CN115579919A - 一种适用于轨道交通的飞轮储能系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于配电供电设备相关领域，并公开了一种适用于轨道交通的飞轮储能系统，其包括直流开关柜、双向变流器和飞轮储能装置，其中直流开关柜的上口与轨道交通接触网双向相连，它的下口与双向变流器的输入端双向相连；双向变流器的输出端与飞轮储能装置双向相连，并用于基于轨道交通接触网的实时电压检测值来实现相应的充放电控制；该飞轮储能装置则依照双向变流器的不同启动状态，从而执行对应的充放电。本发明还公开了相应的方法。通过本发明，能够更加有效地在机车制动时吸收过电压对电网冲击、在机车启动时将能量反馈到电网，同时有效解决了现有技术中长换流回路中由于杂散电感较大导致的器件电压应力过大问题。
Description
技术领域
本发明属于配电供电设备相关领域，更具体地，涉及一种适用于轨道交通的飞轮储能系统及方法。
背景技术
目前大城市正在大力发展轨道交通，地铁正成为城市中最重要的交通工具之一，轨道电力机车直接连接在接触网上。机车在制动过程中，容易对接触网产生冲击电压，为了保证设备安全，这一部分冲击一般都被电阻吸收，能量被浪费掉了。因为各个站点之间的距离较短，造成了机车的频繁启停，都通过电阻吸收掉会造成大量的能量消耗。
针对以上问题，现有技术中已经提出了采用超级电容储能系统、逆变回馈系统和飞轮储能系统等方式来实现再生能量的吸收引用。其中，飞轮储能由于具备循环寿命长、功率密度大、短时间大功率充放电能力强等特点，因此日益得到了重视关注。例如，CN202210658982.8公开了一种复合储能控制系统及方法，CN202110809145.6公开了一种基于飞轮储能的牵引供电系统及飞轮储能控制调度方法，CN202011061474.9公开了一种用于地铁列车的车载式飞轮储能系统的设计方法，等等。
然而，进一步的研究表明，上述解决方案仍然具备以下的缺陷或不足：地铁轨道交通的特点是区间运行时间短、启停频繁且短时间电压尖峰明显，特别是当杂散电感较大时易导致器件电压应力过大，从而造成对电气设备的损坏。
相应地，本领域亟需对此作出进一步的研究改进，以便更好地满足地铁轨道交通之类的高性能飞轮储能需求。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或需求，本发明的目的在于提供一种适用于轨道交通的飞轮储能系统及方法，其中通过对整个装置的构造组成及其关键模块的设置方式重新进行设计，相应能够更加有效地在机车制动时吸收过电压对电网冲击、在机车启动时将能量反馈到电网，同时有效解决了现有技术中长换流回路中由于杂散电感较大导致的器件电压应力过大问题，并确保在有功和无功情况下均可通过短换流来回路换流，因而尤其适用于城市地铁轨道交通之类的飞轮储能应用场合。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种适用于轨道交通的飞轮储能系统，其特征在于，该飞轮储能系统包括直流开关柜、双向变流器和飞轮储能装置，其中：
该直流开关柜的上口与轨道交通接触网双向相连，它的下口与所述双向变流器的输入端双向相连；
该双向变流器的输出端与所述飞轮储能装置双向相连，并基于轨道交通接触网的实时电压检测值，来实现相应的充放电控制；
其中，当电压检测值达到预设的阈值时，所述双向变流器启动并给所述飞轮储能装置充电以吸收多余的能量，由此保证接触网的电压稳定；而当电压检测值低于预设的阈值时，所述双向变流器反向启动并将能量由所述飞轮储能装置向接触网放电，由此在维持接触网电压稳定的同时，消耗掉所述飞轮储能装置充入的多余能量。
作为进一步优选地，上述飞轮储能系统还包括控制器，该控制器用于检测所述接触网的直流电压和所述飞轮储能装置的飞轮电机转速，并获取所述飞轮储能装置的飞轮状态，由此判断充放电状态与充放电电能，最终将控制指令发送给所述双向变流器。
作为进一步优选地，对于所述双向变流器而言，它呈现ANPC的三电平拓扑结构，并包括彼此并联的第一母线支撑电容C1和第二母线支撑电容C2、分别接在所述电容两端的第一均压电阻R1和第二均压电阻R2，以及三个独立的IGBT模块，其中第一IGBT模块T1\T2、第二IGBT模块T3\T4分别串联在所述第一母线支撑电容C1、第二母线支撑电容C2的两端，第三IGBT模块T5\T6连接在所述第一IGBT模块与所述第二IGBT模块的中点之间，它们的中点再与所述第一母线支撑电容C1、第二母线支撑电容C2的中点连接在一起。
作为进一步优选地，对于三个独立的IGBT模块而言，其中在正常工作时，所述第一IGBT模块的一个开关管T1与所述第二IGBT模块的一个开关管T3互补，所述第一IGBT模块的另一开关管T2与所述第二IGBT模块的另一开关管T4互补，所述第一IGBT模块的一个开关管T1与所述第三IGBT模块的一个开关管T5互补，所述第二IGBT模块的另一开关管T4与所述第三IGBT模块的另一开关管T6互补。
作为进一步优选地，所述直流开关柜采用电缆连接至接触网，所述双向变流器采用电缆连接至所述直流开关柜。
作为进一步优选地，所述控制器通过光纤通信分别连接至所述接触网和所述飞轮储能装置。
按照本发明的另一方面，还提供了相应的飞轮储能方法，其特征在于，该方法根据不同工况分别采用不同的工作模式运行：
充电吸能模式，当轨道交通的机车进站并制动时，对接触网的直流母线电压产生冲击并导致接触网电压达到预设的阈值，此时所述双向变流装置启动并给所述飞轮储能装置充电；
放电供能模式，当轨道交通的机车启动并出站时，接触网的直流母线电压会拉低并导致接触网电压低于预设的阈值，此时所述双向变流器反向启动并将能量由所述飞轮储能装置向接触网放电。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下技术优点：
（1）本发明充分结合城市轨道交通网及其飞轮储能的运行特性进行了分析，通过设计双向变流器并对其工作机制进行设计，相应在轨道机车制动时，能高响应地对飞轮储能进行充电，吸收掉过多余的能量；而当轨道机车启动时，又及时将飞轮储能储存的能量回馈到接触网当中，以供机车所需；
（2）本发明还进一步对双向变流器的内部电路构造及其布置方式作出了针对性改进，能够有效解决现有技术中常规飞轮储能系统因损耗分布不均带来的热不均；尤其是，本发明的储能系统在有功和无功情况下都可以通过短换流回路换流，从而克服了长换流回路时由于杂散电感较大导致的器件电压应力过大的问题；
（3）本发明的飞轮储能系统整体结构紧凑、便于操控，环境适应性好，能够更为灵活、高效地将飞轮储能运用于地铁轨道交通中，同时避免来了过电压对电气设备的损坏，充分再生利用能量，因而尤其适用于城市地铁轨道交通之类的飞轮储能应用场合。
附图说明
图1是用于按照本发明的飞轮储能系统的基本组成示意图；
图2是用于示范性显示按照本发明的飞轮储能系统的应用场景图；
图3是按照本发明的一个优选实施例，显示了双向变流器的主拓扑框图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1是用于按照本发明的飞轮储能系统的基本组成示意图。如图1所示，该系统主要包括直流开关柜、双向变流器和飞轮储能装置等组件，下面将逐一进行具体解释说明。
对于该直流开关柜而言，它的上口与轨道交通接触网双向相连，它的下口与所述双向变流器的输入端双向相连。
作为本发明的关键组成之一，该双向变流器的输出端与所述飞轮储能装置双向相连，并用于基于轨道交通接触网的实时电压检测值，来实现相应的充放电控制；其中，当电压检测值达到预设的阈值时，所述双向变流器启动并给所述飞轮储能装置充电以吸收多余的能量，由此保证接触网的电压稳定；而当电压检测值低于预设的阈值时，所述双向变流器反向启动并将能量由所述飞轮储能装置向接触网放电，由此在维持接触网电压稳定的同时，消耗掉所述飞轮储能装置充入的多余能量。
对于该飞轮储能装置，其譬如包括有飞轮变流器和飞轮，并可配套有相应的飞流变流器控制和飞轮控制器等。
参看图2，示范性显示了按照本发明的飞轮储能系统的应用场景。如图2中所示，双向变流器通过开关柜连接在接触网中，当图2中左侧的机车A进站制动时，接触网电压抬升，双向变流装置检测到网压达到设定阈值时，便会启动，将能量由接触网向飞轮储能装置流动，给飞轮储能装置充电，以保证接触网的电压稳定；当图2中右侧的机车B出站时，会拉低接触网电压，双向变流装置检测到网压低于设定阈值时，便会启动，将能量由飞轮储能装置向接触网释放，让飞轮装置放电，既维持接触网电压稳定又提高了电能的利用率，从而达到节能的目的。
如图3中所示，按照本发明的一个优选实施例，对于所述双向变流器而言，它呈现ANPC的三电平拓扑结构，并包括彼此并联的第一母线支撑电容C1和第二母线支撑电容C2、分别接在所述电容两端的第一均压电阻R1和第二均压电阻R2，以及三个独立的IGBT模块，其中第一IGBT模块T1\T2、第二IGBT模块T3\T4分别串联在所述第一母线支撑电容C1、第二母线支撑电容C2的两端，第三IGBT模块T5\T6连接在所述第一IGBT模块与所述第二IGBT模块的中点之间，它们的中点再与所述第一母线支撑电容C1、第二母线支撑电容C2的中点连接在一起。
按照本发明的另一优选实施例，对于三个独立的IGBT模块而言，其中在正常工作时，所述第一IGBT模块的一个开关管T1与所述第二IGBT模块的一个开关管T3互补，所述第一IGBT模块的另一开关管T2与所述第二IGBT模块的另一开关管T4互补，所述第一IGBT模块的一个开关管T1与所述第三IGBT模块的一个开关管T5互补，所述第二IGBT模块的另一开关管T4与所述第三IGBT模块的另一开关管T6互补。
通过以上设计，与传统的NPC1型三电平电路比较，把钳位二极管换成主开关管，就形成了ANPC，用于解决NPC损耗分布不均带来的热不均。最重要的是，ANPC在有功和无功情况下都可以通过短换流回路换流。从而解决了长换流回路时由于杂散电感较大导致的器件电压应力过大的问题。此外，上述次结构的优点是采用普通的IGBT模块搭建ANPC拓扑，满足轨道交通高耐压的要求，同时此种结构IGBT损耗分布均匀，结构设计简单易于实现。
综上，按照本发明的飞轮储能系统及其方式能够更加有效地在机车制动时吸收过电压对电网冲击、在机车启动时将能量反馈到电网，同时有效解决了现有技术中长换流回路中由于杂散电感较大导致的器件电压应力过大问题，并确保在有功和无功情况下均可通过短换流来回路换流，因而尤其适用于城市地铁轨道交通之类的飞轮储能应用场合，并具备广阔的应用前景。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种适用于轨道交通的飞轮储能系统，其特征在于，该飞轮储能系统包括直流开关柜、双向变流器和飞轮储能装置，其中：
该直流开关柜的上口与轨道交通接触网双向相连，它的下口与所述双向变流器的输入端双向相连；
该双向变流器的输出端与所述飞轮储能装置双向相连，并基于轨道交通接触网的实时电压检测值，来实现相应的充放电控制；
其中，当电压检测值达到预设的阈值时，所述双向变流器启动并给所述飞轮储能装置充电以吸收多余的能量，由此保证接触网的电压稳定；而当电压检测值低于预设的阈值时，所述双向变流器反向启动并将能量由所述飞轮储能装置向接触网放电，由此在维持接触网电压稳定的同时，消耗掉所述飞轮储能装置充入的多余能量。
2.如权利要求1所述的飞轮储能系统，其特征在于，上述飞轮储能系统还包括控制器，该控制器用于检测所述接触网的直流电压和所述飞轮储能装置的飞轮电机转速，并获取所述飞轮储能装置的飞轮状态，由此判断充放电状态与充放电电能，最终将控制指令发送给所述双向变流器。
3.如权利要求1或2所述的飞轮储能系统，其特征在于，对于所述双向变流器而言，它呈现ANPC的三电平拓扑结构，并包括彼此并联的第一母线支撑电容C1和第二母线支撑电容C2、分别接在所述电容两端的第一均压电阻R1和第二均压电阻R2，以及三个独立的IGBT模块，其中第一IGBT模块T1\T2、第二IGBT模块T3\T4分别串联在所述第一母线支撑电容C1、第二母线支撑电容C2的两端，第三IGBT模块T5\T6连接在所述第一IGBT模块与所述第二IGBT模块的中点之间，它们的中点再与所述第一母线支撑电容C1、第二母线支撑电容C2的中点连接在一起。
4.如权利要求3所述的飞轮储能系统，其特征在于，对于三个独立的IGBT模块而言，其中在正常工作时，所述第一IGBT模块的一个开关管T1与所述第二IGBT模块的一个开关管T3互补，所述第一IGBT模块的另一开关管T2与所述第二IGBT模块的另一开关管T4互补，所述第一IGBT模块的一个开关管T1与所述第三IGBT模块的一个开关管T5互补，所述第二IGBT模块的另一开关管T4与所述第三IGBT模块的另一开关管T6互补。
5.如权利要求2所述的飞轮储能系统，其特征在于，所述直流开关柜采用电缆连接至接触网，所述双向变流器采用电缆连接至所述直流开关柜。
6.如权利要求2所述的飞轮储能系统，其特征在于，所述控制器通过光纤通信分别连接至所述接触网和所述飞轮储能装置。
7.一种如权利要求1-6任意一项所述的飞轮储能系统的工作方法，其特征在于，该方法根据不同工况分别采用不同的工作模式运行：
充电吸能模式，当轨道交通的机车进站并制动时，对接触网的直流母线电压产生冲击并导致接触网电压达到预设的阈值，此时所述双向变流装置启动并给所述飞轮储能装置充电；
放电供能模式，当轨道交通的机车启动并出站时，接触网的直流母线电压会拉低并导致接触网电压低于预设的阈值，此时所述双向变流器反向启动并将能量由所述飞轮储能装置向接触网放电。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20230106 |