CN108988447A - 一种用于超级电容储能式有轨电车的供电方法及充电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于超级电容储能式有轨电车的供电方法及充电装置，供电方法是当具有车载超级电容的有轨电车到站后，受电弓从DC/DC斩波器获电至车载超级电容，从电网输入的380V三相交流经AC/DC变流器整流后输出直流能量至DC/DC斩波器，同时地面超级电容输出预储直流能量至DC/DC斩波器，受电弓获电满时间后车载超级电容充电完成；当车载超级电容充满电或有轨电车离站时，DC/DC斩波器停止对车载超级电容充电，其输出开关断开，受电弓降落回位，AC/DC变流器经开关切换给地面超级电容充电使其获得预储直流能量的继续补充。有益效果：提高有轨电车生存率，减少对供电电网的容量依赖及冲击影响，降低建设运营成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种供电方法及充电装置，特别是涉及一种用于超级电容储能式有轨电车的供电方法及充电装置，属于充电技术领域。
背景技术
现代有轨电车在城市交通中扮演着重要的角色，对发展交通、缓解城市拥堵具有重要的意义。作为中运量轨道交通的一种，其单向运能在8000～15000人/小时（介于快速公交和轻轨之间），造价约1亿元/公里，具备建设周期短（仅为地铁的1/5～1/3）、以电力做动能、运行速度在30公里/小时左右、转弯半径小、爬坡能力强、噪音小、对地下地面建筑影响小等显著特点，同时，相比于小运量的常规公交，又有运能大、能耗小、低碳环保、美观舒适等方面的优势。
储能式有轨电车通过储能动力器件，实现能量在牵引、制动工况的过程循环转换与循环利用，制动能量可由储能介质回收，再生制动能量回收率达到80%以上，与传统有网受电式低地板车辆相比，系统节能30%以上，做到了真正物理意义上的绿色与高效。因其能实现无接触网运行，全线路无接触网，施工成本低、周期短、景观好，走行轨不再作为回流通路，对沿线城建设施无电腐蚀，相对于常规接触网受流系统，仅杂散电流一项，每公里可以节省30万元～50元万整治费用。基于以上优势，储能式有轨电车近年来受到热捧。
采用超级电容储能作为动力的有轨电车将是未来城市交通发展的一种新方向，有轨电车充电系统主要采用传统多脉波整流技术，由于其固有特性，导致整流器交流输入电压畸变，电流谐波含量高，输出电压纹波大等问题，对电网造成谐波污染。为提高有轨电车的生存率，减少对供电电网的容量依赖及冲击影响，降低建设运营成本，有必要对其线路供电方式以及装置性能做进一步深化研究。
发明内容
本发明的主要目的在于，克服现有技术中的不足，提供一种用于超级电容储能式有轨电车的供电方法，不仅可提高有轨电车的生存率，减少对供电电网的容量依赖及冲击影响，而且可降低建设运营成本，极具有产业上的利用价值。
本发明还提供一种用于超级电容储能式有轨电车的充电装置，实现充电装置具有谐波含量低、输出电压稳定性好、输出电流纹波小等诸多优点。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
本发明提供一种用于超级电容储能式有轨电车的供电方法，当具有车载超级电容的有轨电车到站后，有轨电车上的受电弓升起受电，受电弓从DC/DC斩波器的输出端获电至车载超级电容，从电网输入的380V三相交流经AC/DC变流器整流后输出直流能量至DC/DC斩波器的输入端，同时，地面超级电容输出预储直流能量至DC/DC斩波器的输入端，受电弓获电满足设定充电时间后，车载超级电容充电完成；
当车载超级电容充满电或有轨电车离站时，DC/DC斩波器的输出端停止对车载超级电容充电，其输出开关断开，受电弓降落回位，AC/DC变流器的输出端经开关切换给地面超级电容充电，地面超级电容获得预储直流能量的继续补充。
本发明的供电方法进一步设置为：所述设定充电时间为30秒。
本发明的供电方法进一步设置为：所述车载超级电容充电和地面超级电容充电均运行充电控制模式，所述充电控制模式包括恒流限压模式和恒压限流模式；
当车载超级电容或地面超级电容充电达到设定充电阈值后，由恒流限压模式切换至恒压限流模式运行，并将切换前电流PI调节器的积分输出值作为切换后电压PI调节器的积分初始值，实现恒流限压模式和恒压限流模式的无缝切换；
所述恒流限压模式采用直流电流PI控制，维持充电电流的恒定，电流给定值和电流反馈值做差后输入电流PI调节器，电流PI调节器输出恒流信号至电流比较器，与电流三角波比较后输出恒流限压PWM信号至控制接口；其中，电流给定值为车载超级电容充电或地面超级电容允许的电流值，电流反馈值由测量元件直接测得充电电流；
所述恒压限流模式采用充电电压PI调节，维持充电电压的恒定，电压给定值和电压反馈值做差后输入电压PI调节器，电压PI调节器输出恒压信号至电压比较器，与电压三角波比较后输出恒压限流PWM信号至控制接口，其中，电压给定值为车载超级电容充电或地面超级电容允许的电压值，电压反馈值由测量元件直接测得充电电压。
本发明的供电方法进一步设置为：所述车载超级电容充电和地面超级电容充电均运行智能监控；
所述智能监控，具体为，
a）运行参数初始化；
b）通过能量管理系统EMS、远程监控系统和人机界面进行数据通讯，并对采样数据进行处理；
c）判断充电装置是否存在故障；
若是，则封脉冲，跳开关；若否，则进行运行状态判断；
d）当智能监控系统检测到射频卡进站信号和车载超级电容的电压时，判断充电装置需给有轨电车供电，则输出充电运行指令，确定充电控制模式后，输出脉冲；
当智能监控系统检测到射频卡出站信号和车载超级电容的电压消失时，判断充电装置需待机，则输出待机指令，并封锁脉冲。
本发明还提供采用前述的一种用于超级电容储能式有轨电车的供电方法的充电装置，包括AC/DC变流器、地面超级电容和DC/DC斩波器，所述AC/DC变流器的输入端从电网输入380V三相交流，AC/DC变流器的输出端通过第一接触器输出直流能量，第一接触器的输出端通过第二接触器与DC/DC斩波器的输入端相连，第一接触器的输出端通过第三接触器与地面超级电容的输入端相连，所述DC/DC斩波器的输出端用于供受电弓获电至车载超级电容。
本发明的充电装置进一步设置为：所述AC/DC变流器包括依次相连的交流断路器、交流接触器、交流滤波器、三相隔离变压器、LCL滤波器、三相整流桥、直流滤波器、直流接触器和直流断路器，并联于交流接触器两端的交流预充电接触器，以及并联于直流接触器两端的直流预充电接触器；
所述LCL滤波器包括依次相连的第一滤波电抗器和第二滤波电抗器，以及连接于第一滤波电抗器和第二滤波电抗器之间的交流滤波电容；所述三相整流桥由六个绝缘栅双极型晶体管IGBT三相全桥搭建。
本发明的充电装置进一步设置为：所述三相隔离变压器选用电压比380/200VAC。
本发明的充电装置进一步设置为：所述DC/DC斩波器包括输入直流接触器，并联于输入直流接触器两端的直流预充电接触器，均与输入直流接触器输出端相连的四相IGBT模组，以及输出直流接触器；
每相IGBT模组均通过直流滤波电抗器与输入直流接触器输出端相连，每相IGBT模组均由并联的两个绝缘栅双极型晶体管IGBT搭建，形成的四相IGBT模组呈四个交错并联的桥臂结构，每两个桥臂组成一个斩波回路；每两相IGBT模组的输出端均并联有滤波电容，每两相IGBT模组的输出端均通过防反二极管与输出直流接触器的输入端相连。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：
本发明提供的供电方法，采用地面超级电容进行直流能量的预储，在有轨电车到站后，AC/DC变流器整流后输出的直流能量和地面超级电容的预储直流能量共同通过DC/DC斩波器为有轨电车的车载超级电容充电；而当车载超级电容充满电或有轨电车离站时，DC/DC斩波器输出开关断开，AC/DC变流器通过开关切换给地面超级电容充电，实现预储直流能量的继续补充，不仅可以提高有轨电车的生存率，减少对供电电网的容量依赖及冲击影响，而且可以降低建设运营成本。
本发明提供的充电装置，通过AC/DC变流器、地面超级电容和DC/DC斩波器的设置，以及第一接触器、第二接触器和第三接触器的开关设置，实现有轨电车不同运行状态时开启不同通路使得充电装置处于不同的供电方式，可有效减少输出谐波，抑制交流电压失真和电流谐波，从而具有谐波含量低、输出电压稳定性好、输出电流纹波小等诸多优点，有利于解决现有技术中存在的整流器交流输入电压畸变、电流谐波含量高、输出电压纹波大，而对电网造成谐波污染等问题。
上述内容仅是本发明技术方案的概述，为了更清楚的了解本发明的技术手段，下面结合附图对本发明作进一步的描述。
附图说明
图1为本发明充电装置的电气拓扑图；
图2为本发明充电装置的供电系统图；
图3为本发明充电装置中AC/DC变流器的结构原理图；
图4为本发明充电装置中DC/DC斩波器的结构原理图；
图5为本发明供电方法中充电控制模式的控制框图；
图6为本发明供电方法中智能监控的流程图。
具体实施方式
下面结合说明书附图，对本发明作进一步的说明。
本发明提供一种用于超级电容储能式有轨电车的充电装置，如图1及图2所示，包括AC/DC变流器、地面超级电容和DC/DC斩波器，所述AC/DC变流器的输入端从电网输入380V三相交流，AC/DC变流器的输出端通过第一接触器输出直流能量，第一接触器的输出端通过第二接触器与DC/DC斩波器的输入端相连，第一接触器的输出端通过第三接触器与地面超级电容的输入端相连，所述DC/DC斩波器的输出端用于供受电弓获电至车载超级电容。
如图1及图3所示，所述AC/DC变流器包括依次相连的交流断路器Q01、交流接触器KM1、交流滤波器U1、三相隔离变压器T01、LCL滤波器、三相整流桥A01、直流滤波器U2、直流接触器KM3和直流断路器Q02，并联于交流接触器KM1两端的交流预充电接触器KM2，以及并联于直流接触器KM3两端的直流预充电接触器KM4；其中，三相隔离变压器T01选用电压比为380/200VAC，可满足AC/DC变流器最低输出电压为300V的要求，380V三相交流经过三相隔离变压器T01将电压降至200V，再通过三相整流桥A01将交流电整流输出300-600 V的直流。
所述LCL滤波器包括依次相连的第一滤波电抗器L1和第二滤波电抗器L2，以及连接于第一滤波电抗器L1和第二滤波电抗器L2之间的交流滤波电容C01；所述三相整流桥A01由六个绝缘栅双极型晶体管IGBT三相全桥搭建，每两个绝缘栅双极型晶体管IGBT搭建一相整流IGBT模组，分别为整流IGBT模组A11、整流IGBT模组A12和整流IGBT模组A13。
如图1及图4所示，所述DC/DC斩波器包括输入直流接触器KM11，并联于输入直流接触器KM11两端的直流预充电接触器KM14，均与输入直流接触器KM11输出端相连的四相IGBT模组U01，以及输出直流接触器KM12；每相IGBT模组U01均通过直流滤波电抗器与输入直流接触器KM11输出端相连，四相IGBT模组U01分别连接的直流滤波电抗器为L11、L12、L13和L14；每相IGBT模组U01均由并联的两个绝缘栅双极型晶体管IGBT搭建，形成的四相IGBT模组呈四个交错并联的桥臂结构，每两个桥臂组成一个斩波回路FF1000；每两相IGBT模组的输出端均并联有滤波电容， 每两相IGBT模组的输出端均通过防反二极管与输出直流接触器KM12的输入端相连，故两个斩波回路分别并联有滤波电容C1和C2、以及分别串联有防反二极管VD1和VD2。
本发明充电装置的供电方法，即运行过程是：
当具有车载超级电容的有轨电车到站后，有轨电车上的受电弓升起受电，受电弓从DC/DC斩波器的输出端获电至车载超级电容，从电网输入的380V三相交流经AC/DC变流器整流后输出直流能量至DC/DC斩波器的输入端，同时，地面超级电容输出预储直流能量至DC/DC斩波器的输入端，受电弓获电满足设定充电时间后，车载超级电容充电完成；其中，设定充电时间一般为30秒。
而当车载超级电容充满电或有轨电车离站时，DC/DC斩波器的输出端停止对车载超级电容充电，其输出开关断开，受电弓降落回位，AC/DC变流器的输出端经开关切换给地面超级电容充电，地面超级电容获得预储直流能量的继续补充。
如图5所示，所述车载超级电容充电和地面超级电容充电均运行充电控制模式，所述充电控制模式包括恒流限压模式和恒压限流模式；当车载超级电容或地面超级电容充电达到设定充电阈值后，由恒流限压模式切换至恒压限流模式运行，并将切换前电流PI调节器的积分输出值作为切换后电压PI调节器的积分初始值，实现恒流限压模式和恒压限流模式的无缝切换。
所述恒流限压模式（如图5所示）采用直流电流PI控制，维持充电电流的恒定，电流给定值和电流反馈值做差后输入电流PI调节器，电流PI调节器输出恒流信号至电流比较器，与电流三角波比较后输出恒流限压PWM信号至控制接口；其中，电流给定值为车载超级电容充电或地面超级电容允许的电流值，电流反馈值由测量元件直接测得充电电流；
所述恒压限流模式（如图5所示）采用充电电压PI调节，维持充电电压的恒定，电压给定值和电压反馈值做差后输入电压PI调节器，电压PI调节器输出恒压信号至电压比较器，与电压三角波比较后输出恒压限流PWM信号至控制接口，其中，电压给定值为车载超级电容充电或地面超级电容允许的电压值，电压反馈值由测量元件直接测得充电电压。
如图6所示，所述车载超级电容充电和地面超级电容充电均运行智能监控；
所述智能监控（如图6所示），具体为，
a）运行参数初始化；
b）通过能量管理系统EMS、远程监控系统和人机界面进行数据通讯，并对采样数据进行处理；
c）判断充电装置是否存在故障；
若是，则封脉冲，跳开关；若否，则进行运行状态判断；
d）当智能监控系统检测到射频卡进站信号和车载超级电容的电压时，判断充电装置需给有轨电车供电，则输出充电运行指令，确定充电控制模式后，输出脉冲；
当智能监控系统检测到射频卡出站信号和车载超级电容的电压消失时，判断充电装置需待机，则输出待机指令，并封锁脉冲。
本发明充电装置的智能监控通过系统初始化模块、状态判断模块、AD 采样处理模块、故障保护模块、孤岛检测模块、矢量控制模块、脉冲生成SVPWM模块和通讯模块等软件模块实现，从而实现监测充电运行状态、故障保护、储能能量及流动方向等监控目标。
本发明的创新点在于，采用地面超级电容进行直流能量的预储，在有轨电车到站后，AC/DC变流器整流后输出的直流能量和地面超级电容的预储直流能量共同通过DC/DC斩波器为有轨电车的车载超级电容充电；而当车载超级电容充满电或有轨电车离站时，DC/DC斩波器输出开关断开，AC/DC变流器通过开关切换给地面超级电容充电，实现预储直流能量的继续补充；实现有轨电车不同运行状态时开启不同通路使得充电装置处于不同的供电方式，可有效减少输出谐波，抑制交流电压失真和电流谐波，从而具有谐波含量低、输出电压稳定性好、输出电流纹波小等诸多优点，不仅可以提高有轨电车的生存率，减少对供电电网的容量依赖及冲击影响，而且可以降低建设运营成本。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (8)
1.一种用于超级电容储能式有轨电车的供电方法，其特征在于：当具有车载超级电容的有轨电车到站后，有轨电车上的受电弓升起受电，受电弓从DC/DC斩波器的输出端获电至车载超级电容，从电网输入的380V三相交流经AC/DC变流器整流后输出直流能量至DC/DC斩波器的输入端，同时，地面超级电容输出预储直流能量至DC/DC斩波器的输入端，受电弓获电满足设定充电时间后，车载超级电容充电完成；
当车载超级电容充满电或有轨电车离站时，DC/DC斩波器的输出端停止对车载超级电容充电，其输出开关断开，受电弓降落回位，AC/DC变流器的输出端经开关切换给地面超级电容充电，地面超级电容获得预储直流能量的继续补充。
2.根据权利要求1所述的一种用于超级电容储能式有轨电车的供电方法，其特征在于：所述设定充电时间为30秒。
3.根据权利要求1所述的一种用于超级电容储能式有轨电车的供电方法，其特征在于：所述车载超级电容充电和地面超级电容充电均运行充电控制模式，所述充电控制模式包括恒流限压模式和恒压限流模式；
当车载超级电容或地面超级电容充电达到设定充电阈值后，由恒流限压模式切换至恒压限流模式运行，并将切换前电流PI调节器的积分输出值作为切换后电压PI调节器的积分初始值，实现恒流限压模式和恒压限流模式的无缝切换；
所述恒流限压模式采用直流电流PI控制，维持充电电流的恒定，电流给定值和电流反馈值做差后输入电流PI调节器，电流PI调节器输出恒流信号至电流比较器，与电流三角波比较后输出恒流限压PWM信号至控制接口；其中，电流给定值为车载超级电容充电或地面超级电容允许的电流值，电流反馈值由测量元件直接测得充电电流；
所述恒压限流模式采用充电电压PI调节，维持充电电压的恒定，电压给定值和电压反馈值做差后输入电压PI调节器，电压PI调节器输出恒压信号至电压比较器，与电压三角波比较后输出恒压限流PWM信号至控制接口，其中，电压给定值为车载超级电容充电或地面超级电容允许的电压值，电压反馈值由测量元件直接测得充电电压。
4.根据权利要求1所述的一种用于超级电容储能式有轨电车的供电方法，其特征在于：所述车载超级电容充电和地面超级电容充电均运行智能监控；
所述智能监控，具体为，
a）运行参数初始化；
b）通过能量管理系统EMS、远程监控系统和人机界面进行数据通讯，并对采样数据进行处理；
c）判断充电装置是否存在故障；
若是，则封脉冲，跳开关；若否，则进行运行状态判断；
d）当智能监控系统检测到射频卡进站信号和车载超级电容的电压时，判断充电装置需给有轨电车供电，则输出充电运行指令，确定充电控制模式后，输出脉冲；
当智能监控系统检测到射频卡出站信号和车载超级电容的电压消失时，判断充电装置需待机，则输出待机指令，并封锁脉冲。
5.采用权利要求1至4任一项所述的一种用于超级电容储能式有轨电车的供电方法的充电装置，其特征在于：包括AC/DC变流器、地面超级电容和DC/DC斩波器，所述AC/DC变流器的输入端从电网输入380V三相交流，AC/DC变流器的输出端通过第一接触器输出直流能量，第一接触器的输出端通过第二接触器与DC/DC斩波器的输入端相连，第一接触器的输出端通过第三接触器与地面超级电容的输入端相连，所述DC/DC斩波器的输出端用于供受电弓获电至车载超级电容。
6.根据权利要求5所述的充电装置，其特征在于：所述AC/DC变流器包括依次相连的交流断路器、交流接触器、交流滤波器、三相隔离变压器、LCL滤波器、三相整流桥、直流滤波器、直流接触器和直流断路器，并联于交流接触器两端的交流预充电接触器，以及并联于直流接触器两端的直流预充电接触器；
所述LCL滤波器包括依次相连的第一滤波电抗器和第二滤波电抗器，以及连接于第一滤波电抗器和第二滤波电抗器之间的交流滤波电容；所述三相整流桥由六个绝缘栅双极型晶体管IGBT三相全桥搭建。
7.根据权利要求6所述的充电装置，其特征在于：所述三相隔离变压器选用电压比380/200VAC。
8.根据权利要求5所述的充电装置，其特征在于：所述DC/DC斩波器包括输入直流接触器，并联于输入直流接触器两端的直流预充电接触器，均与输入直流接触器输出端相连的四相IGBT模组，以及输出直流接触器；
每相IGBT模组均通过直流滤波电抗器与输入直流接触器输出端相连，每相IGBT模组均由并联的两个绝缘栅双极型晶体管IGBT搭建，形成的四相IGBT模组呈四个交错并联的桥臂结构，每两个桥臂组成一个斩波回路；每两相IGBT模组的输出端均并联有滤波电容，每两相IGBT模组的输出端均通过防反二极管与输出直流接触器的输入端相连。
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