应用于地铁系统的能量综合利用系统的制作方法

本实用新型涉及地铁系统技术领域，具体涉及一种应用于地铁系统的能量综合利用系统。

背景技术：

近年来，城市地铁交通因其高效、有序和省时的交通效果，降低化石燃料的消耗，减少汽车尾气对空气的污染，以及实现节能减排的低碳优势，发展非常迅速。

但是，城市地铁在运行过程中，由于运行速度快，且站点设置较多，因此，相邻两站之间的通行时间一般控制在两分钟到三分钟之间，这就导致了地铁需要频繁起动和制动，在制动过程中，会产生巨大的制动能量，需要采用制动能量吸收装置来消耗掉这些电能，造成了大量的电能浪费。因此，对地铁制动能量进行回收利用已成为现有地下交通系统缩减运营成本、节约运行能源的重要课题。

目前，制动能量吸收的方式主要包括电阻耗能、电容储能、飞轮储能和逆变回馈等几种。其中，电阻耗能方式只能将电能转换为热能排掉，能源浪费严重；电容储能方式需要设置体积庞大的电容器组，占用城际铁路宝贵的地下空间；飞轮储能方式对飞轮的制作工艺要求高，而且飞轮储能制作成本很高，使用寿命不理想；逆变回馈方式是在再生制动使直流母线电压超过规定值时启动，并从直流母线处吸收电能，将再生直流电能逆变成工频交流电回馈至交流电网，以达到节能目的。

为了同时实现制动能量吸收和回收利用，现有技术中，会同时采用电阻耗能系统和能量回馈系统。

然而，发明人发现，现有的地铁电阻耗能系统和能量回馈系统是两个完全独立的系统，其中能量回馈系统很难满容量运行，一大部分制动能量被电阻耗能系统消耗掉，造成电能的浪费。

如图2a至图2d所示，其中，UR_ref为电阻耗能系统工作的直流电压阀值，UH_ref为能量回馈系统工作的直流母线电压阀值，UH_max为直流母线电压最大限定值。

从图中可以看出，在地铁刹车制动时，直流母线电压Udc开始升高，在t1时刻，直流母线电压Udc达到了电阻耗能系统工作的直流电压阀值UR_ref，其控制系统发指令开通开关管，电阻耗能系统开始消耗制动电能；在t2时刻，直流母线电压Udc达到了能量回馈系统工作的直流母线电压阀值UH_ref，能量回馈系统投入工作，直到制动能量消耗完。可见，电阻耗能系统在能量回馈系统未达到额度容量之前就投入工作了，而且不管能量回馈系统是否满载运行，电阻耗能系统都会消耗一定制动能量，从而造成了电能的浪费。

技术实现要素：

为了至少部分解决现有技术中存在的技术问题而完成了本实用新型。

解决本实用新型技术问题所采用的技术方案是：

本实用新型提供一种应用于地铁系统的能量综合利用系统，其包括能量回馈系统和电阻耗能系统；

所述能量回馈系统包括与直流母线电连接的能量回馈主回路，以及与所述能量回馈主回路电连接的能量回馈控制模块；所述电阻耗能系统包括与直流母线电连接的电阻耗能主回路，以及与所述电阻耗能主回路电连接的电阻耗能控制模块；

所述能量回馈控制模块用于在直流母线电压Udc上升并超过能量回馈系统工作的直流母线电压阀值UH_ref时导通所述能量回馈主回路，以及在直流母线电压Udc继续上升并超过直流母线电压最大限定值UH_max时与所述电阻耗能控制模块一起导通所述电阻耗能主回路；

所述能量回馈主回路用于将地铁制动时产生的能量逆变为交流电，并回馈到交流电网；

所述电阻耗能主回路用于将地铁制动时产生的能量直接消耗掉。

可选地，所述电阻耗能系统还包括与所述电阻耗能控制模块电连接的开关管，所述电阻耗能主回路通过所述开关管与直流母线电连接；

所述电阻耗能控制模块用于在直流母线电压Udc超过电阻耗能系统工作的直流电压阀值UR_ref时控制所述开关管导通；

所述电阻耗能主回路上设置有晶闸管，所述能量回馈系统还包括分别与所述能量回馈控制模块和所述晶闸管电连接的晶闸管控制回路；

所述能量回馈控制模块用于在直流母线电压Udc超过直流母线电压最大限定值UH_max时向所述晶闸管控制回路发送晶闸管控制指令；所述晶闸管控制回路用于在接收到所述晶闸管控制指令后控制所述晶闸管导通，且所述晶闸管与所述开关管均导通后，所述电阻耗能主回路导通。

可选地，所述晶闸管控制回路包括：脉冲变压器、第一二极管和第二二极管；所述脉冲变压器的输入侧与所述能量回馈控制模块电连接，所述脉冲变压器的输出侧的一端与所述第一二极管的阳极电连接，所述第一二极管的阴极与所述电阻耗能主回路上的晶闸管的门极电连接，所述第二二极管的阴极分别与所述第一二极管的阴极和所述晶闸管的门极电连接，所述第二二极管的阳极分别与所述脉冲变压器的输出侧的另一端和所述晶闸管的阴极电连接。

可选地，所述电阻耗能主回路包括依次串联的所述晶闸管、耗能电阻和续流二极管；所述续流二极管的阴极分别与直流母线的N极和所述晶闸管的阳极电连接，所述续流二极管的阳极分别与所述开关管的集电极和所述耗能电阻的一端电连接，所述耗能电阻的另一端与所述晶闸管的阴极电连接，所述开关管的发射极与直流母线的P极电连接。

可选地，所述开关管采用IGBT。

可选地，所述能量回馈主回路包括DC/AC变流器和升压变压器；所述DC/AC变流器的直流侧分别与直流母线的P极和N极电连接、交流侧与所述升压变压器的输入侧电连接，所述升压变压器的输出侧与交流电网电连接。

可选地，所述交流电网为35KV电网。

有益效果：

本实用新型中，当直流母线电压Udc上升并超过能量回馈系统工作的直流母线电压阀值UH_ref时，使能量回馈系统优先投入工作，直至其达到额度容量，如若此时直流母线电压Udc仍然继续上升，则在直流母线电压超过直流母线电压最大限定值UH_max时，能量回馈系统的能量回馈控制模块就会向电阻耗能系统发送使其动作的控制指令，并与电阻耗能系统的电阻耗能控制模块一起控制电阻耗能系统投入工作，实现了由能量回馈系统控制电阻耗能系统投入工作的时间，而电阻耗能系统投入工作后会分担一部分制动能量，既避免了直流母线电压继续上升，又达到了更好的节能效果。

附图说明

图1为本实用新型实施例1提供的应用于地铁系统的能量综合利用系统的结构示意图；

图2a为现有技术中电阻耗能系统和能量回馈系统作为两个独立系统时，直流母线电压Udc的波形示意图；

图2b为现有技术中电阻耗能系统和能量回馈系统作为两个独立系统时，能量回馈系统的回馈电流IH的波形示意图；

图2c为现有技术中电阻耗能系统和能量回馈系统作为两个独立系统时，电阻耗能系统的电流IR的波形示意图；

图2d为现有技术中电阻耗能系统和能量回馈系统作为两个独立系统时，电阻耗能系统中开关管的驱动信号Sg1的波形示意图；

图3a为地铁系统应用图1所示能量综合利用系统时，直流母线电压Udc的波形示意图；

图3b为地铁系统应用图1所示能量综合利用系统时，能量回馈系统的回馈电流IH的波形示意图；

图3c为地铁系统应用图1所示能量综合利用系统时，电阻耗能系统的电流IR的波形示意图；

图3d为地铁系统应用图1所示能量综合利用系统时，电阻耗能系统中开关管的驱动信号Sg1的波形示意图；

图3e为地铁系统应用图1所示能量综合利用系统时，电阻耗能系统中晶闸管的触发脉冲信号Sg2的波形示意图；

图4为本实用新型实施例2提供的应用于地铁系统的能量综合利用方法的流程图。

图中：1－能量回馈系统；2－DC/AC变流器；3－升压变压器；4－交流电网；5－能量回馈控制模块；6－脉冲变压器；7－第一二极管；8－晶闸管；9－第二二极管；10－电阻耗能系统；11－续流二极管；12－耗能电阻；13－开关管；14－电阻耗能控制模块；15－能量回馈主回路；16－晶闸管控制回路；17－电阻耗能主回路。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本实用新型的技术方案，下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步详细描述。

实施例1：

如图1所示，本实施例提供一种应用于地铁系统的能量综合利用系统，包括能量回馈系统1和电阻耗能系统10。其中，能量回馈主回路1用于将地铁制动时产生的能量逆变为交流电，并回馈到交流电网4；电阻耗能主回路10用于将地铁制动时产生的能量直接消耗掉。

具体地，能量回馈系统1包括与直流母线电连接的能量回馈主回路15，以及与能量回馈主回路15电连接的能量回馈控制模块5；电阻耗能系统10包括与直流母线电连接的电阻耗能主回路17，以及与电阻耗能主回路17电连接的电阻耗能控制模块14。

其中，能量回馈控制模块5用于在直流母线电压Udc上升并超过能量回馈系统工作的直流母线电压阀值UH_ref时导通能量回馈主回路15，使得能量回馈系统1先投入工作；以及，在直流母线电压Udc继续上升并超过直流母线电压最大限定值UH_max时与电阻耗能控制模块14一起导通电阻耗能主回路17，使得电阻耗能系统10再投入工作，此时电阻耗能系统10与能量回馈系统1一起吸收地铁制动时产生的能量。

本实施例中，当直流母线电压Udc上升并超过能量回馈系统工作的直流母线电压阀值UH_ref时，使能量回馈系统优先投入工作，直至其达到额度容量，如若此时直流母线电压Udc仍然继续上升，则在直流母线电压超过直流母线电压最大限定值UH_max时，能量回馈系统的能量回馈控制模块就会向电阻耗能系统发送使其动作的控制指令，并与电阻耗能系统的电阻耗能控制模块一起控制电阻耗能系统投入工作，实现了由能量回馈系统控制电阻耗能系统投入工作的时间，而电阻耗能系统投入工作后会分担一部分制动能量，既避免了直流母线电压继续上升，又达到了更好的节能效果。

如图1所示，电阻耗能系统10还包括与电阻耗能控制模块14电连接的开关管13，电阻耗能主回路17通过开关管13与直流母线电连接。电阻耗能控制模块14用于在直流母线电压Udc超过电阻耗能系统工作的直流电压阀值UR_ref时控制开关管13导通。其中，开关管13可采用现有的IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)。

电阻耗能主回路17上设置有晶闸管8，能量回馈系统1还包括分别与能量回馈控制模块5和晶闸管8电连接的晶闸管控制回路16。能量回馈控制模块16用于在直流母线电压Udc超过直流母线电压最大限定值UH_max时向晶闸管控制回路16发送晶闸管控制指令A；晶闸管控制回路16用于在接收到晶闸管控制指令A后控制晶闸管8导通，且晶闸管8与开关管13均导通后，电阻耗能主回路17导通。

本实施例中，由于在电阻耗能系统中增加了可控的晶闸管，并在能量回馈系统中增加了用于控制晶闸管开通、关断的晶闸管控制回路，从而具体实现了由能量回馈系统来控制电阻耗能系统投入工作的时间。

如图1所示，晶闸管控制回路16包括：脉冲变压器6、第一二极管7和第二二极管9。脉冲变压器6的输入侧与能量回馈控制模块5电连接，脉冲变压器6的输出侧的一端与第一二极管7的阳极电连接，第一二极管7的阴极与电阻耗能主回路17上的晶闸管8的门极电连接，第二二极管9的阴极分别与第一二极管7的阴极和晶闸管8的门极电连接，第二二极管9的阳极分别与脉冲变压器6的输出侧的另一端和晶闸管8的阴极电连接。

本实施例中，脉冲变压器将能量回馈控制模块发送的晶闸管控制指令放大后控制晶闸管导通，进而使电阻耗能系统投入工作，分担一部分制动能量。

如图1所示，电阻耗能主回路17包括依次串联的晶闸管8、耗能电阻12和续流二极管11；续流二极管11的阴极分别与直流母线的N极和晶闸管8的阳极电连接，续流二极管11的阳极分别与开关管13的集电极和耗能电阻12的一端电连接，耗能电阻12的另一端与晶闸管8的阴极电连接，开关管13的发射极与直流母线的P极电连接。

本实施例中，晶闸管8与开关管13均导通后，电阻耗能电流IR从直流母线的N极出发，依次流经晶闸管8、耗能电阻12、开关管13后，返回至直流母线的P极，从而通过耗能电阻12消耗一部分制动能量。

如图1所示，能量回馈主回路15包括DC/AC变流器2和升压变压器3；DC/AC变流器2的直流侧分别与直流母线的P极和N极电连接、交流侧与升压变压器3的输入侧电连接，升压变压器3的输出侧与交流电网4电连接。其中，交流电网4可以为35KV电网。

本实施例中，能量回馈主回路连接在直流母线与交流电网之间，能够将直流母线上列车制动时产生的制动能量回馈到交流网侧，从而既能够实现能量的循环利用，又可以稳定直流母线电压。

为了更直观地说明本实施例所述能量综合利用系统的优势，通过比较图2a至图2d所示现有技术中电阻耗能系统和能量回馈系统作为两个独立系统时的工作过程，与图3a至图3e所示由能量回馈系统控制电阻耗能系统投入工作时间的工作过程，可以看出，在本实施例中：

1)在t1时刻，直流母线电压Udc达到了电阻耗能系统工作的直流电压阀值UR_ref，则电阻耗能控制模块14发指令开通开关管13，但由于晶闸管8此处仍处于关断状态，使得电阻耗能系统1还不能工作；

2)在t2时刻，直流母线电压达到了能量回馈系统工作的电压阀值UH_ref，能量回馈系统1开始投入工作，直至其达到满容量运行，若此时直流母线电压Udc不再上升，则仅需要能量回馈系统1单独运行就可以将所有制动能量回送电网；若此时直流母线电压Udc仍然继续上升，则需要进行步骤3)。

3)在t3时刻，直流母线电压Udc达到了直流母线电压最大限定值UH_max，能量回馈控制模块5就会发送晶闸管控制指令A，以开通晶闸管8，此时，由于开关管13已经导通，则电阻耗能系统1投入运行，直到制动能量全部耗完，待电阻耗能主回路的电流为零时，晶闸管8就会自然关断，为下一个循环周期做准备。

综上所述，采用本实施例的能量综合利用系统可以让能量回馈系统最大限度发挥作用，更多的制动能量做到了回收利用，只有在能量回馈系统满载运行，还有多余的制动能量时才会启动电阻耗能系统，相比现有技术更能提高能量回馈系统的利用率，更加节约了电能。

实施例2：

如图4所示，本实施例提供一种应用于地铁系统的能量综合利用方法，包括如下步骤S101至S103。

S101.实时检测直流母线电压Udc；

S102.当直流母线电压Udc上升并超过能量回馈系统工作的直流母线电压阀值UH_ref时，先启动能量回馈系统；能量回馈系统用于将地铁制动时产生的能量逆变为交流电，并回馈到交流电网；

S103.当直流母线电压Udc继续上升并超过直流母线电压最大限定值UH_max时，由能量回馈系统启动电阻耗能系统；电阻耗能系统用于将地铁制动时产生的能量直接消耗掉。

具体地，可由能量回馈系统向电阻耗能系统发送使其动作的控制指令，从而启动电阻耗能系统，以使得电阻耗能系统与能量回馈系统一起投入工作。

本实施例中，当直流母线电压Udc上升并超过能量回馈系统工作的直流母线电压阀值UH_ref时，能量回馈系统优先投入工作，直至其达到额度容量，如若此时直流母线电压Udc仍然继续上升，则在直流母线电压超过直流母线电压最大限定值UH_max时，能量回馈系统就会向电阻耗能系统发送使其动作的控制指令，以使得电阻耗能系统投入工作，实现了由能量回馈系统控制电阻耗能系统投入工作的时间，而电阻耗能系统投入工作后会分担一部分制动能量，既避免了直流母线电压继续上升，又达到了更好的节能效果。

进一步地，在步骤S101中，还需实时检测直流母线电流Idc，则在步骤S102中，启动能量回馈系统时，还需判断直流母线电压Udc与直流母线电流Idc是否分别在对应的标称范围内，如是，则仅使能量回馈系统投入工作，如否，则执行步骤S103，使电阻耗能系统与能量回馈系统一起投入工作，并分担一部分制动能量，进而保证直流母线电压和电流均在对应的标称范围内。

本实施例中，直流母线电压Udc的标称范围以及直流母线电流Idc的标称范围可由本领域技术人员根据实际情况进行设定。

此外，本实施例所述方法与实施例1所述系统中的相关特征可以相互参考。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本实用新型的原理而采用的示例性实施方式，然而本实用新型并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本实用新型的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本实用新型的保护范围。