CN107248734A - 模块化地铁再生制动超级电容储能装置的闭环控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于独立串并联模块化地铁再生制动超级电容储能装置的闭环控制系统，包括超级电容储能装置和闭环控制系统。闭环控制系统包括主控制器和底层控制器。底层控制器安装在DC750V双向DC/DC模块中通过与相对应的DC750V双向DC/DC模块中的输出电感相连进行采样超级电容组的电流进行电流闭环控制。主控制器通过高速的CAN总线以广播模式向底层控制器下发冲放电电流指令，各底层控制器通过低速485总线向主控制器上传其工作状态。主控制器接收操作命令，并将相应的命令传输至底层控制器；从而进行直流稳压；对两组串联DC750V双向DC/DC模块进行均压闭环控制，输出两组双向DC/DC模块充放电电流指令信号，并联双向DC/DC模块接收相同的电流指令。本发明具有可扩展性方便并联扩容。

Description

模块化地铁再生制动超级电容储能装置的闭环控制系统
技术领域
本发明涉及城市轨道交通供电系统技术领域，具体涉及一种模块化地铁再生制动超级电容储能装置的闭环控制系统。
背景技术
随着城市规模的飞速扩大，现有的地面交通系统已经越来越不能满足城市生活的交通需求，要实现高效、有序、省时的交通效果，地下交通的建设在近几年显得越发的重要，任何一个大型城市，其地铁系统的覆盖范围均占城市面积的三分之一以上。
在运行过程中，由于地铁运行速度快，且站点设置较多，因此，相邻两站之间的通行时间一般控制在两分钟到三分钟之间，这就导致了地铁需要频繁起动和制动，在制动过程中，会产生巨大的制动能量。对地铁制动能量进行回收利用已成为现有地下交通缩减运营成本、节约运行能源的重要课题。
随着电力电子技术、超级电容储能技术的发展，地铁再生制动超级电容储能装置逐渐在地铁里得到了应用。该装置的基本原理是将列车制动过程中电机产生的再生直流电能经过双向DC/DC变流器降压后储存进入超级电容器组；在列车牵引加速过程中，超级电容器组储存的能量经过双向DC/DC变流器升压后馈送进入直流触网，实现了再生制动能量的回收再利用，有效地提高了能源的利用效率。
目前对于再生制动超级电容储能装置的控制方法，现有技术方案主要有以下几种：现有技术方案一：株洲时代装备技术有限责任公司的发明专利《基于超级电容的储能型再生制动能量回收方法及系统》（申请号：201510186565.8），采用双向DC/DC模块串、并联的方法兼容DC750/1500V两种地铁牵引供电制式和各种功率等级需求，其控制系统采用上位机和变流模块下位控制器相结合的公共直流电压、独立变流模块电流双闭环控制方法。但没有说明上位机和下位控制器之间的通信方式和详细的功能划分。现有技术方案二：2010年南京航空航天大学冯晶晶硕士学位论文《基于超级电容的再生制动能量吸收利用技术研究》，采用了4 个变流模块高压侧串联、超级电容侧独立组合的模块化结构，模块均压控制复杂。并且，该方案没有考虑变流模块、超级电容并联扩容问题，其控制系统采用CAN总线进行上、下位控制器的通信。但单一CAN总线的通信速率和容量有限，制约了底层模块数量，装置扩展性差。因此，现有技术方案均没有考虑大量底层模块的主、从控制问题。
发明内容
所要解决的技术问题：
本发明提供一种具有高度可扩展性的独立串、并联模块化地铁再生制动超级电容储能装置的闭环控制系统。
技术方案：
一种模块化地铁再生制动超级电容储能装置的闭环控制系统，其特征在于：包括独立串并联模块化地铁再生制动超级电容储能装置和闭环控制系统。
所述独立串并联模块化地铁再生制动超级电容储能装置包括直流触网、超级电容组模块和DC750V双向DC/DC模块；一组超级电容组模块与一组DC750V双向DC/DC模块相连为一组再生制动模块；所述直流触网两端串联两组再生制动模块分别为：第一再生制动模块和第二再生制动模块；所述第一再生制动模块与至少一组再生制动模块并联；所述第二再生制动模块与至少一组再生制动模块并联。
所述闭环控制系统包括主控制器和底层控制器。所述底层控制器安装在DC750V双向DC/DC模块中，通过与相对应的DC750V双向DC/DC模块中的输出电感相连进行采样超级电容组的电流进行电流闭环控制。主控制器通过高速的CAN总线以广播模式向各底层控制器下发冲、放电电流指令，各底层控制器通过低速的485总线向主控制器上传其工作状态。
所述主控制器接收上位监控机或者手工输入的操作命令，并将相应的命令传输至底层控制器；从而进行直流稳压；对两组串联DC750V双向DC/DC模块进行均压闭环控制，并输出两组双向DC/DC模块充、放电电流指令信号，并联双向DC/DC模块接收相同的电流指令。
所述底层控制器接收主控制器下发的电流指令，通过输出电感采样超级电容组模块的电流进行电流闭环控制，并进行快速过流保护：封锁PWM脉冲、断开直流开关K1；底层控制器将对应的超级电容器组的状态信息上传至主控制器。
进一步地，底层控制器检测到其对应的双向DC/DC模块故障退出运行，将该信号上传至主控制器，所述主控制器同等幅度减小两组串联双向DC/DC模块的功率输出，储能装置降额运行。
进一步地，所述均压闭环控制过程还包括以下步骤：
（1）人工设置直流触网电压上限目标值UdcH-ref和下限目标值UdcL-ref，并实时检测两组双向DC/DC模块的直流电压Udc1、Udc2，它们的和为直流总电压Udc-t，差为两组逆变模块的直流电压偏差Udc-n；直流总稳压控制器将UdcH-ref和UdcL-ref分别与Udc-t进行比较，当UdcH-ref＜Udc-t时，直流总稳压控制器计算UdcH-ref和Udc-t之间误差，将误差作为输入信号输入PI控制器，通过PI控制器输出超级电容充电电流指令Id-ref；当UdcL-ref＞Udc-t时，直流总稳压控制器计算UdcL-ref和Udc-t之间误差，将误差作为输入信号输入PI控制器，通过PI控制器输出超级电容放电电流指令Id-ref；直流均压控制器将指令值0和直流电压偏差Udc-n进行比较，得到之间的误差，将误差作为输入信号输入PI控制器，得到两组双向DC/DC模块的功率偏差修正量Id-n；将Id-ref减去Id-n，得到第一组双向DC/DC模块的充/放电电流指令Id1-ref，将Id-ref加上Id-n，得到第二组双向DC/DC模块的充/放电电流指令Id2-ref；Id1-ref和Id2-ref通过CAN总线分别下发给串联的上、下两组双向DC/DC模块的底层控制器；
（2）上组并联的各台双向DC/DC模块的底层控制器通过CAN总线接收相同的充/放电电流指令Id1-ref；上组各模块电流控制器比较Id1-ref和各自超级电容电流I的误差，将误差作为输入信号输入PI控制器，PI控制器的输出叠加上各自连接的超级电容电压U，得到各斩波器的控制输出U1-ref；下组并联的各台双向DC/DC模块的底层控制器通过CAN总线接收相同的充/放电电流指令Id2-ref；下组各模块电流控制器比较Id2-ref和各自超级电容电流I的误差，将误差作为输入信号输入PI控制器，PI控制器的输出叠加上各自连接的超级电容电压U，得到各斩波器的控制输出U2-ref；
（3）各双向DC/DC模块的控制输出U1-ref、U2-ref分别进入载波移相调制模块进行PWM调制，得到各自的2m路脉冲控制信号PWM对斩波器的2m只IGBT进行开关控制，其中m是指双向DC/DC模块采用载波移相控制的数目。
有益效果：
（1）本发明采用CAN和485双总线互相配合能有效提高通信容量，保证了装置底层控制器数量的可扩展性，方便并联扩容。
（2）在本发明中底层控制器对双向DC/DC模块进行就近电流闭环控制，与主控制器通过总线交换信息、使系统的互连线少。
（3）本方案中可以支持冗余运行、可靠性很高。
附图说明
图1是本发明公开的基于独立串并联模块化地铁再生制动超级电容储能装置的闭环控制系统结构示意图；
图2是本发明的DC750V双向DC/DC模块内部结构示意图；
图3是主控制器控制系统框图；
图4是底层控制器控制系统框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行说明：
如图1所示，独立串并联模块化地铁再生制动超级电容储能装置包括两组DC750V双向DC/DC模块直流侧串联满足DC1500V应用；每组DC750V双向DC/DC模块并联，满足不同电流需求。超级电容器组与各自的双向DC/DC模块独立连接。TV1、TV2为直流电压霍尔传感器，分别采样两组串联双向DC/DC模块的直流母线电压，进行稳压控制。
其中 所述独立串并联模块化地铁再生制动超级电容储能装置包括直流触网、超级电容组模块和DC750V双向DC/DC模块；一组超级电容组模块与一组DC750V双向DC/DC模块相连为一组再生制动模块；所述直流触网两端串联两组再生制动模块分别为：第一再生制动模块（1-1）和第二再生制动模块（2-1）；所述第一再生制动模块（1-1）与至少一组再生制动模块（1-2）并联；所述第二再生制动模块与至少一组再生制动模块（2-2）并联；
如图2所示，DC750V双向DC/DC模块：采用载波移相控制的若干IGBT半桥桥臂并联构成斩波电路，本实施例中采用3路并联，等效开关频率是实际的3倍。输出开关纹波频率高，能够减小输出LCL滤波器尺寸、降低成本。L1、L2、L3是3个IGBT半桥桥臂的滤波电感，能够实现抑制载波移相高频环流以及LCL滤波器变流器侧滤波电感的双重作用。Cf和L4分别是LCL滤波器的高频滤波电容、输出滤波电感；TA是电流霍尔传感器，检测超级电容器组充、放电电流，进行电流闭环控制和快速过流保护；TV是电压传感器，检测超级电容器组电压，防止出现过充、过放，并且进行电流环的电压前馈控制；Ld和Cd分别是直流侧滤波电感、电容，防止IGBT斩波电路开关纹波污染直流触网；K1是直流断路器，对超级电容器组进行过流保护；F1、F2是直流熔断器，用于短路保护。TA是电流霍尔传感器与底层控制器相连接。
超级电容器组：是将装置中的超级电容器进行串、并联分组，并与对应的双向DC/DC模块独立连接。
主控制器负责接收上位监控机或者手工输入的操作命令，进行直流稳压、两组串联双向DC/DC模块间均压闭环控制，并输出两组双向DC/DC模块充、放电电流指令信号，并联双向DC/DC模块接收相同的电流指令。
双向DC/DC模块内部的底层控制器接收主控制器以CAN总线下发的电流指令，然后通过电流霍尔传感器TA采样超级电容电流I进行电流闭环控制，并进行快速过流保护：封锁PWM脉冲、断开直流开关K1。底层控制器将双向DC/DC模块和与该模块连接的超级电容器组的状态信息通过485总线反馈给主控制器。
若某个双向DC/DC模块故障退出运行，主控制器同等幅度减小两组串联双向DC/DC模块的功率输出，储能装置降额运行。
如图3所示，电压闭环控制的过程如下：
1）人工设置直流触网电压上限目标值UdcH-ref和下限目标值UdcL-ref，并实时检测两组双向DC/DC模块的直流电压Udc1、Udc2，它们的和为直流总电压Udc-t，差为两组逆变模块的直流电压偏差Udc-n；直流总稳压控制器将UdcH-ref和UdcL-ref分别与Udc-t进行比较，当UdcH-ref＜Udc-t时，直流总稳压控制器计算UdcH-ref和Udc-t之间误差，将误差作为输入信号输入PI控制器，通过PI控制器输出超级电容充电电流指令Id-ref；当UdcL-ref＞Udc-t时，直流总稳压控制器计算UdcL-ref和Udc-t之间误差，将误差作为输入信号输入PI控制器，通过PI控制器输出超级电容放电电流指令Id-ref；直流均压控制器将指令值0和直流电压偏差Udc-n进行比较，得到之间的误差，将误差作为输入信号输入PI控制器，得到两组双向DC/DC模块的功率偏差修正量Id-n；将Id-ref减去Id-n，得到第一组双向DC/DC模块的充/放电电流指令Id1-ref，将Id-ref加上Id-n，得到第二组双向DC/DC模块的充/放电电流指令Id2-ref；Id1-ref和Id2-ref通过CAN总线分别下发给串联的上、下两组双向DC/DC模块的底层控制器。
如图4所示，以双向DC/DC模块采用3路载波移相为例，其控制电流闭环控制的过程如下：
1）上组并联的各台双向DC/DC模块的底层控制器通过CAN总线接收相同的充/放电电流指令Id1-ref；上组各模块电流控制器比较Id1-ref和各自超级电容电流I的误差，将误差作为输入信号输入PI控制器，PI控制器的输出叠加上各自连接的超级电容电压U，得到各斩波器的控制输出U1-ref；下组并联的各台双向DC/DC模块的底层控制器通过CAN总线接收相同的充/放电电流指令Id2-ref；下组各模块电流控制器比较Id2-ref和各自超级电容电流I的误差，将误差作为输入信号输入PI控制器，PI控制器的输出叠加上各自连接的超级电容电压U，得到各斩波器的控制输出U2-ref；
2）各双向DC/DC模块的控制输出U1-ref、U2-ref分别进入载波移相调制模块进行PWM调制，得到各自的6路脉冲控制信号PWM1,2,3,4,5,6对斩波器的6只IGBT进行开关控制。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但它们并不是用来限定本发明的，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明之精神和范围内，自当可作各种变化或润饰，因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求保护范围所界定的为准。

Claims (3)

1.一种模块化地铁再生制动超级电容储能装置的闭环控制系统，其特征在于：包括独立串并联模块化地铁再生制动超级电容储能装置和闭环控制系统；
所述独立串并联模块化地铁再生制动超级电容储能装置包括直流触网、超级电容组模块和DC750V双向DC/DC模块；一组超级电容组模块与一组DC750V双向DC/DC模块相连为一组再生制动模块；所述直流触网两端串联两组再生制动模块分别为：第一再生制动模块（1-1）和第二再生制动模块（2-1）；所述第一再生制动模块（1-1）与至少一组再生制动模块（1-2）并联；所述第二再生制动模块与至少一组再生制动模块（2-2）并联；
所述闭环控制系统包括主控制器和底层控制器；
所述底层控制器安装在DC750V双向DC/DC模块中，通过与相对应的DC750V双向DC/DC模块中的输出电感相连进行采样超级电容组的电流进行电流闭环控制；
所述主控制器通过高速的CAN总线以广播模式向各底层控制器下发冲、放电电流指令，各底层控制器通过低速的485总线向主控制器上传其工作状态；
所述主控制器接收上位监控机或者手工输入的操作命令，并将相应的命令传输至底层控制器；从而进行直流稳压；对两组串联DC750V双向DC/DC模块进行均压闭环控制，并输出两组双向DC/DC模块充、放电电流指令信号，并联双向DC/DC模块接收相同的电流指令；
所述底层控制器接收主控制器下发的电流指令，通过输出电感采样超级电容组模块的电流进行电流闭环控制，并进行快速过流保护：封锁PWM脉冲、断开直流开关K1；底层控制器将对应的超级电容器组的状态信息上传至主控制器。
2.根据权利要求1所述的一种模块化地铁再生制动超级电容储能装置的闭环控制系统，其特征在于：还包括：底层控制器检测到其对应的双向DC/DC模块故障退出运行，将该信号上传至主控制器，所述主控制器同等幅度减小两组串联双向DC/DC模块的功率输出，储能装置降额运行。
3.根据权利要求1所述的一种模块化地铁再生制动超级电容储能装置的闭环控制系统，其特征在于：所述均压闭环控制过程包括以下步骤：
（1）人工设置直流触网电压上限目标值UdcH-ref和下限目标值UdcL-ref，并实时检测两组双向DC/DC模块的直流电压Udc1、Udc2，它们的和为直流总电压Udc-t，差为两组逆变模块的直流电压偏差Udc-n；直流总稳压控制器将UdcH-ref和UdcL-ref分别与Udc-t进行比较，当UdcH-ref＜Udc-t时，直流总稳压控制器计算UdcH-ref和Udc-t之间误差，将误差作为输入信号输入PI控制器，通过PI控制器输出超级电容充电电流指令Id-ref；当UdcL-ref＞Udc-t时，直流总稳压控制器计算UdcL-ref和Udc-t之间误差，将误差作为输入信号输入PI控制器，通过PI控制器输出超级电容放电电流指令Id-ref；直流均压控制器将指令值0和直流电压偏差Udc-n进行比较，得到之间的误差，将误差作为输入信号输入PI控制器，得到两组双向DC/DC模块的功率偏差修正量Id-n；将Id-ref减去Id-n，得到第一组双向DC/DC模块的充/放电电流指令Id1-ref，将Id-ref加上Id-n，得到第二组双向DC/DC模块的充/放电电流指令Id2-ref；Id1-ref和Id2-ref通过CAN总线分别下发给串联的上、下两组双向DC/DC模块的底层控制器；
（2）上组并联的各台双向DC/DC模块的底层控制器通过CAN总线接收相同的充/放电电流指令Id1-ref；上组各模块电流控制器比较Id1-ref和各自超级电容电流I的误差，将误差作为输入信号输入PI控制器，PI控制器的输出叠加上各自连接的超级电容电压U，得到各斩波器的控制输出U1-ref；下组并联的各台双向DC/DC模块的底层控制器通过CAN总线接收相同的充/放电电流指令Id2-ref；下组各模块电流控制器比较Id2-ref和各自超级电容电流I的误差，将误差作为输入信号输入PI控制器，PI控制器的输出叠加上各自连接的超级电容电压U，得到各斩波器的控制输出U2-ref；
（3）各双向DC/DC模块的控制输出U1-ref、U2-ref分别进入载波移相调制模块进行PWM调制，得到各自的2m路脉冲控制信号PWM对斩波器的2m只IGBT进行开关控制，其中m是指双向DC/DC模块采用载波移相控制的数目。
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