CN103998285B

CN103998285B - 用于牵引电源的电能存储系统

Info

Publication number: CN103998285B
Application number: CN201280049057.XA
Authority: CN
Inventors: B·因尼斯; O·梅萨斯
Original assignee: ABB AB
Current assignee: ABB AB
Priority date: 2011-08-05
Filing date: 2012-08-03
Publication date: 2017-04-12
Anticipated expiration: 2032-08-03
Also published as: US20140239856A1; CN103998285A; WO2013020212A1; US9481253B2; EP2739502A1; EP2739502A4

Abstract

一种用于连接至向电动车辆提供电力的牵引电源的能量存储系统。该能量存储系统包括电力控制器，其对DC‑DC转换器进行控制以在列车制动时将电能从牵引电源输送至电能存储器。该电力控制器还对转换器进行控制以在列车加速时将电能从电能存储器输送至牵引电源。该控制器分别在接近电能存储器的上电压边界限制和下电压边界限制时减缓能量输送的速率。

Description

用于牵引电源的电能存储系统

技术领域

本发明涉及一种用于牵引电源的电能存储系统，并且更具体地涉及一种用来捕捉在牵引电源上所检测的过度电力（作为制动恢复系统）和/或在需要电力时将一些电力释放至牵引电源（作为加速辅助系统）的系统。

背景技术

本领域已知提供电能存储系统（ESS）以使用经由双向DC-DC转换器电源进行连接的通常被称作“超级电容器”的电双电层电容器（EDLC）来帮助对轻轨网络等的牵引电源（TPS）进行调整。然而，由于所要求的高压直流（HVDC）输电的快速性以及对由于ESS存储组接近上边界或下边界电压状况所导致的任何突发电力输送的管理，从而这样的EES利用不同EDLC的全部存储容量的能力有限。当TPS电压降至可接受的低压阈值以下时，EES能够向TPS提供所要求的附加电力是至关重要的，并且相反地，考虑到（在高于上阈值的电压水平）在TPS处出现的过度能量通常导向负载以通过TPS自身以热量进行消除，当TPS电压超过可接受的高压阈值时，EES能够尽可能快地恢复TPS线路上的过度电力是至关重要的。

因此，需要一种有所改进的电能存储系统。

发明内容

依据本发明，提供了一种用于连接至为电动车辆提供电力的牵引电源的能量存储系统。该能量存储系统包括用于连接至牵引电源的升降压DC-DC转换器、电能存储器、将电能存储器连接至转换器的存储器总线，和可通信连接至转换器的电力控制器。该电力控制器在车辆制动时以再生模式进行操作并且在车辆加速时以辅助模式进行操作。当该电力控制器处于再生模式时，该电力控制器对转换器进行控制以将电能从牵引电源输送至电能存储器。当该电力控制器处于辅助模式时，该电力控制器对转换器进行控制以将电能从电能存储器输送至牵引电源。该控制器分别在接近电能存储器的上和下电压边界限制时减缓牵引电源和电能存储器之间的电能输送速率。

附图说明

本发明的特征、方面和优势将关于以下描述、所附权利要求和附图而被更好地理解，其中：

图1是依据本发明实施例的用于随轻轨网络的牵引电源使用的能量存储系统的示意图；

图2是在制动事件期间由图1的能量存储系统进行稳定的牵引电源电压分布的示意性图形表示，其中该能量存储系统处于再生模式；

图3是图1的能量存储系统的通用电力控制器的示意图；

图4是图3的通用电力控制器的第一混合控制回路的示意图；和

图5是图3的通用电力控制器的第二混合控制回路的示意图。

具体实施方式

应当注意的是，在以下的详细描述中，无论它们是否在本发明的不同实施例中示出，相同的组件都具有相同的附图标记。还应当注意的是，为了清楚并准确地公开本发明，附图并不必依比例绘制并且本发明的某些特征可以以稍显示意性的形式被示出。

现在参考图1，示出了依据本发明的实施例所构建的电能存储系统（ESS）10。ESS10用于随向列车的电动机提供电力的牵引电源12使用。ESS10可操作以在列车加速以及列车制动时对牵引电源12的DC电压进行稳定。当列车进行加速时，ESS10处于辅助模式，其中它向牵引电源12提供电力。当列车制动时，ESS10处于再生模式，其中它从牵引电源12恢复能量并且对其进行存储以便随后在ESS10处于辅助模式时使用。

ESS10系统包括双向DC-DC电力转换器单元14，其通过存储器总线17电连接至至少一个能量存储单元16。该电力转换单元14电连接至牵引电源12以在牵引电源12和（多个）电能存储单元16之间输送电能。当多个能量存储单元16连接至电力转换器单元14时，它们如图1所示并联连接，其中第二能量存储单元16以虚线示出。连接至电力转换器单元14的能量存储单元16的数量通常取决于电力转换器单元14能够在牵引电源12的电压（V_TPS）所应对的最大能量输送。每个能量存储单元16包括电存储器50，诸如通常被称作“超级电容器”的双电层电容器（EDLC）。

如以上所描述的，电力转换器单元14可在不同时间进行操作以（i）恢复来自牵引电源12的制动能量并且将其存储在（多个）能量存储单元16中，以及（ii）使用（多个）能量存储单元16中所存储的能量在峰值需求期间对牵引电源12进行辅助。电力转换器单元14的电流流动方向（无论是辅助还是回复）由双向升降压DC-DC转换器22的切换模式进行控制，该双向升降压DC-DC转换器22由通用电力控制器20经由桥接驱动器24进行控制。转换器22包括部署在开关桥中的多个绝缘栅双极晶体管（IGBT）。

功率转换器单元14具有用于分别连接至牵引电源12和（多个）能量存储单元16的接口，以允许高压直流（HVDC）牵引电力在电力转换器单元14和牵引电源12之间以及电力转换器单元14和（多个）能量存储单元16之间进行流动。电力转换器单元14还具有用于连接至100VDC电力和115VAC电力源的接口，或者如果在北美以外，其具有连接至200VDC电力和230VAC电力源的接口。另外，电力转换器单元14具有用于与（多个）能量存储单元16进行通信的通信接口以及位于远程的监视和/或控制系统。一种这样的通信接口可以是SCADA（监测控制和数据采集）接口25，其可以连接至远程监视和/或控制系统。另一种通信接口可以是以太网接口，其可以连接至（多个）能量存储单元16以便经由传输控制协议（TCP）进行通信。

如图2所示，ESS10协助将牵引电源12中的操作电压（V_TPS）保持在可接受的预设低LT和高HT电压阈值水平之内，低LT和高HT电压阈值水平低于和高于牵引电源12的基准电压水平V_TPS-REF。牵引电源12通常可具有600VDC、750VDC、1500VDC或3000VDC的电压水平V_TPS-REF。仅出于说明的目的，V_TPS-REF在图2中被示为400VDC。

与作为整体的ESS10相同，电力转换器单元14的通用电力控制器20当列车减速时以再生模式进行操作并且在列车加速时以辅助模式进行操作。通用电力控制器20基于牵引电源12的电压（V_TPS）自动在再生和辅助模式之间进行切换。更具体地，当电压（V_TPS）上升至高于HT电压阈值水平时，通用控制器20进入再生模式，并且当（V_TPS）下降至低于LT电压阈值水平时，通用控制器20进入辅助模式。在再生模式中，通用电力控制器20对转换器22进行控制以在列车减速或制动时恢复并存储来自牵引电源12的过多能量（如图2所描绘），并且作为结果，牵引电源12的电压水平超出高阈值HT。所恢复的能量被存储在（多个）能量存储单元16中。在辅助模式中，通用电力控制器20对转换器22进行控制以在列车加速时将电能从（多个）能量存储单元16提供至牵引电源12，并且牵引电源12的电压水平下降至低阈值LT以下。

如以上所描述的，通用电力控制器20通过驱动器24对转换器22进行控制。此外，通用电力控制器20对连接器开关23、29进行控制。通用电力控制器20包括主板26和计算单元组28，后者通常包括具有用于运行应用的处理器的PC-104印刷电路板，该应用包括可以是Matlab^TM应用的控制应用32。该应用存储在PC-104上的存储器中。

主板26对从计算单元组28所接收以及向其提供的信号进行调节。例如，主板26接收模拟信号，对它们进行调节并且将它们提供至计算单元组28中的模数（A/D）转换器27，后者对该信号进行数字化并且将它们提供至在PC-104的处理器上运行的应用。此外，主板26的现场可编程门阵列（FPGA）30将控制应用32所生成的计数数据转换为脉冲宽度调制（PWM）信号。这些PWM信号进而被光纤数据模块31转换为光脉冲以便通过光纤线路传输至桥驱动器24。FPGA32利用超高速集成电路（VHSIC）硬件描述语言（VHDL）进行编程。

计算单元组28对（多个）能量存储单元16和转换器22进行控制。计算单元组28还监视（多个）能量存储单元16和转换器22的操作并且执行数据记录。这些控制、监视和数据记录功能由在PC-104的处理器上的Linux^TM操作系统中运行的应用（诸如应用32）所执行。该应用可以有利地使用实时应用接口（RTAI）内核36。

转换器22可操作以将牵引电源12的电压（V_TPS）（其通常处于大约从350VDC到大约450VDC的范围内）转换为存储器总线17的电压（V_CAP）（其通常处于大约从500VDC到大约1000VDC的范围内）。存储器总线17的电压V_CAP由每个能量存储单元16中串联连接的电容器的数量所确定。

如以上所描述的，转换器22包括部署在桥中的四个IGBT开关。转换器22通常以1kHz的开关频率进行操作。IGBT开关的选通顺序确定了转换器电流的方向（辅助或再生模式）以及转换器22是处于降压还是增压模式（如随后所描述的）。该选通顺序由通用电力控制器20响应于牵引电源12的总线电压（V_TPS）和存储器总线17的电压（V_CAP）而生成。

电力转换器单元14还包括可编程逻辑控制器（PLC）40，其通过通信模块46连接至通用电力控制器20，该通信模块46可以是基于以太网的。PLC40对ESS10内的TCP通信（其可以是以太网协议上的MODBUS^TM）进行控制。PLC40从位于电力控制器单元14之内和之外的其它设备接收状态和控制信号。另外，PLC40生成状态输出，该状态输出被发送至显示器34以便向用户提供视觉指示。显示器34可以由LED组成或者可以是图形用户界面。

电力转换器单元14进一步包括连接至存储器总线17的高压电源42。电源42连接至115VAC电力的供电并且可操作以生成被提供至电存储器50的调节电荷。该调节电荷处于低能量率（通常大约为500焦耳/秒）并且被用来在初始充电序列期间对电存储器50中的个体电容器的任何电压不均衡进行校正。

ESS10包括紧急停机电路，其包括串连接连接的多个开关45。电力转换器单元14和（多个）能量存储单元16中的每一个都包括一个开关45。

如以上所描述的，每个能量存储单元16包括可以由双电层电容器所构成的电存储器50。电容器被设置为包括一串或多串的串联连接电容器的组。串和电容器的数量和部署形式被选择以提供所要求的电压。电存储器50中的每个电容器串由通用电力控制器20通过与电存储器50相关联的监视系统52进行控制。监视系统52从电存储器50收集状态信号，对它们进行光学隔离和缓存，并且随后将它们传送至通用电力控制器20。监视系统52还从通用电力控制器20接收控制信号并且对它们进行操作以控制电容器串的连接。状态和控制信号经由与监视系统52相关联的远程输入/输出模块54以及与通用电力控制器20（和PLC40）相关联的通信模块46在监视系统52和通用电力控制器20之间进行传送。

通用电力控制器20的控制应用32预测接近（多个）能量存储单元16的下边界（LB）和上边界（UB）电压状况的能量状况，并且在接近这些极限时对ESS10和牵引电源12之间的能量输送速率加以约束（减缓）。这样在接近边界状况时降低能量输送速率通过避免进入牵引电源12的降低其操作效率的突发电流转变而改进了牵引电源12的调节。此外，如此减缓能量输送通过对电存储器50的内部阻抗进行补偿而使得（多个）能量存储单元16的总体能量容量最大化。

如果电存储器50（在再生模式期间）容量被充满或者（在辅助模式期间）被耗尽，则通用电力控制器20停止（多个）能量存储单元16和牵引电源12之间的能量输送。

控制应用32包括混合控制回路60,80（分别在图4和图5中示出），它们预测能量边界状况并且在接近UB和LB极限时对能量输送的速率加以约束。

现在参考图4，用于转换器22的混合控制回路60包括比例积分控制器66和比例积分控制器64，前者进行工作以减小牵引电源12的基准电压水平（V_TPS-REF）和电压水平（V_TPS）之间的差异（误差），后者则进行工作以减小存储器总线17的最大电压（V_CAP-MAX）和电压（V_CAP）之间的差异（误差）。控制器64的增益是电存储器50的容量的函数。控制器64的输出（I__CAP）对控制器66的输出（I__CONTROL）的使用加以约束。更具体地，控制器66的输出（I__CONTROL）被提供为针对动态饱和器62的输入，而控制器64的输出（I__CAP）则被送至动态饱和器62的“上端口（up port）”。动态饱和器62可操作以将其输入的范围界定为上饱和值和下饱和值。当输入处于上饱和值和下饱和值之间时，动态饱和器62的输出等于输入。当输入低于下饱和值时，动态饱和器62的输出被设置为下饱和值。当输入高于上饱和值时，输出被设置为上饱和值。该上饱和值是由提供至动态饱和器62的“上端口”的数值所设置的数值，即控制器64的输出（I__CAP）。该下饱和值由“下端口（lo port）”所设置，该“下端口”被设置为零。动态饱和器62的以上配置有效地使得动态饱和器62的输出为控制器66的输出（I__CONTROL）和控制器64的输出（I__CAP）中的较低值。动态饱和器62的输出通过限制器而产生基准电流（I_ref）。比例积分控制器68进行工作以减小该基准电流（I_ref）和转换器22的电感器37的电流（I_conductor）之间的差异。控制器68的输出通过限制器并且随后被提供至FPGA30的PWM模块47，后者生成PWM信号。

现在将对混合控制回路60在ESS10的再生模式期间的操作进行描述。当列车初次开始制动时，由于电存储器50并未被完全充电，所以V_CAP-MAX和V_CAP之间的正误差高（并且因此来自控制器64的I__CAP高）。作为列车制动的结果，牵引电源12的电压（V_TPS）增大并且V_TPS-REF和V_TPS之间的正误差增大。因此，来自控制器66的I__CONTROL增大并且从动态饱和器62输出，这导致控制器68的输出增加去往（多个）能量存储单元16的电流流动。然而，当存储器总线17的电压（V_CAP）接近最大电压（V_CAP-MAX）时，V_CAP-MAX和V_CAP之间的误差减小，并且因此来自控制器64的I__CAP减小。结果，动态饱和器62的上限变为被限制为来自控制器64的较低I__CAP而不是来自控制器66的I__CONTROL，这降低了去往（多个）能量存储单元16的电流输送速率。

现在参考图5，用于转换器22的混合控制回路80包括比例积分控制器70和比例积分控制器69，前者进行工作以减小牵引电源12的基准电压水平（V_TPS-REF）和电压水平（V_TPS）之间的差异（误差），后者则进行工作以减小存储器总线17的最大电压（V_CAP-MIN）和电压（V_CAP）之间的差异（误差）。控制器69的增益是电存储器50的容量的函数。控制器69的输出（I__CAP）对控制器70的输出（I__CONTROL）的使用加以约束。更具体地，控制器70的输出（I__CONTROL）被提供为针对动态饱和器72的输入，而控制器69的输出（I__CAP）则被送至动态饱和器72的“下端口”。动态饱和器72可操作以将其输入的范围界定为上饱和值和下饱和值。当输入处于上饱和值和下饱和值之间时，动态饱和器72的输出等于输入。当输入低于下饱和值时，动态饱和器72的输出被设置为下饱和值。当输入高于上饱和值时，输出被设置为上饱和值。该上饱和值是由提供至动态饱和器72的“上端口”的为零的数值所设置的数值。该下饱和值由“下端口”所设置，其被设置为控制器69的输出（I__CAP）。动态饱和器72的输出通过限制器而产生基准电流（I_ref）。比例积分控制器78进行工作以减小该基准电流（I_ref）和转换器22的电感器37的电流（I_conductor）之间的差异。控制器78的输出通过限制器并且随后被提供至FPGA30的PWM模块87，后者生成PWM信号。

现在将对混合控制回路80在ESS10的辅助模式期间的操作进行描述。当列车开始加速时，由于电存储器50被完全充电，所以V_CAP-MIN和V_CAP之间的正误差高（并且因此来自控制器64的I__CAP的绝对值高）。作为列车启动的结果，牵引电源12的电压（V_TPS）下降并且V_TPS-REF和V_TPS之间的误差增大。因此，来自控制器70的I__CONTROL的绝对值增大并且从动态饱和器72输出，这导致控制器78的输出增加从（多个）能量存储单元16到牵引电源12（即，列车）的电流流动。然而，当存储器总线17的电压（V_CAP）接近最小电压（V_CAP-MIN）时，V_CAP-MIN和V_CAP之间的正误差减小，并且因此来自控制器69的I__CAP的绝对值减小。结果，动态饱和器72的下限在V_CAP接近来自控制器69的V_CAP-MIN时变为被限制为较低I__CAP（绝对值）而不是来自控制器70的I__CONTROL，这降低了来自（多个）能量存储单元16的电流输送速率。

现在将参考图2对ESS10在列车制动时的操作进行描述。当制动事件开始时（在t=零），牵引电源12的电压V_TPS开始增大。当V_TPS高于高阈值HT时，通用电力控制器20进入再生模式并且对转换器22进行控制以对（多个）能量存储单元16提供电流。结果，V_TPS降低，即得以稳定。存储器总线17的电压（V_CAP）增大直至混合控制60通知V_CAP接近其上边界电压状况UB并且通过在图2的图形表示中的大约36秒处降低电感器37的电流I__INDUCTOR而自动降低能量输送速率。作为响应，V_TPS小幅增大。在列车加速事件中（未示出），通用电力控制器20进入辅助模式以将所累积的能量输送至牵引电源12，其中该图形表示通常将看起来像图2中的图形表示的镜像图，其具有负电感器电流I__INDUCTOR以及有所降低的存储器总线17的V_CAP。

当多个ESS10连接至单个牵引电源12时，通过下降电压控制来实现电力转换器单元14之间的电流共享。

应当从上文所意识到的是，本发明提供了多种优势。ESS10包括混合控制，其通过分别在接近电存储器50的最大容量（上边界电压状况）和最小预定存储水平（下边界电压状况）时减缓能量输送速率而确保了最优的来自牵引电源12的能量存储以及到牵引电源12的能量供应，以便利用电存储器50的整个实际容量并且因此接近其理论容量，这在应对EDLC时是特别令人感兴趣的。

本发明的又一个优势在于，通过在接近上边界和下边界电压状况之一时限制能量输送速率，ESS10防止了任何突发电流转变进入牵引电源12，而这样的转变会降低其操作效率。

本发明的再一个优势在于，ESS10在大小（电力容量）方面是模块化的并且能够使用不同类型的能量存储组，诸如一般被称作“超级电容器”的双电层电容器（EDLC），以及更常规的化学电池，诸如大容量锂离子电池、镍金属混合物（NiMH）电池等。

所要理解的是，以上（多个）示例性实施例的描述仅意在是说明性的而并非是本发明的穷举。本领域技术人员将能够对所公开主题的（多个）实施例进行某些添加、删减和/或修改而并不背离如所附权利要求所限定的本发明的精神及其范围。

Claims

1.一种用于连接至为电动车辆提供电力的牵引电源的能量存储系统，所述能量存储系统包括：

(a)用于连接至所述牵引电源的升降压DC-DC转换器；

(b)电能存储器；

(c)将所述电能存储器连接至所述转换器的存储器总线；和

(d)电力控制器，其可通信连接至所述转换器并且能够在所述车辆制动时以再生模式进行操作而在所述车辆加速时以辅助模式进行操作；

其中当所述电力控制器处于所述再生模式时，所述电力控制器对所述转换器进行控制以将电能从所述牵引电源输送至所述电能存储器；

其中当所述电力控制器处于所述辅助模式时，所述电力控制器对所述转换器进行控制以将电能从所述电能存储器输送至所述牵引电源；

其中所述控制器分别在接近所述电能存储器的上电压边界限制和下电压边界限制时减缓所述牵引电源和所述电能存储器之间的电能输送速率；并且

其中所述电力控制器包括：第一控制器，其进行工作以减小所述牵引电源的电压和基准电压之间的差值；第二控制器，其进行工作以基于所述存储器总线电压和最大总线电压之间的差值而产生约束边界；和动态饱和器，其可操作以接收来自所述第一控制器的输出并且将输出界定为上饱和水平和下饱和水平，所述上饱和水平是所述第二控制器的输出。

2.根据权利要求1的能量存储系统，其中所述电力控制器在所述存储器总线的电压接近所述上边界限制时减缓从所述牵引电源到所述电能存储器的电能输送；并且

其中所述电力控制器在所述存储器总线的电压接近所述下边界限制时减缓从所述电能存储器到所述牵引电源的电能输送。

3.根据权利要求1的能量存储系统，其中所述电能存储器包括双电层电容器。

4.根据权利要求1的能量存储系统，其中所述电容器以一个或多个串进行部署，其中每个串包括多个串联连接的电容器。

5.根据权利要求1的能量存储系统，其中所述能量存储器包括多个电池。

6.根据权利要求1的能量存储系统，其中所述转换器包括多个绝缘栅双极晶体管(IGBT)。

7.根据权利要求6的能量存储系统，其中所述转换器包括具有一对串联连接的IGBT的第一分叉，具有一对串联连接的IGBT的第二分叉，以及连接在所述第一和第二分叉的节点之间的电感器，所述第一分叉和所述第二分叉中的每一个中的所述节点位于所述IGBT之间。

8.根据权利要求1的能量存储系统，其中所述电力控制器的所述模式由所述牵引电源的电压所确定。

9.根据权利要求1的能量存储系统，其中所述电力控制器在所述牵引电源的电压移动到高于上电压阈值极限时进入所述再生模式，并且当所述牵引电源的电压移动到低于下阈值极限时进入所述辅助模式。

10.根据权利要求1的能量存储系统，其中所述电力控制器进一步包括第三控制器，其进行工作以减小所述转换器的电感器的电流与源自所述动态饱和器的输出的基准电流之间的差值。

11.一种操作能量存储系统的方法，包括：

提供用于连接至为电动车辆提供电力的牵引电源的能量存储系统，所述能量存储系统包括：用于连接至所述牵引电源的升降压DC-DC转换器；电能存储器；将所述电能存储器连接至所述转换器的存储器总线；和电力控制器，其可通信连接至所述转换器并且能够在所述车辆制动时以再生模式进行操作而在所述车辆加速时以辅助模式进行操作；

以再生模式操作所述电力控制器，使得所述电力控制器对所述转换器进行控制以将电能从所述牵引电源输送至所述电能存储器；以及

以辅助模式操作所述电力控制器，使得所述电力控制器对所述转换器进行控制以将电能从所述电能存储器输送至所述牵引电源；并且

其中所述电力控制器分别在接近所述电能存储器的上电压边界限制和下电压边界限制时减缓所述牵引电源和所述电能存储器之间的电能输送速率；并且

12.根据权利要求11的方法，其中所述电力控制器在所述存储器总线的电压接近所述上边界限制时减缓从所述牵引电源到所述电能存储器的电能输送。

13.根据权利要求12的方法，其中所述电力控制器在所述存储器总线的电压接近所述下边界限制时减缓从所述电能存储器到所述牵引电源的电能输送。

14.根据权利要求11的方法，其中所述电力控制器进一步包括第三控制器，其进行工作以减小所述转换器的电感器的电流与源自所述动态饱和器的输出的基准电流之间的差值。