CN103311950B - 城市轨道列车再生制动能量吸收利用系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种城市轨道列车再生制动能量综合吸收利用系统，包括能量回馈逆变器、储能单元、DC/DC双向变换器及直流平波电容；能量回馈逆变器的直流侧、DC/DC双向变换器的高压侧均与直流平波电容相并联，同时与直流母线的正负极相并联；DC/DC双向变换器的低压侧与储能单元相连；能量回馈逆变器的交流侧与牵引变电站内配电变压器低压侧相连，用于将直流母线上的再生制动能量进行逆变，供牵引变电站内用电设备使用。本发明还提供了基于上述系统的再生制动能量吸收利用方法。本发明基于直流母线电压的变化情况对能量回馈逆变器与DC/DC双向变换器进行协调控制，快速、充分地吸收列车再生制动能量，维持直流母线电压稳定，提高列车再生制动能量的利用率。

Description

城市轨道列车再生制动能量吸收利用系统及方法
技术领域
本发明属于城市轨道交通供电系统领域，具体涉及一种城市轨道列车再生制动能量吸收利用系统。
背景技术
城市轨道交通采用直流牵引供电方式，直流电源在牵引变电站中通过不控整流器获得，电压等级有DC750V和DC1500V两种。目前城市轨道列车的牵引电机多采用交流感应电机，通过变压变频调速（VVVF）单元从直流接触网（即直流母线，以下统称直流母线）获取电能。目前列车大多采用再生制动方式：当列车开始制动时，感应电机工作于发电机状态，将列车运行的动能转换为电能回馈到直流母线。当列车向直流母线回馈的电能不能被其他列车吸收时，会造成直流母线电压升高，进而威胁系统安全。
为了维持直流母线电压的稳定，传统系统是在牵引变电所中装设电阻耗能单元，当直流母线电压超过一定值时，将多余的制动能量消耗在耗能电阻上，从而抑制直流母线电压的升高。
显然，电阻耗能方式浪费掉了很多能量，不利于资源节约，同时也不利于环境保护。为了提高再生制动能量的利用率，减少耗能电阻的使用，实现节能、环保的目的，以储能式和逆变回馈式为代表的先进的再生制动能量吸收利用系统成为目前国内外研究的热点问题。储能式是在牵引变电站的直流母线上装设储能单元，吸收多余的再生制动能量，同时当列车在起动、加速时，储能单元释放能量，供列车使用；逆变回馈式是在牵引变电站的直流母线与交流电网之间装设一个逆变器，将多余的再生制动能量逆变回馈到交流电网中。这两种方式分别如图1和图2所示。
但是，由于列车起制动频繁，再生制动能量功率幅值大（可达3～6MW），若单独采用储能方式，要求储能单元具有很大的功率与容量，导致体积与造价增大，同时过于频繁的充放电会影响储能单元的寿命；若单独采用逆变回馈方式，则不足以对列车再生制动能量进行有效吸收。因此，需要寻找一种更加高效的再生制动能量吸收利用系统。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种城市轨道列车再生制动能量综合吸收利用系统及方法，其目的在于快速、充分地吸收列车再生制动能量，维持直流母线电压稳定，提高列车再生制动能量的利用率。
一种城市轨道列车再生制动能量综合吸收利用系统，其特征在于，包括能量回馈逆变器、储能单元、DC/DC双向变换器及直流平波电容Cdc；
能量回馈逆变器的直流侧、DC/DC双向变换器的高压侧均与直流平波电容Cdc相并联，同时与城市轨道列车接触网的直流母线的正负极相并联；DC/DC双向变换器的低压侧与储能单元相连；能量回馈逆变器的交流侧与城市轨道列车的牵引变电站内配电变压器的低压侧相连，用于将直流母线上的再生制动能量进行逆变，供牵引变电站内用电设备使用。
一种基于上述系统的城市轨道列车再生制动能量吸收利用方法，具体为：
当列车再生制动导致直流母线电压升高超过其最高限值时，首先控制DC/DC双向变换器的开关状态使直流母线向储能单元充电，储能单元吸收列车再生制动能量，使直流母线电压恢复到正常范围；当储能单元充电即将饱和时，停止对其充电，控制能量回馈逆变器工作在逆变状态，将直流母线上多余的再生制动能量逆变回馈到牵引变电站内交流电网，供牵引变电站内用电设备使用；
当直流母线电压由于列车启动而降低越过其最低限值时，控制DC/DC双向变换器的开关状态使储能单元向直流母线放电，使直流母线电压恢复到正常范围；
当直流母线电压在正常范围内，而储能单元电压越过其最低限值时，控制DC/DC双向变换器的开关状态使直流母线向储能单元充电，从而维持储能单元电压在正常范围内；
当直流母线电压在正常范围内，而储能单元电压越过其最高限值时，通过对能量回馈逆变器及DC/DC双向变换器的联合控制，使储能单元向牵引变电站内用电设备放电，从而维持储能单元电压在正常范围内。
进一步地，所述能量回馈逆变器工作在静止无功补偿模式，以对牵引变电站内用电设备进行无功功率补偿。
本发明的有益效果包括：
1、所提供的列车再生制动能量综合吸收利用系统兼具储能式与逆变回馈式两种系统的优点，具有多种灵活的工作模式，从而可以更加快速、充分地吸收列车再生制动能量，有效维持直流母线电压的稳定。
2、通过能量回馈逆变器将多余的再生制动能量回馈到牵引变电站内电网，供牵引变电站内用电设备使用，从而提高了列车再生制动能量的利用率。
3、将储能式与逆变回馈式两种系统相结合，可以分别降低储能单元与能量回馈逆变器的容量，从而降低造价，同时可以减少或避免使用耗能电阻，减少能量浪费。
4、作为优化，能量回馈逆变器可以对牵引变电站内用电设备进行无功功率补偿，提高电能质量，并降低损耗。
附图说明
图1为储能式再生制动能量吸收方式的原理示意图；
图2为逆变回馈式再生制动能量吸收方式的原理示意图；
图3为本发明基于储能式与逆变回馈式相结合的再生制动能量综合吸收利用系统原理示意图；
图4为本发明所提再生制动能量综合吸收利用系统拓扑结构图；
图5为本发明系统工作在模式1下的能量流动关系示意图；
图6为本发明系统工作在模式2下的能量流动关系示意图；
图7为本发明系统工作在模式3下的能量流动关系示意图；
图8为本发明系统工作在模式4下的能量流动关系示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供了一种基于储能式与逆变回馈式相结合的城市轨道列车再生制动能量综合吸收利用系统，系统结构示意图如图3所示，主要由能量回馈逆变器、储能单元、DC/DC双向变换器及直流平波电容Cdc构成。能量回馈逆变器的直流侧、DC/DC双向变换器的高压侧均与直流平波电容Cdc相并联，同时与直流母线的正负极相并联；能量回馈逆变器的交流侧与牵引变电站内配电变压器低压侧相连，将直流母线上的再生制动能量进行逆变，供牵引变电站内用电设备使用；DC/DC双向变换器的低压侧与储能单元相连，储能单元通过DC/DC双向变换器与直流母线交换能量。直流平波电容Cdc起到滤波、稳定电压的作用。通过基于直流母线电压变化的协调控制策略可以实现多种工作模式，从而有效维持直流母线电压稳定，提高列车再生制动能量的利用率。
所述能量回馈逆变器可采用两电平三相桥电路、三电平三相桥电路、三个单相桥电路等方式。本发明图4给出了一种具体实施方式，主要包括：基于IGBT模块的三个单相逆变桥和三个耦合电抗器，逆变桥的交流输出侧通过耦合电抗器与牵引变电站内交流电网相连。另外还包括实现控制算法所必需的电气量采集电路、PWM控制电路及IGBT驱动电路。
所述DC/DC双向变换器可采用双向Cuk变换器、双向半桥Buck/Boost变换器等方式。本发明图4给出了一种具体实施方式，主要包括：基于IGBT模块的双向半桥电路（由两个IGBT器件T1、T2，两个二极管D1、D2构成）和储能电感L，双向半桥电路通过储能电感与储能元件相连。另外还包括实现控制算法所必需的电气量采集电路、PWM控制电路及IGBT驱动电路。
所述能量回馈逆变器、DC/DC双向变换器并联接入直流母线，通过两者的协调配合，共同维持直流母线电压的稳定。
所述储能单元包括储能元件及其电压电流采集电路。可以采用不同种类的储能元件，图4以超级电容储能元件为例。
所述基于直流母线电压变化的协调控制策略包括：当列车再生制动导致直流母线电压升高超过其最高限值时，首先控制DC/DC双向变换器向超级电容充电，超级电容快速吸收列车再生制动能量，使直流母线电压恢复到正常范围；当超级电容充电将达到饱和时，停止对其充电，控制能量回馈逆变器工作在逆变状态，将直流母线上多余的再生制动能量逆变回馈到牵引变电站内交流电网，供牵引变电站内用电设备使用。当直流母线电压由于列车启动而降低越过其最低限制时，控制超级电容通过DC/DC双向变换器向直流母线释放能量，使直流母线电压恢复到正常范围。当直流母线电压在正常范围，检测超级电容端电压过低时，控制DC/DC双向变换器向超级电容充电；当检测超级电容端电压过高时，通过对能量回馈逆变器及DC/DC双向变换器的联合控制，使超级电容向牵引变电站内用电设备放电，从而维持超级电容电压在正常工作范围。同时，在任何非故障情况下，均可以控制能量回馈逆变器工作在静止无功补偿（STATCOM）模式，对牵引变电站内用电设备进行无功功率补偿。
下面结合实施例对依据本发明的基于储能式与逆变回馈式相结合的城市轨道列车再生制动能量综合吸收利用系统进行更加详细的说明。
假设直流母线电压正常允许波动范围为Udc1<Udc<Udc2，超级电容端电压正常工作范围为UC1<UC<UC2。
模式1：直流母线通过DC/DC双向变换器向超级电容充电
当Udc≥Udc2，且UC<UC2时，或者当Udc1<Udc<Udc2，UC≤UC1时，直流母线通过IGBT器件T1、储能电感L向超级电容充电。其能量流动关系如图5中带箭头的虚线所示。
模式2：直流母线通过能量回馈逆变器向牵引变电站内用电设备供电
当Udc≥Udc2，且UC≥UC2时，能量回馈逆变器工作在逆变状态，将直流母线上多余的再生制动能量逆变回馈到牵引变电站内交流电网，供牵引变电站内用电设备使用。其能量流动关系如附图6中带箭头的虚线所示。
模式3：超级电容通过DC/DC双向变换器向直流母线放电
当Udc≤Udc1，且UC>UC1时，超级电容通过储能电感L、二极管D1向直流母线放电。其能量流动关系如附图7中带箭头的虚线所示。
模式4：超级电容通过DC/DC双向变换器及能量回馈逆变器向牵引变电站内用电设备放电
当Udc1<Udc<Udc2，UC≥UC2时，超级电容通过储能电感L、二极管D1、能量回馈逆变器向牵引变电站内用电设备放电。其能量流动关系如附图8中带箭头的虚线所示。
另外，可控制能量回馈逆变器工作在静止无功补偿（STATCOM）模式，对牵引变电站内用电设备进行无功功率补偿。
以上实施例仅是说明性的，本发明的保护范围并不受该实施例的限制。本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种城市轨道列车再生制动能量综合吸收利用系统，其特征在于，包括能量回馈逆变器、储能单元、DC/DC双向变换器及直流平波电容Cdc；
能量回馈逆变器的直流侧、DC/DC双向变换器的高压侧均与直流平波电容Cdc相并联，同时与城市轨道列车接触网的直流母线的正负极相并联；DC/DC双向变换器的低压侧与储能单元相连；能量回馈逆变器的交流侧与城市轨道列车的牵引变电站内配电变压器的低压侧相连，用于在储能单元充电即将饱和停止充电时，将直流母线上的再生制动能量进行逆变回馈到牵引变电站内配电变压器的低压侧，供牵引变电站内用电设备使用；
能量回馈逆变器由三个单相全桥并联后串联耦合电抗器构成；
该城市轨道列车再生制动能量综合吸收利用系统的工作方法，具体为：
当列车再生制动导致直流母线电压升高超过其最高限值时，首先控制DC/DC双向变换器的开关状态使直流母线向储能单元充电，储能单元吸收列车再生制动能量，使直流母线电压恢复到正常范围；当储能单元充电即将饱和时，停止对其充电，控制能量回馈逆变器工作在逆变状态，将直流母线上多余的再生制动能量逆变回馈到牵引变电站内配电变压器的低压侧，供牵引变电站内用电设备使用；
当直流母线电压由于列车启动而降低越过其最低限值时，控制DC/DC双向变换器的开关状态使储能单元向直流母线放电，使直流母线电压恢复到正常范围；
当直流母线电压在正常范围内，而储能单元电压越过其最低限值时，控制DC/DC双向变换器的开关状态使直流母线向储能单元充电，从而维持储能单元电压在正常范围内；
当直流母线电压在正常范围内，而储能单元电压越过其最高限值时，通过对能量回馈逆变器及DC/DC双向变换器的联合控制，使储能单元向牵引变电站内用电设备放电，从而维持储能单元电压在正常范围内。
2.根据权利要求1所述的城市轨道列车再生制动能量综合吸收利用系统，其特征在于，所述能量回馈逆变器工作在静止无功补偿模式，以对牵引变电站内用电设备进行无功功率补偿。
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