CN201484208U - 铁路轨道再生制动能量储存装置 - Google Patents

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徐长勤
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Abstract

本实用新型属于能量储存技术领域的一种铁路轨道再生制动能量储存装置，直流母线通过断路器与预充电单元的输入端连接，预充电单元的输出端与电阻吸收单元连接，电阻吸收单元的输出端对接双向变换器单元，双向变换器单元的输出端接入由超级电容组成的超级电容单元，超级电容单元输出端对接蓄电池单元，蓄电池单元的输出端对接由逆变器构成的逆变单元，各单元电连通构成一体式整机能量储存机构；具有利用再生制动能量，改善电网品质；抑制温度升高和减少通风设备装机容量和峰值设计容量，减少基础设施投入；车体轻、节能、成本低；可靠性高、环保等突出优点。

Description

铁路轨道再生制动能量储存装置
技术领域：
本实用新型属于能量储存装置制造技术领域，涉及一种城市铁路轨道再生制动能量储存装置。
背景技术：
目前，在城市及铁路轨道交通工程中，直-交变压变频的传动方式已经普遍采用，列车制动逐渐向再生制动方面发展。列车在运行过程中，由于站点间距较短，列车起动、制动频繁，制动耗能相当巨大，地铁再生制动产生的反馈能量为牵引能量的30％以上。再生能量除少量被其它相邻列车吸收利用外，剩余部分主要被列车的吸收电阻或线路上的吸收电阻装置以发热的方式消耗吸收掉。据考察北京地铁750V直流供电电压在机车进站制动时可升到1000V以上，这是由于列车再生制动能量在直流电网上不能被相邻列车完全吸收造成的。当列车发车密度较低时，再生能量被其它车辆吸收的概率将大大降低。当列车发车间隔大于10min时，再生制动能量被吸收的概率几乎为零，这样绝大部分制动能量被车辆吸收电阻所吸收，变成热能并向四外散发。由于列车的制动主要发生在运行过程中，如果再生能量由车辆吸收电阻吸收，必将带来隧道和站台内的温升问题，同时也增加了站内环境控制装置的负担，造成大量的能源浪费，并使地铁的建设(冷却通风)费用和运行费用增加。现今国内铁路轨道交通在地面采用电阻吸收消耗装置处理列车运行过程中的再生能量，这不仅浪费能量，而且带来隧道和站台内的温升问题，同时也增加了站内空调通风装置的负担，同样使城轨的建设费用和运行费用增加。设计发明一种新型铁路电气轨道的能量储存装置以解决上述问题是现今地铁站点建设亟待解决的技术问题
发明内容：
本实用新型的发明目的在于克服现有技术中存在的缺点，寻求解决电气铁路的隧道和站台内的温升问题，降低站内环境控制装置的负担，减轻能源浪费，降低地铁及城际铁路的建设费用和运行费用。
为了实现上述目的，本实用新型的主体结构包括直流母线、预充电单元、电阻吸收单元、双向变换器单元、超级电容单元、蓄电池单元、逆变单元、超级电容、蓄电池和逆变器共十个单元或器件；直流母线直接通过断路器Q1与预充电单元的输入端连接，预充电单元的输出端与电阻吸收单元连接，电阻吸收单元的输出端对接双向变换器单元，双向变换器单元的输出端接入由超级电容组成的超级电容单元，超级电容单元输出端对接蓄电池单元，蓄电池单元的输出端对接由逆变器构成的逆变单元，各单元电连通构成一体式整机能量储存机构；预充电单元由电压传感器SV1和SV2、接触器KM1、KM2和KM3、电阻器R1和R2、电感器L1、电容器C和电流传感器SA2电连通组合构成；电阻吸收单元由三组等效绝缘栅双极晶体管(斩波器)串联吸收电阻后并联构成；双向变换器单元由绝缘栅双极晶体管(斩波器)IGBT1和IGBT2串联后通过串联接点连接的电感器L、电流传感器SA3和电阻器R电连通组成；超级电容单元由超级电容、绝缘栅双极晶体管(斩波器)IGBT3和电压传感器SV3电连通构成；蓄电池单元由蓄电池经开关K4与电压传感器SV4并联组成，其输出端通过串接的电流传感器SA4接入逆变器输入端。
本实用新型的电阻吸收单元根据各个传感器检测信号综合判断线网上是否有列车处于再生电制动状态，一旦确认列车处于再生制动状态并需要吸收能量时，斩波器立即投入工作，用电阻吸收能量，稳定直流母线电压不再上升，确保列车充分有效利用电制动；电阻吸收单元能在直流母线电压升高时有效的降低电压，保护器件；但电阻吸收是将再生制动能量以热量的形式消耗掉。
本实用新型的超级电容单元中的双向DC-DC变换器是该单元的重要组成部分，实现双象限运行，即变换器两端电压方向不变，但电流方向可以改变，在功能上相当于Boost变换器和Buck变换器的组合；主要工作在三个状态：列车牵引或加速时，变换器等效为升压斩波器，超级电容中的能量释放给直流母线，经逆变器提供给牵引电机；列车惰行时，变换器停止工作，处于备用保持状态；列车制动或减速时，牵引电机向直流电网反馈能量，使线网电压抬高，变换器动作，等效为降压斩波器，把电网上的多余能量传递给超级电容；通过以上三个状态的切换，使直流电网电压避免大范围波动，改善供电质量，将列车制动能量循环利用，节约电能。
本实用新型的蓄电池和逆变单元在车辆制动，直流母线电压升高，超级电容器充电的过程中，当电容电压高于蓄电池电压时，电容就向蓄电池充电，超级电容和蓄电池一起吸收能量，相当于增大了超级电容的容量；当直流母线电压降低，超级电容放电时，电容电压低于蓄电池电压，IGBT3斩波器动作，蓄电池向电容充电，相当于电容和蓄电池一起给电网回馈能量，增大了电容的容量；因蓄电池单元选用充放电性能更好，充放电时间更短的锂离子电池，能降低对超级电容单元的要求，故超级电容的要求降低了，体积变小了，减小了占地面积和成本；蓄电池经逆变单元转变成负载所需的各种形式的交流电，提高电能的利用率；逆变单元的作用是把蓄电池的电能转变成交流能量，供给负载使用。
本实用新型的SQ1检测直流母线电流，SV1检测母线电压，装置启动后，首先是预充电过程，母线电压先通过KM2支路，通过电阻限流来给C充电，SV2检测的是电容的电压，电容充满再通过KM1支路，KM3支路是电容放电用的，LC具有滤波作用；向超级电容充电时，直流母线电压通过IGBT1，利用BUCK电路给超级电容充电，超级电容通过二极管给蓄电池充电；超级电容放电时，通过IGBT2，利用BOOST电路向直流母线放电；蓄电池通过IGBT3给超级电容充电，SV3检测的是超级电容两端的电压；电感L具有滤波和储能的作用；当电容器组故障或电容器组的能量被充满时，电阻模块才发挥作用，通过IGBT来控制各个电阻支路的导通，电阻模块只吸收能量，不释放能量，主要是作为超级电容降压不足的补充；逆变单元把蓄电池的能量转化供负载使用，达到充分利用能量的作用；启动时，先由电站室远程控制直流控制电源的合上，启动电动主隔离开关，随后控制系统根据电网电压的大小来判断装置是否工作；当线网电压在设置的范围内(如900-1900V)时，控制系统首先合上KM2充电接触器，给滤波电容充电，然后合上线路接触器KM1，此时完成吸收装置投入工作前的准备；控制系统一旦确认列车处于再生制动状态并需要吸收能量时，斩波器IGBT1立即投入工作，通过降压斩波电路给超级电容充电，当超级电容的电压高于蓄电池的电压时，超级电容会通过防反二极管给蓄电池充电，若电容充满，直流母线电压仍高或超级电容单元故障，则电阻吸收单元的斩波器动作，由电阻吸收能量；控制系统确认列车处于启动状态导致母线电压降低时，斩波器IGBT2立即投入工作，通过升压斩波电路，超级电容放电，将能量回馈给直流母线，当超级电容的电压低于蓄电池的电压时，IGBT3动作，蓄电池给超级电容充电，直至超级电容电压过低停止放电；放电结束后，蓄电池的电能通过逆变模块转变成负载所需要的交流电。
本实用新型配有热电偶温度检测功能，检测各热管温度，当发现某一环节温度过高，控制系统将自动降低吸收功率，限制温度继续上升，直至关闭系统工作，保证吸收装置在无人监守的情况下自动安全运行，与现有技术相比，具有有效利用再生制动能量，改善电网供电品质；抑制地铁隧道内温度升高和减少地铁车站空调通风设备装机容量；减小峰值设计容量，减少供电设备和基础设施投入；车体更轻、节能、成本低；可靠性高、环保等突出优点。
附图说明：
图1为本实用新型的电学原理结构示意图。
具体实施方式：
下面通过实施例并结合附图作进一步说明。
实施例：
本实施例的直流母线1直接通过断路器Q1与预充电单元2的输入端连接，预充电单元2的输出端与电阻吸收单元连接，电阻吸收单元3的输出端对接双向变换器单元4，双向变换器单元4的输出端接入由超级电容8组成的超级电容单元5，超级电容单元5的输出端对接蓄电池单元6，蓄电池单元6的输出端对接由逆变器10构成的逆变单元7，各单元电连通构成一体式整机结构的能量储存装置或设备；预充电单元2包括由电压传感器SV1和SV2、接触器KM1、KM2和KM3、电阻器R1和R2、电感器L1、电容器C和电流传感器SA2电连通组成的充电电路；电阻吸收单元3由三组等效斩波器IGBT串联吸收电阻R3后再并联构成；双向变换器单元4由IGBT1和IGBT2串联后通过串联接点连接的电感器L、电流传感器SA3和电阻器R电连通组成；超级电容单元5由超级电容8、IGBT3和电压传感器SV3电连通构成；蓄电池单元6由蓄电池9经开关K4与电压传感器SV4并联组成，其输出端通过串接的电流传感器SA4接入逆变器10的输入端。
本实施例的相关元器件参数为SA1-SA3电流传感器，参数为DC2000V/2000A；断路器Q1参数为DC2000V；SV1-SV4电压传感器参数为DC2000V；KM1和KM2接触器参数为DC1000A；KM3参数为DC300A)；R1＝50欧；滤波电容C为1000UF/DC2000V；绝缘栅双极晶体管IGBT为1700V/1200A；吸收电阻R2＝1欧；K2和K4为普通开关；滤波电感L1为1mh；滤波电感L为5mh；超级电容8为650V/40F；R电阻＝50欧；蓄电池9为600V。
本实施例整机装配采用箱式结构，可广泛安装使用在电气化铁路列车或地铁列车及城际轨道列车等场合，经实验检测具有明显的能量吸收和再生使用效果，节能功效明显。

Claims (1)

1.一种铁路轨道再生制动能量储存装置，主体结构包括直流母线、预充电单元、电阻吸收单元、双向变换器单元、超级电容单元、蓄电池单元、逆变单元、超级电容、蓄电池和逆变器共十个单元或器件，其特征在于直流母线直接通过断路器与预充电单元的输入端连接，预充电单元的输出端与电阻吸收单元连接，电阻吸收单元的输出端对接双向变换器单元，双向变换器单元的输出端接入由超级电容组成的超级电容单元，超级电容单元输出端对接蓄电池单元，蓄电池单元的输出端对接由逆变器构成的逆变单元，各单元电连通构成一体式整机能量储存机构；预充电单元由电压传感器、接触器、电阻器、电感器、电容器和电流传感器电连通组合构成；电阻吸收单元由三组等效绝缘栅双极晶体管串联吸收电阻后并联构成；双向变换器单元由绝缘栅双极晶体管串联后通过串联接点连接的电感器、电流传感器和电阻器电连通组成；超级电容单元由超级电容、绝缘栅双极晶体管和电压传感器电连通构成；蓄电池单元由蓄电池经开关与电压传感器并联组成，其输出端通过串接的电流传感器接入逆变器输入端。
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