CN109795331A - 城轨列车风力发电能量综合利用系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种城轨列车风力发电能量综合利用系统，其特征在于：包括风力发电装置、蓄电池充电电路、第一蓄电池组、第二蓄电池组、第一荷电检测单元、第二荷电检测单元、逆变器、用电设备、DC/DC双向变换器、城轨列车供电系统和协调控制模块；还提供了一种针对上述系统的控制方法，包括风力发电装置将发电工作状态信号发送给协调控制模块；然后协调控制模块控制其中一个蓄电池组与蓄电池充电电路和逆变器连接，控制另一个蓄电池组与DC/DC双向变换器连接；列车驶出隧道后，协调控制模块控制2个蓄电池组与蓄电池充电电路均断开。采用本发明所述系统和方法，既能充分利用风力发电，又不影响城轨列车供电系统的稳定性和可靠性。

Description

城轨列车风力发电能量综合利用系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及交通运输技术领域，特别是一种城轨列车风力发电能量综合利用系统。

背景技术

城轨列车经过隧道时所产生的风速基本可达到6～7m/s，时间可持续20s，能够满足风力发电的基本要求，如果我们能利用列车穿过隧道时产生的风力进行发电，并对这种可再生能源进行利用，为列车运行提供电能，既节能又环保。然而，现有技术中，对城轨列车风力发电进行利用却存在如下的问题：首先，风力的不稳定将造成通过风力发电输出的交流电功率波动较大，将该交流电整流成直流后接入城轨列车供电系统，将会造成直流接触网的能量波动；其次，如果出现风力发电机、整流器等设备的短路故障，也会直流影响到城轨列车供电系统的可靠性；上述情况都将影响通过该接触网供电的列车正常运行。

事实上，如果既能利用城轨列车风力发电产生的电能为列车运行或隧道内的用电设备提供能源，还能实现对已有城轨列车供电系统再生制动能量的储存及利用，将可减小城轨列车供电系统中的超级电容等储能单元和能量回馈逆变器的配置容量，从而降低这些设备的投入成本。

发明内容

针对背景技术的问题，本发明提供一种城轨列车风力发电能量综合利用系统，同时还提供一种针对上述城轨列车风力发电能量综合利用系统的控制方法，以解决如何既能充分利用城轨列车运行过程中产生的风力发电为列车行驶和用电设备提供能源，又不会影响城轨列车供电系统的稳定性和可靠性，同时还能降低城轨列车供电系统中储能单元等设备的投入成本的问题。

为实现本发明的目的，本发明提供了一种城轨列车风力发电能量综合利用系统，其创新点在于：包括风力发电装置、蓄电池充电电路、第一蓄电池组、第二蓄电池组、第一荷电检测单元、第二荷电检测单元、逆变器、用电设备、DC/DC双向变换器、城轨列车供电系统和协调控制模块；

所述风力发电装置的风机及所述用电设备均设置在列车通行的隧道内；所述蓄电池充电电路与风力发电装置连接；所述第一蓄电池组通过第一开关与蓄电池充电电路连接；所述第二蓄电池组通过第二开关与蓄电池充电电路连接；所述第一荷电检测单元与第一蓄电池组连接，用于检测第一蓄电池组的剩余容量；所述第二荷电检测单元与第二蓄电池组连接，用于检测第二蓄电池组的剩余容量；所述第一蓄电池组通过第三开关与DC/DC双向变换器连接，第一蓄电池组通过第四开关与逆变器连接；所述第二蓄电池组通过第五开关与DC/DC双向变换器连接，第二蓄电池组通过第六开关与逆变器连接；所述DC/DC双向变换器与城轨列车供电系统连接；所述逆变器与用电设备连接；

所述风力发电装置用于将列车通过隧道时产生的风力转化为电能输出；

所述蓄电池充电电路用于将风力发电装置输出的电能传输给蓄电池组充电；

所述逆变器用于将蓄电池组输出的直流电逆变成交流电，供所述用电设备使用；

DC/DC双向变换器用于实现蓄电池组与城轨列车供电系统之间的能量流动；

所述协调控制模块能对各个输入信号进行处理并输出相应的控制信号，协调控制模块的输入信号包括：风力发电装置的工作状态信号和2个荷电状态检测单元的检测信号；协调控制模块的输出信号包括：6个开关的控制信号、DC/DC双向变换器的控制信号和逆变器的控制信号。

本发明还提供了一种针对上述城轨列车风力发电能量综合利用系统的控制方法，其创新点在于：所述的控制方法包括：

(一)当列车驶入隧道产生的风力使风力发电装置开始工作并输出电能时，风力发电装置将发电工作状态信号发送给协调控制模块；

(二)协调控制模块获取到风力发电装置的发电工作状态信号后采集2个荷电状态检测单元的检测信号，并比较2个蓄电池组的剩余容量大小；如第一蓄电池组的剩余容量大于第二蓄电池组的剩余容量，则进入步骤(三A)；如第一蓄电池组的剩余容量小于第二蓄电池组的剩余容量，则进入步骤(三B)；如第一蓄电池组的剩余容量等于第二蓄电池组的剩余容量，则随机选择进入步骤(三A)或步骤(三B)；

(三A)协调控制模块控制第二开关、第三开关和第六开关均选通，同时，协调控制模块控制第一开关、第四开关和第五开关均关断；此时，蓄电池充电电路、第二蓄电池组和逆变器三者连通，第二蓄电池组与DC/DC双向变换器断开，第一蓄电池组与蓄电池充电电路断开，第一蓄电池组与DC/DC双向变换器连通，第一蓄电池组与逆变器断开；然后进入步骤(四)；

(三B)协调控制模块控制第二开关、第三开关和第六开关均关断，同时，协调控制模块控制第一开关、第四开关和第五开关均选通；此时，蓄电池充电电路、第一蓄电池组和逆变器三者连通，第一蓄电池组与DC/DC双向变换器断开，第二蓄电池组与蓄电池充电电路断开，第二蓄电池组与DC/DC双向变换器连通，第二蓄电池组与逆变器断开；然后进入步骤(四)；

(四)协调控制模块控制逆变器工作在逆变状态，将与逆变器连接的蓄电池组的电能逆变回馈给用电设备使用；同时，协调控制模块控制DC/DC双向变换器的开关状态，使与DC/DC双向变换器连接的蓄电池组实现与城轨列车供电系统之间的能量流动；

(五)当列车驶出隧道，风力发电装置停止工作后，风力发电装置将停机工作状态信号发送给协调控制模块；

(六)协调控制模块获取到风力发电装置的停机工作状态信号后，控制2个蓄电池组与蓄电池充电电路之间的开关均关断，使2个蓄电池组与蓄电池充电电路均断开。

本发明的原理如下：

现有技术中，由于利用列车行驶过程中产生的风力发电功率不稳定，将其直接接入城轨列车供电系统将影响列车直流接触网的稳定性和可靠性，从而影响列车正常运行。发明人巧妙地设计了本发明所述的系统，通过电子开关电路，灵活地实现了对两个蓄电池组的控制。当风力发电装置工作时，只对其中一个蓄电池组进行充电，对另一个蓄电池组不充电，同时将不充电的蓄电池组通过DC/DC双向变换器连接至城轨列车供电系统。通过对电子开关的组合控制将两个回路隔离开，使风力发电系统不会影响到城轨列车供电系统的直流接触网。

为了最大程度地利用和储存风力发电能源，发明人在2个蓄电池组上分别设置了一个荷电检测单元，用以检测2个蓄电池组的剩余容量。当风力发电装置工作时，首先通过2个荷电检测单元检测2个蓄电池组的剩余容量，协调控制模块比较2个蓄电池组的剩余容量，然后控制电子开关将剩余容量较小的蓄电池组与蓄电池充电电路连接，以最大限度利用当次风力发电为蓄电池组充电。更进一步地，当其中一个蓄电池组通过风力发电充电的同时，控制该蓄电池组与逆变器连接，逆变器再与隧道内的用电设备连接，使风力发电为蓄电池充电的同时，还能为隧道内的用电设备提供电能，以充分利用风力发电的能量。

而接入城轨列车供电系统的蓄电池组一方面可为列车运行提供能量，以间接利用风力发电的电能，另一方面，在设置了如超级电容器组等储能单元的城轨列车供电系统中，蓄电池组还能与超级电容器组结合实现混合储能，当列车制动产生的再生制动能量超级电容器组无法完全吸收时，蓄电池组也可以作为辅助储能装置吸收剩余的列车再生制动能量。所以，完全可以减小像超级电容器组这样成本较高的设备的配置容量，从而降低这部分设施的投入成本。

由此可见，本发明具有如下的有益效果：采用本发明所述的系统和方法，既能充分利用城轨列车运行过程中产生的风力发电为列车行驶和隧道内用电设备提供能源，又不会影响城轨列车供电系统的稳定性和可靠性，同时还能降低城轨列车供电系统中储能单元等设备的投入成本。

附图说明

本发明的附图说明如下。

附图1本发明所述城轨列车风力发电能量综合利用系统的部分硬件布置结构示意图；

附图2本发明所述城轨列车风力发电能量综合利用系统的结构示意图。

图中：1、风力发电装置；2、蓄电池充电电路；3、第一蓄电池组；4、第二蓄电池组；5、第一荷电检测单元；6、第二荷电检测单元；7、逆变器；8、用电设备；9、DC/DC双向变换器；10、城轨列车供电系统；11、第一开关；12、第二开关；13、第三开关；14、第四开关；15、第五开关；16、第六开关；17、列车；18、隧道；101、风机。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

本发明所述的城轨列车风力发电能量综合利用系统包括风力发电装置1、蓄电池充电电路2、第一蓄电池组3、第二蓄电池组4、第一荷电检测单元5、第二荷电检测单元6、逆变器7、用电设备8、DC/DC双向变换器9、城轨列车供电系统10和协调控制模块；

如附图1所示的本系统部分硬件的布置结构示意图，将风力发电装置1的多组风机101沿隧道的轴向等间距设置在隧道18内壁上，每组风机包括2个风机，同一组的2个风机对称设置在隧道内壁的两侧，将多个用电设备8也沿隧道轴向布置在隧道18的内壁上，用电设备8可以是照明设备，也可以是广告灯箱等设备。当列车快速通过隧道18时，其产生的风力带动风机101转动，即可驱动风力发电装置发电，本发明所述的风力发电装置可采用现有技术中常用的技术手段实现。

如附图2所示的城轨列车风力发电能量综合利用系统的结构示意图，所述蓄电池充电电路2与风力发电装置1连接；所述第一蓄电池组3通过第一开关11与蓄电池充电电路2连接；所述第二蓄电池组4通过第二开关12与蓄电池充电电路2连接；所述第一荷电检测单元5与第一蓄电池组3连接，用于检测第一蓄电池组3的剩余容量；所述第二荷电检测单元6与第二蓄电池组4连接，用于检测第二蓄电池组4的剩余容量；所述第一蓄电池组3通过第三开关13与DC/DC双向变换器9的低压侧连接，第一蓄电池组3通过第四开关14与逆变器7连接；所述第二蓄电池组4通过第五开关15与DC/DC双向变换器9的低压侧连接，第二蓄电池组4通过第六开关16与逆变器7连接；所述DC/DC双向变换器9的高压侧与城轨列车供电系统10连接；所述逆变器7与用电设备8连接；

所述风力发电装置1用于将列车通过隧道时产生的风力转化为电能输出；

所述蓄电池充电电路2用于将风力发电装置1输出的电能传输给蓄电池组充电，蓄电池充电电路2可采用现有技术中常用的技术手段；

所述逆变器7用于将蓄电池组输出的直流电逆变成交流电，供所述用电设备8使用；

DC/DC双向变换器9用于实现蓄电池组与城轨列车供电系统10之间的能量流动；

城轨列车供电系统10可采用现有技术中的结构形式；

所述协调控制模块能对各个输入信号进行处理并输出相应的控制信号，协调控制模块的输入信号包括：风力发电装置1的工作状态信号和2个荷电状态检测单元的检测信号，风力发电装置1的工作状态包括发电状态和停机状态；协调控制模块的输出信号包括：6个开关的控制信号、DC/DC双向变换器9的控制信号和逆变器7的控制信号。

城轨列车风力发电能量综合利用系统的控制方法包括：

(一)当列车驶入隧道产生的风力使风力发电装置1开始工作并输出电能时，风力发电装置(1)将发电工作状态信号发送给协调控制模块；

(二)协调控制模块获取到风力发电装置1的发电工作状态信号后采集2个荷电状态检测单元的检测信号，并比较2个蓄电池组的剩余容量大小；如第一蓄电池组3的剩余容量大于第二蓄电池组4的剩余容量，则进入步骤(三A)；如第一蓄电池组3的剩余容量小于第二蓄电池组4的剩余容量，则进入步骤(三B)；如第一蓄电池组3的剩余容量等于第二蓄电池组4的剩余容量，则随机选择进入步骤(三A)或步骤(三B)；

(三A)协调控制模块控制第二开关12、第三开关13和第六开关16均选通，同时，协调控制模块控制第一开关11、第四开关14和第五开关15均关断；此时，蓄电池充电电路2、第二蓄电池组4和逆变器7三者连通，第二蓄电池组4与DC/DC双向变换器9断开，第一蓄电池组3与蓄电池充电电路2断开，第一蓄电池组3与DC/DC双向变换器9连通，第一蓄电池组3与逆变器7断开；然后进入步骤(四)；

(三B)协调控制模块控制第二开关12、第三开关13和第六开关16均关断，同时，协调控制模块控制第一开关11、第四开关14和第五开关15均选通；此时，蓄电池充电电路2、第一蓄电池组3和逆变器7三者连通，第一蓄电池组3与DC/DC双向变换器9断开，第二蓄电池组4与蓄电池充电电路2断开，第二蓄电池组4与DC/DC双向变换器9连通，第二蓄电池组4与逆变器7断开；然后进入步骤(四)；

上述步骤能保证让风力发电装置始终为剩余电容量更低的蓄电池组充电，让剩余电容量更高的蓄电池组接入城轨列车供电系统为列车运行提供电能，以最大程度有效利用列车行驶产生的风力发电能量。

(四)协调控制模块控制逆变器7工作在逆变状态，将与逆变器7连接的蓄电池组的电能逆变回馈给用电设备8使用；

同时，协调控制模块控制DC/DC双向变换器9的开关状态，使与DC/DC双向变换器9连接的蓄电池组实现与城轨列车供电系统10之间的能量流动；此处所述的电能流动包括蓄电池组向城轨列车供电系统放电为列车启动、牵引供能，也包括列车制动产生的能量通过DC/DC双向变换器为蓄电池组充电；事实上，目前一些城轨列车供电系统设置了可对列车制动能量再生利用的超级电容器组和能量回馈逆变器，当列车制动时，其中超级电容器组能对列车制动再生能量进行吸收存储，剩余的制动再生能量还能通过能量回馈逆变器逆变为交流电供牵引变电站内的设备使用，当列车启动牵引导致直流母线电压过低时，超级电容器组能向直流母线放电，使直流母线电压恢复正常。如果在本发明所述的系统中采用上述城轨列车供电系统，由于蓄电池组参与进来，当列车制动时，可与超级电容器组共同存储再生制动能量，使蓄电池组不仅能利用风力发电为列车行驶提供能源，还能与超级电容器组和能量回馈逆变器共同参与列车再生制动能量的综合利用。由此可见，在本发明中蓄电池组还能减少超级电容器组和能量回馈逆变器的负担，在设计时可减小超级电容器组和能量回馈逆变器的配置规格，从而减少对这类成本较高的设备的投入。

(五)当列车驶出隧道，风力发电装置1停止工作后，风力发电装置1将停机工作状态信号发送给协调控制模块；

(六)协调控制模块获取到风力发电装置1的停机工作状态信号后，控制2个蓄电池组与蓄电池充电电路2之间的开关均关断，使2个蓄电池组与蓄电池充电电路2均断开；协调控制模块同时控制逆变器7停止工作，使蓄电池停止为隧道内的照明或广告灯箱等用电设备供电，以节约蓄电池的电能。

Claims (3)

1.一种城轨列车风力发电能量综合利用系统，其特征在于：包括风力发电装置(1)、蓄电池充电电路(2)、第一蓄电池组(3)、第二蓄电池组(4)、第一荷电检测单元(5)、第二荷电检测单元(6)、逆变器(7)、用电设备(8)、DC/DC双向变换器(9)、城轨列车供电系统(10)和协调控制模块；

所述风力发电装置(1)的风机(101)及所述用电设备(8)均设置在列车通行的隧道内；所述蓄电池充电电路(2)与风力发电装置(1)连接；所述第一蓄电池组(3)通过第一开关(11)与蓄电池充电电路(2)连接；所述第二蓄电池组(4)通过第二开关(12)与蓄电池充电电路(2)连接；所述第一荷电检测单元(5)与第一蓄电池组(3)连接，用于检测第一蓄电池组(3)的剩余容量；所述第二荷电检测单元(6)与第二蓄电池组(4)连接，用于检测第二蓄电池组(4)的剩余容量；所述第一蓄电池组(3)通过第三开关(13)与DC/DC双向变换器(9)连接，第一蓄电池组(3)通过第四开关(14)与逆变器(7)连接；所述第二蓄电池组(4)通过第五开关(15)与DC/DC双向变换器(9)连接，第二蓄电池组(4)通过第六开关(16)与逆变器(7)连接；所述DC/DC双向变换器(9)与城轨列车供电系统(10)连接；所述逆变器(7)与用电设备(8)连接；

所述风力发电装置(1)用于将列车通过隧道时产生的风力转化为电能输出；

所述蓄电池充电电路(2)用于将风力发电装置(1)输出的电能传输给蓄电池组充电；

所述逆变器(7)用于将蓄电池组输出的直流电逆变成交流电，供所述用电设备(8)使用；

DC/DC双向变换器(9)用于实现蓄电池组与城轨列车供电系统(10)之间的能量流动；

所述协调控制模块能对各个输入信号进行处理并输出相应的控制信号，协调控制模块的输入信号包括：风力发电装置(1)的工作状态信号和2个荷电状态检测单元的检测信号；协调控制模块的输出信号包括：6个开关的控制信号、DC/DC双向变换器(9)的控制信号和逆变器(7)的控制信号。

2.一种城轨列车风力发电能量综合利用系统的控制方法，其特征在于：所涉及的硬件包括风力发电装置(1)、蓄电池充电电路(2)、第一蓄电池组(3)、第二蓄电池组(4)、第一荷电检测单元(5)、第二荷电检测单元(6)、逆变器(7)、用电设备(8)、DC/DC双向变换器(9)、城轨列车供电系统(10)和协调控制模块；

所述风力发电装置(1)的风机(101)及所述用电设备(8)均设置在列车通行的隧道内；所述蓄电池充电电路(2)与风力发电装置(1)连接；所述第一蓄电池组(3)通过第一开关(11)与蓄电池充电电路(2)连接；所述第二蓄电池组(4)通过第二开关(12)与蓄电池充电电路(2)连接；所述第一荷电检测单元(5)与第一蓄电池组(3)连接，用于检测第一蓄电池组(3)的剩余容量；所述第二荷电检测单元(6)与第二蓄电池组(4)连接，用于检测第二蓄电池组(4)的剩余容量；所述第一蓄电池组(3)通过第三开关(13)与DC/DC双向变换器(9)连接，第一蓄电池组(3)通过第四开关(14)与逆变器(7)连接；所述第二蓄电池组(4)通过第五开关(15)与DC/DC双向变换器(9)连接，第二蓄电池组(4)通过第六开关(16)与逆变器(7)连接；所述DC/DC双向变换器(9)与城轨列车供电系统(10)连接；所述逆变器(7)与用电设备(8)连接；

所述风力发电装置(1)用于将列车通过隧道时产生的风力转化为电能输出；

所述蓄电池充电电路(2)用于将风力发电装置(1)输出的电能传输给蓄电池组充电；

所述逆变器(7)用于将蓄电池组输出的直流电逆变成交流电，供所述用电设备(8)使用；

DC/DC双向变换器(9)用于实现蓄电池组与城轨列车供电系统(10)之间的能量流动；

所述协调控制模块能对各个输入信号进行处理并输出相应的控制信号，协调控制模块的输入信号包括：风力发电装置(1)的工作状态信号和2个荷电状态检测单元的检测信号；协调控制模块的输出信号包括：6个开关的控制信号、DC/DC双向变换器(9)的控制信号和逆变器(7)的控制信号；

所述的控制方法包括：

(一)当列车驶入隧道产生的风力使风力发电装置(1)开始工作并输出电能时，风力发电装置(1)将发电工作状态信号发送给协调控制模块；

(二)协调控制模块获取到风力发电装置(1)的发电工作状态信号后采集2个荷电状态检测单元的检测信号，并比较2个蓄电池组的剩余容量大小；如第一蓄电池组(3)的剩余容量大于第二蓄电池组(4)的剩余容量，则进入步骤(三A)；如第一蓄电池组(3)的剩余容量小于第二蓄电池组(4)的剩余容量，则进入步骤(三B)；如第一蓄电池组(3)的剩余容量等于第二蓄电池组(4)的剩余容量，则随机选择进入步骤(三A)或步骤(三B)；

(三A)协调控制模块控制第二开关(12)、第三开关(13)和第六开关(16)均选通，同时，协调控制模块控制第一开关(11)、第四开关(14)和第五开关(15)均关断；此时，蓄电池充电电路(2)、第二蓄电池组(4)和逆变器(7)三者连通，第二蓄电池组(4)与DC/DC双向变换器(9)断开，第一蓄电池组(3)与蓄电池充电电路(2)断开，第一蓄电池组(3)与DC/DC双向变换器(9)连通，第一蓄电池组(3)与逆变器(7)断开；然后进入步骤(四)；

(三B)协调控制模块控制第二开关(12)、第三开关(13)和第六开关(16)均关断，同时，协调控制模块控制第一开关(11)、第四开关(14)和第五开关(15)均选通；此时，蓄电池充电电路(2)、第一蓄电池组(3)和逆变器(7)三者连通，第一蓄电池组(3)与DC/DC双向变换器(9)断开，第二蓄电池组(4)与蓄电池充电电路(2)断开，第二蓄电池组(4)与DC/DC双向变换器(9)连通，第二蓄电池组(4)与逆变器(7)断开；然后进入步骤(四)；

(四)协调控制模块控制逆变器(7)工作在逆变状态，将与逆变器(7)连接的蓄电池组的电能逆变回馈给用电设备(8)使用；同时，协调控制模块控制DC/DC双向变换器(9)的开关状态，使与DC/DC双向变换器(9)连接的蓄电池组实现与城轨列车供电系统(10)之间的能量流动；

(五)当列车驶出隧道，风力发电装置(1)停止工作后，风力发电装置(1)将停机工作状态信号发送给协调控制模块；

(六)协调控制模块获取到风力发电装置(1)的停机工作状态信号后，控制2个蓄电池组与蓄电池充电电路(2)之间的开关均关断，使2个蓄电池组与蓄电池充电电路(2)均断开。

3.如权利要求2所述的城轨列车风力发电能量综合利用系统的控制方法，其特征在于：所述步骤(六)中，协调控制模块同时控制逆变器(7)停止工作。