基于飞轮储能和电阻制动的再生能量回收系统及控制方法与流程

本发明涉及城市轨道交通再生能量回收技术领域，具体涉及一种基于飞轮储能和电阻制动的再生能量回收系统及控制方法。

背景技术：

随着我国城市轨道交通建设的迅速发展，轨道列车传动控制技术也取得了显著的进步。城市轨道交通基本上都已釆用交流变频调压(vvvf)调速系统，采用再生制动的方式。再生制动最大的优势是节能，将再生制动能量回馈到牵引电网，可供相邻列车使用。列车每年所产生的再生制动能量非常可观，据统计，有的牵引电网再生制动能量占列车牵引总电能的30％左右，但再生制动能量并不能被其它相邻车辆完全吸收，若不进行有效处理，会使得牵引电网电压超出正常范围，从而引发车辆牵引系统过压保护，影响系统运行。为了解决轨道交通再生制动能量的回收利用问题，国内外所釆用的能量回收方法通常包括电阻耗能型、飞轮储能型、电容储能型和逆变回馈型四种。

电阻耗能型包括车载电阻和地面电阻两种再生能量吸收方式。车载电阻吸收方式将电阻吸收装置安装在列车上，在反馈回直流牵引网的能量未能被相邻车辆所完全吸收，导致牵引网的电压达到设定值时，由安装在车厢上的车载制动电阻消耗掉多余能量。这种车载电阻制动的方式本身并不节能，所产生的热量会造成隧道内温度上升，增加了城轨交通的运营成本和建设费用。地面电阻吸收方式是将电阻吸收装置安装在牵引变电所，当再生制动能量不能完全被本车的用电设备和其他相邻车辆所吸收时，地面电阻能量吸收装置会立刻启动，维持牵引电网电压在设定的范围内，并将多余的能量以热能形式消耗掉。这种方式的主要问题是不节能，但是由于其技术成熟，简单可靠，造价较低，已在国内多条地铁线路中应用。在电阻耗能型技术方案方面，国内目前主要采用恒压电阻吸收装置，该方案的缺点是：将再生制动能量通过热能的形式耗散掉，没有进行再回收利用，不节能；再生制动能量在吸收电阻上集中发热消耗，导致放置电阻柜的设备空间环境温度上升，还需采取措施保证足够的通风量来散热，增加了额外的能量消耗。

通过飞轮储能对轨道交通再生制动能量进行回收利用是一种很好的解决方案，近年来得到越来越广泛的应用。飞轮储能装置接在牵引供电网的直流母线上，当列车制动时，将再生制动能量通过飞轮的动能存储起来，当列车启动或加速时，再将飞轮储存的动能转化成电能输出，实现再生制动能量的回收利用。飞轮储能装置使用寿命长，运维成本低；再生能量直接在直流系统内转换，不影响交流系统，能量利用效率高，节能效果好，但初期投资成本较高。

为了解决轨道交通再生制动能量的回收利用问题，只靠单一的某种产品很难在技术性能方面和经济指标方面同时达到最优。

鉴于此，克服以上现有技术中的缺陷，提供一种新的基于飞轮储能和电阻制动的再生能量回收系统及控制方法成为本领域亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术的上述缺陷，提供一种基于飞轮储能和电阻制动的再生能量回收系统及控制方法。

本发明的目的可通过以下的技术措施来实现：

本发明提供了一种基于飞轮储能和电阻制动的再生能量回收系统，该系统包括：用于输出电能给轨道供电的供电网、用于输出电能给列车供电的直流母线、设于直流母线与供电网之间的整流器和变压器，所述整流器的直流侧与直流母线连接，交流侧与变压器的一端连接，变压器的另一端与所述供电网连接，所述供电网输出的电能经过变压器、整流器转换后与直流母线相适配，该系统还包括：

至少一个飞轮储能回馈装置，所述飞轮储能回馈装置与所述直流母线连接，所述飞轮储能回馈装置用于将列车制动时产生的再生能量转化为动能储存或将储存的动能转化为电能释放供列车使用；

至少一个电阻吸收装置，所述电阻吸收装置与所述直流母线连接，所述电阻吸收装置将所述飞轮储能回馈装置吸收后的剩余能量可控消耗；

设于直流母线上的电压传感器，用于检测直流母线电压；

所述飞轮储能回馈装置与所述电阻吸收装置根据所述电压传感器的检测结果改变运行状态。

优选地，所述飞轮储能回馈装置包括用于直流-交流转换、交流-直流转换的双向变流器和用于电能-动能转换、动能-电能转换的飞轮储能单元，所述双向变流器的直流侧与所述直流母线连接，所述双向变流器的交流侧与所述飞轮储能单元连接。

优选地，所述电阻吸收装置包括第一直流开关、第二直流开关、滤波模块、斩波器、电阻和续流二极管，所述滤波模块包括：电感、电容，所述电感的一端与所述第一直流开关连接，所述电感的另一端分别与所述斩波器、所述电容连接，所述斩波器还分别与所述电阻、所述续流二极管连接，所述电容、所述续流二极管、所述电阻均与所述第二直流开关连接。

优选地，所述直流母线的额定电压为750v或1500v。

本发明还提供了一种应用于上述基于飞轮储能和电阻制动的再生能量回收系统的控制方法，该控制方法包括：

电压传感器检测直流母线电压；

飞轮储能回馈装置与电阻吸收装置根据所述电压传感器的检测结果改变运行状态。

优选地，所述飞轮储能回馈装置的运行状态包括：充电、放电、待机，所述电阻吸收装置的运行状态包括：吸收、待机。

优选地，列车制动时，当直流母线电压大于或等于第一吸收阈值时，飞轮储能回馈装置充电，当直流母线电压小于第一吸收阈值时，飞轮储能回馈装置待机。

优选地，在直流母线电压大于或等于第一吸收阈值时，若直流母线电压小于第二吸收阈值，电阻吸收装置待机；若直流母线电压大于或等于第二吸收阈值，电阻吸收装置吸收。

优选地，所述电阻吸收装置通过改变斩波器的导通比调整吸收功率的大小。

优选地，列车启动或加速时，当直流母线电压小于或等于放电阈值时，飞轮储能回馈装置放电，电阻吸收装置待机；当直流母线电压大于放电阈值时，飞轮储能回馈装置待机，电阻吸收装置待机。

本发明的系统中的电阻吸收装置和飞轮储能回馈装置相互协调工作，再生能量以飞轮储能回馈为主，电阻吸收为辅，飞轮储能回馈装置提供大部分吸收功率，吸收大部分再生能量，电阻吸收装置在飞轮储能回馈装置的功率不足以消纳再生能量的情况下才投入使用，使得飞轮储能回馈装置的功率配置不需要按照系统的最大吸收功率的要求配置，既可以充分利用再生能量，节能减排，又能节省总体投资，有效提高了系统经济效益，使得系统的整体经济性与节能效果比单一的电阻吸收装置和飞轮储能回馈装置更佳；本发明提供的该系统控制方法，飞轮储能回馈装置与电阻吸收装置在控制上解耦，不需要依赖于相互通信，降低了系统控制的复杂度，具有可扩展性、方便建设和运维。

附图说明

图1是本发明的系统的组成结构示意图。

图2是本发明的系统的控制方法的步骤流程图。

图3是本发明的系统的各种工况的控制方法流程图。

图4是本发明的系统中的飞轮储能回馈装置吸收功率和电阻吸收装置吸收功率状态示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

为了使本揭示内容的叙述更加详尽与完备，下文针对本发明的实施方式与具体实施例提出了说明性的描述；但这并非实施或运用本发明具体实施例的唯一形式。实施方式中涵盖了多个具体实施例的特征以及用以建构与操作这些具体实施例的方法步骤与其顺序。然而，亦可利用其它具体实施例来达成相同或均等的功能与步骤顺序。

本发明一种基于飞轮储能和电阻制动的再生能量回收系统，请参见图1，图1示出了一种基于飞轮储能和电阻制动的再生能量回收系统，该系统包括：用于输出电能给轨道供电的供电网10、用于输出电能给列车供电的直流母线20、设于直流母线20与供电网10之间的整流器30和变压器40，整流器30的直流侧与直流母线20连接，交流侧与变压器40的一端连接，变压器40的另一端与供电网10连接，供电网10输出的电能经过变压器40、整流器30转换后与直流母线20相适配，该系统还包括：至少一个飞轮储能回馈装置50、至少一个电阻吸收装置60和电压传感器(图中未示出)。

进一步地，请参见图1，飞轮储能回馈装置50与直流母线20连接，电阻吸收装置60与直流母线20连接，电压传感器设于直流母线20上，用于检测直流母线20电压，飞轮储能回馈装置50与电阻吸收装置60根据电压传感器的检测结果改变运行状态。

进一步地，飞轮储能回馈装置50可以根据应用需求进行配置，多个飞轮储能回馈装置50并联工作以提高功率和储能容量。飞轮储能回馈装置50用于将列车制动时产生的再生能量转化为动能储存，在列车启动或加速时将所储存的动能转化为电能释放供列车使用。

进一步地，电阻吸收装置60可以根据应用需求进行配置，多个电阻吸收装置60并联工作以提高功率配置。在列车制动时，电阻吸收装置60将飞轮储能回馈装置50吸收后的剩余能量以热能的形式可控消耗，保证直流母线20电压稳定在设定值范围内。

进一步地，直流母线20的额定电压为750v或1500v。

在本实施例中，当列车制动时，产生的再生能量回馈到直流母线20上，直流母线20的电压升高，为稳定直流母线20电压在设定值范围内，保证列车正常、安全运行，当电压传感器检测到直流母线20的电压大于或等于第一吸收阈值，飞轮储能回馈装置50将再生能量转化成动能储存起来，当列车启动或加速时，直流母线20的电压下降，当直流母线20电压小于或等于放电阈值时，飞轮储能回馈装置50将所储存的动能转化成电能释放出来，供列车运行使用，充分利用再生能量，节约资源。在列车制动的过程中，当飞轮储能回馈装置50达到最大吸收功率仍不能吸收完再生能量，随着直流母线20电压的升高，当直流母线20电压大于或等于第二吸收阈值时，电阻吸收装置60将剩余的能量以热能的形式消耗掉。

本实施例中，电阻吸收装置60和飞轮储能回馈装置50相互协调工作，再生能量以飞轮储能回馈为主，电阻吸收为辅，飞轮储能回馈装置50提供大部分吸收功率，吸收大部分再生能量，电阻吸收装置60在飞轮储能回馈装置50的功率不足以消纳再生能量的情况下才投入使用，使得飞轮储能回馈装置50的功率配置不需要按照系统的最大吸收功率的要求配置，既可以充分利用再生能量，节能减排，又能节省总体投资，有效提高了系统经济效益，使得系统的整体经济性与节能效果比单一的电阻吸收装置60和飞轮储能回馈装置50更佳。

在上述实施例的基础上，本实施例中，请参见图1，飞轮储能回馈装置50包括用于直流-交流转换、交流-直流转换的双向变流器501和用于电能-动能转换、动能-电能转换的飞轮储能单元502，双向变流器501的直流侧与直流母线20连接，双向变流器501的交流侧与飞轮储能单元502连接。

当列车制动时，直流母线20电压升高，当电压传感器检测到直流母线20的电压大于或等于第一吸收阈值，双向变流器501控制功率从直流母线20流向飞轮储能单元502，将再生能量以动能的形式储存起来，当列车启动或加速时，直流母线20电压下降，当直流母线20电压小于或等于放电阈值时，双向变流器501控制功率从飞轮储能单元502流向直流母线20，将所储存的动能转化成电能释放出来，供列车运行使用，双向变流器501可以根据直流母线20电压的变化调整功率的大小，使直流母线20电压稳定在设定值范围内。

本实施例的飞轮储能单元502实现动能与电能之间的相互转换，利用飞轮储能单元502中高速旋转的飞轮本体来储存能量，属于物理储能，对环境无污染，飞轮储能回馈装置50的使用寿命长、运维成本低、节能效果好。

在上述实施例的基础上，本实施例中，请参见图1，电阻吸收装置60包括第一直流开关k1、第二直流开关k2、滤波模块70、斩波器vt、电阻r、续流二极管vd，滤波模块70包括：电感l、电容c，电感l的一端与第一直流开关k1连接，电感l的另一端分别与斩波器vt、电容c连接，斩波器vt还分别与电阻r、续流二极管vd连接，电容c、续流二极管vd、电阻r均与第二直流开关k2连接。当列车制动时，直流母线20电压升高，当电压传感器检测到直流母线20的电压大于或等于第二吸收阈值，电阻吸收装置60通过电阻r消耗再生能量，电阻吸收装置60通过改变斩波器vt的导通比来调整电阻r消耗功率的大小，将直流母线20电压稳定在设定值范围内。

本发明还提供了一种应用于上述基于飞轮储能和电阻制动的再生能量回收系统的控制方法，请参见图2，图2示出了一种基于飞轮储能和电阻制动的再生能量回收系统的控制方法，该控制方法包括：

步骤s1：电压传感器检测直流母线20电压；

步骤s2：飞轮储能回馈装置50与电阻吸收装置60根据所述电压传感器的检测结果改变运行状态。

进一步地，飞轮储能回馈装置50的运行状态包括：充电、放电、待机，电阻吸收装置60的运行状态包括：吸收、待机。

进一步地，列车制动时，当直流母线20电压大于或等于第一吸收阈值时，飞轮储能回馈装置50充电；

当直流母线20电压小于第一吸收阈值时，飞轮储能回馈装置50待机。

进一步地，在直流母线20电压大于或等于第一吸收阈值时，

若直流母线20电压小于第二吸收阈值，电阻吸收装置60待机，若直流母线20电压大于或等于第二吸收阈值，电阻吸收装置60吸收。

进一步地，电阻吸收装置60通过改变斩波器vt的导通比调整吸收功率的大小。

进一步地，列车启动或加速时，当直流母线20电压小于或等于放电阈值时，飞轮储能回馈装置50放电，电阻吸收装置60待机，当直流母线20电压大于放电阈值时，飞轮储能回馈装置50待机，电阻吸收装置60待机。

具体地，该系统的工作状态及对应状态下的控制方法如下：

请参见图3，当直流母线20电压处于设定值范围内，如状态2所示，即直流母线20电压小于第一吸收阈值且大于放电阈值时，电阻吸收装置60与飞轮储能回馈装置50均处于待机状态，不进行能量转换。

当列车制动时，向直流母线20回馈再生能量，直流母线20电压升高，当直流母线20电压大于或等于第一吸收阈值时，飞轮储能回馈装置50首先启动充电，通过双向变流器501控制充电功率的大小，进而控制直流母线20电压稳定在设定值范围内,如果飞轮储能回馈装置50在其最大吸收功率范围内能够稳定直流母线20电压，如图3所示的状态3，即直流母线20电压小于第二吸收阈值，则电阻吸收装置60处于待机状态，不需要投入运行，如图4所示的第一峰t1，表示系统中只存在飞轮储能回馈装置50吸收部分或如图4的第三峰t3所示，再生能量的吸收处于临界状态；如果飞轮储能回馈装置50已经按最大吸收功率运行，仍不足以吸收完再生能量，则直流母线20电压继续上升，请参见图3，如图3所示的状态4，当直流母线20电压大于或等于第二吸收阈值时，电阻吸收装置60自动投入运行，并通过控制斩波器vt的导通比来调整吸收功率的大小，稳定直流母线20电压，如图4所示的第二峰t2，表示系统中不仅存在飞轮储能回馈装置50吸收部分还有电阻吸收装置60吸收部分。随着列车制动进程的发展，再生能量逐渐下降，直流母线20电压也随之下降，当直流母线20电压小于第二吸收阈值时，电阻吸收装置60自动退出运行，进入待机状态。当列车制动结束，直流母线20电压小于第一吸收阈值时，飞轮储能回馈装置50也退出充电状态，进入待机状态。

请参见图3，当列车启动或加速时，直流母线20电压下降，如状态1所示，当直流母线20电压小于或等于放电阈值时，飞轮储能回馈装置50自动进入放电状态，将所储存的动能转化为电能，通过双向变流器501控制功率由飞轮储能单元502流向直流母线20，控制直流母线20电压稳定在设定值范围内，电阻吸收装置60处于待机状态。

本实施例中的该系统的控制方法，飞轮储能回馈装置50与电阻吸收装置60在控制上解耦，不需要依赖于相互通信，降低了系统控制的复杂度，具有可扩展性、方便建设和运维。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。