CN113640598A - 一种超级电容储能装置环流测试系统及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超级电容储能装置环流测试系统及测试方法，设计了超级电容储能装置环流测试系统，通过设置第一电容单元、第二电容单元，并将电容单元通过可控开关与双向变流器相互连接，模拟出城市轨道交通超级电容储能装置的电路拓扑，为超级电容储能装置环流测试提供了试验基础，并设计了全流程的测试方法，包括模拟现场列车刹车、启动等运行工况，以及大功率循环充放电测试的情况，可在非现场环境进行城市轨道交通超级电容储能装置模拟现场列车刹车、启动时的试验工况，进行大功率循环充放电测试，验证系统的充放电策略及装置稳定性。

Description

一种超级电容储能装置环流测试系统及测试方法

技术领域

本发明涉及储能装置测控技术领域，尤其涉及一种超级电容储能装置环流测试系统及测试方法。

背景技术

地铁刹车制动时会产生很大的再生制动能量，城市轨道交通超级电容储能装置把地铁刹车制动能量储存至超级电容柜；地铁启动时，可以把超级电容柜能量提供给地铁加速启动，适用于分散供电或行车间隔较大的市域线路。针对地铁刹车能量吸收方式，储能吸收方式与逆变回馈方式相比，虽然储能吸收方式装置体积大、造价略高，但是不与交流电网连接，可以不受电网容量谐波限制，而且可以节省中压变压器等设备；与电池型、飞轮储能型、锂电容储能型相比，超级电容有功率密度高、动态性能好、寿命长等优点，因此超级电容储能装置成为城市轨道交通能量回收节能的一种重要方案，受到广泛关注和应用。

地铁刹车产生能量普遍较大，所以城市轨道交通超级电容储能装置设置的功率也较大，一般在4MW及以上，这就给产品研制成功后非现场功能验证带来了困难，一般非现场实验环境没有这么大功率配置。

发明内容

基于现有技术的上述情况，本发明的目的在于提供一种超级电容储能装置环流测试系统及测试方法，适用于城市轨道交通超级电容储能实验环境测试，模拟机车刹车及启动网压，验证超级电容储能装置充放电逻辑；功率环流试验，满足长期弱电网下的设备温升及稳定性测试。

为达到上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种超级电容储能装置环流测试系统，该系统包括超级电容储能装置和双向变流器；其中，

所述超级电容储能装置包括第一电容单元和第二电容单元，第一电容单元和第二电容单元分别通过第一和第二可控开关与双向变流器串联连接；

所述双向变流器的另一端通过变压器连接交流电网。

所述第一电容单元包括相互串联连接的第一电容柜组和第一储能变流器；所述第二电容单元包括相互串联连接的第二电容柜组和第二储能变流器。

根据本发明的第二个方面，提供了一种用于如本发明第一个方面所述的超级电容储能装置环流测试系统的测试方法，包括步骤：

控制第一和第二可控开关接通，使得第一和第二电容单元并联运行；

设稳压值U_{dc_ref}满足：U_{dc_ref}＝U_{dc_ref1}，模拟现场刹车制动工况，令直流电压U_dc≥U_{dc_ref1}超级电容储能装置进入充电模式；

设稳压值U_{dc_ref}满足：U_{dc_ref}＝U_{dc_ref2}，模拟现场列车启动工况，令直流电压U_dc≤U_{dc_ref2}超级电容储能装置进入放电模式；

设稳压值U_{dc_ref}满足：U_{dc_ref2}≤U_{dc_ref}≤U_{dc_ref1}，模拟现场无列车刹车和启动，超级电容储能装置进入待机运行模式；

其中，U_{dc_ref1}为现场刹车制动时的直流参考电压，U_{dc_ref2}为现场列车启动时的直流参考电压。

根据本发明的第三个方面，提供了一种用于如本发明第一个方面所述的超级电容储能装置环流测试系统的测试方法，包括步骤：

控制第一和第二可控开关断开；

采样第一电容柜组的第一直流母线电压U_dc1和第二电容柜组的第二直流母线电压U_dc2；

判断是否U_dc1≥U_ref1或者U_dc2≤U_ref2，若是，则控制第一储能变流器运行于放电状态，第二储能变流器运行于充电状态；若否，则跳转至下一步骤；

判断是否U_dc1≤U_ref2或者U_dc2≥U_ref1，若是，则控制第一储能变流器运行于充电状态，第二储能变流器运行于放电状态；若否，则跳转至下一步骤；

返回第一步骤循环进行该测试；

其中，U_ref1为电容柜充电最大阈值，U_ref2为电容柜放电最小阈值，且U_ref1＞U_ref2。

根据本发明的第四个方面，提供了一种用于如本发明第一个方面所述的超级电容储能装置环流测试系统的测试方法，包括步骤：

控制第一和第二可控开关断开；

采样第一电容柜组的第一直流母线电压U_dc1和第一直流母线电流I_dc1，以及第二电容柜组的第二直流母线电压U_dc2和第二直流母线电流I_dc2；

计算第一储能变流器低压侧功率P₁和第二储能变流器低压侧功率P₂：

P₁＝U_dc1*I_dc1

P₂＝U_dc2*I_dc2

判断是否U_dc1≥U_dc2，并根据判断结果对储能变流器的输出功率电流指令进行调整。

进一步的，所述根据判断结果对储能变流器的输出功率电流指令进行调整，包括：

若U_dc1≥U_dc2，则计算第一储能变流器输出功率电流指令I_{dc_ref1}；将第二储能变流器的输出功率电流指令由当前电流指令斜坡升至I_{dc_ref}，将第一储能变流器的输出功率电流指令由当前电流指令斜坡升至I_{dc_ref1}；

其中，I_{dc_ref}根据电容柜组及其最大输出功率确定。

进一步的，所述根据判断结果对储能变流器的输出功率电流指令进行调整，还包括：

若U_dc1<U_dc2，计算第二储能变流器输出功率电流指令I_{dc_ref2}，将第一储能变流器的输出功率电流指令由当前电流指令斜坡升至I_{dc_ref}，将第二储能变流器的输出功率电流指令由当前电流指令斜坡升至I_{dc_ref2}；

进一步的，所述第一储能变流器输出功率电流指令I_{dc_ref1}根据下式计算：

I_{dc_ref1}＝P₂/U_dc1。

进一步的，所述第二储能变流器输出功率电流指令I_{dc_ref2}根据下式计算：

I_{dc_ref2}＝P₁/U_dc2。

综上所述，本发明提供了一种超级电容储能装置环流测试系统及测试方法，轨道交通系统由于人流量大、速度快、安全准时的特点，对其系统中设备稳定性要求特别高。特别是轨道交通超级电容储能装置担负地铁刹车和启动时直流网大量能量需要转移问题，稍有问题，可能影响列车刹车功能及直流网设备安全性。所以，轨道交通超级电容储能装置必须在运抵轨道交通现场安装前确定其充放电控制策略和大功率运行的稳定性。针对以上需要，本发明设计了超级电容储能装置环流测试系统，通过设置第一电容单元、第二电容单元，并将电容单元通过可控开关与双向变流器相互连接，模拟出城市轨道交通超级电容储能装置的电路拓扑，为超级电容储能装置环流测试提供了试验基础，并设计了全流程的测试方法，包括模拟现场列车刹车、启动等运行工况，以及大功率循环充放电测试的情况，可在非现场环境进行城市轨道交通超级电容储能装置模拟现场列车刹车、启动时的试验工况，进行大功率循环充放电测试，验证系统的充放电策略及装置稳定性。

附图说明

图1是本发明超级电容储能装置环流测试系统的电路结构示意图；

图2是本发明超级电容储能装置环流测试系统的构成框图；

图3是双向变流器作为稳压源模拟地铁牵引网的网压曲线；

图4是本发明第三个实施例提供的环流测试方法的流程图；

图5是本发明第四个实施例提供的环流测试方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

下面对结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。根据本发明的一个实施例，提供了一种超级电容储能装置环流测试系统，该系统的电路结构示意图如图1所示，该系统包括超级电容储能装置和双向变流器。

其中，所述超级电容储能装置包括第一电容单元和第二电容单元，第一电容单元和第二电容单元分别通过第一和第二可控开关与双向变流器串联连接。所述第一电容单元包括相互串联连接的第一电容柜组和第一储能变流器；所述第二电容单元包括相互串联连接的第二电容柜组和第二储能变流器。所述双向变流器的另一端通过变压器连接交流电网。第一电容柜组例如为如图1所示的1#电容柜组，其中包括有若干各电容柜，各个电容柜通过可控开关K1DC1……K1DCn连接至第一储能变流器，例如为图1所示的1#储能变流器。第二电容柜组的组成结构与第一电容柜组相类似，各电容柜通过可控开关K2DC1……K3DCn连接至第二储能变流器。第一储能变流器和第二储能变流器通过第一和第二可控开关K1和K2连接至双向变流器，可控开关K1和K2可以通过开通和关断以将第一电容单元和第二电容单元切换为并联连接或者其他连接方式。在电容单元和双向变流器之间还可以设置例如直流隔离开关KG,以用于故障或者检修时电气隔离。双向变流器通过三相交流断路器和变压器连接至电网。本实施例提供的测试系统的构成框图如图2所示，其中，第一和第二储能变流器与双向变流器相互连接的一端为高压侧直流母线，第一和第二储能变流器分别与第一和第二电容柜组连接的一端为低压侧直流母线。

根据本发明的第二至第四个实施例，分别提供了一种用于如本发明第一个实施例所述的超级电容储能装置环流测试系统的测试方法。以下分别说明。

根据本发明的第二个实施例，提供了一种环流测试方法，包括如下步骤：

控制第一和第二可控开关K1、K2接通，使得第一和第二电容单元并联运行。

设稳压值U_{dc_ref}满足：U_{dc_ref}＝U_{dc_ref1}，模拟现场刹车制动工况，令直流电压U_dc≥U_{dc_ref1}超级电容储能装置进入充电模式；

设稳压值U_{dc_ref}满足：U_{dc_ref}＝U_{dc_ref2}，模拟现场列车启动工况，令直流电压U_dc≤U_{dc_ref2}超级电容储能装置进入放电模式；

设稳压值U_{dc_ref}满足：U_{dc_ref2}≤U_{dc_ref}≤U_{dc_ref1}，模拟现场无列车刹车和启动，超级电容储能装置进入待机运行模式；

其中，U_{dc_ref1}为现场刹车制动时的直流参考电压，U_{dc_ref2}为现场列车启动时的直流参考电压。

该实施例提供的测试方式用于模拟轨道交通列车刹车制动时直流母线电压升高，超级电容储能装置进入充电模式，吸收列车刹车能量。进入该测试模式后，超级电容第一直流母线电压U_dc1和第二直流母线电压U_dc2会因为充电电压升高，由电容柜内部判断充电是否正常。

在该实施例提供的测试方法中，将双向变流器作为稳压源，以模拟地铁牵引网的网压曲线，其稳压值为U_{dc_ref}，为第一和第二储能变流器提供高压侧电压及损耗能量补充；U_{dc_ref}可以根据轨道交通现场运行电压值确定。图3示出了双向变流器作为稳压源模拟地铁牵引网的网压曲线。

还可以将第一、第二电容柜组通过第一、第二储能变流器分别充电至初始运行状态；其中，将第一电容柜组充电至电压≥U_ref1，将第二电容柜组充电至电压≥U_ref2；U_ref1、U_ref2根据电容柜特性及充放电能量要求确定。其中，U_ref1为电容柜充电最大阈值，U_ref2为电容柜放电最小阈值，该步骤可以用于保证第一次充放电时电容柜可以满足一个充电、一个放电的电压要求。

根据本发明的第三个实施例，提供了一种环流测试方法，该测试方法的流程图如图4所示，包括如下步骤：

控制第一和第二可控开关K1、K2断开；

采样第一电容柜组的第一直流母线电压U_dc1和第二电容柜组的第二直流母线电压U_dc2，并根据直流母线电压判断各储能变流器分别处于充电或者放电状态。

判断是否U_dc1≥U_ref1或者U_dc2≤U_ref2，若是，则控制第一储能变流器运行于放电状态，第二储能变流器运行于充电状态；若否，则跳转至下一步骤。此时电流流向为第一电容柜组→第一储能变流器→第二储能变流器→第二电容柜组。

判断是否U_dc1≤U_ref2或者U_dc2≥U_ref1，若是，则控制第一储能变流器运行于充电状态，第二储能变流器运行于放电状态；若否，则跳转至下一步骤。此时电流流向为第二电容柜组→第二储能变流器→第一储能变流器→第一电容柜组。其中，U_ref1为电容柜充电最大阈值，U_ref2为电容柜放电最小阈值，且U_ref1＞U_ref2。

返回第一步骤循环进行该测试。如此往复循环，从而使得第一和第二储能变流器根据低压侧母线电压进行充放电循环测试。

根据本发明的第四个实施例，提供了一种环流测试方法，该测试方法的流程图如图5所示，该实施例提供的方法根据第一、第二储能变流器低压侧功率及充电放电状态和第一电容柜组母线电压以及第二电容柜组母线电压计算第一、第二储能变流器的充放电电流指令，包括如下步骤：

控制第一和第二可控开关断开；

采样第一电容柜组的第一直流母线电压U_dc1和第一直流母线电流I_dc1，以及第二电容柜组的第二直流母线电压U_dc2和第二直流母线电流I_dc2；

计算第一储能变流器低压侧功率P₁和第二储能变流器低压侧功率P₂：

P₁＝U_dc1*I_dc1

P₂＝U_dc2*I_dc2

判断是否U_dc1≥U_dc2，并根据判断结果对储能变流器的输出功率电流指令进行调整。

其中，根据判断结果对储能变流器的输出功率电流指令进行调整，包括：

若U_dc1≥U_dc2，则计算第一储能变流器输出功率电流指令I_{dc_ref1}；将第二储能变流器的输出功率电流指令由当前电流指令斜坡升至I_{dc_ref}，将第一储能变流器的输出功率电流指令由当前电流指令斜坡升至I_{dc_ref1}；该第一储能变流器输出功率电流指令I_{dc_ref1}可以根据下式计算：

I_{dc_ref1}＝P₂/U_dc1

以及：

若U_dc1<U_dc2，计算第二储能变流器输出功率电流指令I_{dc_ref2}，将第一储能变流器的输出功率电流指令由当前电流指令斜坡升至I_{dc_ref}，将第二储能变流器的输出功率电流指令由当前电流指令斜坡升至I_{dc_ref2}；该第二储能变流器输出功率电流指令I_{dc_ref2}可以根据下式计算：

I_{dc_ref2}＝P₁/U_dc2

其中，I_{dc_ref}根据电容柜组及其最大输出功率确定，为第一储能变流器和第二储能变流器最大运行电流。

该实施例提供的方法通过第一、第二储能变流器低压侧电压、充放电状态，第一、第二电容柜组充放电循环运行，实现模拟环流温升试验，验证整套系统的运行稳定性。

综上所述，本发明涉及一种超级电容储能装置环流测试系统及测试方法，轨道交通系统由于人流量大、速度快、安全准时的特点，对其系统中设备稳定性要求特别高。特别是轨道交通超级电容储能装置担负地铁刹车和启动时直流网大量能量需要转移问题，稍有问题，可能影响列车刹车功能及直流网设备安全性。所以，轨道交通超级电容储能装置必须在运抵轨道交通现场安装前确定其充放电控制策略和大功率运行的稳定性。针对以上需要，本发明设计了超级电容储能装置环流测试系统，通过设置第一电容单元、第二电容单元，并将电容单元通过可控开关与双向变流器相互连接，模拟出城市轨道交通超级电容储能装置的电路拓扑，为超级电容储能装置环流测试提供了试验基础，并设计了全流程的测试方法，包括模拟现场列车刹车、启动等运行工况，以及大功率循环充放电测试的情况，可在非现场环境进行城市轨道交通超级电容储能装置模拟现场列车刹车、启动时的试验工况，进行大功率循环充放电测试，验证系统的充放电策略及装置稳定性。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (9)

1.一种超级电容储能装置环流测试系统，其特征在于，该系统包括超级电容储能装置和双向变流器；其中，

所述超级电容储能装置包括第一电容单元和第二电容单元，第一电容单元和第二电容单元分别通过第一和第二可控开关与双向变流器串联连接；

所述双向变流器的另一端通过变压器连接交流电网。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一电容单元包括相互串联连接的第一电容柜组和第一储能变流器；所述第二电容单元包括相互串联连接的第二电容柜组和第二储能变流器。

3.一种用于如权利要求2所述的超级电容储能装置环流测试系统的测试方法，其特征在于，包括步骤：

控制第一和第二可控开关接通，使得第一和第二电容单元并联运行；

设稳压值U_{dc_ref}满足：U_{dc_ref}＝U_{dc_ref1}，模拟现场刹车制动工况，令直流电压U_dc≥U_{dc_ref1}超级电容储能装置进入充电模式；

设稳压值U_{dc_ref}满足：U_{dc_ref}＝U_{dc_ref2}，模拟现场列车启动工况，令直流电压U_dc≤U_{dc_ref2}超级电容储能装置进入放电模式；

设稳压值U_{dc_ref}满足：U_{dc_ref2}≤U_{dc_ref}≤U_{dc_ref1}，模拟现场无列车刹车和启动，超级电容储能装置进入待机运行模式；

其中，U_{dc_ref1}为现场刹车制动时的直流参考电压，U_{dc_ref2}为现场列车启动时的直流参考电压。

4.一种用于如权利要求2所述的超级电容储能装置环流测试系统的测试方法，其特征在于，包括步骤：

控制第一和第二可控开关断开；

采样第一电容柜组的第一直流母线电压U_dc1和第二电容柜组的第二直流母线电压U_dc2；

判断是否U_dc1≥U_ref1或者U_dc2≤U_ref2，若是，则控制第一储能变流器运行于放电状态，第二储能变流器运行于充电状态；若否，则跳转至下一步骤；

判断是否U_dc1≤U_ref2或者U_dc2≥U_ref1，若是，则控制第一储能变流器运行于充电状态，第二储能变流器运行于放电状态；若否，则跳转至下一步骤；

返回第一步骤循环进行该测试；

其中，U_ref1为电容柜充电最大阈值，U_ref2为电容柜放电最小阈值，且U_ref1＞U_ref2。

5.一种用于如权利要求2所述的超级电容储能装置环流测试系统的测试方法，其特征在于，包括步骤：

控制第一和第二可控开关断开；

采样第一电容柜组的第一直流母线电压U_dc1和第一直流母线电流I_dc1，以及第二电容柜组的第二直流母线电压U_dc2和第二直流母线电流I_dc2；

计算第一储能变流器低压侧功率P₁和第二储能变流器低压侧功率P₂：

P₁＝U_dc1*I_dc1

P₂＝U_dc2*I_dc2

判断是否U_dc1≥U_dc2，并根据判断结果对储能变流器的输出功率电流指令进行调整。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述根据判断结果对储能变流器的输出功率电流指令进行调整，包括：

若U_dc1≥U_dc2，则计算第一储能变流器输出功率电流指令I_{dc_ref1}；将第二储能变流器的输出功率电流指令由当前电流指令斜坡升至I_{dc_ref}，将第一储能变流器的输出功率电流指令由当前电流指令斜坡升至I_{dc_ref1}；

其中，I_{dc_ref}根据电容柜组及其最大输出功率确定。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述根据判断结果对储能变流器的输出功率电流指令进行调整，还包括：

若U_dc1<U_dc2，计算第二储能变流器输出功率电流指令I_{dc_ref2}，将第一储能变流器的输出功率电流指令由当前电流指令斜坡升至I_{dc_ref}，将第二储能变流器的输出功率电流指令由当前电流指令斜坡升至I_{dc_ref2}。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述第一储能变流器输出功率电流指令I_{dc_ref1}根据下式计算：

I_{dc_ref1}＝P₂/U_dc1。

9.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述第二储能变流器输出功率电流指令I_{dc_ref2}根据下式计算：

I_{dc_ref2}＝P₁/U_dc2。

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