基于超级电容的储能型再生制动能量回收方法及系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及城轨列车的再生制动能量回收技术，具体涉及一种基于超级电容的储能型再生制动能量回收方法及系统。
【背景技术】
[0002]近年来，我国城市轨道交通建设发展迅速，城轨供电系统作为轨道交通的重要组成部分，其能耗指标是城轨运营的重要指标，节能降耗及技术升级的要求使城市轨道交通对于合理利用再生能量有愈加强烈的需求。为了推动城市轨道交通建设向资源节约型、环境友好型的绿色、可持续性方向发展，需要开展轨道交通再生制动能量二次节能利用系统的研宄。
[0003]目前在国内外应用较为成熟的是再生制动能量回馈装置，即将列车制动产生的能量通过逆变转换为交流电，再回馈至交流电网。再生制动能量回馈装置按回馈点电压的不同分为低压型能量回馈装置、中压型能量回馈装置、高压型能量回馈装置。其中低压型能量回馈装置可以实现在一定功率范围内回馈制动能量，但吸收能量有限，一般需加装电阻消耗装置，效率较低；中压型能量回馈装置可以实现全功率范围内制动能量回馈，但回馈装置与整流器之间存在环流，效率较低，保护兼容性差，功率因数较低，回馈至电网的电流谐波较大；高压型能量回馈装置可以实现全功率范围内制动能量回馈，采用多重化拓扑结构，投资较高，国内应用较少。
[0004]基于超级电容的储能型能量回收装置可以实现全功率范围内制动能量吸收，超级电容具有循环次数高、充电速度快、功率密度高、无污染、免维护、充放电效率高，温度范围宽等优点，这些特性使超级电容更加适应于城轨领域，可以快速为城轨车辆启动提供瞬时大功率，并能够有效吸收车辆制动回馈的能量，是城轨再生制动能量回收系统的重要研宄方向。城轨列车的再生制动能量回收系统目前已在国内地铁线路应用，并且已有多条地铁线路正在做再生制动能量回收系统规划，这也代表着再生制动能量系统是未来城轨运营配置的主流趋势。而基于超级电容的储能型再生制动能量回收系统最能符合列车制动时间短，制动功率大的特点，是目前城轨再生制动能量回收系统的重要研宄方向。
[0005]目前对于基于超级电容的储能型再生制动能量回收，现有技术主要有以下文几种:
现有技术一:公开号为CN 101249802A的专利文献公开的城市轨道交通车辆制动能量回收系统，该系统采用了基于车辆自身为主体、脱离电网的能量回收闭环系统，将回收的电能储存在超级电容中，当超级电容阵列容量多车厢用电容量时，超级电容阵列向车厢内部的交直流用电设备供电；当超级电容阵列容量达到额定容量时，列车制动时将切换到电阻制动模式。该技术的超级电容只吸收本节车组能量，容量很小，制动能量回收的效率低；此夕卜，该技术需要超级电容充电电路、放电电路、DC/AC转换器、变压稳压单元等部分，并需要额外的制动电阻部分，整个装置的投资成本高，控制复杂。
[0006]现有技术二:公开号为CN 101042121A的专利文献公开的用于回收利用城轨交通再生制动能量的飞轮储能系统。该系统采用了基于水池和多个飞轮储能子系统的方案，采用并联方式共同与城轨交通直流电网的主电缆直接连接或与城轨交通用于处理再生制动能量的斩波调压装置连接。但采用飞轮储能系统的方案目前在国内外均难以实现。
[0007]现有技术三:2010年南京航空航天大学冯晶晶硕士学位论文《基于超级电容的再生制动能量吸收利用技术研宄》。该技术采用了 4个变流模块高压侧串联、超级电容侧独立组合的模块化储能结构，模块均压控制复杂且效果很难保证；变流模块采用两个IGBT各反并联一个二极管的BUCK/BOOST双向斩波电路，开关频率较低，输出电能质量差、模块体积大。
[0008]上述几种对储能型再生制动能量回收系统的现有方案中，都存在着一定的缺点。现有技术一系统电路复杂、控制系统复杂、投资成本高；现有技术二采用飞轮储能系统，国内外都难以实现；现有技术三的变流模块均压控制复杂，且变流模块的开关频率较低，体积大。且以上三种现有技术的变流模块均不能实现热插拔功能，储能型再生制动能量回收装置一般都采用多个变流模块串并联的方式，当有任一变流模块出现故障时，整个装置都将被断开以实现保护功能，装置的故障风险较大。
[0009]综上所述，在城轨再生制动能量回收方法中，基于超级电容的储能型再生制动能量回收方式能够实现全功率范围内的制动能量吸收，且超级电容充电速度快，功率密度高，温度范围宽等优点，最能符合列车制动时间短，制动功率大的特点，是目前城轨再生制动能量回收系统的重要研宄方向。但是目前该方案在国内地铁运营中的应用经验非常少，因此超级电容储能型的再生制动能量回收装置不论在拓扑结构、功率模块设计还是控制系统设计上都不够成熟，存在一定的缺陷。我国城轨供电系统的直流牵引网网压一般为DC1500V制式或DC750V制式，针对这两种不同的直流牵引网电压等级，一般需要分别对再生制动能量回收装置进行相应的方案设计，不利于产品的批量生产。目前超级电容储能型再生制动能量回收装置的斩波模块普遍具有体积大、开关频率低，不能做到热插拔的问题。
【发明内容】
[0010]本发明要解决的技术问题是:针对现有技术的上述问题，提供一种能够将城轨再生制动能量回收和反馈，能够通用于DC1500V/DC750V两种直流牵引网，通用性强、可靠性高、稳定性好、生产成本低、灵活度高的基于超级电容的储能型城轨再生制动能量回收方法及系统。
[0011]为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为:
一种基于超级电容的储能型城轨再生制动能量回收方法，步骤包括:
1)将城轨的直流牵引网通过包含两个双向斩波模块单元的斩波单元和超级电容单元相连，根据的直流牵引网配置两个双向斩波模块单元的连接方式，当直流牵引网为DC1500V时，将两个双向斩波模块单元配置为串联，当直流牵引网为DC750V时，将两个双向斩波模块单元配置为并联；初始化设置直流牵引网的充电电压门槛值Va、放电电压门槛值Vfi以及超级电容单元的充电上限电压Vc2、放电下限电压VF2;
2)实时监测直流网压V1、超级电容电压V2、直流母线空载电压Vltl，其中直流网压乂1是指直流牵引网的电压，超级电容电压％是指超级电容单元的电压，直流母线空载电压V 1(|是指直流牵引网直流母线上无负载电流时的电压；当直流网压V1发生变化且确定该变化为列车牵引、制动而引起的网压变化时，当直流网压V1同时大于或等于直流母线空载电压V 1(|及充电电压门槛值Va时，跳转执行步骤3);当直流网压V1同时小于或等于直流母线空载电压Vltl及放电电压门槛值V ?时，跳转执行步骤4);
3)判断超级电容电压V2小于充电上限电压V。2是否成立，如果不成立则跳转执行步骤2);如果成立，则将直流牵引网的再生制动能量通过两个双向斩波模块单元为超级电容单元充电，且在充电过程中监测直流网压V1和超级电容电SV2，如果直流网压V1小于或等于充电电压门槛值Va或超级电容电压V 2大于或等于充电上限电压V，则停止为超级电容单元充电并跳转执行步骤2)；
4)判断超级电容电压V2大于放电下限电压Vf2是否成立，如果不成立则跳转执行步骤
2);如果成立，则将超级电容单元放电并通过两个双向斩波模块单元为直流牵引网提供电压补偿，且在放电过程中监测直流网压V1和超级电容电压V 2，如果直流网压V1大于或等于放电电压门槛值Vfi或超级电容电压乂2小于或等于放电下限电压Vf2，则停止超级电容单元放电并跳转执行步骤2)。
[0012]优选地，所述双向斩波模块单元包括一个或者一个以上并联连接的双向DC/DC斩波模块，所述步骤3)中为超级电容单元充电的详细步骤包括:为各个双向DC/DC斩波模块分配参考电流值ia ,ef;针对每一个双向DC/DC斩波模块，采集双向DC/DC斩波模块的输入电流ia，将参考电流值ia—和输入电流i 行比较，然后将比较得到的差值经PI控制器送入脉宽调制模块，通过脉宽调制模块生成用于控制双向DC/DC斩波模块的触发脉冲以实现对超级电容单元的恒流充电；所述步骤4)中将超级电容单元放电的详细步骤包括:给定外环参考电压值& ?，检测双向DC/DC斩波模块的直流电压&，将外环参考电压值&
直流电压&进行比较，然后将比较得到的差值经PI控制器输出为参考电流值i a—吣采集双向DC/DC斩波模块的输入电流ia，将参考电流值ia μ和输入电流i 3进行比较，然后将比较得到的差值经PI控制器送入脉宽调制模块，通过脉宽调制模块生成用于控制双向DC/DC斩波模块的触发脉冲以实现对直流牵引网的稳压。
[0013]优选地，所述为各个双向DC/DC斩波模块分配参考电流值ia Mf时，首先检测同一双向斩波模块单元(10)下的所有双向DC/DC斩波模块是否发生故障，如果有双向DC/DC斩波模块发生故障、且其余正常的双向DC/DC斩波模块是否能够满足该双向斩波模块单元
(10)的功率需求，则将发生故障的所有双向DC/DC斩波模块的参考电流值平均分配给该双向斩波模块单元(10)下其余正常的各个双向DC/DC斩波模块。
[0014]一种基于超级电容的储能型城轨再生制动能量回收系统，包括斩波单元、超级电容单元、斩波控制模块和直流隔离开关单元，所述斩波单元包含两个双向斩波模块单元，所述双向斩波模块单元的电网侧连接端子通过直流隔离开关单元和城轨的直流牵引网相连、电容侧连接端子和超级电容单元并联连接，当直流牵引网为DC1500V时，两个双向斩波模块单元串联连接；当直流牵引网为DC750V时，两个双向斩波模块单元并联连接，所述双向斩波模块单元包括一个或者一个以上并联连接