一种混合型再生电能吸收利用装置的容量配置与控制方法与流程

本发明涉及电能存储、电能逆变及自动控制领域，具体涉及一种混合型再生电能吸收利用装置的容量配置与控制方法。

背景技术：

城市轨道交通牵引供电采用从中压10kv或者35kv电网取电，经过整流变压器降压后再通过二极管整流桥为直流牵引网提供1500v或750v的牵引供电方式。其特点是结构简单、成本较低，但是直流电压不可控，波动范围大，不利于列车性能的发挥；同时，二极管整流桥能量只能单向传输，列车再生制动产生的多余电能能量不能回馈交流电网，需要完全被吸收或者消耗掉，否则会引起再生制动功能的退出影响列车平稳制动。典型的列车再生功率曲线类似于一个梯形形状，特点是峰值功率大(尖峰功率可到4-6mw)、制动能量大(一次制动能量可超10kwh)、制动持续时间短且周期间歇性运行。

目前常用的吸收或消耗技术方案一般有电阻消耗型、逆变回馈型和储能吸收型三种类型。其中，电阻消耗型使用制动电阻消耗掉再生电能，造成能量的白白浪费。此外，制动电阻发热还会导致隧道温度升高，增加环控系统的负担，造成能源的再消耗。

新型节能的再生电能吸收利用方案为逆变回馈型和储能吸收型。逆变回馈型采用大功率逆变器将再生电能逆变回馈到交流环网，供给地铁供电系统中其他用电负荷使用，其特点是再生能量无须存储（由地铁中压环网直接消纳），设备的容量由其吸收的峰值功率决定，采用单独的逆变回馈方案吸收时，装置如要完全吸收再生电能，设备的容量会很大，导致其成本变得不经济，同时尺寸变得很大。此外，逆变的再生功率峰值过大可能会超过地铁中压环网的消纳能力，导致一部分再生电能倒送到电力系统中，对电力系统造成冲击和影响。

储能吸收型通过大功率dc-dc变流器将再生电能存储在超级电容或电池等储能介质中，等列车牵引时再释放供给给列车使用从而实现完全就地消纳再生电能，其设备尺寸和成本主要由储能介质的存储容量决定，当采用独立的储能吸收方案时，要完全吸收全部的再生电能，所需要配置的储能容量很大，导致系统其成本变得不经济，尺寸变得很大。

现有技术申请号为：201410618141.x，发明名称为：城轨供电系统混合型再生能量回收方法与装置，公开了采用逆变回馈型和超级电容型混合的再生电能吸收方式，但逆变回馈型和超级电容型是分时工作，逆变回馈型在电网正常时工作，而超级电容型仅在电网异常时工作，因此两种类型的吸收方式是互为备用的方式，每种类型装置都需要具备完全吸收再生电能的容量，导致每种类型的装置都需要配置很大的容量，且当逆变回馈型单独工作时，会出现中压环网消纳不了，而再生电能倒送电力系统的情况。申请号为：201210579214.x，发明名称为：车辆再生制动能量电容-逆变吸收方法中，公开了采用了超级电容型和逆变回馈型配合吸收的方法，提出了当直流网压达到第一电压后超级电容先工作吸收基础部分功率，当直流网压达到第二电压后逆变回馈再工作吸收尖峰部分功率的模式，该方法中要求超级电容装置需要配置较大的存储容量，而逆变回馈装置需要配备有较大的尖峰吸收容量，导致对系统的成本和尺寸优化有限。此外，该方法未对如何合理设计和选择超级电容型和逆变回馈型装置的容量进行说明。

技术实现要素：

1.所要解决的技术问题：

针对上述存在的技术问题，本发明提出一种混合型再生电能吸收利用装置的容量配置与控制方法，包括根据储能型吸收装置和逆变回馈型吸收装置的特点提出两种吸收装置的优化配合吸收方法，以及在该优化配合吸收方式基础上如何选择和配置两种吸收装置容量的方法。本发明利用逆变装置吸收电能量大（电网消纳能力强），而储能装置吸收电能容量小但可就地消纳的特点，通过合理地设计储能装置和逆变回馈装置的吸收范围和功能实现吸收效果和系统成本、占地面积的优化，同时避免出现再生电能倒送电力系统的问题。

2.技术方案：

一种混合型再生电能吸收利用装置的容量配置与控制方法，其特征在于：包括容量配置方法与基于容量配置方法的混合型再生电能吸收利用装置的控制方法。

所述容量配置方法包括以下步骤：步骤一：获得中压环网的功率和列车再生电能的峰值功率：根据车辆再生制动的功率曲线得到再生功率的最大峰值功率pimax，根据主变电所中110kv/35kv主变压器的功率得到地铁中压环网在行车时段的平均有功功率pgave。

步骤二：确定混合型吸收装置中逆变吸收装置的容量pinv：根据步骤一获得的pimax和pgave值，当pgave<pimax时说明列车再生制动的功率峰值会超过地铁中压环网的平均消纳功率，则设置逆变吸收部分容量pinv=k1*pgave，其中k1为小于等于1大于0的值，从而保证逆变吸收的再生功率能完全被中压环网消纳；当pgave>pimax时说明地铁中压环网的平均消纳能力能够消纳列车再生制动的峰值功率，则设置逆变吸收部分容量pinv=k2*pimax，其中k2为小于1大于0的值。

步骤三：确定混合型吸收装置中储能吸收部分的功率容量psto：根据步骤二获得的pinv值，由储能部分吸收剩余的再生功率得到储能部分的psto；即当pgave<pimax时，储能吸收部分功率psto=pimax-k1*pgave；当pgave>pimax时，储能吸收部分功率psto=pimax-k2*pimax。

步骤四：选择k1和k2值：选取k1=0.5或k2=0.5，此时储能部分和逆变部分的最大吸收功率相同，但逆变部分约吸收总再生电能的3/4,而储能部分约仅吸收总再生电能的1/4，从而实现储能协调容量的优化配置。

所述基于容量配置方法的混合型再生电能吸收利用装置的控制方法；包括以下步骤：

步骤五：设置混合型再生电能吸收利用装置；所述再生电能吸收利用装置包括逆变回馈装置和储能装置；所述逆变回馈装置和所述储能装置的直流接入侧并联后接入到直流牵引网；所述逆变回馈装置交流输回馈出通过变压器接入交流电网；所述储能装置的直流输出接到功率型储能单元；所述功率型储能单元为超级电容或/和功率型电池组；所述主控制器采样检测直流牵引网电压、交流电网电压、储能部分装置状态及电压电流、逆变部分装置状态及电压电流，并控制逆变部分装置与储能部分装置的协调工作。

步骤六：如果采样到的实时直流牵引网电压大于第一电压预设值vth1，主控制器发送启动信号至逆变回馈装置，逆变回馈装置基于上述的步骤一至步骤四的过程从而投入逆变回馈装置的吸收能量状态；主控制器采样逆变回馈装置进行吸收能量后的直流牵引网电压，如果此时直流牵引网电压大于第二电压预设值vth2，主控制器发送启动信号至储能装置，所述储能装置基于上述的步骤一至步骤四的过程从而进行储能装置投入吸收能量；其中vth2大于vth1。

当逆变回馈装置进入吸收能量状态时，逆变回馈装置采用电压外环和电流内环的控制策略，在逆变回馈装置容量pinv内，将再生电能回馈中压环网的同时稳定直流牵引网电压为vth1。

当储能装置进入吸收能量状态时，储能装置采用电压外环和电流内环的控制策略，在储能装置功率psto内，将再生电能回馈吸收到储能介质中同时稳定直流牵引网电压为vth2。步骤七：主控制器采样逆变回馈装置和储能装置均投入吸收能量时的直流牵引网电压，如果此时的直流牵引网电压变小且储能装置的电流减少为零时，储能装置退出吸收能量。

所述控制器判断储能装置退出吸收能量后，直流牵引网电压是否稳定且逆变回馈装置的吸收电流是否为零；如果此时逆变回馈装置的吸收电流为零时表示再生制动功率下降为零，逆变回馈装置退出吸收能量，即混合型再生电能吸收利用装置退出再生电能吸收过程。

步骤八：如果直流牵引网电压小于第三电压预设值vth3，其中vth3小于vth1，主控制器发送释能信号至储能装置，所述储能装置将存储的能量释放至直流牵引网。

进一步地，还包括当储能装置处于释能状态时，当电能全部释放后，所述储能装置退出运行等待下一个再生能量吸收过程。

3.有益效果：

本发明针对现有单一的再生电能吸收利用方案中，如果要完全吸收再生电能时再生电能吸收装置的成本高和占地面积大的问题，提出一种混合型再生电能吸收利用系统的优化配置方法及其协调控制方法，该方案结合了逆变回馈装置吸收电能大（地铁中压环网的消纳能力强）而储能装置可就地消纳的特点，让逆变回馈装置吸收再生功率曲线中基础部分（持续时间长，电能大），而储能装置吸收再生功率曲线中的尖峰部分（持续时间短，电能小）。通过该方案可以实现完全吸收再生电能且消除倒送到电力系统中的再生电能，同时可以优化系统的成本和占地面积。

附图说明

图1为本发明的混合型再生电能吸收装置的结构图；

图2为本发明中再生电能吸收装置进行吸收能量的流程图；

图3为本发明中再生电能吸收装置进行再生能量释能的流程图；

图4为实施例使用的再生电能的功率曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行具体的说明。

一种混合型再生电能吸收利用装置的容量配置与控制方法，其特征在于：包括容量配置方法与基于容量配置方法的混合型再生电能吸收利用装置的控制方法。

所述容量配置方法包括以下步骤：步骤一：获得中压环网的功率和列车再生电能的峰值功率：根据车辆再生制动的功率曲线得到再生功率的最大峰值功率pimax，根据主变电所中110kv/35kv主变压器的功率得到地铁中压环网在行车时段的平均有功功率pgave。

步骤二：确定混合型吸收装置中逆变吸收装置的容量pinv：根据步骤一获得的pimax和pgave值，当pgave<pimax时说明列车再生制动的功率峰值会超过地铁中压环网的平均消纳功率，则设置逆变吸收装置容量pinv=k1*pgave（k1为小于等于1大于0的值），从而保证逆变吸收的再生功率能完全被中压环网消纳；当pgave>pimax时说明地铁中压环网的平均消纳能力能够消纳列车再生制动的峰值功率，则设置逆变吸收部分容量pinv=k2*pimax（k2为小于1大于0的值）。

步骤三：确定混合型吸收装置中储能吸收部分的功率容量psto：根据步骤二获得的pinv值，由储能部分吸收剩余的再生功率得到储能部分的psto。即当pgave<pimax时，储能吸收部分功率psto=pimax-k1*pgave；当pgave>pimax时，储能吸收部分功率psto=pimax-k2*pimax。

步骤四：选择k1和k2值：通过前面三个步骤，可保证列车再生制动功率被完全吸收且不会倒送到电力系统。而通过选择k1和k2值可实现再生电能功率在储能吸收部分和逆变吸收部分之间的优化分配，实现系统成本和占地面积的优化。由于再生制动功率曲线可等效为一个等边三角形，而储能吸收部分中储能介质价格高且占地面积大，因此储能吸收部分仅吸收再生功率三角形的尖峰峰值部分，而逆变吸收部分吸收再生功率三角形的基础部分。当选取k1=0.5或k2=0.5时，储能部分和逆变部分的最大吸收功率相同，但逆变部分约吸收总再生电能的3/4,而储能部分约仅吸收总再生电能的1/4左右，从而实现储能协调容量的优化配置。

一种轨道交通混合型再生电能吸收利用装置的控制方法；其流程图如附图2与附图3所示。

步骤五：设置混合型再生电能吸收利用装置如附图1所示；所述再生电能吸收装置包括逆变回馈装置和储能装置；所述逆变回馈装置和所述储能装置的直流接入侧并联后接入到直流牵引网；所述逆变回馈装置交流输回馈出通过变压器接入交流电网；所述储能装置的直流输出接到功率型储能单元；所述功率型储能单元为超级电容或/和功率型电池组；所述主控制器采样检测直流牵引网电压、交流电网电压、储能部分装置状态及电压电流、逆变部分装置状态及电压电流，并控制逆变部分装置与储能部分装置的协调工作。

步骤六：如果采样到的实时直流牵引网电压大于第一电压预设值vth1，主控制器发送启动信号至逆变回馈装置，逆变回馈装置基于上述的步骤一至步骤四的过程从而投入逆变回馈装置的吸收能量状态；主控制器采样逆变回馈装置进行吸收能量后的直流牵引网电压，如果此时直流牵引网电压大于第二电压预设值vth2，主控制器发送启动信号至储能装置，所述储能装置基于上述的步骤一至步骤四的过程从而进行储能装置投入吸收能量；其中vth2大于vth1。

当逆变回馈装置进入吸收能量状态时，逆变回馈装置采用电压外环和电流内环的控制策略，在逆变回馈装置容量pinv内，将再生电能回馈中压环网的同时稳定直流牵引网电压为vth1。

当储能装置进入吸收能量状态时，储能装置采用电压外环和电流内环的控制策略，在储能装置功率psto内，将再生电能回馈吸收到储能介质中同时稳定直流牵引网电压为vth2。步骤七：主控制器采样逆变回馈装置和储能装置均投入吸收能量时的直流牵引网电压，如果此时的直流牵引网电压变小且储能装置的电流减少为零时，储能装置退出吸收能量。

所述控制器判断储能装置退出吸收能量后，直流牵引网电压是否稳定且逆变回馈装置的吸收电流是否为零；如果此时逆变回馈装置的吸收电流为零时表示再生制动功率下降为零，逆变回馈装置退出吸收能量，即混合型再生电能吸收装置退出再生电能吸收过程。

步骤八：如果直流牵引网电压小于第三电压预设值vth3，其中vth3小于vth1，主控制器发送释能信号至储能装置，所述储能装置将存储的能量释放至直流牵引网。

进一步地，还包括当储能装置处于释能状态时，当电能全部释放后，所述储能装置退出运行等待下一个再生能量吸收过程。

具体实施例：

如图4所示为一个典型再生电能的功率曲线，其功率峰值为2200kw，总再生电能量约为8.6kwh，同时，该地铁主变电所主变压器的平均有功功率约1200kw。

如采用单一的逆变回馈装置完全吸收该再生电能，逆变装置容量需要按照2200kw额定容量配置，该再生逆变峰值功率超过了主变电所的平均功率，而导致部分再生功率无法消纳而倒送到电力系统；如采用单一的储能吸收装置完全吸收该再生电能，储能装置需要配置2200kw/8.6kwh储能介质，装置尺寸大和成本高。

采用本发明的配置方法，可采用1100kw的逆变回馈装置吸收1100kw以内的基础功率部分，同时配置1100kw/2.4kwh的储能吸收装置方案来吸收功率超过1100kw的尖峰功率部分，从而实现混合吸收，逆变部分吸收基础部分的电能约6.3kwh，而储能部分吸收尖峰部分的电能约2.3kwh。与单一2200kw逆变回馈装置和单一2200kw/8.6kwh的储能吸收装置相比，本方法提出的混合型再生吸收装置可以完全吸收再生电能，同时消除了再生电能倒送回电网的情况，此外系统成本、占地面积得到了优化。

该配置的再生电能吸收系统的控制方法如图2所示，在dc1500v牵引供电系统中，当直流牵引网电压大于vth1（设置为1720v）时，逆变回馈装置启动运行，再生功率在小于1100kw范围内由逆变装置独立吸收再生电能，并将直流牵引网电压稳定在vth1。当再生功率增大超过1100kw时，逆变装置保持1100kw额定功率吸收，而直流牵引网电压上升达到vth2（设置为1770v）时，储能吸收装置启动运行并吸收超过1100kw部分的再生电能，此时逆变回馈装置和储能装置共同吸收将牵引网网压稳定在vth2。

当再生功率减少时，逆变回馈装置保持1100kw吸收而储能装置的吸收电流逐渐减少，当判断储能装置吸收电流减少为零时或者储能装置已经完全充满时，储能装置退出运行；储能装置退出运行后由逆变装置独自吸收再生电能。

可见储能装置只吸收图4所示中上半部斜线阴影部分的小部分电能，而下半部斜线阴影部分的大部分电能由逆变装置吸收。

当列车牵引时，当直流牵引网电压下降到vth3（设置为1600v）时，储能装置进入释能模式，将储存的电能释放到直流牵引网，当电能全部释放后，储能装置退出运行，系统等待下一个再生电能吸收过程。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但它们并不是用来限定本发明的，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明之精神和范围内，自当可作各种变化或润饰，因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求保护范围所界定的为准。