CN101249802B - 城市轨道交通车辆制动能量回收系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及城市轨道交通车辆制动能量回收系统，包括直流高速开关一、充电电路单元、超级电容阵列、放电电路单元、变压稳压单元、直流高速开关二、DC/AC转换器、交流高速开关、ACU辅助控制单元，所述系统在车辆制动时，通过ACU辅助控制单元对超级电容阵列中的储能大小进行判断，实时与主回路进行切换。与现有技术相比，本发明有效利用能源，将其回收的电能用于车厢内部的空调或照明等；克服了目前车辆再生制动能量回收的电网电压波动问题，构成以车辆自身为主体的能量回收闭环控制系统；另外不会对电网电压产生任何冲击，只需吸收本节动车组能量，所用超级电容体积较小，较易于电源管理与控制，安装方式更加灵活。

Description

城市轨道交通车辆制动能量回收系统

技术领域

本发明涉及城市轨道交通车辆，特别是涉及一种城市轨道交通车辆制动能量回收系统。

背景技术

目前城市轨道交通车辆制动能量回收是在电网电压某范围内，当制动电压超或小于该范围内时，通过车辆的牵引控制单元切断向电网反馈的电能，均转变为电阻制动。另外该电能的利用必须满足在两站之间有其他列车同时运行的条件，此时该列车才能吸收制动列车反馈的电能，否则制动能量通过车辆的牵引控制单元就自动转变为电阻制动而消耗。该方法制动能量大部分消耗在车辆制动电阻上，产生的热量散发地铁隧道内，并且隧道内温度逐年提高。另外一种能量回收方式：制动电能也是向电网反馈，不同的是将反馈电网电能储存在牵引变电所能量回收装置中，同样会产生上述问题，能量回收受电网电压大小的限制，大大限制了制动能量的回收率，另外这些装置占地面积大，投资成本高。本发明专利是基于车辆自身为主体的脱离电网的能量回收闭环系统，该方法将部分替代目前的电阻制动方式，有效利用能源，将其回收的电能用于车厢内部的空调或照明等。克服了目前车辆再生制动能量回收的电网电压波动问题，构成以车辆自身为主体的能量回收闭环控制系统。另外不会对电网电压产生任何冲击，且该系统只需吸收本节动车组能量，所用超级电容体积较小，较易于电源管理与控制，安装方式更加灵活。

现有解决城市轨道交通车辆节能的方法：

1、电阻耗能型再生制动能量回收装置。主要采用多相GTO/IGBT斩波器和回收电阻配合的恒压回收方式。制动能量消耗在回收电阻上，未加以利用；而且电阻散热也导致环境温度上升，因此当该装置安装在地下变电所内时，电阻柜需单独放置，而且该房间需采取措施保证有足够的通风量，并加装相应的通风动力装置，也增加了相应的电能消耗。

2、电容储能型或飞轮储能型再生制动能量回收装置。主要采用IGBT逆变器将列车的再生制动能量回收到大容量电容器组或飞轮电机中。该方法需要设置体积庞大的电容器组和转动机械飞轮装置作为储能部件，对电容器的技术指标也有很高的要求。

3、逆变回馈型再生制动能量回收装置。主要采用电力电子器件构成大功率晶闸管三相逆变器，该逆变器的直流侧与牵引变电所中的整流器直流母线相联，其交流进线接到交流电网上。因为采用大功率晶闸管，将制动能量直接回馈到电网，但是由于晶闸管变流装置存在换流缺口，谐波含量大，所以必须设置谐波抑制器和功率补偿器，容易给运行电网造成二次污染和不稳定因素。

4、储能再利用型再生制动能量回收装置。德国西门子公司开发了一种SITRASSES型静止储能系统，该储能系统的核心部件是双层电容器。该公司研制开发的轨道车辆制动能量回收系统可以在两种运行模式：稳压器模式和节能模式下自动切换，将返回到动力端的能量直接用于启动的车辆，实时性好。该系统也存在如下问题：(1)能量在反馈至电网的过程中会产生较多谐波，污染电网，需要增加相应的谐波治理措施，导致增加不必要的费用开销；(2)中压网络需要的逆变装置造价很高；(3)变电所安装的储能用超级电容因吸收能量较大，故需要较大的安放空间及更高要求的控制及电源管理设备。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种城市轨道交通车辆制动能量回收系统。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：城市轨道交通车辆制动能量回收系统，所述的制动能量回收系统与主回路相连接，其特征在于，包括直流高速开关一、充电电路单元、超级电容阵列、放电电路单元、变压稳压单元、直流高速开关二、DC/AC转换器、交流高速开关、ACU辅助控制单元，所述的直流高速开关一、充电电路单元、超级电容阵列、放电电路单元、DC/AC转换器和交流高速开关依次连接，所述的放电电路单元还经变压稳压单元与直流高速开关二相连接，所述的ACU辅助控制单元与超级电容阵列、直流高速开关一、直流高速开关二、交流高速开关，以及主回路中的主控单元相连接，所述的直流高速开关一还连接于主回路中，并与其中的制动电阻相连接，所述的直流高速开关二还连接于车辆的车厢直流用电设备和直流供电电源之间，所述的交流高速开关还连接于车辆的车厢交流用电设备和交流供电电源之间；所述系统在车辆制动时，通过ACU辅助控制单元对超级电容阵列中的储能大小进行判断，实时与主回路进行切换。

所述的ACU辅助控制单元在超级电容阵列容量小于额定容量时，向直流高速开关一发出指令，通过充电电路单元把制动产生的电能充电给超级电容阵列。

所述的ACU辅助控制单元在超级电容阵列容量达到额定容量时，向直流高速开关一发出指令，切换到电阻制动。

所述的ACU辅助控制单元在超级电容阵列容量大于等于车厢用电容量时，向超级电容阵列、直流高速开关二以及交流高速开关发出指令，由超级电容阵列向车厢内的直流用电设备和交流用电设备供电。

所述的ACU辅助控制单元在超级电容阵列容量小于车厢用电容量时，向超级电容阵列、直流高速开关二以及交流高速开关发出指令，切断超级电容供电，采用车厢内的直流供电电源、交流供电电源供电。

与现有技术相比，本发明为基于车辆自身为主体的脱离电网的能量回收闭环系统，能部分替代目前的电阻制动方式，有效利用能源，将其回收的电能用于车厢内部的空调或照明等；克服了目前车辆再生制动能量回收的电网电压波动问题，构成以车辆自身为主体的能量回收闭环控制系统；另外不会对电网电压产生任何冲击，只需吸收本节动车组能量，所用超级电容体积较小，较易于电源管理与控制，安装方式更加灵活。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，城市轨道交通车辆制动能量回收系统，所述的制动能量回收系统与主回路相连接，其特征在于，包括直流高速开关一1、充电电路单元2、超级电容阵列3、放电电路单元4、变压稳压单元5、直流高速开关二6、DC/AC转换器7、交流高速开关8、ACU辅助控制单元9，所述的直流高速开关一1、充电电路单元2、超级电容阵列3、放电电路单元4、DC/AC转换器7和交流高速开关8依次连接，所述的放电电路单元4还经变压稳压单元5与直流高速开关二6相连接，所述的ACU辅助控制单元9与超级电容阵列3、直流高速开关一1、直流高速开关二6、交流高速开关8，以及车辆的主回路10中的主控单元相连接，所述的直流高速开关一1还连接于主回路中，并与其中的制动电阻11相连接，所述的直流高速开关二6还连接于车辆的车厢直流用电设备12和直流供电电源13之间，所述的交流高速开关8还连接于车辆的车厢交流用电设备14和交流供电电源15之间；所述系统在车辆制动时，通过ACU辅助控制单元9对超级电容阵列3中的储能大小进行判断，实时与主回路10进行切换。

所述的ACU辅助控制单元9在超级电容阵列3容量小于额定容量时，向直流高速开关一1发出指令，通过充电电路单元4把制动产生的电能充电给超级电容阵列3；所述的ACU辅助控制单元9在超级电容阵列3容量达到额定容量时，向直流高速开关一1发出指令，切换到电阻制动；所述的ACU辅助控制单元9在超级电容阵列3容量大于等于车厢用电容量时，向超级电容阵列3、直流高速开关二6以及交流高速开关8发出指令，由超级电容阵列3向车厢内的直流用电设备12和交流用电设备14供电；所述的ACU辅助控制单元9在超级电容阵列3容量小于车厢用电容量时，向超级电容阵列3、直流高速开关二6以及交流高速开关8发出指令，切断超级电容供电，采用车厢内的直流供电电源13、交流供电电源15供电。

本实施例的主回路包括牵引单元、负载单元、作为主控单元的工业控制计算机、功率分析仪，所述的牵引单元包括制动电阻、牵引整流逆变模块、牵引电机，所述的制动电阻的两端与牵引整流逆变模块相连接，所述的牵引整流逆变模块与牵引电机相连接，所述的负载单元包括负载整流逆变模块、负载电机，两者相互连接；所述的牵引电机、负载电机通过一联轴器相连，该联轴器上依次设有转速转矩传感器及三级飞轮，所述的工业控制计算机与牵引整流逆变模块、负载整流逆变模块相连接；本回路通过工业控制计算机变压变频来调整牵引电机及负载电机22的转速和转矩，以达到对城市轨道交通车辆运行速度的控制；所述的牵引整流逆变模块在牵引过程中，将来自电网的交流电整流逆变成直流电，以驱动牵引电机，在制动过程中，牵引电机作为发电机所产生的交流电，通过整流转换成直流电，由制动电阻消耗；所述的工业控制计算机通过负载整流逆变模块控制负载电机，用以对牵引电机进行实时加载控制；所述的转速转矩传感器采集牵引电机及负载电机的转速和转矩给功率分析仪和工业控制计算机，由功率分析仪分析包括输入输出功率、效率的电机参数；本回路通过三级飞轮来模拟车辆空载、满载及超载的三种工况。

利用工业控制计算机来控制牵引电机在三种工况(车辆空载，满载，超载)条件下对系统进行实时控制研究。当牵引时，将交流电整流逆变后，变压变频驱动控制牵引电机；当制动时，牵引电机变为发电机，通过整流将交流电转换成直流电，向超级电容或制动电阻充电；同样加载过程也是将交流电整流逆变后，变压变频驱动控制负载电机，实现对牵引电机进行实时加载控制。

(1)制动时，计算机采集信号判断是否存在再生制动条件，如果不具备再生制动条件实施电阻制动，将牵引电机反馈的电能反馈给制动电阻以热量的形式消耗掉或反馈给超级电容进行储存；

(2)制动时，计算机同时向ACU发出指令，ACU开始工作，此时ACU测出超级电容的容量，当超级电容的容量达到额定容量时，ACU发出指令，向制动电阻充电；当超级电容的容量小于额定容量时，ACU发出指令，通过充电电路向超级电容充电将电能进行储存；

(3)制动时，计算机同时向ACU发出指令，ACU开始工作，此时ACU测出超级电容容量，当超级电容容量满足用电器容量时，ACU发出指令，由超级电容向用电器供电；当超级电容容量小于用电器容量时，ACU发出指令，切断超级电容供电，采用辅助电源供电方式。其中包括交流和直流用电器两种；

(4)超级电容或者辅助供电由高速切换开关来实现的。

Claims (5)

1.城市轨道交通车辆制动能量回收系统，该制动能量回收系统与主回路相连接，主回路包括牵引单元、负载单元、作为主控单元的工业控制计算机、功率分析仪，所述的牵引单元包括制动电阻、牵引整流逆变模块、牵引电机，所述的制动电阻的两端与牵引整流逆变模块相连接，所述的牵引整流逆变模块与牵引电机相连接，所述的负载单元包括负载整流逆变模块、负载电机，两者相互连接；所述的牵引电机、负载电机通过一联轴器相连，该联轴器上依次设有转速转矩传感器及三级飞轮，所述的工业控制计算机与牵引整流逆变模块、负载整流逆变模块相连接；其特征在于，所述的制动能量回收系统包括直流高速开关一、充电电路单元、超级电容阵列、放电电路单元、变压稳压单元、直流高速开关二、DC/AC转换器、交流高速开关、ACU辅助控制单元，所述的直流高速开关一、充电电路单元、超级电容阵列、放电电路单元、DC/AC转换器和交流高速开关依次连接，所述的放电电路单元还经变压稳压单元与直流高速开关二相连接，所述的ACU辅助控制单元与超级电容阵列、直流高速开关一、直流高速开关二、交流高速开关，以及主回路中的主控单元相连接，所述的直流高速开关一还连接于主回路中，并与其中的制动电阻相连接，所述的直流高速开关二还连接于车辆的车厢直流用电设备和直流供电电源之间，所述的交流高速开关还连接于车辆的车厢交流用电设备和交流供电电源之间；所述系统在车辆制动时，通过ACU辅助控制单元对超级电容阵列中的储能大小进行判断，实时与主回路进行切换。

2.根据权利要求1所述的城市轨道交通车辆制动能量回收系统，其特征在于，所述的ACU辅助控制单元在超级电容阵列容量小于额定容量时，向直流高速开关一发出指令，通过充电电路单元把制动产生的电能充电给超级电容阵列。

3.根据权利要求2所述的城市轨道交通车辆制动能量回收系统，其特征在于，所述的ACU辅助控制单元在超级电容阵列容量达到额定容量时，向直流高速开关一发出指令，切换到电阻制动。

4.根据权利要求3所述的城市轨道交通车辆制动能量回收系统，其特征在于，所述的ACU辅助控制单元在超级电容阵列容量大于等于车厢用电容量时，向超级电容阵列、直流高速开关二以及交流高速开关发出指令，由超级电容阵列向车厢内的直流用电设备和交流用电设备供电。

5.根据权利要求4所述的城市轨道交通车辆制动能量回收系统，其特征在于，所述的ACU辅助控制单元在超级电容阵列容量小于车厢用电容量时，向超级电容阵列、直流高速开关二以及交流高速开关发出指令，切断超级电容供电，采用车厢内的直流供电电源、交流供电电源供电。

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