CN105610190B - 轨道交通车辆再生能源回馈综合利用装置及系统 - Google Patents
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Abstract
公开了一种轨道交通车辆再生能源回馈综合利用装置，包括动力电网、功率电路、牵引电网；功率电路包括DC/AC变换电路和DC/DC变换电路，动力电网通过降压变压器与DC/AC变换电路的第一端相连接，DC/AC变换电路的第二端与DC/DC变换电路的第一端相连接，DC/DC变换电路的第二端与所述牵引电网相连接；其中，DC/DC变换电路为双向DC/DC变换电路；所述装置还包括用于接收电能的储能模块，所述储能模块与DC/DC变换电路的第一端相连接，用于接收从牵引电网传输过来的再生能源。本发明可以在稳定轨道交通牵引电网电压的同时存储多余的再生电力，并将这些再生电力回馈到牵引电网或动力电网，改善牵引电网的供电质量。
Description
技术领域
本发明涉及轨道交通领域，更具体地涉及轨道交通车辆再生能源回馈综合利用装置及系统。
背景技术
随着国家国民经济的快速发展，城市轨道交通也迈入大发展时期，但是城市轨道交通在给人们的出行带来方便快捷的同时，却消耗大量的电力。我国城市轨道交通的列车全部使用电力牵引，城市轨道交通中列车制动频繁，制动过程列车会产生再生电力，这些再生电力会通过传输到列车牵引电网，会引起牵引电压升高。当牵引电网电压升高到一定程度时，通常的做法是，城市轨道交通机车使用电阻将多余的电量转换成热量消耗掉，电阻转换成的热量，会使城市轨道交通隧道内部的温度升高，这需要消耗额外的电能给隧道通风降温。
近年来，随着技术的发展，对这部分再生电力的处理，出现了不同形式的利用方案。一种方式是，将这部分再生电力进行直接回馈，可以回馈到中压电网，或回馈到动力电网；另一种方式是使用一些储能设备，存储这部分再生电力，比较常见的是使用超级电容进行能量存储。
对于电力直接回馈方式，存在的问题是，不能将再生电力进行有效存储，导致再生电力利用效率不高。
对于使用超级电容储能的方式，存在的问题是，系统造价过高。
发明内容
本发明的目的是提供一种轨道交通车辆再生能源回馈综合利用装置及系统。
根据本发明的一方面，提供一种轨道交通车辆再生能源回馈综合利用装置，包括动力电网、DC/AC变换电路、DC/DC变换电路、牵引电网；动力电网通过降压变压器与DC/AC变换电路的第一端相连接，DC/AC变换电路的第二端与DC/DC变换电路的第一端相连接，DC/DC变换电路的第二端与所述牵引电网相连接；其中，DC/DC变换电路为双向DC/DC变换电路；所述装置还包括用于接收电能的储能模块，所述储能模块与DC/DC变换电路的第一端相连接，用于接收从牵引电网传输过来的再生能源。
优选地，所述DC/AC变换电路为双向DC/AC变换电路，所述储能模块还与所述DC/AC变换电路的第二端相连接，用于将存储的再生能源传输给动力电网。
优选地，所述DC/DC变换电路由至少两条DC/DC变流支路并联形成。
优选地，所述装置还包括检测电路，用于检测牵引电网的电路参数、储能模块的电路参数以及动力电网的电路参数，生成参数信息。
优选地，所述功率电路还包括充放电电路，与所述DC/DC变换电路、储能模块连接；所述装置还包括控制电路，分别与所述双向DC/DC变换电路的控制端、所述充放电电路的控制端、所述双向DC/AC逆变电路的控制端连接，用于根据检测电路发送的参数信息控制所述装置处于充电模式或者放电模式。
优选地，所述充电模式包括第一充电模式和/或第二充电模式，其中，所述第一充电模式为所述牵引电网通过DC/DC变换电路向储能模块充电，所述第二充电模式为所述动力电网通过DC/AC变换电路向储能模块充电。
优选地，所述放电模式包括第一放电模式和/或第二放电模式，其中，所述第一放电模式为所述储能模块通过DC/DC变换电路向牵引电网供电，所述第二放电模式为所述储能模块通过DC/AC变换电路向动力电网供电。
优选地，所述充放电电路为可变倍率充电电路，用于根据接收到的控制信号控制所述储能模块的充电倍率。
优选地，所述充电倍率的变化范围为1C-3C。
根据本发明的另一方面，提供一种轨道交通车辆再生能源回馈综合利用系统，包括：多个如权利要求1-9任一项所述的轨道交通车辆再生能源回馈综合利用装置；多个监控模块，与所述轨道交通车辆再生能源回馈综合利用装置连接，用于获取轨道交通车辆再生能源回馈综合利用装置的能源使用参数；上位机，分别与所述监控模块和所述轨道交通车辆再生能源回馈综合利用装置连接，用于接收所述监控模块发送的能源使用参数以及所述轨道交通车辆再生能源回馈综合利用装置发送的能源测量参数，并根据能源使用参数和能源测量参数生成能源使用控制策略发送至监控模块；其中，所述监控模块根据所述能源使用控制策略生成控制指令；所述轨道交通车辆再生能源回馈综合利用装置还用于接收并执行监控模块发送的所述控制指令。
优选地，所述监控模块与上位机通过以太网进行通讯。
本发明提供的轨道交通车辆再生能源回馈综合利用装置及系统，可以通过DC/DC变换电路存储多余的再生电力进而稳定轨道交通牵引电网电压，同时还可以将这些再生电力回馈到牵引电网或动力电网，改善牵引电网的供电质量。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1为根据本发明的一实施例提供的轨道交通车辆再生能源回馈综合利用装置的结构框图；
图2为根据本发明的一实施例提供的功率电路的电路原理图；
图3为根据本发明的一实施例提供的控制电路的结构框图；
图4为根据本发明的一实施例提供的控制电路的电路原理图；
图5为根据本发明的一实施例的轨道交通车辆再生能源回馈综合利用系统的结构框图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的几个优选实施例进行详细描述，但本发明并不仅仅限于这些实施例。本发明涵盖任何在本发明的精神和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。
为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。
图1为根据本发明的一实施例提供的轨道交通车辆再生能源回馈综合利用装置的结构框图。如图1所示，所述轨道交通车辆再生能源回馈综合利用装置100包括动力电网101、功率电路102、牵引电网103和储能模块104。
其中，所述功率电路102包括DC/AC变换电路1021和DC/DC变换电路1022。
动力电网101通过降压变压器与DC/AC变换电路1021的第一端(AC端)相连接，DC/AC变换电路1021的第二端(DC端)与DC/DC变换电路的第一端相连接，DC/DC变换电路的第二端与所述牵引电网相连接。
在本实施例中，DC/DC变换电路1022为双向DC/DC变换电路。
储能模块104与DC/DC变换电路的第一端相连接，用于接收从牵引电网传输过来的再生能源。在本实施例中，所述储能模块104为大容量的储能电池。
所述DC/AC变换电路1021为双向DC/AC变换电路。所述储能模块104还与所述DC/AC变换电路1021的第二端(DC端)相连接，用于将存储的再生能源传输给动力电网101。
在一个优选地实施例中，所述DC/DC变换电路1021由至少两条DC/DC变流支路并联形成。
其中，功率电路102的电路原理图如图2所示，由交流供电及预充电回路、交流正弦滤波回路、逆变器、直流支撑电容、直流供电回路及相关的测量与保护电路构成。
所述功率电路102的直流侧通过隔离开关QS1，直流断路器QF1-1、QF2-1，直流接触器KM1-1，KM2-1与快熔FU1-1，FU2-1接入地铁牵引供电网，断路器与快熔构成直流侧供电的双重保护；而交流侧则通过交流断路器QF3、交流接触器KM1/KM2及快熔FU1～3接入交流动力电网，一起构成交流侧供电的双重保护，KM1/KM2实现交流回路投切控制以及对交流滤波电容和直流支撑电容上电时的平缓充电；L1—L6、C1—C3及交流供电变压器漏感构成LCL交流正弦滤波器，对PWM变流器的交流输出电流进行平滑滤波，使其满足电网谐波要求；逆变器为V1-1～V1-12共计12支高压IGBT构成的两电平拓扑，两支IGBT并联以满足系统额定电流及过载要求，并配置有缓冲吸收电容CS1—CS12，抑制主回路杂散电感导致的IGBT关断电压尖峰；C1-1及C1电池组为薄膜电容，对直流母线电压进行滤波和提供电压支撑；L1-1为直流限流电抗，抑制地铁直流母线上的电压波动而导致的直流电容充放电纹波电流；EMC1-1，EMC2-1，EMC2分别为直流和交流EMI滤波器，对PWM变流器系统与交直流供电系统之间的高频信号进行抑制，避免变流器IGBT动作时的电磁噪声影响供电系统上其它设备的正常工作。
电路中所需的测量传感器主要包括交流电压传感器LV1—LV2、交流电流传感器LA1—LA3、直流电压传感器LV1—LV2、直流电流传感器LA1—LA2以及功率模块温度传感器等。
本发明提供的轨道交通车辆再生能源回馈综合利用装置，将机车制动再生能源全部保存到储能模块104中，并根据需要可以向车站动力电网101和机车牵引电网103供电。再生能源的检测、存储和使用，既可以由装置本身的控制策略来运行，也可以通过网络接收上位机使用大数据和专家系统制定的能源使用策略来运行。
在一个优选地实施例中，所述装置还包括检测电路105，用于检测牵引电网103的电路参数、储能模块104的电路参数以及动力电网101的电路参数，生成参数信息。
在一个优选地实施例中，所述功率电路102还包括充放电电路1023，所述装置还包括控制电路106，分别与所述双向DC/DC变换电路1022的控制端、所述储能模块的充放电电路1023的控制端、所述双向DC/AC逆变电路1021的控制端连接，用于根据接收到的控制信号控制所述装置处于充电模式或者放电模式。
在本实施例中，控制电路106分别连接到双向DC/DC变换电路1022的控制端，所述充放电电路1023的控制端和双向DC/AC逆变电路102的控制端。
其中，所述充电模式包括第一充电模式和/或第二充电模式，其中，所述第一充电模式为所述牵引电网通过DC/DC变换电路向储能模块充电，所述第二充电模式为所述动力电网通过DC/AC变换电路向储能模块充电。
在本实施例中，第一充电模式为所述牵引电网103通过DC/DC变换电路1022向储能模块104充电。具体地，控制电路106根据检测电路105检测的牵引电网103的电路参数(如电压、电流等)，判断是否产生了再生电流，当牵引电网103的电压上升到预设的充电阈值电压时，检测电路105向控制电路106发送第一控制信号，控制电路106根据所述第一控制信号控制所述装置处于第一充电模式；随着再生电流产生接近结束时，牵引电网103的电压下降，当牵引电网103的电压下降到预设的停止充电阈值电压时，检测电路105向控制电路106发送第二控制信号，控制电路106根据第二控制信号控制所述装置停止对储能模块104充电。充电阈值电压和停止充电阈值电压，都可以根据需要调整。
第二充电模式为所述动力电网101通过DC/AC变换电路1021向储能模块104充电。具体地，当上位机发送第三控制信号(即动力电网101向储能模块104充电)时，控制电路106根据所述第三控制信号控制所述装置处于第二充电模式。当位于以下两种情况时上位机向控制电路发送第三控制信号。一是系统安装起始第一次给储能模块104预充电，二是需要实施动力电网101削峰填谷功能时，且在动力电网101电价处于低谷时，给储能模块104充电。
所述放电模式包括第一放电模式和/或第二放电模式，其中，所述第一放电模式为所述储能模块104通过DC/DC变换电路1022向牵引电网103供电，所述第二放电模式为所述储能模块104通过DC/AC变换电路1021向动力电网供电101。
在本实施例中，所述第一放电模式为所述储能模块104通过DC/DC变换电路1022向牵引电网103供电。当检测电路105检测到牵引电网103的电压低于预设阈值时，检测电路105向控制电路106发送第四控制信号，控制电路106根据所述第四控制信号控制所述装置处于第一放电模式。当检测电路105检测到牵引电网103的电压上升至预设停止放电阈值时，检测电路105向控制电路106发送第五控制信号，控制电路106根据所述第五控制信号停止向牵引电网103供电。
具体地，分两种情况，第一种，正常工作模式，当牵引电网103临近有多列机车启动时，会导致牵引电网103电压降低，牵引电网103电压的降低，会给机车的工作带来不利影响，为稳定牵引电网103电压，给机车一个良好的工作环境，储能模块104存储的电能可以通过双向DC/DC变流电路，供给牵引电网103使用。工作过程为，当检测到牵引电网103电压低于一个设定的阈值时，控制电路106控制所述装置将储能模块104的电能回馈给牵引电网103；当检测到牵引电网103电压升高到一个设定停止放电阈值时，停止向牵引电网103供电。上述两个阈值电压可以通过软件进行设置和更改。第二种情况时发生紧急情况时的工作模式，检测到牵引电网103失去电压后，控制电路106等待电力调度发给的应急供电模式指令，一旦接收到电力调度发给的进入应急模式供电指令，即可以通过双向DC/DC变流电路，给牵引电网103提供应急供电。应急供电模式的退出有两种情况，一种是接收到电力调度发出的退出应急供电模式的指令，系统返回正常工作模式；另一种是储能模块104的电量消耗到一个设定的最低值，系统停止应急供电，进入待机模式。
所述第二放电模式为所述储能模块104通过DC/AC变换电路1021向动力电网供电101。具体地，控制电路106根据检测到的储能模块104的数据，依照预先设定的放电策略，通过双向DC/AC逆变电路102，将储能模块104存储的电能提供给动力电网101。
在本实施例中，控制电路106主要由主控制器电路、开关电源、数据采集电路、接触器、继电器等低压控制电路组成，如图3所示。
控制电路取电经控制变压器隔离，通过UPS给控制系统和二次回路供电，防止电网电压跌落以及大电网断电时导致控制系统供电断电。控制系统采用基于32位浮点DSP和大容量FPGA的主控制器，实现对双向DC/DC变流器及双向DC/AC逆变器的控制，并通过RS485串行总线与上位机系统进行通讯，将能量回馈装置的工作状态反馈给上位机，并接收上位机的控制指令。与上位机的通讯采用RJ-45以太网接口，实现数据和状态信息的传输，并从控制中心软件接收控制命令和能源控制策略设置参数。
主控制器电路由DSP/FPGA板、IO数据采集板、光纤模块组成，安装在主控箱内，实现再生能源智能设备的数据采集和控制功能。如图4所示。其中，IO模块连接信号检测电路，包括模拟量测量输入、模拟量反馈输出以及开关量输入输出信号；DSP处理器实现交流电网电压锁相、电压矢量定向控制、电压与电流双闭环解耦调节控制、交流网侧有源阻尼控制等的核心计算与控制保护功能；光纤板把DSP计算得到的PWM脉冲，通过光纤发送给功率主电路的IGBT驱动电路板。
在一个优选地实施例中，所述充放电电路1023为可变倍率充放电电路，与所述DC/DC变换电路1022、储能模块104连接，用于根据接收到的控制信号控制所述储能模块的充电倍率。所述充电倍率的变化范围为1C-3C。
所述充放电电路1023使用可变倍率的充电技术，通过采集牵引电网103电压，再生电流，根据储能模块104的电压、剩余电量、温度等信息，决定使用哪种倍率对储能模块104进行充电。
图5示出了根据本发明实施例的轨道交通车辆再生能源回馈综合利用系统的结构框图。所述轨道交通车辆再生能源回馈综合利用系统包括用于轨道交通的多个轨道交通车辆再生能源回馈综合利用装置100、多个监控模块200和上位机300。
其中，所述监控模块200与所述轨道交通车辆再生能源回馈综合利用装置100连接，用于获取轨道交通车辆再生能源回馈综合利用装置的能源使用参数。
在本实施例中，在系统正常运行状态中，监控模块200包括参数测量电路、综合控制电路和本地人际界面等，用于根据检测的轨道牵引电网电压和电流，储能模块的电压、电量及温度，能源使用专家策略等决定轨道交通车辆再生能源回馈综合利用装置的充电参数，放电参数，并将这些参数发送给上位机300，同样能够接收上位机300发送来的能源使用专家控制策略。
上位机300与所述监控模块200连接，用于接收所述监控模块200发送的能源使用参数，以及所述轨道交通车辆再生能源回馈综合利用装置100发送的能源测量参数，并根据所述能源使用参数和能源测量参数生成能源使用控制策略发送至监控模块200。
上位机300用于获取每一个监控模块发送的能源使用参数，以及获取每一个轨道交通车辆再生能源回馈综合利用装置100的能源测量参数，并将上述能源参数保存在数据库中，跟据专家系统生成能源使用控制策略，将这些控制策略下载到监控模块200中。上位机保存到数据库中各种能源参数，可以供能源大数据系统使用。
轨道交通车辆再生能源回馈综合利用装置100，包括功率电路、控制电路和储能模块，用于检测轨道交通牵引电网参数，根据监控模块200的命令进行充放电操作，并将轨道交通车辆再生能源回馈综合利用装置100的测量参数，发送给监控模块200和上位机300。
在本实施例中，所述监控模块200与上位机300通过以太网进行通讯。
具体地，轨道交通车辆再生能源回馈综合利用系统，有“自检”、“停机”、“预充电”、“待机”、“运行”、“故障”及“紧急停机”几种不同的工作状态。其中，自检状态：系统控制上电后，主控制器进行系统初始化、零偏自校正、定值寄存器更新等一系列自检操作。正常则转为停机状态，否则跳转到故障状态。停机状态：系统自检正常后，或系统主电路断电后，均处于停机状态，等待重新合闸上主电。预充电状态：系统检测到断路器，QF1-1，QF2-1，QF3合闸，且接收到上电指令后，控制接触器KM1吸合，转入预充电状态，逆变侧进入可控整流状态待直流中间侧电压上升至设定阈值后，控制接触器KM2吸合，为蓄电池组恒流浮动充电，直到蓄电池组达到浮充恒压状态，系统跳转到待机状态。待机状态：待机状态下主电路已正常带电，并不断检测直流输入侧电压，当直流电压高于设定的启动阈值时，即进入运行状态。运行状态：在运行状态下，主控制器进行双闭环控制，控制直流电压不超过设定阈值，并按上位机指令进行控制。在运行状态下，斩波器将直流网侧多余的能量快速储存于高能电池控制系统中(此时为恒功充电)当网侧直流电压持续低于设定的待机阈值一段时间时，即转入斩波侧待机状态。同时系统不断检测蓄电池组的状态，并对充入系统的功率进行积分，得到网侧充入的瞬时功率值，并经多次重复。直到蓄电池达到功率要求时，系统逆变侧启动并根据直流网侧充入的电量，为动力电网提供3*0.4KV的动力辅助电源。当系统检测到牵引电网侧掉电并无法重合闸时，由供电综合自动化系统下发本系统启动的命令，通过DI端子接收启动命令后系统进入再生发电状态，将蓄电池组储存的电能通过升压斩波回馈到牵引电网侧及动力电网侧。故障状态：在任何状态下，当系统检测到符合任何故障判断条件后，根据故障等级，转入故障对应的处理程序，在严重情况下，封锁IGBT脉冲，并判断是否脱开交直流主电源，同时保持故障锁存模式，等待人为干预，检查排除故障并进行故障复位后，才能继续工作。紧急停机状态：紧急停机是一种特别的故障状态，当柜门的紧急停机按钮动作，或者远程紧急停机DI端子信号接通，则转为紧急停机状态，封锁IGBT脉冲并分断交直流电源接触器。该指令为最高优先级，解除紧急停机指令并排查解除其它故障、进行故障复位后，才能继续工作。
本发明提供的轨道交通车辆再生能源回馈综合利用装置及系统，可以通过DC/DC变换电路存储多余的再生电力进而稳定轨道交通牵引电网电压，同时还可以将这些再生电力回馈到牵引电网或动力电网，改善牵引电网的供电质量。
依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
Claims (10)
1.一种轨道交通车辆再生能源回馈综合利用系统，包括：
多个轨道交通车辆再生能源回馈综合利用装置；
多个监控模块，与所述轨道交通车辆再生能源回馈综合利用装置连接，用于获取轨道交通车辆再生能源回馈综合利用装置的能源使用参数；
上位机，分别与所述监控模块和所述轨道交通车辆再生能源回馈综合利用装置连接，用于接收所述监控模块发送的能源使用参数以及所述轨道交通车辆再生能源回馈综合利用装置发送的能源测量参数，并根据能源使用参数和能源测量参数生成能源使用控制策略发送至监控模块；
其中，所述监控模块根据所述能源使用控制策略生成控制指令；
所述轨道交通车辆再生能源回馈综合利用装置还用于接收并执行监控模块发送的所述控制指令；
所述轨道交通车辆再生能源回馈综合利用装置包括动力电网、功率电路、牵引电网；所述功率电路包括DC/AC变换电路和DC/DC变换电路，所述动力电网通过降压变压器与DC/AC变换电路的第一端相连接，DC/AC变换电路的第二端与DC/DC变换电路的第一端相连接，DC/DC变换电路的第二端与所述牵引电网相连接；
其中，DC/DC变换电路为双向DC/DC变换电路；
所述装置还包括用于接收电能的储能模块，所述储能模块与DC/DC变换电路的第一端相连接，用于接收从牵引电网传输过来的再生能源。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述监控模块与上位机通过以太网进行通讯。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述DC/AC变换电路为双向DC/AC变换电路，所述储能模块还与所述DC/AC变换电路的第二端相连接，用于将存储的再生能源传输给动力电网。
4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述DC/DC变换电路由至少两条DC/DC变流支路并联形成。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述装置还包括检测电路，用于检测牵引电网的电路参数、储能模块的电路参数以及动力电网的电路参数，生成参数信息。
6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述功率电路还包括充放电电路，与所述DC/DC变换电路、储能模块连接；
所述装置还包括控制电路，分别与所述双向DC/DC变换电路的控制端、所述充放电电路的控制端、所述双向DC/AC逆变电路的控制端连接，用于根据检测电路发送的参数信息控制所述装置处于充电模式或者放电模式。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述充电模式包括第一充电模式和/或第二充电模式，其中，所述第一充电模式为所述牵引电网通过DC/DC变换电路向储能模块充电，所述第二充电模式为所述动力电网通过DC/AC变换电路向储能模块充电。
8.根据权利要求6所述的系统，其中，所述放电模式包括第一放电模式和/或第二放电模式，其中，所述第一放电模式为所述储能模块通过DC/DC变换电路向牵引电网供电，所述第二放电模式为所述储能模块通过DC/AC变换电路向动力电网供电。
9.根据权利要求6所述的系统，其中，所述充放电电路为可变倍率充电电路，用于根据接收到的控制信号控制所述储能模块的充电倍率。
10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述充电倍率的变化范围为1C-3C。
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