CN110932256A - 一种用于轨道交通的三电平拓扑储能装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明的用于轨道交通的三电平拓扑储能装置，包括预充电电路、中点电位箝位电路、超级电容器Cap和n个双向DC/DC变流支路；中点电位箝位电路由电容C1和C2组成，双向DC/DC变流支路由四个IGBT器件V1、V2、V3和V4以及电抗器L1组成，V1与V2的连接点、V3与V4的连接点分别接于电抗器L1的两个输入端上，L1的两个输出端分别接于超级电容器Cap的两端。制动能量吸收再利用控制方法为：a).检测电压；b).电压比较；c).电压外环；d).电流闭环；e).中点电位调节；f).驱动信号的生成。本发明的三电平拓扑储能装置及控制方法，既实现了制动能量的重新利用，又解决了列车启动所导致的电网电压过度下降的问题，有益效果显著，适于应用推广。

Description

一种用于轨道交通的三电平拓扑储能装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种三电平拓扑储能装置及其控制方法，更具体的说，尤其涉及一种的用于轨道交通车辆制动能量吸收再利用的三电平拓扑储能装置及其控制方法。

背景技术

众所周知，由于城市轨道交通具有运量大、速度快、时间准、能耗低、污染少和安全舒适等特点，因此城市轨道交通方式成为目前解决城市交通拥挤问题的一种有效手段。由于地铁站间距离较短，列车启动、制动频繁，大约40%左右的能量被浪费。传统的制动能量吸收方式是普遍采用电阻消耗方式。此吸收方式不仅自身耗费能量，并且还需增加额外的通风设施来降低环境温度。

储能装置可以将制动能量吸收存储再利用，是解决上述制动方式不足的一种方式。针对DC1500V直流牵引供电系统，目前市场已有的储能装置大都采用3300V的IGBT作为功率转换器件，此种方式开关频率低，会导致其波形质量差，且滤波电抗器相对较大，总体造价成本高，为了解决此问题，本发明设计了一种三电平拓扑结构的储能装置并设计了相应的控制方法，该装置使用常规的1700V的IGBT作为功率器件，可以有更高的开关频率，在节约成本的同时具有更好的性能。

发明内容

本发明为了克服上述技术问题的缺点，提供了一种用于轨道交通的三电平拓扑储能装置及其控制方法。

本发明的用于轨道交通的三电平拓扑储能装置，包括预充电电路、中点电位箝位电路、超级电容器Cap和n个双向DC/DC变流支路；其特征在于：中点电位箝位电路由电容C1和电容C2组成，电容C1的一端经预充电电路接于直流牵引电网的正极，C1的另一端与C2串联后接于直流牵引电网的负极；双向DC/DC变流支路由四个IGBT器件V1、V2、V3和V4以及电抗器L1组成，V1、V2、V3和V4依次串联后的两端分别接于C1与C2串联后的两端，V2与V3的连接点接于C1与C2的连接点；V1与V2的连接点、V3与V4的连接点分别接于电抗器L1的两个输入端上，L1的两个输出端分别接于超级电容器Cap的两端。

本发明的用于轨道交通的三电平拓扑储能装置，所述预充电电路由继电器KM1、继电器KM2和预充电电阻R1组成，继电器KM2的常开点与电阻R1串联再与继电器KM1的常开点并联后，一端接于直流牵引电网的正极，另一端与电容C1相连接。

本发明的用于轨道交通的三电平拓扑储能装置，所述IGBT器件为1700V的IGBT。

本发明的用于轨道交通的三电平拓扑储能装置，所述超级电容器Cap由多个超级电容单体串并联组成。

本发明的用于轨道交通的三电平拓扑储能装置的制动能量吸收再利用控制方法，其特征在于，通过以下步骤来实现：

a).检测电压：实时检测直流牵引电网的电压，设检测的电压值为Vpn；

b).电压比较：将检测到的直流牵引电网的电压Vpn与设定参考电压Vref作比较，如果Vpn＞Vref，则判断出列车处于制动状态引起电网电压上升，此时进入储能模式，充电命令信号进行置1有效；如果Vpn＜Vref，则判断出列车处于启动加速状态引起电网电压下降，此时进入释放模式，放电命令信号进行置1有效；

c).电压外环：将电压Vpn与设定参考电压Vref做差并经比例积分处理后，生成超级电容充放电的控制信号；

d).电流闭环：将超级电容器的充放电电流与步骤c)产生的超级电容充放电的控制信号做差，得到电流闭环的控制输出信号；

e).中点电位调节：将电容C1两端的电压Vpm与电容C2两端的电压Vmn做差，得到中点电位的偏差信号；将中点电位的偏差信号与电流闭环的控制输出信号叠加得到一路调制信号，与电流闭环的控制输出信号做差得到另一路调制信号；

f).驱动信号的生成：将步骤e)中得到的两路调制信号均与载波信号作比较，得到两路PWM驱动信号；一路PWM驱动信号分成两路分别与充电命令和放电命令进行与运算后，分别接于所有双向DC/DC变流支路中的V1和V3的控制端；另一路PWM驱动信号分成两路分别与充电命令和放电命令进行与运算后，分别接于所有双向DC/DC变流支路中的V2和V4的控制端。

本发明的有益效果是：本发明的用于轨道交通的三电平拓扑储能装置，中点电位箝位电路由相串联的电容C1和C2组成，n个双向DC/DC变流支路由依次相串联的IGBT器件V1、V2、V3、V4以及电抗器L1组成，当列车处于制动状态使直流牵引电网上的电压上升时，牵引电网上的直流电经双向DC/DC变流支路的逆变和整流后，存储在超级电容器Cap中；当列车处于启动加速状态使直流牵引电网上的电压下降时，超级电容器中存储的电能经双向DC/DC变流支路的逆变和整流后，输入至直流牵引电网上，既实现了制动能量的重新利用，又解决了列车启动所导致的电网电压过度下降的问题，有益效果显著，适于应用推广。

附图说明

图1为本发明的用于轨道交通的三电平拓扑储能装置的电路原理图；

图2为本发明中双向DC/DC变流支路的电路图；

图3为本发明的用于轨道交通的三电平拓扑储能装置的控制原理图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，给出了本发明的用于轨道交通的三电平拓扑储能装置的电路原理图，其由预充电电路、中点电位箝位电路、超级电容器Cap和n个双向DC/DC变流支路组成，所示的预充电电路由继电器KM1、继电器KM2和预充电电阻R1组成，KM2的常开点与电阻R1串联后再与KM1的常开点并联，形成预充电电路。中点电位箝位电路由电容C1和电容C2组成，电容C1的一端经预充电电路接于直流牵引电网的正极上，另一端与电容C2串联后接于直流牵引电网的负极上，电容C1与预充电电路的连接点记为P点，电容C2与直流牵引电网负极的连接点记为N点，C1与C2的连接点记为M点，超级电容器Cap的两端分别记为A点和B点。n个双向DC/DC变流支路设置于直流牵引电网与超级电容器Cap之间，用于实现列车制动时的能量存储以及列车启动时的能量释放。

预充电电路实现对超级电容器Cap的预充电，预充电时，KM1的常开点处于断开状态，KM2的常开点闭合，充电电流经KM2的常开点和预充电电路R1对超级电容器Cap进行充电，预充电接触后，KM2的常开点断开，KM1的常开点闭合。

如图2所示，给出了本发明中双向DC/DC变流支路的电路图，所示的双向DC/DC变流支路由4个IGBT器件V1、V2、V3、V4和一个电抗器L1组成，4个IGBT器件V1、V2、V3、V4依次串联后的两端分别记为P'点和N'点，V2与V3的连接点记为M'点，V1、V2、V3、V4串联后的两端接于C1与C2串联后的两端，V2与V3的连接点接于C1与C2的连接点上，即图2中的P'点、N'点、M'点分别与图1中的P点、N点和M点相连接。V1与V2的连接点、V3与V4的连接点分别接于电抗器L1的两个输入端上，电抗器L1的两个输出端分别接于超级电容器Cap的两端，即图2中的A'点、B'点分别与图1中的A点、B点相连接。

这样，当列车处于制动状态使直流牵引电网上的电压升高时，通过对n个双向DC/DC变流支路的控制，使直流牵引电网上的能量流向超级电容器Cap并存储起来；当列车处于启动加速状态使直流牵引电网上的电压下降时，通过对n个双向DC/DC变流支路的控制，使超级电容器Cap中存储起来的能量释放出来，并流向直流牵引电网，既实现了能量的重新利用，又避免了电网电压的降低。

如图3所示，给出了本发明的用于轨道交通的三电平拓扑储能装置的控制原理图，其通过以下步骤来实现：

a).检测电压：实时检测直流牵引电网的电压，设检测的电压值为Vpn；

b).电压比较：将检测到的直流牵引电网的电压Vpn与设定参考电压Vref作比较，如果Vpn＞Vref，则判断出列车处于制动状态引起电网电压上升，此时进入储能模式，充电命令信号进行置1有效；如果Vpn＜Vref，则判断出列车处于启动加速状态引起电网电压下降，此时进入释放模式，放电命令信号进行置1有效；

c).电压外环：将电压Vpn与设定参考电压Vref做差并经比例积分处理后，生成超级电容充放电的控制信号；

d).电流闭环：将超级电容器的充放电电流与步骤c)产生的超级电容充放电的控制信号做差，得到电流闭环的控制输出信号；

e).中点电位调节：将电容C1两端的电压Vpm与电容C2两端的电压Vmn做差，得到中点电位的偏差信号；将中点电位的偏差信号与电流闭环的控制输出信号叠加得到一路调制信号，与电流闭环的控制输出信号做差得到另一路调制信号；

用于实时调节中点电位，确保箝位电路的有效工作，保证IGBT安全可靠的工作。

f).驱动信号的生成：将步骤e)中得到的两路调制信号均与载波信号作比较，得到两路PWM驱动信号；一路PWM驱动信号分成两路分别与充电命令和放电命令进行与运算后，分别接于所有双向DC/DC变流支路中的V1和V3的控制端；另一路PWM驱动信号分成两路分别与充电命令和放电命令进行与运算后，分别接于所有双向DC/DC变流支路中的V2和V4的控制端。

各个DC/DC变流支路的载波信号相互之间存在一定的移相角度（移相角度为360/n），总充放电电流的等效载波频率为n*f（f为单个DC/DC变流支路的载波频率，n为DC/DC变流支路的数量），使得总充放电电流的纹波更小，更平滑。

Claims (5)

1.一种用于轨道交通的三电平拓扑储能装置，包括预充电电路、中点电位箝位电路、超级电容器Cap和n个双向DC/DC变流支路；其特征在于：中点电位箝位电路由电容C1和电容C2组成，电容C1的一端经预充电电路接于直流牵引电网的正极，C1的另一端与C2串联后接于直流牵引电网的负极；双向DC/DC变流支路由四个IGBT器件V1、V2、V3和V4以及电抗器L1组成，V1、V2、V3和V4依次串联后的两端分别接于C1与C2串联后的两端，V2与V3的连接点接于C1与C2的连接点；V1与V2的连接点、V3与V4的连接点分别接于电抗器L1的两个输入端上，L1的两个输出端分别接于超级电容器Cap的两端。

2.根据权利要求1所述的用于轨道交通的三电平拓扑储能装置，其特征在于：所述预充电电路由继电器KM1、继电器KM2和预充电电阻R1组成，继电器KM2的常开点与电阻R1串联再与继电器KM1的常开点并联后，一端接于直流牵引电网的正极，另一端与电容C1相连接。

3.根据权利要求1或2所述的用于轨道交通的三电平拓扑储能装置，其特征在于：所述IGBT器件为1700V的IGBT。

4.根据权利要求1或2所述的用于轨道交通的三电平拓扑储能装置，其特征在于：所述超级电容器Cap由多个超级电容单体串并联组成。

5.一种基于权利要求1所述的用于轨道交通的三电平拓扑储能装置的制动能量吸收再利用控制方法，其特征在于，通过以下步骤来实现：

a).检测电压：实时检测直流牵引电网的电压，设检测的电压值为Vpn；

b).电压比较：将检测到的直流牵引电网的电压Vpn与设定参考电压Vref作比较，如果Vpn＞Vref，则判断出列车处于制动状态引起电网电压上升，此时进入储能模式，充电命令信号进行置1有效；如果Vpn＜Vref，则判断出列车处于启动加速状态引起电网电压下降，此时进入释放模式，放电命令信号进行置1有效；

c).电压外环：将电压Vpn与设定参考电压Vref做差并经比例积分处理后，生成超级电容充放电的控制信号；

d).电流闭环：将超级电容器的充放电电流与步骤c)产生的超级电容充放电的控制信号做差，得到电流闭环的控制输出信号；

e).中点电位调节：将电容C1两端的电压Vpm与电容C2两端的电压Vmn做差，得到中点电位的偏差信号；将中点电位的偏差信号与电流闭环的控制输出信号叠加得到一路调制信号，与电流闭环的控制输出信号做差得到另一路调制信号；

f).驱动信号的生成：将步骤e)中得到的两路调制信号均与载波信号作比较，得到两路PWM驱动信号；一路PWM驱动信号分成两路分别与充电命令和放电命令进行与运算后，分别接于所有双向DC/DC变流支路中的V1和V3的控制端；另一路PWM驱动信号分成两路分别与充电命令和放电命令进行与运算后，分别接于所有双向DC/DC变流支路中的V2和V4的控制端。

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