一种长大坡道再生制动能量地面储能的方法

1.本发明涉及储能技术领域，尤其涉及一种长大坡道再生制动能量地面储能的方法。


背景技术：

2.随着高速铁路建设网不断在地势起伏较大，地形复杂多变的西部展开，不可避免的出现越来越多的长大坡道运行路线。
3.高速列车在长大坡道下坡时采用空气制动无法使列车保持恒速行驶，因此将频繁使用再生制动，产生的再生制动能量返送至牵引电网，将造成接触网电压明显上升，导致供电臂网压过高，当电压超出正常范围，将会引起列车再生制动失效，严重影响列车的运行安全。同时，运行的动车组列车含有一定的高次谐波，容易造成牵引供电系统高次谐波谐振，引起供电质量下降，并对供电设备安全造成影响。


技术实现要素：

4.为了解决上述现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种长大坡道再生制动能量地面储能的方法，拟解决列车在长大坡道运行时，会造成列车再生制动失效以及供电质量下降的问题。
5.本发明采用的技术方案如下：
6.一种长大坡道再生制动能量地面储能的方法，包括以下步骤：
7.建立超级电容储能装置，将所述超级电容储能装置的双向dc/dc变换器与变流器的直流侧相连接，并将变流器的交流侧于供电臂的末端以及轨道连接；
8.当动车组列车进行再生制动时，再生制动能量经过变流器，将接触网电压进行降压，并对降压后的电压进行整流获得稳定的直流电压，随后经过双向dc/dc变换器对直流电压进行降压处理，最后将经过降压处理的能量输入超级电容储能装置的超级电容组中储存；
9.当供电臂内有处于牵引状态的动车组列车时，超级电容储能装置释放电能。
10.通过本发明的上述技术方案使得当列车行驶在牵引阶段时接触网将电力提供给列车，当列车行驶在制动阶段时将制动能量回馈至接触电网。当列车行驶在长大坡道下坡道上时，为了保持匀速行驶需要采取制动措施将产生大量的再生制动能量，使得接触网电压偏高而超出正常范围，此时储能装置进行充电，吸收列车所产生的再生制动能量，从而降低接触网电压，使得接触网网压恢复至正常范围内；当列车行驶在长大坡道上坡道上时，为了保持匀速行驶需要增大牵引功率，使得接触网网压降低而低于正常范围，此时超级电容储能装置释放电能，提高接触网电压，使得接触网网压恢复至正常范围内；因此能够避免触网电压明显上升所造成的一系列的问题。
11.优选的，所述变流器以25:1的电压比进行降压，将供电网25kv/50hz的交流电压被降压至1000v/50hz。
12.优选的，所述双向dc/dc变换器将直流电压降至2000v。
13.进一步的，其特征在于，所述双向dc/dc变换器包括升压模式和降压模式，当列车在长大坡道进行下坡时，双向dc/dc变换器处于降压模式；当列车在长大坡道进行上坡时，双向dc/dc变换器处于升压模式。
14.通过双向dc/dc变换器以上两种工作方式，依靠电流发生变化，在电压极性不变的情况下实现超级电容储能装置的充电与放电。
15.进一步的，还包括获取接触网的电压，基于获取的接触网电压调整超级电容储能装置的充放电状态，当触电网电压大于阈值时对超级电容储能装置进行充电，当触电网电压小于阈值时对超级电容储能装置进行放电。
16.进一步的，所述触电网电压的获取步骤如下：
17.通过分压器对触电网电压进行分压，将分压后的电压经过四层屏蔽电缆送入高精度电压传感器，基于高精度电压传感器获取电压信号；
18.信号调理器对高精度电压传感器获取到的电压信号进行分压，并对分压后的电压信号进行模拟滤波以及模拟信号到数字信号的转换；
19.将转换为数字信号的电压信号送入接触网电压检测数据处理工作站中进行数字滤波，获得接触网实时电压数值，并将接触网实时电压数值送入双向dc/dc变换器的控制器；双向 dc/dc变换器的控制器将接触网实时电压数值与所设置的阈值进行比对，基于对比结果控制dc/dc变换器的工作模式。
20.进一步的，所述双向dc/dc变换器的控制器的控制步骤如下所述：
21.获取检测接触网网压u
gd
和馈线电流ik判断超级电容储能装置的工作状况，由超级电容储能装置的超级电容组进行恒功率充电，充电功率p与通过采样获得的直流侧的实际电压 ud作商，将作商的结果送入pi调节器，pi调节器将作商的结果输出作为超级电容电流的电流期望值电流期望值再与实际电流值i
l
作差送入pi调节器并进行限幅后，进行pwm 调制，获得控制开关的脉冲信号。
22.基于上述技术方案，有效的避免了对长大坡道再生制动能量地面储能系统进行充放电时，充电电流或电压过大对储能装置造成破坏；并且基于上述技术方案维持接触网网压的稳定。
23.进一步的，所述超级电容组在进行充放电时，通过减小超级电容组的等效内阻或增大超级电容组充放电电压比率来提高充放电效率。
24.本发明的有益效果包括：
25.通过本发明当列车行驶在长大坡道下坡道时，控制超级电容储能装置进行充电，吸收列车所产生的再生制动能量，从而降低接触网电压，使得接触网电压恢复至正常范围；当列车行驶在长大坡道上坡道时，控制超级电容储能装置释放电能，提高接触电压，使得接触网电压恢复到正常范围内；从而保证了列车再生制动不会出现失效的情况，提高了列车运行的安全性和再生制动能量利用率。
附图说明
26.图1为本发明的再生制动能量地面储能系统结构；
27.图2为本发明的均衡电路示意图；
28.图3为本发明的接触网实时电压检测装置原理示意图；
29.图4为本发明的dc/dc控制器控制原理框图。
具体实施方式
30.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本技术实施例的组件可以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本技术的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本技术的范围，而是仅仅表示本技术的选定实施例。基于本技术的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
31.下面结合附图1和附图4对本发明作进一步的详细说明：
32.一种长大坡道再生制动能量地面储能的方法，包括以下步骤：
33.参见附图1，建立超级电容储能装置，将所述超级电容储能装置的双向dc/dc变换器与变流器的直流侧相连接，并将变流器的交流侧于供电臂的末端以及轨道连接；
34.当动车组列车进行再生制动时，再生制动能量经过变流器，将接触网电压进行降压，并对降压后的电压进行整流获得稳定的直流电压，随后经过双向dc/dc变换器对直流电压进行降压处理，最后将经过降压处理的能量输入超级电容储能装置的超级电容组中储存；
35.当供电臂内有处于牵引状态的动车组列车时，超级电容储能装置释放电能。
36.通过本发明的上述技术方案使得当列车行驶在牵引阶段时接触网将电力提供给列车，当列车行驶在制动阶段时将制动能量回馈至接触电网。当列车行驶在长大坡道下坡道上时，为了保持匀速行驶需要采取制动措施将产生大量的再生制动能量，使得接触网电压偏高而超出正常范围，此时储能装置进行充电，吸收列车所产生的再生制动能量，从而降低接触网电压，使得接触网网压恢复至正常范围内；当列车行驶在长大坡道上坡道上时，为了保持匀速行驶需要增大牵引功率，使得接触网网压降低而低于正常范围，此时超级电容储能装置释放电能，提高接触网电压，使得接触网网压恢复至正常范围内；因此能够避免触网电压明显上升所造成的一系列的问题。
37.所述变流器以25:1的电压比进行降压，将供电网25kv/50hz的交流电压被降压至 1000v/50hz。
38.所述双向dc/dc变换器将直流电压降至2000v。
39.所述双向dc/dc变换器包括升压模式和降压模式，当列车在长大坡道进行下坡时，双向dc/dc变换器处于降压模式；当列车在长大坡道进行上坡时，双向dc/dc变换器处于升压模式。
40.通过双向dc/dc变换器以上两种工作方式，依靠电流发生变化，在电压极性不变的情况下实现超级电容储能装置的充电与放电。
41.参见附图3，在本实施例中，还包括获取接触网的电压，基于获取的接触网电压调整超级电容储能装置的充放电状态，当触电网电压大于阈值时对超级电容储能装置进行充电，当触电网电压小于阈值时对超级电容储能装置进行放电。
42.所述触电网电压的获取步骤如下：
43.通过分压器对触电网电压进行分压，将分压后的电压经过四层屏蔽电缆送入高精度电压传感器，基于高精度电压传感器获取电压信号；
44.信号调理器对高精度电压传感器获取到的电压信号进行分压，并对分压后的电压信号进行模拟滤波以及模拟信号到数字信号的转换；
45.将转换为数字信号的电压信号送入接触网电压检测数据处理工作站中进行数字滤波，获得接触网实时电压数值，并将接触网实时电压数值送入双向dc/dc变换器的控制器；双向 dc/dc变换器的控制器将接触网实时电压数值与所设置的阈值进行比对，基于对比结果控制dc/dc变换器的工作模式。
46.参见附图4，所述双向dc/dc变换器的控制器的控制步骤如下所述：
47.获取检测接触网网压u
gd
和馈线电流ik判断超级电容储能装置的工作状况，由超级电容储能装置的超级电容组进行恒功率充电，充电功率p与通过采样获得的直流侧的实际电压 ud作商，将作商的结果送入pi调节器，pi调节器将作商的结果输出作为超级电容电流的电流期望值电流期望值再与实际电流值i
l
作差送入pi调节器并进行限幅后，进行pwm 调制，获得控制开关的脉冲信号。
48.基于上述技术方案，有效的避免了对长大坡道再生制动能量地面储能系统进行充放电时，充电电流或电压过大对储能装置造成破坏；并且基于上述技术方案维持接触网网压的稳定。
49.所述超级电容组在进行充放电时，通过减小超级电容组的等效内阻或增大超级电容组充放电电压比率来提高充放电效率。
50.本发明所述的超级电容组先通过多个超级电容串联为一个超级电容单元，然后再将多个超级电容单元并联形成所述超级电容组。
51.通过以上方式串并联形成的超级电容组还存在两方面的问题：一是超级电容组中每一个超级电容单体的电压大小不同，从而导致超级电容组的储能率下降；二是由于生产工艺的问题，各个超级电容单体会存在容值存在一定的偏差，使得超级电容组充电时，每个超级电容单体承受的电压并不平均，当部分超级电容单体两端的电压超出额定电压时，超级电容单体将会被瞬间击穿。上述两方面的问题若不进行处理，将大大减少超级电容组的寿命，甚至会引起爆炸事故。
52.故如图2所示，通过并联在超级电容单体两端的电压均衡电路对输入和输出电压进行控制，当超级电容单体端电压达到最大承受电压时，将会有一个瞬时升高的电流通过超级电容单体，从而降低电压保证超级电容单体时刻都工作在额定电压范围之内。在进行均压电路设计时，电路中分压电阻的取值越大，则分压电阻所产生的能耗将会越小。
53.以上所述实施例仅表达了本技术的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本技术保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。