CN103683453B - 超级电容储能、滤波及稳压的再生制动城轨供电系统 - Google Patents

超级电容储能、滤波及稳压的再生制动城轨供电系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供超级电容储能、滤波及稳压的再生制动城轨供电系统。所述一种超级电容储能、滤波及稳压的再生制动城轨供电系统包括：包括24脉波整流器、单周期控制系统和带有超级电容的双向Buck变换器。24脉波整流器的2个整流变压器的输入接供电电网，每个整流变压器有2个副边线圈，2个整流变压器的4个副边线圈输出电压相位依次相差15o；24脉波整流器的输出接到带有超级电容的双向Buck变换器和城轨列车直流供电系统的母线，带有超级电容的双向Buck变换器与城轨列车直流供电系统的母线并联。单周期控制系统控制带有超级电容的双向Buck变换器的开关管。

Description

超级电容储能、滤波及稳压的再生制动城轨供电系统
技术领域
本发明涉及城市轨道交通节能技术，具体涉及一种超级电容储能、滤波及稳压的再生制动城轨供电系统。
背景技术
随着经济的发展，城市化进程的加快，我国城市城道交通发展迅速。城轨列车再生制动可较好地节约电能，具有节能减排的重要意义。目前城轨列车再生制动的技术有：（1）电阻吸收制动，由IGBT作为开关器件及吸收电阻组成，制动时开通IGBT，使列车制动能量通过吸收电阻将能量消耗掉，优点是结构简单，缺点是耗能，导致周围环境温度上升，需要采取措施保证有足够的通风量，如安装相应的通风动力装置，进一步增加了相应的电能消耗；（2）逆变回馈制动，通过逆变器将列车制动能量回馈到电网，优点是节能，缺点是逆变回馈一般需要采用工频变压器，极大地增加了逆变回馈装置的体积，不利于在城轨交通中的应用；（3）超级电容储能制动，主要采用IGBT双向变换器将再生制动能量储存到超级电容中，待牵引网电压下降时释放能量，优点是节能，缺点是必须有较大滤波电容，直流电压波动大、整流器功率因数低，影响城轨列车供电质量和电网质量。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有再生制动能量吸收技术的不足，提出一种超级电容储能、滤波及稳压的再生制动城轨供电系统。
本发明采用的技术方案是：包括24脉波整流器、单周期控制系统和带有超级电容的双向Buck变换器；24脉波整流器的输出接到带有超级电容的双向Buck变换器和城轨列车直流供电系统的母线，带有超级电容的双向Buck变换器与城轨列车直流供电系统的母线并联，单周期控制系统控制带有超级电容的双向Buck变换器的开关管。
24脉波整流器的2个整流变压器的输入接供电电网，每个整流变压器有2个副边线圈，2个整流变压器的4个副边线圈输出电压相位依次相差15°；24脉波整流器的输出接到带有超级电容的双向Buck变换器和城轨列车直流供电系统的母线。
带有超级电容的双向Buck变换器由第一开关管、第二开关管、第一二极管、第二二极管、电感L和超级电容C组成。第一二极管、第二二极管分别反并联在第一开关管、第二开关管上，第一开关管的发射极与第二开关管的集电极相连，电感L两端分别与第一开关管的发射极和超级电容连接，第一开关管的发射极连接城轨列车直流供电系统的母线。
当城轨列车制动或轻载时，城轨列车直流供电系统的母线电压高于750V或1500V，带有超级电容的双向Buck变换器工作在降压状态，将城轨列车回馈的能量释放到超级电容，城轨直流供电系统母线电压下降；当城轨列车启动或电网电压降落时，城轨列车直流供电系统的母线电压低于750V或1500V，带有超级电容的双向Buck变换器工作在升压状态，超级电容储存的电能，经带有超级电容的双向Buck变换器供给城轨列车，城轨直流供电系统母线电压升高。通过双向Buck变换器的调节，稳定城轨直流供电系统母线电压。
当城轨列车正常运行时，24脉波整流器向城轨列车提供750V或1500V的电压，带有超级电容的双向Buck变换器工作在有源滤波和稳压状态，即通过带有超级电容的双向Buck变换器的调节，使带有超级电容的双向Buck变换器与城轨列车共同等效为纯电阻，实现有源滤波。
通过单周期控制系统控制带有超级电容的双向Buck变换器的开关管，对所述24脉波整流器输出电流的取样值iRs进行积分，超级电容电压的取样值与设定电压Vref2相减后，差值通过PI调节，再与iRs的积分值进行比较；城轨列车直流供电系统的母线电压的采样值uo与额定值Vref1通过比较器比较，输出再和RS触发器的Q端通过与门得到第一开关管的控制信号，同时输出通过非门，再和RS触发器的端通过与门得到第二开关管的控制信号。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：该超级电容储能、滤波及稳压的再生制动城轨供电系统包括24脉波整流器、单周期控制系统和带有超级电容的双向Buck变换器。带有超级电容的双向Buck变换器具有有源滤波、稳压和储能调节的功能。与现有城轨列车电阻吸收制动技术相比，具有节能的优势；与现有城轨列车逆变回馈制动技术相比，除节能外，无需笨重的逆变装置，体积小、成本低；与现有城轨列车超级电容储能制动技术相比，除节能外，无需较大滤波电容，直流电压稳定、整流器功率因数高，城轨列车供电质量和电网质量高。
附图说明
图1是本发明的一种超级电容储能、滤波及稳压的再生制动城轨供电系统图；
图2是图1所示城轨供电系统中超级电容充电状态的导通电路图；
图3是图1所示城轨供电系统中超级电容放电状态的导通电路图；
图4是本发明的一种超级电容储能、滤波及稳压的再生制动城轨供电系统的控制流程图；
图5为图4所示城轨供电系统控制流程图中的单周期控制框图；
具体实施方式
为进一步阐述本发明的内容和特点，以下结合附图对本发明的具体实施方案进行具体说明。但本发明的实施不限于此。
参考图1，本发明的一种超级电容储能、滤波及稳压的再生制动城轨供电系统，24脉波整流器、单周期控制系统和带有超级电容的双向Buck变换器。24脉波整流器的2个整流变压器的输入接供电电网，每个整流变压器有2个副边线圈，2个整流变压器的4个副边线圈输出电压相位依次相差15°；24脉波整流器的输出接到带有超级电容的双向Buck变换器和城轨列车直流供电系统的母线，带有超级电容的双向Buck变换器与城轨列车直流供电系统的母线并联。带有超级电容的双向Buck变换器由第一开关管S1、第二开关管S2、第一二极管D1、第二二极管D2、电感L和超级电容C组成。第一二极管D1、第二二极管D2分别反并联在第一开关管S1、第二开关管S2上，第一开关管S1的发射极与第二开关管S2的集电极相连，电感L两端分别与第一开关管S1的发射极和超级电容C连接，第一开关管S1的发射极连接城轨列车直流供电系统的母线。
当城轨列车制动或轻载时，城轨列车直流供电系统的母线电压高于750V或1500V，开关管S1和二极管D2导通，带有超级电容的双向Buck变换器工作在降压状态，将城轨列车回馈的能量释放到超级电容，超级电容充电，如图2所示；当城轨列车启动或电网电压降落时，城轨列车直流供电系统的母线电压低于750V或1500V，开关管S2与二极管D1导通，带有超级电容的双向Buck变换器工作在升压状态，超级电容储存的电能，经带有超级电容的双向Buck变换器供给城轨列车，超级电容放电，如图3所示。
图4是示出本发明的一种超级电容储能、滤波及稳压的再生制动城轨供电系统的控制流程图。参考图4，当城轨直流供电系统母线电压低于750V或1500V，单周期控制系统控制带有超级电容的双向Buck变换器工作于升压状态，超级电容放电，城轨直流供电系统母线电压升高。当城轨直流供电系统母线电压高于750V或1500V，采样超级电容电压，与设定值相比较，若超级电容电压小于设定值，单周期控制控制系统控制带有超级电容的双向Buck变换器工作于降压状态，超级电容充电，城轨直流供电系统母线电压下降；若超级电容电压大于设定值，开关S导通，吸收电阻R接入耗能，城直流供电系统母线电压下降。采用单周期控制系统控制带有超级电容的双向Buck变换器，通过带有超级电容的双向Buck变换器的调节，实现超级电容的充放电，稳定城轨直流供电系统母线电压。
图5是示出本发明的一种超级电容储能、滤波及稳压的再生制动城轨供电系统的单周期控制框图。
本发明的一种城轨供电系统具有有源滤波功能，即把带有超级电容的双向Buck变换器与城轨列车共同等效为纯电阻，用等效电阻Re来模拟，则控制目标表示为式（1）。在准静态状态下，带有超级电容的双向Buck变换器输入输出关系满足式（2）。把式（1）代入式（2），等式两边同乘电流i的采样比Rs，得到式（3）。在每个开关周期Ts内，认为i、uo近似不变，对式（3）两边同时在1个开关周期内积分，得式（4）。在每个开关周期内，如果满足式（4），则控制目标式（1）得到满足。式（4）用单周控制理论来实现，其控制框图参考图5。
i = u 0 R e 式1
uC＝Duo 式2
R s R e u C = Di R s 式3
R s R e u C = 1 T s ∫ 0 t i R s dt 式4
参考图5，超级电容电压采样值与设定值Vref2相减，差值通过PI调节器，然后与24脉波整流器的输出电流采样值iRs相比较。当城轨直流供电系统母线电压大于额定电压时，S2恒关断，每个时钟开始时，RS触发器的Q端输出高电平，S1导通，当iRs的积分值上升到与相等时，比较器输出高电平，RS触发器的Q输出高电平，S1关断，使积分器复位；当城轨直流供电系统母线电压小于额定电压时，S1恒关断，每个时钟开始时，RS触发器的端输出低电平，S2关断，当iRs的积分值上升到与相等时，比较器输出高电平，RS触发器的输出高电平，S2导通，使积分器复位。这样就保证了在每个开关周期满足数学式4，实现了控制目标。

Claims (3)

1.超级电容储能、滤波及稳压的再生制动城轨供电系统，其特征在于：包括24脉波整流器、单周期控制系统和带有超级电容的双向Buck变换器；24脉波整流器的输出接到带有超级电容的双向Buck变换器和城轨列车直流供电系统的母线，带有超级电容的双向Buck变换器与城轨列车直流供电系统的母线并联，单周期控制系统控制带有超级电容的双向Buck变换器的开关管；24脉波整流器的2个整流变压器的输入接供电电网，每个整流变压器有2个副边线圈，2个整流变压器的4个副边线圈输出电压相位依次相差15o；24脉波整流器的输出接到带有超级电容的双向Buck变换器和城轨列车直流供电系统的母线；带有超级电容的双向Buck变换器由第一开关管（S1）、第二开关管（S2）、第一二极管（D1）、第二二极管（D2）、电感L和超级电容C组成；第一二极管（D1）、第二二极管（D2）分别反并联在第一开关管（S1）、第二开关管（S2）上，第一开关管（S1）的发射极与第二开关管（S2）的集电极相连，电感L两端分别与第一开关管（S1）的发射极和超级电容C连接，第一开关管（S1）的发射极连接城轨列车直流供电系统的母线。
2.用于权利要求1所述的超级电容储能、滤波及稳压的再生制动城轨供电系统的控制方法，其特征在于：当城轨列车正常运行时，24脉波整流器向城轨列车提供750V或1500V的电压，带有超级电容的双向Buck变换器工作在有源滤波和稳压状态；当城轨列车制动或轻载时，城轨列车直流供电系统的母线电压高于750V或1500V，带有超级电容的双向Buck变换器工作在降压状态，将城轨列车回馈的能量释放到超级电容，稳定了电压；当城轨列车启动或电网电压降落时，城轨列车直流供电系统的母线电压低于750V或1500V，超级电容储存的电能，经带有超级电容的双向Buck变换器供给城轨列车。
3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于：通过单周期控制系统控制带有超级电容的双向Buck变换器的开关管，对所述24脉波整流器输出电流i的取样值iRs进行积分，超级电容电压的取样值uC与设定电压Vref2相减后，差值通过PI调节，再与iRs的积分值进行比较；城轨列车直流供电系统的母线电压的采样值uo与额定值Vref1通过比较器比较，比较器的输出再和RS触发器的Q端通过与门得到第一开关管（S1）的控制信号，同时输出通过非门，再和RS触发器的端通过与门得到第二开关管（S2）的控制信号。
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