基于超级电容的储能型再生制动能量回收系统的制作方法

文档序号:8838662阅读:903来源:国知局
基于超级电容的储能型再生制动能量回收系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型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:
[0006]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;此外,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。
[0007]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。
[0008]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。
[0009]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。
[0010]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。
【实用新型内容】
[0011]本实用新型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系统。
[0012]为了解决上述技术问题,本实用新型采用的技术方案为:
[0013]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的双向DC/DC斩波模块,所述斩波控制模块的输出端和双向DC/DC斩波模块的控制端相连。
[0014]优选地,所述双向DC/DC斩波模块为三电平双向斩波电路,所述三电平双向斩波电路包括预充电电路、支撑电容Cl和多条并联的双向DC/DC斩波支路,所述支撑电容Cl和双向DC/DC斩波支路并联连接,所述双向DC/DC斩波支路由飞跨电容Cd和均含反相并联二极管的四个IGBT单元组成,所述IGBT单元为小功率高频IGBT单元,所述四个IGBT单元串联成链状,链首的连接端a串联预充电电路后连至电网侧连接端子的正极,链尾的连接端e同时连接至电网侧连接端子及电容侧连接端子的负极,该链中第二个IGBT单元和第三个IGBT单元之间的连接端c串接一个直流电抗器LI后连接至电容侧连接端子的正极,所述飞跨电容Cd的一端连接至该链中第一个IGBT单元和第二个IGBT单元之间的连接端b、另一端连接至该链中第三个IGBT单元和第四个IGBT单元之间的连接端d。
[0015]优选地,所述预充电电路包括主接触器KMl、充电接触器KM2和充电电阻R1,所述充电接触器KM2和充电电阻Rl串联连接后和主接触器KMl并联连接。
[0016]优选地,所述双向斩波模块单元的电网侧连接端子的正极和负极之间并联连接有第一隔离电容C2,所述双向斩波模块单元的电容侧连接端子的正极和负极之间并联连接有第二隔离电容C3。
[0017]优选地,所述双向DC/DC斩波模块封装于活动拔插结构中,所述双向斩波模块单元包括用于和活动拔插结构配合的固定拔插结构,所述活动拔插结构插设于固定拔插结构中。
[0018]优选地,所述斩波控制模块包括电压传感器、参考电压模块、第一比较器、第一 PI控制器、选择器、参考电流模块、电流传感器、第二比较器、第二 PI控制器和PWM发生器,所述电压传感器并联于双向DC/DC斩波模块的电容侧连接端子,所述电流传感器串联于双向DC/DC斩波模块的电网侧连接端子的正极,所述第一比较器的两个输入端分别与电压传感器、参考电压模块相连,所述第一比较器的输出端和第一 PI控制器相连,所述选择器的两个输入端分别与参考电流模块、第一 PI控制器相连,所述第二比较器的两个输入端分别和电流传感器、选择器的输出端相连,所述第二比较器的输出端依次通过第二 PI控制器、PWM发生器和双向DC/DC斩波模块中各个IGBT单元的控制端相连。
[0019]优选地,所述斩波单元还包括用于将两个双向斩波模块单元切换为串联或并联的网压适配开关,所述网压适配开关包括均为单刀双头的第一隔离开关QS2和第二隔离开关QS3,所述第一隔离开关QS2的活动触点连接到一个双向斩波模块单元的电网侧连接端子的负极,所述第二隔离开关QS3的活动触点连接到另一个双向斩波模块单元的电网侧连接端子的正极;所述第一隔离开关QS2的一个固定触点连接到直流牵引网的负极母线、另一个固定触点则和第二隔离开关QS3的一个固定触点连通,所述第二隔离开关QS3的另一个固定触点则连接到直流牵引网的正极母线。
[0020]优选地,所述直流隔离开关单元包括隔离开关QSl和平波电抗器L2,所述双向斩波模块单元的电网侧连接端子通过隔离开关QSl和城轨的直流牵引网相连,且平波电抗器L2串联于双向斩波模块单元的电网侧连接端子正极和隔离开关QSl之间。
[0021]本实用新型基于超级电容的储能型城轨再生制动能量回收装置具有下述优点:
[0022]1、本实用新型包括斩波单元、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
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