基于超級(jí)電容的儲(chǔ)能型再生制動(dòng)能量回收系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及城軌列車的再生制動(dòng)能量回收技術(shù)，具體涉及一種基于超級(jí)電容的儲(chǔ)能型再生制動(dòng)能量回收系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，我國(guó)城市軌道交通建設(shè)發(fā)展迅速，城軌供電系統(tǒng)作為軌道交通的重要組成部分，其能耗指標(biāo)是城軌運(yùn)營(yíng)的重要指標(biāo)，節(jié)能降耗及技術(shù)升級(jí)的要求使城市軌道交通對(duì)于合理利用再生能量有愈加強(qiáng)烈的需求。為了推動(dòng)城市軌道交通建設(shè)向資源節(jié)約型、環(huán)境友好型的綠色、可持續(xù)性方向發(fā)展，需要開展軌道交通再生制動(dòng)能量二次節(jié)能利用系統(tǒng)的研宄。
[0003]目前在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用較為成熟的是再生制動(dòng)能量回饋裝置，即將列車制動(dòng)產(chǎn)生的能量通過逆變轉(zhuǎn)換為交流電，再回饋至交流電網(wǎng)。再生制動(dòng)能量回饋裝置按回饋點(diǎn)電壓的不同分為低壓型能量回饋裝置、中壓型能量回饋裝置、高壓型能量回饋裝置。其中低壓型能量回饋裝置可以實(shí)現(xiàn)在一定功率范圍內(nèi)回饋制動(dòng)能量，但吸收能量有限，一般需加裝電阻消耗裝置，效率較低；中壓型能量回饋裝置可以實(shí)現(xiàn)全功率范圍內(nèi)制動(dòng)能量回饋，但回饋裝置與整流器之間存在環(huán)流，效率較低，保護(hù)兼容性差，功率因數(shù)較低，回饋至電網(wǎng)的電流諧波較大；高壓型能量回饋裝置可以實(shí)現(xiàn)全功率范圍內(nèi)制動(dòng)能量回饋，采用多重化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，投資較高，國(guó)內(nèi)應(yīng)用較少。
[0004]基于超級(jí)電容的儲(chǔ)能型能量回收裝置可以實(shí)現(xiàn)全功率范圍內(nèi)制動(dòng)能量吸收，超級(jí)電容具有循環(huán)次數(shù)高、充電速度快、功率密度高、無污染、免維護(hù)、充放電效率高，溫度范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，這些特性使超級(jí)電容更加適應(yīng)于城軌領(lǐng)域，可以快速為城軌車輛啟動(dòng)提供瞬時(shí)大功率，并能夠有效吸收車輛制動(dòng)回饋的能量，是城軌再生制動(dòng)能量回收系統(tǒng)的重要研宄方向。城軌列車的再生制動(dòng)能量回收系統(tǒng)目前已在國(guó)內(nèi)地鐵線路應(yīng)用，并且已有多條地鐵線路正在做再生制動(dòng)能量回收系統(tǒng)規(guī)劃，這也代表著再生制動(dòng)能量系統(tǒng)是未來城軌運(yùn)營(yíng)配置的主流趨勢(shì)。而基于超級(jí)電容的儲(chǔ)能型再生制動(dòng)能量回收系統(tǒng)最能符合列車制動(dòng)時(shí)間短，制動(dòng)功率大的特點(diǎn)，是目前城軌再生制動(dòng)能量回收系統(tǒng)的重要研宄方向。
[0005]目前對(duì)于基于超級(jí)電容的儲(chǔ)能型再生制動(dòng)能量回收，現(xiàn)有技術(shù)主要有以下文幾種:
[0006]現(xiàn)有技術(shù)一:公開號(hào)為CN 101249802A的專利文獻(xiàn)公開的城市軌道交通車輛制動(dòng)能量回收系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用了基于車輛自身為主體、脫離電網(wǎng)的能量回收閉環(huán)系統(tǒng)，將回收的電能儲(chǔ)存在超級(jí)電容中，當(dāng)超級(jí)電容陣列容量多車廂用電容量時(shí)，超級(jí)電容陣列向車廂內(nèi)部的交直流用電設(shè)備供電；當(dāng)超級(jí)電容陣列容量達(dá)到額定容量時(shí)，列車制動(dòng)時(shí)將切換到電阻制動(dòng)模式。該技術(shù)的超級(jí)電容只吸收本節(jié)車組能量，容量很小，制動(dòng)能量回收的效率低；此外，該技術(shù)需要超級(jí)電容充電電路、放電電路、DC/AC轉(zhuǎn)換器、變壓穩(wěn)壓?jiǎn)卧炔糠?，并需要額外的制動(dòng)電阻部分，整個(gè)裝置的投資成本高，控制復(fù)雜。
[0007]現(xiàn)有技術(shù)二:公開號(hào)為CN 101042121A的專利文獻(xiàn)公開的用于回收利用城軌交通再生制動(dòng)能量的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用了基于水池和多個(gè)飛輪儲(chǔ)能子系統(tǒng)的方案，采用并聯(lián)方式共同與城軌交通直流電網(wǎng)的主電纜直接連接或與城軌交通用于處理再生制動(dòng)能量的斬波調(diào)壓裝置連接。但采用飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的方案目前在國(guó)內(nèi)外均難以實(shí)現(xiàn)。
[0008]現(xiàn)有技術(shù)三:2010年南京航空航天大學(xué)馮晶晶碩士學(xué)位論文《基于超級(jí)電容的再生制動(dòng)能量吸收利用技術(shù)研宄》。該技術(shù)采用了 4個(gè)變流模塊高壓側(cè)串聯(lián)、超級(jí)電容側(cè)獨(dú)立組合的模塊化儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)，模塊均壓控制復(fù)雜且效果很難保證；變流模塊采用兩個(gè)IGBT各反并聯(lián)一個(gè)二極管的BUCK/BOOST雙向斬波電路，開關(guān)頻率較低，輸出電能質(zhì)量差、模塊體積大。
[0009]上述幾種對(duì)儲(chǔ)能型再生制動(dòng)能量回收系統(tǒng)的現(xiàn)有方案中，都存在著一定的缺點(diǎn)?，F(xiàn)有技術(shù)一系統(tǒng)電路復(fù)雜、控制系統(tǒng)復(fù)雜、投資成本高；現(xiàn)有技術(shù)二采用飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)外都難以實(shí)現(xiàn)；現(xiàn)有技術(shù)三的變流模塊均壓控制復(fù)雜，且變流模塊的開關(guān)頻率較低，體積大。且以上三種現(xiàn)有技術(shù)的變流模塊均不能實(shí)現(xiàn)熱插拔功能，儲(chǔ)能型再生制動(dòng)能量回收裝置一般都采用多個(gè)變流模塊串并聯(lián)的方式，當(dāng)有任一變流模塊出現(xiàn)故障時(shí)，整個(gè)裝置都將被斷開以實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能，裝置的故障風(fēng)險(xiǎn)較大。
[0010]綜上所述，在城軌再生制動(dòng)能量回收方法中，基于超級(jí)電容的儲(chǔ)能型再生制動(dòng)能量回收方式能夠?qū)崿F(xiàn)全功率范圍內(nèi)的制動(dòng)能量吸收，且超級(jí)電容充電速度快，功率密度高，溫度范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，最能符合列車制動(dòng)時(shí)間短，制動(dòng)功率大的特點(diǎn)，是目前城軌再生制動(dòng)能量回收系統(tǒng)的重要研宄方向。但是目前該方案在國(guó)內(nèi)地鐵運(yùn)營(yíng)中的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)非常少，因此超級(jí)電容儲(chǔ)能型的再生制動(dòng)能量回收裝置不論在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、功率模塊設(shè)計(jì)還是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)上都不夠成熟，存在一定的缺陷。我國(guó)城軌供電系統(tǒng)的直流牽引網(wǎng)網(wǎng)壓一般為DC1500V制式或DC750V制式，針對(duì)這兩種不同的直流牽引網(wǎng)電壓等級(jí)，一般需要分別對(duì)再生制動(dòng)能量回收裝置進(jìn)行相應(yīng)的方案設(shè)計(jì)，不利于產(chǎn)品的批量生產(chǎn)。目前超級(jí)電容儲(chǔ)能型再生制動(dòng)能量回收裝置的斬波模塊普遍具有體積大、開關(guān)頻率低，不能做到熱插拔的問題。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0011]本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問題是:針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的上述問題，提供一種能夠?qū)⒊擒壴偕苿?dòng)能量回收和反饋，能夠通用于DC1500V/DC750V兩種直流牽引網(wǎng)，通用性強(qiáng)、可靠性高、穩(wěn)定性好、生產(chǎn)成本低、靈活度高的基于超級(jí)電容的儲(chǔ)能型城軌再生制動(dòng)能量回收系統(tǒng)。
[0012]為了解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案為:
[0013]一種基于超級(jí)電容的儲(chǔ)能型城軌再生制動(dòng)能量回收系統(tǒng)，包括斬波單元、超級(jí)電容單元、斬波控制模塊和直流隔離開關(guān)單元，所述斬波單元包含兩個(gè)雙向斬波模塊單元，所述雙向斬波模塊單元的電網(wǎng)側(cè)連接端子通過直流隔離開關(guān)單元和城軌的直流牽引網(wǎng)相連、電容側(cè)連接端子和超級(jí)電容單元并聯(lián)連接，當(dāng)直流牽引網(wǎng)為DC1500V時(shí)，兩個(gè)雙向斬波模塊單元串聯(lián)連接；當(dāng)直流牽引網(wǎng)為DC750V時(shí)，兩個(gè)雙向斬波模塊單元并聯(lián)連接，所述雙向斬波模塊單元包括一個(gè)或者一個(gè)以上并聯(lián)連接的雙向DC/DC斬波模塊，所述斬波控制模塊的輸出端和雙向DC/DC斬波模塊的控制端相連。
[0014]優(yōu)選地，所述雙向DC/DC斬波模塊為三電平雙向斬波電路，所述三電平雙向斬波電路包括預(yù)充電電路、支撐電容Cl和多條并聯(lián)的雙向DC/DC斬波支路，所述支撐電容Cl和雙向DC/DC斬波支路并聯(lián)連接，所述雙向DC/DC斬波支路由飛跨電容Cd和均含反相并聯(lián)二極管的四個(gè)IGBT單元組成，所述IGBT單元為小功率高頻IGBT單元，所述四個(gè)IGBT單元串聯(lián)成鏈狀，鏈?zhǔn)椎倪B接端a串聯(lián)預(yù)充電電路后連至電網(wǎng)側(cè)連接端子的正極，鏈尾的連接端e同時(shí)連接至電網(wǎng)側(cè)連接端子及電容側(cè)連接端子的負(fù)極，該鏈中第二個(gè)IGBT單元和第三個(gè)IGBT單元之間的連接端c串接一個(gè)直流電抗器LI后連接至電容側(cè)連接端子的正極，所述飛跨電容Cd的一端連接至該鏈中第一個(gè)IGBT單元和第二個(gè)IGBT單元之間的連接端b、另一端連接至該鏈中第三個(gè)IGBT單元和第四個(gè)IGBT單元之間的連接端d。
[0015]優(yōu)選地，所述預(yù)充電電路包括主接觸器KMl、充電接觸器KM2和充電電阻R1，所述充電接觸器KM2和充電電阻Rl串聯(lián)連接后和主接觸器KMl并聯(lián)連接。
[0016]優(yōu)選地，所述雙向斬波模塊單元的電網(wǎng)側(cè)連接端子的正極和負(fù)極之間并聯(lián)連接有第一隔離電容C2，所述雙向斬波模塊單元的電容側(cè)連接端子的正極和負(fù)極之間并聯(lián)連接有第二隔離電容C3。
[0017]優(yōu)選地，所述雙向DC/DC斬波模塊封裝于活動(dòng)拔插結(jié)構(gòu)中，所述雙向斬波模塊單元包括用于和活動(dòng)拔插結(jié)構(gòu)配合的固定拔插結(jié)構(gòu)，所述活動(dòng)拔插結(jié)構(gòu)插設(shè)于固定拔插結(jié)構(gòu)中。
[0018]優(yōu)選地，所述斬波控制模塊包括電壓傳感器、參考電壓模塊、第一比較器、第一 PI控制器、選擇器、參考電流模塊、電流傳感器、第二比較器、第二 PI控制器和PWM發(fā)生器，所述電壓傳感器并聯(lián)于雙向DC/DC斬波模塊的電容側(cè)連接端子，所述電流傳感器串聯(lián)于雙向DC/DC斬波模塊的電網(wǎng)側(cè)連接端子的正極，所述第一比較器的兩個(gè)輸入端分別與電壓傳感器、參考電壓模塊相連，所述第一比較器的輸出端和第一 PI控制器相連，所述選擇器的兩個(gè)輸入端分別與參考電流模塊、第一 PI控制器相連，所述第二比較器的兩個(gè)輸入端分別和電流傳感器、選擇器的輸出端相連，所述第二比較器的輸出端依次通過第二 PI控制器、PWM發(fā)生器和雙向DC/DC斬波模塊中各個(gè)IGBT單元的控制端相連。
[0019]優(yōu)選地，所述斬波單元還包括用于將兩個(gè)雙向斬波模塊單元切換為串聯(lián)或并聯(lián)的網(wǎng)壓適配開關(guān)，所述網(wǎng)壓適配開關(guān)包括均為單刀雙頭的第一隔離開關(guān)QS2和第二隔離開關(guān)QS3，所述第一隔離開關(guān)QS2的活動(dòng)觸點(diǎn)連接到一個(gè)雙向斬波模塊單元的電網(wǎng)側(cè)連接端子的負(fù)極，所述第二隔離開關(guān)QS3的活動(dòng)觸點(diǎn)連接到另一個(gè)雙向斬波模塊單元的電網(wǎng)側(cè)連接端子的正極；所述第一隔離開關(guān)QS2的一個(gè)固定觸點(diǎn)連接到直流牽引網(wǎng)的負(fù)極母線、另一個(gè)固定觸點(diǎn)則和第二隔離開關(guān)QS3的一個(gè)固定觸點(diǎn)連通，所述第二隔離開關(guān)QS3的另一個(gè)固定觸點(diǎn)則連接到直流牽引網(wǎng)的正極母線。
[0020]優(yōu)選地，所述直流隔離開關(guān)單元包括隔離開關(guān)QSl和平波電抗器L2，所述雙向斬波模塊單元的電網(wǎng)側(cè)連接端子通過隔離開關(guān)QSl和城軌的直流牽引網(wǎng)相連，且平波電抗器L2串聯(lián)于雙向斬波模塊單元的電網(wǎng)側(cè)連接端子正極和隔離開關(guān)QSl之間。
[0021]本實(shí)用新型基于超級(jí)電容的儲(chǔ)能型城軌再生制動(dòng)能量回收裝置具有下述優(yōu)點(diǎn):
[0022]1、本實(shí)用新型包括斬波單元、超級(jí)電容單元、斬波控制模塊和直流隔離開關(guān)單元，所述斬波單元包含兩個(gè)雙向斬波模塊單元，所述雙向斬波模塊單元的電網(wǎng)側(cè)連接端子通過直流隔離開關(guān)單元和城軌的直流牽引網(wǎng)相連、電