CN102358191A - 新型城市轨道交通再生电能回收系统 - Google Patents

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陈建荣
戴瑜兴
黄德科
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Abstract

本发明涉及一种新型城市轨道交通再生电能回收系统，包括微处理器控制模块及与其连接的斩波器模块、超级电容器组储能模块、DC/DC模块；还包括电阻制动模块，电阻制动模块与轨道列车发动机组及斩波器模块连接。所述系统综合再生制动及电阻制动的优点，并配置超级电容器组，将轨道机车制动能量进行合理分配，当列车制动时，制动能量会通过反馈系统反馈到直流电网上，若有临近列车经过，则由临近列车吸收；若检测到反馈电压没有得到释放，则将其转换后储存起来，当下一趟列车经过时释放；若储存的电压一直没来得释放，则可开启电阻制动模块，释放多余电能。

Description

新型城市轨道交通再生电能回收系统
技术领域
本发明涉及城市轨道交通再生电能回收领域，具体是指一种新型城市轨道交通再生电能回收系统。
背景技术
城市轨道交通运量大、安全、快捷、准时，渐已成为大都市居民出行的首选方式。目前很多二级城市也在大力修建城轨。城市轨道交通相对于城际铁路，具有站点多、站间距离短、乘客上下数量波动大、发车频率高的特点，这对车辆启动、加速和制动都有很高的要求。现代城市轨道交通车辆的制动系统主要包括动力制动系统、空气制动系统、指令和通信网络系统。动力制动方式一般配合空气制动系统应用于依靠牵引电机来驱动车轮的电力机车和某些电传动内燃机车上，一般包括再生制动和电阻制动两种。这种机车在制动时，将电机线反接，牵引电机就会变成发电机，用多余的动能发出电能，产生的电能可通过巨大电阻转换成热能消耗掉，即电阻制动，这种制动方式一般应用于直流车。或者机车制动产生的电能经整流以后回馈到机车牵引电网供给同一电网内的其他列车使用，即再生制动，这种方式一般应用在交流机车上。
再生制动的最大优点是节能，但再生电能并不是都能被其它牵引车辆吸收，剩余部分则消耗在车辆制动电阻上并转变为热能散发到空气中。车辆采用电阻制动方式吸收电能比较稳定，但制动能量消耗在电阻上，既不能加以利用，又需在车辆上装设大容量制动电阻而导致车下设备的总体布置困难，车体重量和列车牵引耗电增加，同时还加大了对环境的污染。
发明内容
为解决以上问题，本发明提供一种综合上述再生制动和电阻制动两种方式优势尽可能提供制动能量利用率的新型城市轨道交通再生电能回收系统。
为解决上述问题，本发明采用的技术方案是：新型城市轨道交通再生电能回收系统，其特征在于，包括：
微处理器控制模块用于完成电压、电流、温度等检测信号的采集与预处理，并输出相应控制信号协调控制下述各功能模块的工作实现能量回收与释放的控制策略；
斩波器模块，与轨道列车发动机组连接，受微处理器控制模块控制按制动控制指令不断改变导通角，调节制动输出的电压和电流的大小；制动时，制动能量经斩波器模块输出，再经DC/DC模块向超级电容组储能模块充电；轨道列车牵引时，斩波器模块开启，将超级电容中能量反送回直流牵引电网供轨道列车发动机组使用；
超级电容器组储能模块，与DC/DC模块连接，受微处理器控制模块控制实现能量的存储与释放；
DC/DC模块，受微处理器控制模块控制完成电压双向调整；
电阻制动模块，与轨道列车发动机组及斩波器模块连接，三者形成电流环路组成直流斩波控制电阻制动电路实现轨道机车制动，电阻制动模块还用于释放超级电容器组储能模块储存的不能利用的多余电能。
具体的，所述微处理器控制模块采用TMS320F2812系列DSP处理器。
具体的，所述DC/DC变换器模块采用多通道交错并联的Buck/Boost变换器。
与现有技术相比，本发明所述系统综合再生制动及电阻制动的优点，并配置超级电容器组，将轨道机车制动能量进行合理分配，当列车制动时，制动能量会通过反馈系统反馈到直流电网上，若有临近列车经过，则由临近列车吸收；若检测到反馈电压没有得到释放，则将其转换后储存起来，当下一趟列车经过时释放；若储存的电压一直没来得释放，则可开启电阻制动模块，释放多余电能。相对于电阻制动方式，所述系统不但能够实现能源再利用，并能有效减少所需的电阻数量和体积，利于机车整体设计；相对于再生制动方式，所述系统采用超级电容器组储能能够进一步提高能源利用率，必要时候采用电阻释放电能保证机车牵引电网的安全稳定运行。 
附图说明：
图 1 所述系统组成原理示意框图；
图 2 直流斩波控制电阻制动电路组成示意图；
图 3 超级电容器组储能模块实施例原理示意图。
具体实施方式：
以下结合附图和具体实施例对本发明的结构和工作原理作详细的描述。
本发明揭示的新型城市轨道交通再生电能回收系统如图1所示，其包括微处理器控制模块及与其连接的斩波器模块、超级电容器组储能模块、DC/DC模块；还包括电阻制动模块，电阻制动模块与轨道列车发动机组及斩波器模块连接。所述斩波器模块采用直流斩波器。
当轨道机车需停车制动时，所述系统工作于再生制动方式，则斩波器模块的斩波器导通，制动电流流过各个电机电枢、励磁线圈、平波电抗器和制动电阻，使电机建立起电枢电势，从而使平波电抗器也建立起感应电势；当斩波器关闭，电路通过二极管续流，电枢电势与平波电抗器上的感应电势叠加，向牵引电网馈电。如果这时电网上有负载或其他列车在附近，则可以吸收电能，再生制动成功；如果制动能量没有被临近列车消耗，会导致直流电网电压升高，当电网电压上升到设定最大值时，电压电流传感器感应该信号后传输给微处理器控制模块，微处理器控制模块控制斩波器开启，电网电压经DC/DC模块，向超级电容储能模块充电。
图2为直流斩波控制电阻制动电路，其由斩波器模块、电阻制动模块和轨道机车的发动机组组成。制动时，斩波器启动，电机接通负载（电阻制动模块的电阻）就会有制动电流，然后制动电流产生制动力使列车减速，但列车减速会使电机电枢转速下降，引起电机的电枢电势下降，从而使制动电流和制动力下降。制动电流的下降还会使平波电抗器的感应电势减小，达不到再生制动的条件。为了保证恒定的制动力矩和足够的反馈电压，在上述的直流制列车制动时，直流斩波器按列车控制单元及制动控制单元的指令，不断调节斩波器导通比，无级、均匀地控制制动电流，使制动力和再生制动电压持续保持恒定。当车速较高时，制动电流较大，再生制动电路需串入较大的电阻，并且将斩波器导通角控制得较小，以控制制动电流不能太大；当车速太低时，制动电流较小，再生制动电路会在调节过程中逐级切除电阻，并将斩波器全导通，以提高制动电流并维持反馈电压。在列车进行制动时，再生制动产生的电能有时并不能完全反馈给电网，这时会在微处理器的控制作用下，将能量消耗在制动电阻器上，以保持制动恒定。斩波器模块包括控制器（GTO）按微处理器的制动控制指令不断改变导通角，调节电流环路制动电压和电流的大小。电路中的电阻箱中也根据制动电流的调节需要，按照车速的逐步减低而逐级短接，最后全部切除。
   为了尽快地将电阻制动电能在电阻上产生的热量散发出去，制动电阻器箱的一端装有功率很大的通风机。通风机的转速非常高，排风量也相当大。强迫冷风可以使温度下降很多。
超级电容是一种大容量储能器件，具有功率密度高、充放电时间短、效率高、使用寿命长、清洁环保等特点。当同一电网中无相邻列车时，牵引电网电压就会过高，不能接受反馈电压，此时在微处理器的控制下，能量通过DC/DC模块转换后给超级电容器组充电储能。
    如图3，超级电容器组储能模块包括吸收电容Ch，用于感应电网电压的电压传感器SV1、串联于电网输出端的电动隔离开关S0、与开关S0分别串接的直流快速断路器K1、K2、与断路器K1、K2另一端相接的电感线圈L1，受微处理器控制的IGBT变流管VT1、VT2。
所述微处理器可采用型号为TMS320F2812的32位DSP，其工作频率为150MHz，具有强大的数字信号处理功能，能快速完成各种数字处理算法。该DSP还具有两个通用串行接口与1个增强型CAN接口，可方便实现与系统其它功能模块及上位机之间通信。

Claims (3)

1.一种新型城市轨道交通再生电能回收系统，其特征在于，包括：
微处理器控制模块用于完成电压、电流、温度等检测信号的采集与预处理，并输出相应控制信号协调控制下述各功能模块的工作实现能量回收与释放的控制策略；
斩波器模块，与轨道列车发动机组连接，受微处理器控制模块控制按制动控制指令不断改变导通角，调节制动输出的电压和电流的大小；制动时，制动能量经斩波器模块输出，再经DC/DC模块向超级电容组储能模块充电；轨道列车牵引时，斩波器模块开启，将超级电容中能量反送回直流牵引电网供轨道列车发动机组使用；
超级电容器组储能模块，与DC/DC模块连接，受微处理器控制模块控制实现能量的存储与释放；
DC/DC模块，受微处理器控制模块控制完成电压双向调整；
电阻制动模块，与轨道列车发动机组及斩波器模块连接，三者形成电流环路组成直流斩波控制电阻制动电路实现轨道机车制动，电阻制动模块还用于释放超级电容器组储能模块储存的不能利用的多余电能。
2.根据权利要求1所述的新型城市轨道交通再生电能回收系统，其特征在于：所述微处理器控制模块采用TMS320F2812系列DSP处理器。
3.根据权利要求1所述的新型城市轨道交通再生电能回收系统，其特征在于：所述DC/DC变换器模块采用多通道交错并联的Buck/Boost变换器。
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