CN105425071A - 一种超级电容储能装置试验平台及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种超级电容储能装置试验平台，包括陪试变流器和超级电容储能装置；所述陪试变流器的交流侧端口与电网电气连接，陪试变流器的直流侧端口与超级电容储能装置的输入端电气连接。该试验平台可实现电能在电网和超级电容器之间的双向流动，电能交替存储在电网和超级电容器中，除试验平台自身的能耗外，能量损耗极小，节约了能源，绿色环保。一种超级电容储能装置试验平台的试验方法，包括分别以陪试变流器作为稳压源或功率源，模拟列车制动状态下超级电容储能装置充电过程和模拟列车启动状态下超级电容储能装置放电过程。该方法操作简单、方便实用，并能够方便的匹配不同容量的城轨再生制动能量存储系统。

Description

一种超级电容储能装置试验平台及试验方法

技术领域

本发明涉及一种城市轨道交通再生制动能量存储系统的试验装置及试验方法，尤其涉及一种超级电容储能装置试验平台及试验方法。

背景技术

随着地铁等城市轨道交通的不断发展，以及人们对绿色、生态、环保的不断重视，地铁等城市轨道交通再生制动能量的利用方式得到了广泛的应用。由于超级电容器具有短时充放电功率大、充放电迅速的特点；与城轨车辆制动能量大、启动制动频繁等特点十分吻合，近几年已经逐步开始应用在城轨供电系统领域，超级电容储能装置将城轨列车电制动时产生的再生制动能量存储、释放，以达到重复利用电能及稳定直流母线电压的目的。但是目前由于超级电容储能装置在地铁上的应用较少，介绍超级电容储能装置试验平台的方法也很少，建立合适的超级电容储能装置试验平台就显得尤为重要。王俭朴的《城市轨道车辆储能再生制动试验系统研究》一文研究了车辆储能再生制动试验系统，是本发明的背景技术。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种操作简单、方便，节能、环保，可适应于目前国内多种地铁供电电压的超级电容储能装置试验平台及试验方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：一种超级电容储能装置试验平台，包括陪试变流器和超级电容储能装置；所述陪试变流器的交流侧端口与电网电气连接，陪试变流器的直流侧端口与超级电容储能装置的输入端电气连接；

所述陪试变流器包括预充电开关组和变流模块；所述预充电开关组包括交流断路器、预充电接触器和充电电阻，所述预充电接触器与充电电阻串联组成预充电电路，预充电电路与交流断路器并联组成预充电开关组；所述变流模块的交流侧端口与所述预充电开关组串联后作为陪试变流器的交流侧端口与电网电气连接，所述变流模块的直流侧端口与超级电容储能装置的输入端电气连接。

作为本发明的进一步改进，所述陪试变流器的变流模块包括两个并联的变流单元。

作为本发明的进一步改进，所述超级电容储能装置包括斩波器和超级电容器；所述斩波器的中间侧端口与直流开关串联后作为超级电容储能装置的输入端，斩波器的电容侧端口与超级电容器电气连接。

作为本发明的进一步改进，还包括一个控制模块，所述控制模块分别与陪试变流器和超级电容储能装置电气连接，用于控制陪试变流器和超级电容储能装置的工作状态。

作为本发明的进一步改进，还包括变压器和电抗器，所述变压器的原边侧与电网电气连接，变压器的副边侧与电抗器串联后与所述陪试变流器的交流侧端口连接。

一种超级电容储能装置试验平台的试验方法，包括模拟列车在制动状态下超级电容储能装置充电过程和模拟列车在启动状态下超级电容储能装置放电过程；

所述模拟列车在制动状态下超级电容储能装置充电过程的具体步骤包括：

S1.1.控制模块通过调整陪试变流器的控制脉冲，控制陪试变流器模拟列车开始制动时产生制动电能，使超级电容储能装置输入端电压上升的工况；

S1.2.判断超级电容储能装置输入端电压是否满足对超级电容器充电的条件，是则跳转至步骤S1.3，否则继续执行步骤S1.2；

S1.3.控制模块控制超级电容储能装置工作在充电状态，为超级电容器充电；

S1.4.判断超级电容器的电压值是否满足充电停止条件，是则跳转到步骤S1.5，否则继续执行步骤S1.4；

S1.5.超级电容储能装置充电完成，进入待机状态；

所述模拟列车启动状态下超级电容储能装置放电过程的具体步骤包括：

S2.1.控制模块通过调整陪试变流器的控制脉冲，控制陪试变流器模拟列车开始启动时，拉低超级电容储能装置输入端电压的工况；

S2.2.判断超级电容储能装置输入端电压是否满足对超级电容器放电的条件，是则跳转到步骤S2.3，否则继续执行步骤S2.2；

S2.3.控制模块控制超级电容储能装置工作在放电状态，为超级电容器放电，控制模块控制陪试变流器工作在逆变状态，将超级电容器释放的电能反馈至电网；

S2.4.判断超级电容器的电压值是否满足放电停止条件，是则跳转到步骤S2.5，否则继续执行步骤S2.4；

S2.5.超级电容储能装置放电完成，进入待机状态。

作为本发明的进一步改进，所述模拟列车在制动状态下超级电容储能装置充电过程中，陪试变流器作为恒压源，通过斩波器为超级电容器恒流充电，具体步骤包括：

S1.1a.控制模块通过调整陪试变流器的控制脉冲，逐步提高陪试变流器直流侧端口的输出电压，并使直流侧端口的输出电压恒定在预设的充电电压值U_d1；

S1.2a.判断陪试变流器直流侧端口的输出电压值是否上升到预设的充电电压值U_d1，是则跳转至步骤S1.3a，否则继续执行步骤S1.2a；

S1.3a.控制模块控制超级电容储能装置工作在充电状态，斩波器的电容侧端口输出预设的恒定电流I₀为超级电容器充电；

S1.4a.判断超级电容器的电压是否上升到预设的充电完成电压值U_c1，是则跳转到步骤S1.5a，否则继续执行步骤S1.4a；

S1.5a.控制模块封锁超级电容储能装置的控制脉冲，并调整陪试变流器的控制脉冲，使陪试变流器的直流侧端口电压逐步下降并恒定在预设的待机电压值U_d0，超级电容储能装置充电完成，进入待机状态；

所述模拟列车在启动状态下超级电容储能装置放电过程中，控制超级电容储能装置恒流放电，陪试变流器作为逆变器，将电能回馈至电网，具体步骤包括：

S2.1a.控制模块通过调整陪试变流器的控制脉冲，逐步降低陪试变流器直流侧端口的输出电压，并使直流侧端口的输出电压恒定在预设的放电电压值U_d2；

S2.2a.判断陪试变流器直流侧端口的输出电压值是否下降到预设的放电电压值U_d2，是则跳转到步骤S2.3a，否则继续执行步骤S2.2a；

S2.3a.控制模块控制超级电容储能装置工作在放电状态，控制斩波器的中间侧端口以预设的恒定电流I₁为超级电容器放电；控制模块控制陪试变流器工作在逆变状态，将超级电容器所释放的电能反馈至电网，并使得陪试变流器直流侧端口的电压恒定在预设的放电电压值U_d2；

S2.4a.判断超级电容器的电压值是否下降至预设的放电完成电压值U_c2，是则跳转到步骤S2.5a，否则继续执行步骤S2.4a；

S2.5a.控制模块封锁超级电容储能装置的控制脉冲，控制模块控制陪试变流器工作在整流状态，并使陪试变流器直流侧端口的输出电压恒定在预设的待机电压值U_d0，超级电容储能装置放电完成，进入待机状态。

作为本发明的进一步改进，所述模拟列车在制动状态下超级电容储能装置充电过程中，陪试变流器作为功率源，通过斩波器为超级电容器充电，具体步骤包括：

S1.1b.控制模块通过调整陪试变流器的控制脉冲，逐步提高陪试变流器直流侧端口的输出电压；

S1.2b.判断陪试变流器直流侧端口的输出电压是否高于预设的充电电压门槛值U_O1，是则跳转到步骤S1.3b，否则继续执行步骤S1.2b；

S1.3b.控制模块控制超级电容储能装置工作在充电状态，通过斩波器为超级电容器充电，并使得斩波器中间侧端口的电压值稳定在预设的充电电压值U_p1；

S1.4b.判断超级电容器的电压是否上升到预设的充电完成电压值U_c1，是则跳转到步骤S1.5b，否则继续执行步骤S1.4b；

S1.5b.控制模块封锁超级电容储能装置的控制脉冲，超级电容储能装置进入待机状态，并调整陪试变流器的控制脉冲，使陪试变流器的直流侧端口的输出电压值介于预设的充电电压门槛值U_O1与预设的放电电压门槛值U_O2之间，超级电容储能装置充电完成，进入待机状态；

所述模拟列车在启动状态下超级电容储能装置放电过程中，控制超级电容储能装置恒压放电，陪试变流器作为逆变器，将电能回馈至电网，具体步骤包括：

S2.1b.控制模块通过调整陪试变流器的控制脉冲，逐步降低陪试变流器直流侧端口的输出电压；

S2.2b.判断陪试变流器直流侧端口的输出电压是否低于预设的放电电压门槛值U_O2，是则跳转到步骤S2.3b，否则继续执行步骤S2.2b；

S2.3b.控制模块控制超级电容储能装置工作在放电状态，控制斩波器的中间侧端口以预设的恒定电压U_p2放电；控制模块控制陪试变流器工作在逆变状态，将超级电容器所释放的电能反馈至电网；

S2.4b.判断超级电容器的电压值是否下降至预设的放电完成电压值U_c2，是则跳转到步骤S2.5b，否则继续执行步骤S2.4b；

S2.5b.控制模块封锁超级电容储能装置的控制脉冲，控制模块控制陪试变流器工作在整流状态，并使陪试变流器的直流侧端口的输出电压值介于预设的充电电压门槛值U_O1与预设的放电电压门槛值U_O2之间，超级电容储能装置放电完成，进入待机状态。

作为本发明的进一步改进，还包括陪试变流器的预充电过程，具体步骤包括：

S3.1.断开交流断路器，闭合预充电接触器；

S3.2.控制模块通过调整陪试变流器的控制脉冲，逐步升高陪试变流器直流侧端口的输出电压；

S3.3.判断陪试变流器直流侧端口的电压值是否达到预设的预充电电压值U_y，是则跳转到步骤S3.4；否则继续执行步骤S3.3；

S3.4.控制模块锁定陪试变流器的控制脉冲，使陪试变流器直流侧端口的电压稳定在预设的预充电电压值U_y，闭合交流断路器，断开预充电接触器，完成陪试变流器预充电过程。

作为本发明的进一步改进，还包括故障监测及处理过程，具体步骤包括：

S4.1.监测陪试变流器和超级电容储能装置的运行状态参数；

S4.2.判断所述运行状态参数是否超过预设的警戒值，是则跳转到步骤S4.3，否则跳转至步骤S4.1；

S4.3.控制模块封锁陪试变流器和斩波器的控制脉冲，断开交流断器路、预充电接触器和直流开关，并发出故障信息。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明超级电容储能装置试验平台使用陪试变流器和斩波器实现电能在电网和超级电容器之间的双向流动，电能交替存储在电网和超级电容器中，除试验平台自身的能耗外，能量损耗极小，节约了能源，绿色环保，并且适用于DC750V和DC1500V两种制式的电压，方便匹配不同容量的城轨再生制动能量存储系统

2、本发明超级电容储能装置试验平台的试验方法仅需要简单的控制，就能方便的模拟城市轨道车辆在制动及启动过程中，超级电能器的储能及放电过程，操作简单、方便实用。

3、本发明超级电容储能装置试验平台的试验方法分别以陪试变流器作为稳压源或功率源实现超级电容储能装置的充放电，可根据地铁车辆实际运行过程中再生制动能量的不同以及配置的超级电容器容量的不同，灵活地采用不同的控制方式。

附图说明

图1为本发明超级电容储能装置试验平台结构示意图。

图2为本发明超级电容储能装置试验方法流程图。

图3为本发明超级电容储能装置试验平台的试验方法陪试变流器作为恒压源时超级电容储能装置输入端电压曲线图。

图例说明：1、陪试变流器；11、交流断路器；12、预充电接触器；13、充电电阻；14、变流模块；15、变流单元；2、超级电容储能装置；21、斩波器；22、超级电容器；23、直流开关；3、控制模块；4、电抗器；5、变压器。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

如图1所示，本实施例超级电容储能装置试验平台，包括陪试变流器1和超级电容储能装置2；陪试变流器1的交流侧端口与电网电气连接，陪试变流器1的直流侧端口与超级电容储能装置2的输入端电气连接；陪试变流器1包括预充电开关组和变流模块14；预充电开关组包括交流断路器11、预充电接触器12和充电电阻13，预充电接触器12与充电电阻13串联组成预充电电路，预充电电路与交流断路器11并联组成预充电开关组；变流模块14的交流侧端口与预充电开关组串联后作为陪试变流器1的交流侧端口与电网电气连接，变流模块14的直流侧端口与超级电容储能装置2的输入端电气连接。在本实施例中，陪试变流器1的变流模块14包括两个并联的变流单元15，该变流单元15为PWM变流器。变流单元15的直流侧端口之间并联有滤波电容和电阻，用于进一步提高变流单元15直流侧端口输出电能的质量。陪试变流器1在超级电容储能装置2充电过程中作为整流器，用于对电网的交流电进行变压、整流，在超级电容储能装置2放电过程中作为逆变器，用于将超级电容储能装置2中储存的电能反馈至电网。

在本实施例中，超级电容储能装置2包括斩波器21和超级电容器22；斩波器21的中间侧端口与直流开关23串联后作为超级电容储能装置2的输入端，斩波器21的电容侧端口与超级电容器22电气连接。在斩波器21中间侧端口的正极，还串联有直流开关23，斩波器21的中间侧端口通过直流开关23与陪试变流器1的直流侧端口电气连接。在斩波器21中间侧端口之间，还并联有一个用于提升电能质量的电容器。在本实施例中，斩波器21为一个PWM控制型DC/DC变流器，用于控制超级电容器22的充电和放电。根据发明可以采用不同电压的超级电容储能装置2，以适应城市轨道列车实际运行使用的DC750V和DC1500V两种制式的电压，方便匹配不同容量的城轨再生制动能量存储系统。

在本实施例中，超级电容储能装置试验平台还包括一个控制模块3，控制模块3分别与陪试变流器1和超级电容储能装置2电气连接，用于控制陪试变流器1和超级电容储能装置2的工作状态。该控制模块3为PWM控制器，通过PWM控制脉冲来实现对陪试变流器1和超级电容储能装置2的控制。

在本实施例中，超级电容储能装置试验平台还包括变压器5和电抗器4，变压器5的原边侧与电网电气连接，变压器5的副边侧与电抗器4串联后与陪试变流器1的交流侧端口连接。变压器5用于进一步调整陪试变流器1交流侧的输入电压，电抗器4用于优化陪试变流器1交流侧输入电能的质量，使得本发明具有更广泛的适用范围。

在本实施例中，通过控制模块3控制陪试变流器1和超级电容储能装置2的工作状态，可实现电网电能向超级电容器22的转移，以及超级电容器22所储存电能向电网的转移，即超级电容器22的充电和放电的过程，在此过程中，除了试验平台自身的能耗，能量损耗极小，可以最大限度的实现电能的循环再利用。

如图2所示，超级电容储能装置试验平台的试验方法包括模拟列车制动状态下超级电容储能装置2充电过程和模拟列车启动状态下超级电容储能装置2放电过程。

模拟列车在制动状态下超级电容储能装置2充电过程的具体步骤包括：S1.1.控制模块3通过调整陪试变流器1的控制脉冲，控制陪试变流器1模拟列车开始制动时产生制动电能，使超级电容储能装置2输入端电压上升的工况；S1.2.判断超级电容储能装置2输入端电压是否满足对超级电容器22充电的条件，是则跳转至步骤S1.3，否则继续执行步骤S1.2；S1.3.控制模块3控制超级电容储能装置2工作在充电状态，为超级电容器22充电；S1.4.判断超级电容器22的电压值是否满足充电停止条件，是则跳转到步骤S1.5，否则继续执行步骤S1.4；S1.5.超级电容储能装置2充电完成，进入待机状态。

模拟列车在启动状态下超级电容储能装置2放电过程的具体步骤包括：S2.1.控制模块3通过调整陪试变流器1的控制脉冲，控制陪试变流器1模拟列车开始启动时，拉低超级电容储能装置2输入端电压的工况；S2.2.判断超级电容储能装置2输入端电压是否满足对超级电容器22放电的条件，是则跳转到步骤S2.3，否则继续执行步骤S2.2；S2.3.控制模块3控制超级电容储能装置2工作在放电状态，为超级电容器22放电，控制模块3控制陪试变流器1工作在逆变状态，将超级电容器22释放的电能反馈至电网；S2.4.判断超级电容器22的电压值是否满足放电停止条件，是则跳转到步骤S2.5，否则继续执行步骤S2.4；S2.5.超级电容储能装置2放电完成，进入待机状态。本发明通过控制模块3控制陪试变流器1和超级电容储能装置2的工作状态，就能方便的模拟城市轨道车辆在制动及启动过程中，超级电能器22的储能及放电过程，操作简单、方便实用。

在本实施例中，还包括陪试变流器1预充电过程，具体步骤包括：S3.1.断开交流断路器11，闭合预充电接触器12；S3.2.控制模块3通过调整陪试变流器1的控制脉冲，逐步升高陪试变流器1直流侧端口的输出电压；S3.3.判断陪试变流器1直流侧端口的电压值是否达到预设的预充电电压值U_y，是则跳转到步骤S3.4；否则继续执行步骤S3.3；S3.4.控制模块3锁定陪试变流器1的控制脉冲，使陪试变流器1直流侧端口的电压稳定在预设的预充电电压值U_y，闭合交流断路器11，断开预充电接触器12，完成陪试变流器1预充电过程。在陪试变流器1在初次上电时，通过预充电接触器12和充电电阻13将陪试变流器1接入电网，通过充电电阻13的分压功能，可有效降低在上电时的瞬时高电压对陪试变流器1的冲击，防止设备的损坏。在陪试变流器1输出电压稳定后，再闭合交流断路器11，断开预充电接触器12，实现陪试变流器1交流侧端口输入电压的平稳过渡，并降低电能的损耗。

在本实施例中，还包括故障监测及处理过程，具体步骤包括：S4.1.监测陪试变流器1和超级电容储能装置2的运行状态参数；S4.2.判断运行状态参数是否超过预设的警戒值，是则跳转到步骤S4.3，否则跳转至步骤S4.1；S4.3.控制模块3封锁陪试变流器1和斩波器21的控制脉冲，断开交流断器路、预充电接触器12和直流开关23，并发出故障信息。故障监测及处理过程可以与陪试变流器1预充电过程、模拟列车制动状态下超级电容储能装置2充电过程和模拟列车启动状态下超级电容储能装置2放电过程并发执行，能够及时对所发生的故障作出响应，在有故障发生时，通过封锁陪试变流器1和斩波器21的脉冲，断开交流断器路、预充电接触器12和直流开关23等措施，使陪试变流器1和斩波器21停止运行，并从电网中切出，从而保证试验平台的安全，同时发出故障信息，为操作人员进行故障排除提供支持。

本实施例包括两种状态，一种状态为陪试变流器1作为恒压源，另一种状态为陪试变流器1作为功率源，分别模拟列车制动状态下超级电容储能装置2充电过程和模拟列车启动状态下超级电容储能装置2放电过程中。

1、陪试变流器1作为恒压源。

在模拟列车在制动状态下超级电容储能装置2充电过程中，陪试变流器1作为恒压源，通过斩波器21为超级电容器22恒流充电，具体步骤包括：S1.1a.控制模块3通过调整陪试变流器1的控制脉冲，逐步提高陪试变流器1直流侧端口的输出电压，并使直流侧端口的输出电压恒定在预设的充电电压值U_d1；S1.2a.判断陪试变流器1直流侧端口的输出电压值是否上升到预设的充电电压值U_d1，是则跳转至步骤S1.3a，否则继续执行步骤S1.2a；S1.3a.控制模块3控制超级电容储能装置2工作在充电状态，斩波器21的电容侧端口输出预设的恒定电流I₀为超级电容器22充电；S1.4a.判断超级电容器22的电压是否上升到预设的充电完成电压值U_c1，是则跳转到步骤S1.5a，否则继续执行步骤S1.4a；S1.5a.控制模块3封锁超级电容储能装置2的控制脉冲，并调整陪试变流器1的控制脉冲，使陪试变流器1的直流侧端口电压逐步下降并恒定在预设的待机电压值U_d0，超级电容储能装置2充电完成，进入待机状态；

如图3所示，在t0至t1时刻，执行步骤S1.1a，陪试变流器1直流侧端口输出电压上升，模拟列车在制动时，电机产生制动能量，使超级电容储能装置2输入端的电压值上升。步骤S1.2a，判断陪试变流器1直流侧端口输出电压值是否满足超级电容储能装置2的充电条件，满足则开始对超级电容器22进行充电，在本实施例中，该充电条件即为陪试变流器1直流侧端口输出电压值上升到预设的充电电压U_d1。在t1至t2时刻，执行步骤S1.3a，陪试变流器1作为恒压源，输出稳定的充电电压，斩波器21在控制模块3的控制下，以恒定的电流I₀为超级电容器22充电。步骤S1.4a，判断超级电容器22的电压值是否已经上升至预设的充电完成电压值U_c1，是则停止充电，准备进入待机状态，否则继续充电。在t2至t3时刻，执行步骤S1.5a，控制模块3封锁斩波器21的控制脉冲，使陪试变流器1直流侧端口输出电压稳定在U_d0，模拟列车制动完成，超级电容储能装置2输入端的电压恢复至待机态电压。在t3至t4时刻，保持在待机状态。

模拟列车在启动状态下超级电容储能装置2放电过程中，控制超级电容储能装置2恒流放电，陪试变流器1作为逆变器，将电能回馈至电网，具体步骤包括：S2.1a.控制模块3通过调整陪试变流器1的控制脉冲，逐步降低陪试变流器1直流侧端口的输出电压，并使直流侧端口的输出电压恒定在预设的放电电压值U_d2；S2.2a.判断陪试变流器1直流侧端口的输出电压值是否下降到预设的放电电压值U_d2，是则跳转到步骤S2.3a，否则继续执行步骤S2.2a；S2.3a.控制模块3控制超级电容储能装置2工作在放电状态，控制斩波器21的中间侧端口以预设的恒定电流I₁为超级电容器22放电；控制模块3控制陪试变流器1工作在逆变状态，将超级电容器22所释放的电能反馈至电网，并使得陪试变流器1直流侧端口的电压恒定在预设的放电电压值U_d2；S2.4a.判断超级电容器22的电压值是否下降至预设的放电完成电压值U_c2，是则跳转到步骤S2.5a，否则继续执行步骤S2.4a；S2.5a.控制模块3封锁超级电容储能装置2的控制脉冲，控制模块3控制陪试变流器1工作在整流状态，并使陪试变流器1直流侧端口的输出电压恒定在预设的待机电压值U_d0，超级电容储能装置2放电完成，进入待机状态。

如图3所示，在t4至t5时刻，执行步骤S2.1a，使陪试变流器1直流侧端口的输出电压下降，模拟列车在启动时，因电机做功拉低电网的电压，使超级电容储能装置2输出端的电压值降低。步骤S2.2a，判断陪试变流器1直流侧端口的输出电压值是否满足超级电容储能装置2的放电条件，满足则超级电容器22开始放电，在本实施例中，该放电条件即为陪试变流器1直流侧端口输出电压值下降到预设的放电电压U_d2。在t5至t6时刻，执行步骤S2.3a，在控制模块3的控制下，超级电容储能装置2以预设的放电电流I₁恒流放电，陪试变流器1工作在逆变状态，并使陪试变流器1直流侧端口的电压稳定在预设的放电电压U_d2，将超级电容储能装置2释放的电能反馈至电网，实现电能的再利用。步骤S2.4a，判断超级电容器22的电压值是否已经下降至预设的放电完成电压值U_c2，是则停止放电，准备进入待机状态，否则继续放电。在t6至t7时刻，执行步骤S2.5a，封锁斩波器21的控制脉冲，控制模块3控制陪试变流器1处于整流工作状态，使其直流侧端口输出电压稳定在U_d0，进入待机状态，模拟列车启动完成，超级电容储能装置2输入端的电压恢复至待机态电压。

2、陪试变流器1作为功率源时。

模拟列车在制动状态下超级电容储能装置2充电过程中，陪试变流器1作为功率源，通过斩波器21为超级电容器22充电，具体步骤包括：S1.1b.控制模块3通过调整陪试变流器1的控制脉冲，逐步提高陪试变流器1直流侧端口的输出电压；S1.2b.判断陪试变流器1直流侧端口的输出电压是否高于预设的充电电压门槛值U_O1，是则跳转到步骤S1.3b，否则继续执行步骤S1.2b；S1.3b.控制模块3控制超级电容储能装置2工作在充电状态，通过斩波器21为超级电容器22充电，并使得斩波器21中间侧端口的电压值稳定在预设的充电电压值U_p1；S1.4b.判断超级电容器22的电压是否上升到预设的充电完成电压值U_c1，是则跳转到步骤S1.5b，否则继续执行步骤S1.4b；S1.5b.控制模块3封锁超级电容储能装置2的控制脉冲，超级电容储能装置2进入待机状态，并调整陪试变流器1的控制脉冲，使陪试变流器1的直流侧端口的输出电压值介于预设的充电电压门槛值U_O1与预设的放电电压门槛值U_O2之间，超级电容储能装置2充电完成，进入待机状态；

在本实施例中，步骤S1.1b模拟列车在制动时，产生制动能量，使超级电容储能装置2输入端的电压值上升。步骤S1.2b判断是否满足超级电容储能装置2的充电条件，满足则开始充电，在本实施例中，该充电条件即为陪试变流器1直流侧端口输出电压值高于预设的充电电压门槛值U_O1。步骤S1.3b执行充电过程，陪试变流器1作为功率源输出有功功率使中间直流电压升高，斩波器21为超级电容器22充电，因斩波器21工作给超级电容充电而使斩波器21中间侧端口的电压降低，并使之稳定在预设的充电电压值U_p1。步骤S1.4b判断超级电容器22的电压值是否已经上升至预设的充电完成电压值U_c1，是则停止充电，准备进入待机状态，否则继续充电。步骤S1.5b封锁斩波器21的控制脉冲，陪试变流器1直流侧端口输出电压介于预设的充电电压门槛值U_O1与预设的放电电压门槛值U_O2之间，进入待机状态，模拟列车制动完成，超级电容储能装置2输入端的电压恢复至待机态电压。

模拟列车在启动状态下超级电容储能装置2放电过程，控制超级电容储能装置2恒压放电，陪试变流器1作为逆变器，将电能回馈至电网，具体步骤包括：S2.1b.控制模块3通过调整陪试变流器1的控制脉冲，逐步降低陪试变流器1直流侧端口的输出电压；S2.2b.判断陪试变流器1直流侧端口的输出电压是否低于预设的放电电压门槛值U_O2，是则跳转到步骤S2.3b，否则继续执行步骤S2.2b；S2.3b.控制模块3控制超级电容储能装置2工作在放电状态，控制斩波器21的中间侧端口以预设的恒定电压U_p2放电；控制模块3控制陪试变流器1工作在逆变状态，将超级电容器22所释放的电能反馈至电网；S2.4b.判断超级电容器22的电压值是否下降至预设的放电完成电压值U_c2，是则跳转到步骤S2.5b，否则继续执行步骤S2.4b；S2.5b.控制模块3封锁超级电容储能装置2的控制脉冲，控制模块3控制陪试变流器1工作在整流状态，并使陪试变流器1的直流侧端口的输出电压值介于预设的充电电压门槛值U_O1与预设的放电电压门槛值U_O2之间，超级电容储能装置2放电完成，进入待机状态。

在本实施例中，步骤S2.1b，模拟列车在启动时，使超级电容储能装置2输出端的电压值降低。步骤S2.2b，判断陪试变流器1直流侧端口的输出电压值是否满足超级电容储能装置2的放电条件，满足则超级电容器22开始放电，在本实施例中，该放电条件即为陪试变流器1直流侧端口输出电压值低于预设的放电电压门槛值U_O2。步骤S2.3b，控制模块3控制超级电容储能装置2以预设的恒定电压U_p2放电，控制陪试变流器1工作在逆变状态，将超级电容储能装置2释放的电能，反馈至电网，实现电能的再利用。步骤S2.4b，判断超级电容器22的电压值是否已经下降至预设的放电完成电压值U_c2，是则停止放电，准备进入待机状态，否则继续放电。步骤S2.5b，封锁斩波器21的控制脉冲，控制模块3控制陪试变流器1处于整流工作状态，并使陪试变流器1直流侧端口输出电压介于预设的充电电压门槛值U_O1与预设的放电电压门槛值U_O2之间，模拟列车启动完成，超级电容储能装置2输入端的电压恢复至待机态电压。

本发明超级电容储能装置试验平台的试验方法，分别以陪试变流器作为稳压源或功率源实现超级电容储能装置的充放电，可根据地铁车辆实际运行过程中再生制动能量的不同以及配置的超级电容容量的不同，灵活地采用不同的控制方式，控制简单、灵活、方便。

上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种超级电容储能装置试验平台，其特征在于：包括陪试变流器(1)和超级电容储能装置(2)；所述陪试变流器(1)的交流侧端口与电网电气连接，陪试变流器(1)的直流侧端口与超级电容储能装置(2)的输入端电气连接；所述陪试变流器(1)包括预充电开关组和变流模块(14)；所述预充电开关组包括交流断路器(11)、预充电接触器(12)和充电电阻(13)，所述预充电接触器(12)与充电电阻(13)串联组成预充电电路，预充电电路与交流断路器(11)并联组成预充电开关组；所述变流模块(14)的交流侧端口与所述预充电开关组串联后作为陪试变流器(1)的交流侧端口与电网电气连接，所述变流模块(14)的直流侧端口与超级电容储能装置(2)的输入端电气连接。

2.根据权利要求1所述的超级电容储能装置试验平台，其特征在于：所述陪试变流器(1)的变流模块(14)包括两个并联的变流单元(15)。

3.根据权利要求1或2所述的超级电容储能装置试验平台，其特征在于：所述超级电容储能装置(2)包括斩波器(21)和超级电容器(22)；所述斩波器(21)的中间侧端口与直流开关(23)串联后作为超级电容储能装置(2)的输入端，斩波器(21)的电容侧端口与超级电容器(22)电气连接。

4.根据权利要求3所述的超级电容储能装置试验平台，其特征在于：还包括一个控制模块(3)，所述控制模块(3)分别与陪试变流器(1)和超级电容储能装置(2)电气连接，用于控制陪试变流器(1)和超级电容储能装置(2)的工作状态。

5.根据权利要求4所述的超级电容储能装置试验平台，其特征在于：还包括变压器(5)和电抗器(4)，所述变压器(5)的原边侧与电网电气连接，变压器(5)的副边侧与电抗器(4)串联后与所述陪试变流器(1)的交流侧端口连接。

6.一种基于权利要求1至5任一项所述的超级电容储能装置试验平台的试验方法，其特征在于：包括模拟列车在制动状态下超级电容储能装置(2)充电过程和模拟列车在启动状态下超级电容储能装置(2)放电过程；

所述模拟列车在制动状态下超级电容储能装置(2)充电过程的具体步骤包括：

S1.1.控制模块(3)通过调整陪试变流器(1)的控制脉冲，控制陪试变流器(1)模拟列车开始制动时产生制动电能，使超级电容储能装置(2)输入端电压上升的工况；

S1.2.判断超级电容储能装置(2)输入端电压是否满足对超级电容器(22)充电的条件，是则跳转至步骤S1.3，否则继续执行步骤S1.2；

S1.3.控制模块(3)控制超级电容储能装置(2)工作在充电状态，为超级电容器(22)充电；

S1.4.判断超级电容器(22)的电压值是否满足充电停止条件，是则跳转到步骤S1.5，否则继续执行步骤S1.4；

S1.5.超级电容储能装置(2)充电完成，进入待机状态；

所述模拟列车启动状态下超级电容储能装置(2)放电过程的具体步骤包括：

S2.1.控制模块(3)通过调整陪试变流器(1)的控制脉冲，控制陪试变流器(1)模拟列车开始启动时，拉低超级电容储能装置(2)输入端电压的工况；

S2.2.判断超级电容储能装置(2)输入端电压是否满足对超级电容器(22)放电的条件，是则跳转到步骤S2.3，否则继续执行步骤S2.2；

S2.3.控制模块(3)控制超级电容储能装置(2)工作在放电状态，为超级电容器(22)放电，控制模块(3)控制陪试变流器(1)工作在逆变状态，将超级电容器(22)释放的电能反馈至电网；

S2.4.判断超级电容器(22)的电压值是否满足放电停止条件，是则跳转到步骤S2.5，否则继续执行步骤S2.4；

S2.5.超级电容储能装置(2)放电完成，进入待机状态。

7.根据权利要求6所述的超级电容储能装置试验平台的试验方法，其特征在于：所述模拟列车在制动状态下超级电容储能装置(2)充电过程中，陪试变流器(1)作为恒压源，通过斩波器(21)为超级电容器(22)恒流充电，具体步骤包括：

S1.1a.控制模块(3)通过调整陪试变流器(1)的控制脉冲，逐步提高陪试变流器(1)直流侧端口的输出电压，并使直流侧端口的输出电压恒定在预设的充电电压值U_d1；

S1.2a.判断陪试变流器(1)直流侧端口的输出电压值是否上升到预设的充电电压值U_d1，是则跳转至步骤S1.3a，否则继续执行步骤S1.2a；

S1.3a.控制模块(3)控制超级电容储能装置(2)工作在充电状态，斩波器(21)的电容侧端口输出预设的恒定电流I₀为超级电容器(22)充电；

S1.4a.判断超级电容器(22)的电压是否上升到预设的充电完成电压值U_c1，是则跳转到步骤S1.5a，否则继续执行步骤S1.4a；

S1.5a.控制模块(3)封锁超级电容储能装置(2)的控制脉冲，并调整陪试变流器(1)的控制脉冲，使陪试变流器(1)的直流侧端口电压逐步下降并恒定在预设的待机电压值U_d0，超级电容储能装置(2)充电完成，进入待机状态；

所述模拟列车在启动状态下超级电容储能装置(2)放电过程中，控制超级电容储能装置(2)恒流放电，陪试变流器(1)作为逆变器，将电能回馈至电网，具体步骤包括：

S2.1a.控制模块(3)通过调整陪试变流器(1)的控制脉冲，逐步降低陪试变流器(1)直流侧端口的输出电压，并使直流侧端口的输出电压恒定在预设的放电电压值U_d2；

S2.2a.判断陪试变流器(1)直流侧端口的输出电压值是否下降到预设的放电电压值U_d2，是则跳转到步骤S2.3a，否则继续执行步骤S2.2a；

S2.3a.控制模块(3)控制超级电容储能装置(2)工作在放电状态，控制斩波器(21)的中间侧端口以预设的恒定电流I₁为超级电容器(22)放电；控制模块(3)控制陪试变流器(1)工作在逆变状态，将超级电容器(22)所释放的电能反馈至电网，并使得陪试变流器(1)直流侧端口的电压恒定在预设的放电电压值Ud2；

S2.4a.判断超级电容器(22)的电压值是否下降至预设的放电完成电压值U_c2，是则跳转到步骤S2.5a，否则继续执行步骤S2.4a；

S2.5a.控制模块(3)封锁超级电容储能装置(2)的控制脉冲，控制模块(3)控制陪试变流器(1)工作在整流状态，并使陪试变流器(1)直流侧端口的输出电压恒定在预设的待机电压值U_d0，超级电容储能装置(2)放电完成，进入待机状态。

8.根据权利要求6所述的超级电容储能装置试验平台的试验方法，其特征在于：所述模拟列车在制动状态下超级电容储能装置(2)充电过程中，陪试变流器(1)作为功率源，通过斩波器(21)为超级电容器(22)充电，具体步骤包括：

S1.1b.控制模块(3)通过调整陪试变流器(1)的控制脉冲，逐步提高陪试变流器(1)直流侧端口的输出电压；

S1.2b.判断陪试变流器(1)直流侧端口的输出电压是否高于预设的充电电压门槛值U_O1，是则跳转到步骤S1.3b，否则继续执行步骤S1.2b；

S1.3b.控制模块(3)控制超级电容储能装置(2)工作在充电状态，通过斩波器(21)为超级电容器(22)充电，并使得斩波器(21)中间侧端口的电压值稳定在预设的充电电压值U_p1；

S1.4b.判断超级电容器(22)的电压是否上升到预设的充电完成电压值U_c1，是则跳转到步骤S1.5b，否则继续执行步骤S1.4b；

S1.5b.控制模块(3)封锁超级电容储能装置(2)的控制脉冲，超级电容储能装置(2)进入待机状态，并调整陪试变流器(1)的控制脉冲，使陪试变流器(1)的直流侧端口的输出电压值介于预设的充电电压门槛值U_O1与预设的放电电压门槛值U_O2之间，超级电容储能装置(2)充电完成，进入待机状态；

所述模拟列车在启动状态下超级电容储能装置(2)放电过程中，控制超级电容储能装置(2)恒压放电，陪试变流器(1)作为逆变器，将电能回馈至电网，具体步骤包括：

S2.1b.控制模块(3)通过调整陪试变流器(1)的控制脉冲，逐步降低陪试变流器(1)直流侧端口的输出电压；

S2.2b.判断陪试变流器(1)直流侧端口的输出电压是否低于预设的放电电压门槛值U_O2，是则跳转到步骤S2.3b，否则继续执行步骤S2.2b；

S2.3b.控制模块(3)控制超级电容储能装置(2)工作在放电状态，控制斩波器(21)的中间侧端口以预设的恒定电压U_p2放电；控制模块(3)控制陪试变流器(1)工作在逆变状态，将超级电容器(22)所释放的电能反馈至电网；

S2.4b.判断超级电容器(22)的电压值是否下降至预设的放电完成电压值U_c2，是则跳转到步骤S2.5b，否则继续执行步骤S2.4b；

S2.5b.控制模块(3)封锁超级电容储能装置(2)的控制脉冲，控制模块(3)控制陪试变流器(1)工作在整流状态，并使陪试变流器(1)的直流侧端口的输出电压值介于预设的充电电压门槛值U_O1与预设的放电电压门槛值U_O2之间，超级电容储能装置(2)放电完成，进入待机状态。

9.根据权利要求6至8任一项所述的超级电容储能装置试验平台的试验方法，其特征在于：还包括陪试变流器(1)的预充电过程，具体步骤包括：

S3.1.断开交流断路器(11)，闭合预充电接触器(12)；

S3.2.控制模块(3)通过调整陪试变流器(1)的控制脉冲，逐步升高陪试变流器(1)直流侧端口的输出电压；

S3.3.判断陪试变流器(1)直流侧端口的电压值是否达到预设的预充电电压值U_y，是则跳转到步骤S3.4；否则继续执行步骤S3.3；

S3.4.控制模块(3)锁定陪试变流器(1)的控制脉冲，使陪试变流器(1)直流侧端口的电压稳定在预设的预充电电压值U_y，闭合交流断路器(11)，断开预充电接触器(12)，完成陪试变流器(1)预充电过程。

10.根据权利要求6至8任一项所述的超级电容储能装置试验平台的试验方法，其特征在于：还包括故障监测及处理过程，具体步骤包括：

S4.1.监测陪试变流器(1)和超级电容储能装置(2)的运行状态参数；

S4.2.判断所述运行状态参数是否超过预设的警戒值，是则跳转到步骤S4.3，否则跳转至步骤S4.1；

S4.3.控制模块(3)封锁陪试变流器(1)和斩波器(21)的控制脉冲，断开交流断器路、预充电接触器(12)和直流开关(23)，并发出故障信息。