城市轨道交通地面式超级电容储能装置的制作方法

本实用新型涉及电容储能装置，尤其涉及一种城市轨道交通地面式超级电容储能装置。

背景技术：

城市轨道交通是城市公共交通体系中的重要组成部分，具有运量大、安全舒适、方便快捷等优点，常见的种类主要包括地铁、轻轨、有轨电车等。地铁作为城市轨道交通的典型代表，具有广泛的应用空间。

目前，我国的地铁采用牵引供电的方式为车辆供能，而地铁系统本身的特点是站间距短、车辆运行密度大、整个运行过程中频繁启动和制动。

地铁车辆的制动通常釆用再生制动为主，空气制动(摩擦制动)为辅的电空联合制动方式。所谓再生制动，就是车辆在制动时，电机工作在发电机状态，产生的电能返回电网，供邻近处于牵引状态的列车使用；在制动的过程中，车辆能够产生的电能十分可观，一般来说制动能量能达到牵引能量的，如果能将这部分能量加以合理的利用，将对能量的节约产生很好的正面效果。但是由于地铁牵引整流器通常采用二级管不控整流的方式，制动能量除了一部分被牵引工况的邻车吸收之外，大部分剩余能量无法释放而造成牵引网压抬升，达到上限值后，发生再生失效。

在再生制动能量处理装置的选择上，电阻耗能型是一次性投资成本最低，运行最为可靠的方式，但由于其电能浪费和热污染的问题，应在未来的发展中被逐步淘汰；逆变回馈型的优势在于可以将制动能量及时、有效的加以利用，但逆变电能的处理需要同电网部门协调处理，产生了很多附加问题；蓄电池储能系统有最为广泛的应用市场，但蓄电池本身能量密度高、功率密度低，与城市轨道交通脉冲型牵引、制动能量特性不相符合。

车载式超级电容储能系统在城市轨道交通中具有体积较小、灵活方便，补充的能量能够由本车随时吸收的优点，但是这种方式的储能装置增加了车辆自身的重量，而车辆每增加1吨，全年耗电量桨增加1万kWh，这样会大大削弱储能装置的节能效果。

技术实现要素：

为了解决城市轨道交通中存在的再生制动能量浪费问题，本实用新型提供一种城市轨道交通地面式超级电容储能装置，可安装在变电站内，也可以安装在线路中，它有效解决了增加车重和占用车辆空间的问题，与此同时，由于超级电容储能装置和运行车辆是完全两个系统，方便检修和维护。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：城市轨道交通地面式超级电容储能装置，包括双向DC-DC变换器和超级电容器组；双向DC-DC变换器中设有放电电阻、隔离开关、断路器、直流斩波电感二、滤波电感；双向DC-DC变换器分为上、下两部，上部内设有放电电阻，下部分为左侧柜和右侧柜，左侧柜又分为两层，第一层内设有隔离开关和断路器，第二层内设有上位机和放电、急停按钮；右侧柜分为三层，底层内为预充电回路，中间层内设有滤波电感和直流斩波电感三，上层内设有垂直排布的直流斩波电感一和直流斩波电感二；作为储能媒介的超级电容器组是由超级电容单体通过串并联组成的。

优选的，所述超级电容单体包括集流器、电极、电解液和隔离层，电解液中设有隔离层，两个电极插入到电解液中的隔离层的两侧，并在两个电极表面形成紧密的电荷层，即双电层。

超级电容单体的充电过程是在电解液中插入两个电极，并在其间施加一个小于电解质溶液分解电压的充电电压，则电解液中的正、负离子在场的作用下会迅速向两极运动，正极板吸引电解质中的负离子，负极板吸引正离子，并分别在电极的表面形成紧密的电荷层，即双电层。超级电容单体是一种电化学元件，但其储能的过程并不发生化学反应，这种储能过程是可逆的，可以反复被充放电数十万次。

优选的，单体内阻和单体件内阻共同组成了超级电容器组的内阻，在超级电容单体串并联过程中，单体间内阻由单体间的连接电缆内阻和接触电阻构成，单体内阻由集流器、电极、电解液及隔离层组成。

优选的，所述电极采用多孔活性炭电极。超级电容在外加电压的作用下形成双电层和传统电容器中的电解质在电场作用下产生的极化电荷相似，但是，由于紧密的双电荷层间距比普通电容器电荷层间的距离小得多，且多孔电极的机构极大地增加了电极表面积，所以超级电容远远超过普通电容器的容量。

本实用新型城市轨道交通地面式超级电容储能装置的有益效果：

1)将该城市轨道交通地面式超级电容储能装置应用于城市轨道交通中，当有剩余再生制动能量时，城市轨道交通相当于整个超级电容储能系统的电源，而当需要牵引能量时，它又充当着超级电容储能系统负载的角色。

2)城市轨道交通的典型特点是站间距短，发车密度大，车辆频繁牵引、制动，且牵引和制动能量呈脉冲型；将储能系统应用于城市轨道交通，本实用新型的城市轨道交通地面式超级电容储能装置和城市轨道交通特性相符合；既可以解决城市轨道交通中存在的网压波动大、再生失效的问题，又能充分发挥储能器件的性能，一举两得；超级电容储能特性与城市轨道交通典型工况有着良好的匹配性。

3)本实用新型尤其适用于长期工作于秒级的快速充放电状态的城市轨道交通的过程中。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1是本实用新型城市轨道交通地面式超级电容储能装置的结构示意图。

图2是双向DC-DC变换器的结构示意图。

图3是超级电容单体的结构示意图。

图4是超级电容器组的内阻结构示意图。

图中，1、公共电网，2、降压变压器，3、整流单元，4、双向DC-DC变换器，5、超级电容器组，6、直流母线，7、负极回流母线，41、放电电阻，42、上位机，43、放电、急停按钮，44、隔离开关和断路器，441、隔离开关，442、断路器，45、直流斩波电感一，46、直流斩波电感二，47、滤波电感，48、直流斩波电感三，49、预充电回路，50、超级电容单体，51、集流器，52、电极，53、隔离层，54、电解液，55、双电层，56、单体间内阻，R1、R5为集流器电阻；R2、R4为电极电阻；R3为电解液/隔离层电阻；C1、C2为电极电容；R6、R8为连接电缆接触电阻；R7为连接电缆内阻。

具体实施方式

请参照图1和图2，本具体实施例的城市轨道交通地面式超级电容储能装置安装于公共电网线路或变电站中，双向DC-DC变换器、超级电容器组与公共电网、降压变压器、整流单元组成城市轨道交通地面式超级电容储能系统。本具体实施例，城市轨道交通地面式超级电容储能装置，包括双向DC-DC变换器和超级电容器组；双向DC-DC变换器中设有放电电阻、隔离开关、断路器、直流斩波电感二、滤波电感；双向DC-DC变换器分为上、下两部，上部内设有放电电阻，下部分为左侧柜和右侧柜，左侧柜又分为两层，第一层内设有隔离开关和断路器，第二层内设有上位机和放电、急停按钮；右侧柜分为三层，底层内为预充电回路，中间层内设有滤波电感和直流斩波电感三，上层内设有垂直排布的直流斩波电感一和直流斩波电感二；作为储能媒介的超级电容器组是由超级电容单体通过串并联组成的。

请参照图3，所述超级电容单体包括集流器、电极、电解液和隔离层，电解液中设有隔离层，两个电极插入到电解液中的隔离层的两侧，并在两个电极表面形成紧密的电荷层，即双电层。

超级电容单体的充电过程是在电解液中插入两个电极，并在其间施加一个小于电解质溶液分解电压的充电电压，则电解液中的正、负离子在场的作用下会迅速向两极运动，正极板吸引电解质中的负离子，负极板吸引正离子，并分别在电极的表面形成紧密的电荷层，即双电层。超级电容单体是一种电化学元件，但其储能的过程并不发生化学反应，这种储能过程是可逆的，可以反复被充放电数十万次。

请参照图4，单体内阻和单体件内阻共同组成了超级电容器组的内阻，在超级电容单体串并联过程中，单体间内阻由单体间的连接电缆内阻和接触电阻构成，单体内阻由集流器、电极、电解液及隔离层组成。R1、R5为集流器电阻；R2、R4为电极电阻；R3为电解液/隔离层电阻；C1、C2为电极电容；R6、R8为连接电缆接触电阻；R7为连接电缆内阻。

作为本实用新型的进一步改进，所述电极采用多孔活性炭电极。超级电容在外加电压的作用下形成双电层和传统电容器中的电解质在电场作用下产生的极化电荷相似，但是，由于紧密的双电荷层间距比普通电容器电荷层间的距离小得多，且多孔电极的机构极大地增加了电极表面积，所以超级电容远远超过普通电容器的容量。

上面结合附图对本实用新型进行了示例性的描述，显然本实用新型的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本实用新型技术方案进行的各种改进，或未经改进讲本实用新型的构思和技术方案应用于其他场合的，均在本实用新型的保护范内。