燃料電池再生電力，從而補充供到負載上的電力的不足。
本發(fā)明的另一個方面是一種再生型混合電源系統(tǒng)，它包括燃料電池，其中包括用來電解水以便產(chǎn)生氫和氧的水電解裝置以及用來存儲至少由水電解裝置產(chǎn)生的氫的存儲裝置；用來驅(qū)動電車并產(chǎn)生再生制動電力的負載；不包括在預(yù)定區(qū)域中的外電源供應(yīng)系統(tǒng)，所述預(yù)定區(qū)域由供電方和用電方通過合同確定；存在于電車外面的預(yù)定區(qū)域的非車載電源系統(tǒng)，例如架空線；其中當(dāng)再生混合系統(tǒng)在按合同要求接收的電力超過合同要求的情況下，以高補償充電方式從供電方接收的電力有余地足以按用電方和供電方之間的合同要求供電，并且再生制動電力有余地足以提供電力到這樣的程度，使得外部電源系統(tǒng)可以吸收反饋給非車載電源系統(tǒng)的制動能量的條件下而具有經(jīng)濟利益時，再生混合系統(tǒng)操縱水電解裝置向存儲裝置至少存儲氫和氧，在另一方面，當(dāng)除該系統(tǒng)之外的外力電力處于負載消耗的電力之下時，該系統(tǒng)則用存儲的氫和氧或空氣操作燃料電池，通過非車載供電線路向負載補充缺乏的電力。
按照本發(fā)明具有上述部件的裝置可以作為可被安裝于用電處附近的裝置，即可以作為現(xiàn)場的或車載的裝置。這種現(xiàn)場的或車載的裝置可以借助于具有高的轉(zhuǎn)換效率的再生能量轉(zhuǎn)換裝置提高電力質(zhì)量，存儲并產(chǎn)生大功率的電能；并從而可望改善電車的整個能量轉(zhuǎn)換效率，改善電力系統(tǒng)的供電質(zhì)量。此外，根據(jù)所作的改善可望提高用電設(shè)備的利用率。即在系統(tǒng)中，其中可以建立一般包括輔助電源的混合結(jié)構(gòu)，這是本發(fā)明的主要特征，這借助于具有在現(xiàn)場或車載裝置中提供高速能量轉(zhuǎn)換、存儲和產(chǎn)生的再生能量轉(zhuǎn)換能力的混合再生裝置來實現(xiàn)。當(dāng)過剩電力發(fā)生時，通過利用過剩電力使用水電解裝置高效率地電解水。通過電解水而產(chǎn)生的氫和氧被存儲到氫氧存儲裝置中，或者當(dāng)燃料電池使用空氣中的氧發(fā)電的情況下只存儲所產(chǎn)生的氫。利用使用存儲的氫和氧作為燃料的燃料電池發(fā)電，并在當(dāng)電力不足時適當(dāng)?shù)靥峁┗旌想娏?。其特征在于，可以實現(xiàn)高速的能量轉(zhuǎn)換和存儲以及大功率發(fā)電，同時維持高的能量重量和體積效率。此外，通過按照本發(fā)明的再生型混合電源系統(tǒng)，借助于在供電裝置處的再生能量轉(zhuǎn)換提供高質(zhì)量的電力，便可以改善在電力系統(tǒng)中的總的轉(zhuǎn)換效率并改善用于運動物體的電力質(zhì)量。
此外，因為這些改善，可以獲得可采用大功率的用電設(shè)備的效果。


圖1是說明在電車上的自激以及再生的混合電源系統(tǒng)的構(gòu)成例子的方塊圖，是本發(fā)明的較佳實施例之一。
圖2是按照本發(fā)明的電車上的自激以及再生的混合系統(tǒng)的另一個較佳實施例的方塊圖。
圖3是按照本發(fā)明的在地上的自激及外激和再生的混合電源系統(tǒng)的另一個較佳實施例的方塊圖。
圖4是按照本發(fā)明的地上的外激和再生混合電源系統(tǒng)的另一個較佳實施例的方塊圖。
圖5是按照本發(fā)明的在地上和電車上的連接再生的混合電源系統(tǒng)的另一個較佳實施例的方塊圖。
圖6是由電車上帶有蓄電池再生的常規(guī)的再生型混合電源裝置的方塊圖。
參照圖1說明本發(fā)明的混合電源系統(tǒng)的一個較佳實施例。圖1所示為電車上的自激及再生的混合電源系統(tǒng)。本圖中的混合電源系統(tǒng)20使用用來產(chǎn)生電力的電力產(chǎn)生裝置40，它包括能量存儲裝置1，能量轉(zhuǎn)換器2和電力產(chǎn)生裝置3并被安裝在例如電氣車輛的電車30上(以后可以認為電車30包括電車、電機車等)，以便在電車30上產(chǎn)生電力。在另一個鄰近的電車上有一電力產(chǎn)生裝置4，它包括再生裝置等，以及在電車30外面的地上電站/子站5，它們用車外供電線(系統(tǒng))6連接，供電線包括接觸系統(tǒng)作為架空電流收集系統(tǒng)，非接觸系統(tǒng)，例如和電力發(fā)生裝置40一道使用檢測線圈或第三軌導(dǎo)體系統(tǒng)等的系統(tǒng)。此外，在電車30上還安裝著再生燃料電池7。
再生燃料電池7包括熱交換器8，用來冷卻并加熱每個裝置和空氣；水電解裝置(電解器)9，用來電解水；氫和氧存儲裝置10，用來存儲由水電解裝置9分解的氫和氧并被作為化學(xué)能，燃料電池11，用來用氫和氧為燃料產(chǎn)生電；以及再生控制裝置12，用來控制供給水電解裝置9的電力和燃料電池11發(fā)出的電力。再生控制裝置12監(jiān)視通過電車30上的配電線14提供的電力的過?；虿蛔悖⑶耶?dāng)不足時，它便這樣控制每個裝置，使得直接由燃料電池11或在需要時改變狀態(tài)之后供給負載13例如包括驅(qū)動電機等以及其它電力負載所需的直流或交流電。再生控制裝置12正如從車外供電線6看到的那樣在電源側(cè)的電力過剩(有余)時還這樣控制每個裝置，使得控制水電解裝置9，利用由車外供電線6通過車上配電線14供給水電解裝置9的電力來電解存儲的水。然后，再生控制裝置12控制氫氧存儲裝置10存儲所產(chǎn)生的氫和氧。
當(dāng)負載13的再生制動被啟動時，正如從車外供電線6看到的那樣如果在電源側(cè)上有剩余電力，再生控制裝置12也依次控制每個裝置，使水電解裝置9利用由在再生制動狀態(tài)下的負載13通過車上配電線14供給水電解裝置9的電力來電解存儲的水，并控制氫氧存儲裝置10存儲產(chǎn)生的氫和氧。圖1所示的實施例可以認為是一個電車上的自激系統(tǒng)，因為它配備有在電車30上用于負載13的一個電源。這就是說，圖1中的混合電源系統(tǒng)包括車上的電力產(chǎn)生裝置40和地上的電力產(chǎn)生裝置以及再生燃料電池7。此外，可以認為它是一種車上的自激和再生的系統(tǒng)，因為用于再生電力的再生燃料電池7也被裝在電車30上。
作為圖1所示實施例的改型，在省略能量轉(zhuǎn)換器2例如內(nèi)燃機等的情況下，直接地轉(zhuǎn)換電能，這時電力產(chǎn)生裝置40的結(jié)構(gòu)可以改變，從而改變能量存儲裝置1和電力產(chǎn)生裝置3之間的產(chǎn)生系統(tǒng)，直接把能量存儲裝置1和電力產(chǎn)生裝置3相連。也可以認為負載13不僅包括安裝在電車30上的負載而且包括在其它電車外面的負載?？梢允褂糜脕慝@得大氣(氧)的裝置代替在氫氧存儲裝置10中的只存儲氧的裝置。此外，這些改型可以相同的方式被應(yīng)用于下面所述的較佳實施例中。
下面參照圖2說明按照本發(fā)明的混合電源系統(tǒng)的另一個較佳實施例。圖2所示的混合電源系統(tǒng)的構(gòu)成包括作為接觸系統(tǒng)的車外供電系統(tǒng)(外激系統(tǒng))以及車上供電系統(tǒng)(車上的再生系統(tǒng))。另外，在圖2中，和圖1相同的部件冠以相同的標(biāo)號(在下面的所有例子中都如此)。
圖2所示的混合電源系統(tǒng)21包括電力產(chǎn)生裝置4例如一種位于車上的再生設(shè)備，地面電站/分站5，以及全都處于電車30a的外部的車外供電線路6，以及再生燃料電池7，作為驅(qū)動設(shè)備的負載13以及位于電車上的配電線路14，它們?nèi)佳b在電車30a中。在這一較佳實施例中，只要不啟動負載13的再生制動發(fā)電，供給裝在電車30a內(nèi)的再生燃料電池7的全部電力都來自電車30a的外部。再生燃料電池7包括熱交換器8，水電解裝置9，氫存儲裝置10，燃料電池11和再生控制裝置12，如圖1中的一樣。當(dāng)確定缺乏電力時，再生控制裝置12就把燃料電池11的輸出供給負載13，作為供給車上負載的外部電源(來自電力發(fā)生裝置4等的電源)的補充電源，可以直接地供給負載13，或通過配電線路14把輸出狀態(tài)變?yōu)榻涣骰蛑苯又箝g接地供給負載，以滿足負載13的需要。在另一方面，當(dāng)確定電力過剩時，再生控制裝置12就操作水電解裝置9、氫存儲裝置10和熱交換器8以便存儲氫。
下面參照圖3說明按照本發(fā)明的混合電源系統(tǒng)的另一較佳實施例。圖3所示的混合電源系統(tǒng)23是一種自激的與外激的以及地上再生的混合電源系統(tǒng)?；旌想娫聪到y(tǒng)23的特征在于該系統(tǒng)具有建立在地上的由能量存儲裝置1構(gòu)成的地上分站5a；具有能量轉(zhuǎn)換器2和電力發(fā)生裝置3的電力發(fā)生裝置40；以及再生燃料電池7a。在地上，混合電源系統(tǒng)23也具有在另一電車上的電力發(fā)生裝置4，它包括再生設(shè)備等，以及作為其它電源的地上電站/分站5；還具有車外供電線路6。因此，在此較佳實施例中，只有在電車30b內(nèi)提供負載13和配電線路14，并且電車30b不具有任何的發(fā)電裝置。用于負載13的電力通過車外的供電線路6和電車上的配電線路14，從地上分站5和5a以及在另一電車上的電力發(fā)生裝置4供應(yīng)。再生燃料電池7a包括熱交換器8，水電解裝置9，氫存儲裝置10，燃料電池11，所有這些都由圖1所示的相應(yīng)部件構(gòu)成，以及再生控制裝置12a。再生控制裝置12a確定電力過?；蛉狈Φ臓顟B(tài)。當(dāng)電力缺乏時，則通過車外供電線路6和車上配電線路14直接地或根據(jù)負載13的需要變成直流或交流狀態(tài)之后間接地把燃料電池11發(fā)出的電力供給負載13，例如一種驅(qū)動設(shè)備。當(dāng)電力被確定為過剩時，再生控制裝置12a就操作水電解裝置9、氫存儲裝置10和熱交換器8，進行氫的存儲。
下面參照圖4說明按照本發(fā)明的混合電源系統(tǒng)的另一較佳實施例。圖4說明的混合電源系統(tǒng)包括輸電網(wǎng)和地上的再生設(shè)備。輸電線34處于由供電方和用電方按照合同確定的供電方的監(jiān)視區(qū)中。在圖4所示的混合電源系統(tǒng)中，地面分站5b沒有發(fā)電設(shè)備。電力通過車外供電線路6由再生控制裝置12b供給負載13(再生控制裝置可以包括DC-DC變換器，DC-AC逆變器等)或從接收與變換設(shè)備15供給負載13，而不通過控制裝置12b(這條路徑未示出)，當(dāng)負載13是交流時，直接從和輸電線路34相連的接收與變換設(shè)備15供給負載13，或當(dāng)負載為直流時，則直接從整流器16供給負載13。電力也通過車外供電線6從電力產(chǎn)生裝置4供給負載13，電力產(chǎn)生裝置4例如可以是在另一電車上的再生制動設(shè)備。在地上分站5b中，由輸電線34供應(yīng)的電力，被供應(yīng)到再生控制裝置12b，例如，當(dāng)供應(yīng)的電力是工業(yè)用電頻率的交流電時，可通過接收與變換設(shè)備15變換以及通過整流器16整流之后供出。再生燃料電池7b被安裝在地上分站5b中，包括熱交換器8，水電解裝置9，氫存儲裝置10，燃料電池11，以及再生控制裝置12b。再生控制裝置12b監(jiān)視電力的過剩或缺乏狀態(tài)，當(dāng)確定為缺乏時，就把燃料電池11的電力供給負載13，這通過車外供電線路6和配電線14直接地或按照負載13的需要以改變后的交流或直流狀態(tài)間接地供給負載13。當(dāng)電力被確定為過剩時，再生控制裝置12b就操作水電解裝置9、氫氧存儲裝置10以及熱交換器8，進行氫氣的存儲。
此外，地上分站5b的結(jié)構(gòu)不限于上述。例如，可通過在再生控制裝置12b中安裝一個換流器把交流電轉(zhuǎn)換為直流電從電力傳輸線34通過接收和變換設(shè)備15直接地供電給負載13而省略整流器16。
下面參照圖5說明按照本發(fā)明的混合電源系統(tǒng)的另一較佳實施例。圖5所示的系統(tǒng)包括與地上和電車上的再生裝置相連的再生燃料電池。該系統(tǒng)包括位于電車上的且和圖1或圖2所示的相同(圖1中的系統(tǒng)20或圖2中的系統(tǒng)21)的再生系統(tǒng)19；以及位于地上的與圖3或圖4所示相同(圖3的系統(tǒng)23或圖4的系統(tǒng)24)的再生系統(tǒng)22。
每個混合電源系統(tǒng)都緊密配合而工作，從而向負載13例如驅(qū)動裝置提供電力。在本系統(tǒng)中，在位于電車上的再生系統(tǒng)19和位于地上的再生系統(tǒng)22之間具有聯(lián)絡(luò)線25，用來接收與發(fā)送用于對每個系統(tǒng)中的電力進行聯(lián)合控制的控制信號。圖5的混合電源系統(tǒng)在聯(lián)合的狀態(tài)下操作每個系統(tǒng)，或相應(yīng)于各個狀態(tài)獨立地操作每個系統(tǒng)。本系統(tǒng)具有高的操作自由度，因此可以容易地實現(xiàn)以電力產(chǎn)生能力的最大效率運行而產(chǎn)生的剩余電力的能量存儲與釋放。因此比其它的較佳實施例，可以更容易地實現(xiàn)維持高階的(high rank order)電力。
下面說明當(dāng)利用上述的混合電源系統(tǒng)時的操作和可以達到的效果。
(1)使用現(xiàn)有的分站容量加速電車隨著與分站的距離的增加，即使分站具有足夠的分站容量或具有恒壓控制系統(tǒng)，由于饋電線路常數(shù)而引起的電壓降也會使饋電線路電壓降低。為了使饋電電壓不降低到在每一饋電部分的可允許的最小電壓以下，假定饋電線路有一確定的電壓降，確定一條用來確定運行的列車的標(biāo)準(zhǔn)運行時間的條件的運行曲線。因此，在某些饋電線部分引起電壓過剩。使用按照本發(fā)明的混合電源系統(tǒng)，通過在出現(xiàn)電壓過剩的部分把電力存儲在再生燃料電池中，并在發(fā)生電壓降低的饋電部分使存儲的電力再生，通過這種使用可以減小從電車上的負載看去的饋電線路的視在阻抗。通過這種使用，也可以認為從電車上的負載看時，饋電電路為一恒定電壓源而不改變現(xiàn)有的分站容量。因此，當(dāng)確定電車的運行曲線時，可以使用較高的可容許的最小設(shè)定電壓，并且也可以提高電車的速度。
(2)在大功率列車以低頻運行在作為標(biāo)準(zhǔn)列車組織的饋電線部分上時避免增加分站容量和建設(shè)新的分站，并避免饋電線路電壓降到容許最低電壓以下。
分站容量是被充分地設(shè)定在相應(yīng)于在饋電部分中運行的標(biāo)準(zhǔn)列車組織，在另一方面有時需要比標(biāo)準(zhǔn)列車編組具有較大輸出的電力機車和具有相當(dāng)長的列車編組的大功率列車?yán)缣貏e快車以低頻運行在按標(biāo)準(zhǔn)列車編組確定的分站容量的饋電部分上。然而，在常規(guī)的系統(tǒng)中，不可能運行這種不規(guī)則的列車編組而不改變?nèi)萘?，這是因為分站容量不足，或者由于可預(yù)料到的電壓降而使饋電電壓降到容許最小電壓以下的狀態(tài)。在另一方面，如果使用按照本發(fā)明的混合電源系統(tǒng)，則能避免分站容量的不足以及由于電壓降使電壓降到容許最小電壓之下。因此，就可以避免分站容量的增加和建立新的分站來運行使用在低頻下的大功率列車。
(3)通過延長以低頻運行在新線路上的列車的分站間隔減少新線建設(shè)的投資。
通過引入按照本發(fā)明的電車上的再生的混合電源系統(tǒng)，可以延長分站間隔，因為可以在電車上發(fā)電以補充在相鄰分站的中部或在單向發(fā)出的分站的端部的電力與電壓的不足。
(4)通過在電氣化和非電氣化部分之間避免在電氣化部分或運送乘客中單節(jié)機動有軌車的運行來改善服務(wù)有一種混合電車的例子，其中包括電車和用于常規(guī)系統(tǒng)中的包括電氣化和非電氣化區(qū)間的單節(jié)機動有軌車。但是，如果引入按照本發(fā)明的車上再生的混合電源系統(tǒng)，就可以只用電車來組織列車，從而獲得高的服務(wù)能力。如果列車配備有再生燃料電池，則在非電氣化區(qū)間相當(dāng)短時，可以通過位于電氣化區(qū)間之間的非電氣化區(qū)間運行列車。當(dāng)用架空線建設(shè)電氣化鐵路時，借助于使窄的隧道保持為非電氣化區(qū)域并在隧道中運行具有再生燃料電池的列車，可以避免改良窄的隧道。結(jié)果因為可以減少昂貴的隧道投資而提高了電氣化的投資效果。
(5)通過在再生制動發(fā)電期間使用釋放的電力進行節(jié)能運行由再生制動產(chǎn)生的電力基本上被供給運行于發(fā)電的電車附近的另一個電車。不過，當(dāng)因附近沒有列車運行而使再生制動電力過剩時，再生制動電力就被釋放，以阻止饋電線路的電壓升高。在另一方面，如果使用按照本發(fā)明的混合電源系統(tǒng)，就可以利用釋放的電力為再生燃料電池充電。因此，如果引入按照本發(fā)明的混合電源系統(tǒng)，則可以實現(xiàn)節(jié)能效果，分站容量減小效果，靴形消耗減少效果等。
(6)通過不安裝備用的轉(zhuǎn)換設(shè)備來減少投資在常規(guī)系統(tǒng)中，需要提供備用電力轉(zhuǎn)換設(shè)備來防止在正常使用的轉(zhuǎn)換設(shè)備發(fā)生故障的情況下妨礙列車運行。然而，按照本發(fā)明的混合電源系統(tǒng)可以不用安裝備用設(shè)備，因為可用再生燃料電池來代替?zhèn)溆迷O(shè)備。即，即使正常使用的設(shè)備發(fā)生故障時也可以避免列車運行的延誤，因而可以達到上述的減少投資的效果。
除上述的幾種可能性之外，還有如下的一些可能。對于電力公司的固定的最小費用由測量的要求峰值確定。因此，可以實現(xiàn)減少費用的效果，因為利用具有在車上和在地上的多個電源的混合電源系統(tǒng)可以減少峰值。當(dāng)試圖在電力系統(tǒng)中穩(wěn)定電力傳輸時，關(guān)于電壓穩(wěn)定性以及電力的穩(wěn)態(tài)穩(wěn)定性和暫態(tài)穩(wěn)定性有一些要保證的準(zhǔn)則。在過去，對于電力的穩(wěn)定性，電力的穩(wěn)定靠SVC、SVG，同步相位修正器等來控制超前的和滯后的無功功率來達到。對于電壓穩(wěn)定性，電壓的穩(wěn)定靠通過合適的電源布置，傳輸電壓的提升，增加并建立輸電線和分站等措施來消除電力系統(tǒng)中的漲落變化而實現(xiàn)。這些常規(guī)方法都和在電力傳輸期間的阻抗控制(主要控制電抗)或電壓源控制有關(guān)，并且在這種控制中要求快的控制速度。
在另一方面，如果使用按照本發(fā)明的混合電源系統(tǒng)，就可以容易地解決問題，因為本發(fā)明的混合電源系統(tǒng)的控制速度比常規(guī)方法的控制速度快。電流增加的問題也可以改善，因為再生燃料電池作為電流源工作。此外，電力系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)穩(wěn)定性和暫態(tài)穩(wěn)定性以及電壓的穩(wěn)定也可以同時得到改善，因為按照本發(fā)明可以建立靠近用電處的現(xiàn)場發(fā)電系統(tǒng)。
電力設(shè)備的使用效率按照時間平均例如日平均、月平均、季平均和年平均不總是如此之高的，雖然在電力系統(tǒng)的峰值中設(shè)備過剩百分比的備用電源百分?jǐn)?shù)一般小于10％并且不包括這種大的裕度。在本發(fā)明中，水電解裝置和氫氧存儲可作為用于負載調(diào)節(jié)的負載而工作。這就是說，再生燃料電池的再生可通過利用由再生產(chǎn)生的并存儲的氫和氧的能量來控制電力的穩(wěn)態(tài)與暫態(tài)穩(wěn)定性和電壓的穩(wěn)定性。
權(quán)利要求
1.一種再生型混合系統(tǒng)，包括電力產(chǎn)生和供應(yīng)裝置，用來產(chǎn)生電力并向電力系統(tǒng)供應(yīng)電力；再生燃料電池，用來通過利用由所述電力產(chǎn)生和供應(yīng)裝置供應(yīng)的電力存儲化學(xué)能，并通過利用存儲的化學(xué)能再生電力，包括電解水的水電解裝置，存儲電解的氫和氧當(dāng)中的至少氫的存儲裝置，燃料電池，使用存儲在存儲裝置中的氫和氧作為燃料并且發(fā)電，以及熱交換器，用來交換水電解裝置、存儲裝置、燃料電池和大氣中的熱；用來接收來自所述電力產(chǎn)生和供應(yīng)裝置以及所述再生燃料電池的電力的負載；再生控制裝置，它比較所述電力產(chǎn)生和供應(yīng)裝置所產(chǎn)生的電力和所述負載接收的電力之間的供求之差，當(dāng)產(chǎn)生的電力供應(yīng)過剩時，如果需要就利用產(chǎn)生的電力中的剩余電力操作所述水電解裝置并存儲至少電解的氫，當(dāng)產(chǎn)生的電力不足時，則通過所述燃料電池利用存儲的氫和氧再生電力來控制發(fā)生在所述電力系統(tǒng)中的電力的過剩。
2.一種再生型混合電源系統(tǒng)，包括具有包括用于驅(qū)動的電負載的一種負載的第一電車；電力發(fā)生裝置，它包括下列中的至少一種電力供應(yīng)裝置提供在所述第一電車上并產(chǎn)生電力的第一電力供應(yīng)裝置，提供在地上并產(chǎn)生、傳輸和變換電力的第二電力供應(yīng)裝置，以及提供在不同于第一電車的其它電車上的并向外供應(yīng)過剩電力的第三電力供應(yīng)裝置；再生燃料電池用來利用由所述電力供應(yīng)裝置供給的電力存儲化學(xué)能并再生所存儲的化學(xué)能，它包括電解水的水電解裝置，在電解的氫和氧當(dāng)中至少存儲氫的存儲裝置，使用由所述存儲裝置存儲的氫和氧作為燃料進行發(fā)電的燃料電池，以及用來交換所述水電解裝置，所述存儲裝置，所述燃料電池和大氣中的熱的熱交換器；再生控制裝置，用來控制所述燃料電池的電力的再生，以補充供給所述負載的電力的缺乏。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的再生型混合電力系統(tǒng)，其中所述再生控制裝置按以下方式控制電力再生以補充電力的不足如果從所述電力產(chǎn)生裝置供給的電力、由所述用于驅(qū)動的電負載再生的電力、以及當(dāng)由所述用于驅(qū)動的電負載再生電力時上述兩個電力之和中的一種電力超過所述負載消耗的電力時，則操作所述水電解裝置并使存儲裝置按照需要至少在氫和氧當(dāng)中存儲氫，以及當(dāng)由所述電力產(chǎn)生裝置供應(yīng)的電力低于所述負載消耗的電力時，在電費系統(tǒng)中作出一種預(yù)定的經(jīng)濟的決定之后根據(jù)需要用存儲的氫和氧使所述燃料電池運轉(zhuǎn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1，2和3之一的再生型混合電源系統(tǒng)，其中所述電力產(chǎn)生裝置包括至少所述的第二電力供應(yīng)裝置；并且第二電力供應(yīng)裝置和所述第一電車分別包括所述再生燃料電池；并且所述再生控制裝置通過按照需要聯(lián)合操作來控制所述第二電力供應(yīng)裝置和所述第一電車包括的兩個燃料電池的再生。
5.根據(jù)權(quán)利要求1，2和3之一的再生型混合電源系統(tǒng)，其中所述電力產(chǎn)生裝置包括至少所述第二電力供應(yīng)裝置，并且第二電力供應(yīng)裝置和所述第一電車分別包括所述再生燃料電池；并且通過聯(lián)合操作，按照需要所述再生控制裝置控制第二電力供應(yīng)裝置和所述第一電車包括的燃料電池的再生，以便維持兩者的燃料電池中的最大效率的再生運轉(zhuǎn)。
6.一種再生型混合電源系統(tǒng)，包括包括用來電解水以產(chǎn)生氫和氧的水電解器以及用來存儲由水電解產(chǎn)生的至少氫的存儲裝置的燃料電池；用來驅(qū)動電車并產(chǎn)生再生制動電力的負載；外部電源系統(tǒng)，它不被包括在由供電方和用電方按合同確定的預(yù)定區(qū)域內(nèi)；存在于電車外面的預(yù)定區(qū)域中的車外供電系統(tǒng)，例如架空接觸線；其中當(dāng)再生混合系統(tǒng)在接收的電力超過合同要求的情況下，以高補償充電方式從供電方接收的電力有余地足以按用電方和供電方之間的合同要求供電，并且再生制動電力有余地足以提供電力到這樣的程度，使得外部電源系統(tǒng)可以吸收反饋給非車載電源系統(tǒng)的制動能量的條件下而具有經(jīng)濟利益時，再生混合系統(tǒng)操作所述水電解器使其存儲至少氫和氧，在另一方面，當(dāng)除系統(tǒng)之外的外部電源系統(tǒng)下降到所述負載的電力要求以下時，系統(tǒng)則用存儲的氫或空氣使燃料電池運轉(zhuǎn)，并通過車外供電線向負載補充缺乏的電力。
全文摘要
按照 本發(fā)明的一種再生 型混合電源系統(tǒng)(20) 包括具有用于驅(qū)動 電負載的負載(13)的 第一電車(30)；電力 產(chǎn)生裝置(40，4，5)；再 生燃料電池(7)，用來 利用由電力產(chǎn)生裝 置提供的電力存儲化學(xué)能并使所存儲的化學(xué)能再生，再生控制 裝置(12)，用來控制再生燃料電池(7)的電力再生，以補充供給負 載(13)的電力不足。本發(fā)明的混合電源系統(tǒng)可以實現(xiàn)高速能量 轉(zhuǎn)換與存儲系統(tǒng)以及大功率的發(fā)電系統(tǒng)，從而維持高的能量重 量，體積效率。
文檔編號H01M8/18GK1150934SQ9611069
公開日1997年6月4日 申請日期1996年7月19日 優(yōu)先權(quán)日1995年7月21日
發(fā)明者大木康次, 長谷川均, 伊東利勝 申請人:財團法人鐵道總合技術(shù)研究所