CN203352189U - 超级电容线路储能系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种超级电容线路储能系统，包括信号输入装置、变流控制装置及储能装置；所述信号输入装置用于向控制变流装置输入信号，控制变流控制装置的启动/关闭；所述变流控制装置包括主控模块及与主控模块电连接的双向DC-DC变换模块，所述储能装置与双向DC-DC变换模块电连接，用于储存/释放电能。本实用新型能够回收利用列车的制动电能，稳定接触网网压。

Description

超级电容线路储能系统

技术领域

本实用新型涉及电能管理控制领域，尤其涉及一种自动监控和调整列车线路电网对超级电容储能系统。

背景技术

随着轨道交通和智能电网的不断发展，提高轨道交通的能源利用效率与更智能稳定的电网已成为必然趋势。目前，国内地铁列车制动时产生的电能，一部分被沿线车辆设备吸收使用，而另一部分则是通过制动电阻发热的形式进行消耗，或者通过机械制动（地铁列车中没有制动电阻）摩擦消耗。这样，大量可再生能量以发热的方式白白浪费，同时还造成接触网网压剧烈波动，进而对牵引供电电网构成巨大压力。国外对储能式列车再生制动电能研究应用系统主要有西门子公司的SITRAS SES和庞巴迪公司的MITRAC Energy Saver，价格都非常昂贵。国内目前没有成熟的列车制动能量回收再生系统，本公司属于国内第一批自主研发设计厂商。引进国外产品不仅价格高昂而且技术封闭，对长期的维护更新造成困难。

实用新型内容

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种超级电容线路储能系统，能够回收利用列车制动电能，稳定接触网网压。

本实用新型采用的一个技术方案是：提供一种超级电容线路储能系统，包括信号输入装置、变流控制装置及储能装置；所述信号输入装置用于向变流控制装置输入信号，控制变流控制装置的启动/关闭；所述变流控制装置包括主控模块及与主控模块电连接的双向DC-DC变换模块，所述主控模块用于采集外部电网电压信号及储能装置的电压信号，对电网电压及储能装置电压所在电压区间进行分析，以及根据分析结果向双向DC-DC变换模块发送充电/放电控制指令；所述双向DC-DC变换模块根据充电/放电指令向储能装置发送电流调整信号，使储能装置充电/放电；所述储能装置与双向DC-DC变换模块电连接，用于储存/释放电能。

其中，所述储能装置为超级电容。

在一方案中，所述主控模块包括电网电压采样电路、电容电压采样电路、MCU控制电路及串口通信电路，所述电网电压采样电路及电容电压采样电路分别与MCU控制电路电连接；所述MCU控制电路与串口通信电路电连接，并通过串口通信电路与双向DC-DC变换模块电连接。

其中，所述主控模块包括电网电压采样电路、电容电压采样电路及MCU控制电路，所述电网电压采样电路及电容电压采样电路分别与MCU控制电路电连接；所述MCU控制电路与双向DC-DC变换模块电连接。

其中，所述主控模块还包括串口通信电路，所述信号输入装置及储能装置通过串口通信电路与输入信号检测电路电连接。

其中，所述主控模块还包括输出指令驱动电路，所述输出指令驱动电路的输入端与MCU控制电路电连接，其输出端与双向DC-DC变换模块的输入端电连接。

其中，所述主控模块还包括温度采样电路，所述温度采样电路的输出端与输入信号检测电路的第三输入端电连接。

其中，所述电流调整信号为PWM脉冲信号。

本实用新型的有益技术效果是：区别于现有技术中列车制动过程中的一部分电能以热量的方式消耗，引起的接触网网压剧烈波动的问题，本实用新型提供了一种超级电容线路储能系统，主要采用变流控制装置和储能装置，通过变流控制装置能够对制动电能中以热量形式消耗的电能进行管理，当线路储能系统处于正常工作模式时，线路储能系统对采集的列车线路电网电压和储能装置电压信号进行逻辑处理后，通过对双向DC-DC变换模块发送电流调整信号，从而使储能装置充电或放电；当电网电压值高于电压信号当线路储能系统处于故障模式时，通过对双向DC-DC变换模块发送禁止充电命令或者置零的电流调整信号，禁止储能装置充电或者放电动作。本实用新型通过主控模块及双向DC-DC变换模块控制储能装置进行充电/放电或者停止充电/放电，能够合理利用电能资源，并且能够有效降低接触网网压剧烈波动，达到稳定接触网网压的效果。

附图说明

图1为本实用新型超级电容线路储能系统结构框图；

图2为本实用新型主控模块的电路模块结构框图；

图3为本实用新型超级电容线路储能系统控制方案状态转换图；

图4为本实用新型超级电容线路储能系统控制方案原理框图；

图5为本实用新型超级电容线路储能系统工作流程示意图；

图6为本实用新型超级电容线路储能系统运行的稳态实验波形图。

具体实施方式

为详细说明本实用新型的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。

参阅图1，图1所示为本实用新型的超级电容线路储能系统结构图。本实施例一种超级电容线路储能系统，包括信号输入装置、变流控制装置及储能装置。

所述信号输入装置用于向变流控制装置输入信号，控制变流控制装置的启动/关闭。信号输入装置设置有按钮或者人机互动的界面，根据具体需求实时的输入信号，以启动/关闭启动或结束超级电容线路储能系统。

所述变流控制装置与信号输入装置电连接，包括主控模块及与主控模块电连接的双向DC-DC变换模块，所述主控模块用于采集外部电网电压信号及储能装置的电压信号，对电网电压及储能装置电压所在电压区间进行分析，以及根据分析结果向双向DC-DC变换模块发送充电/放电控制指令；所述双向DC-DC变换模块根据充电/放电指令向储能装置发送电流调整信号，使储能装置充电/放电。

所述储能装置与双向DC-DC变换模块电连接，用于储存/释放电能。在一优选的实施例中，上述储能装置可以是超级电容，还可以是其它容量较大的电容或并联的电容组。

参阅图2，在一具体的实施例中，所述主控模块包括电网电压采样电路、电容电压采样电路、温度采样电路、输入信号检测电路、MCU控制电路、输出指令驱动电路及串口通信电路。所述电网电压采样电路、电容电压采样电路及温度采样电路的输出端分别与输入信号检测电路的第一输入端、第二输入端及第三输入端电连接，而输入信号检测电路的输出端与MCU控制电路电连接。MCU控制电路对采集的电网电压和电容电压与预设的电压值进行分析，并发送控制指令。输出指令检测电路与MCU控制电路电连接，接收并驱动控制指令，将驱动后的控制指令发送至双向DC-DC变换模块，由双向DC-DC变换模块控制储能装置充电/放电。具体的，上述的串口通信电路为信号的外部信号输入接口电路之一，所述信号输入装置及储能装置通过串口通信电路与输入信号检测电路电连接。

上述的主控模块还同其他的电路采集储能装置的输入电流及输出电流、电抗器温度、母线电压、接地电压等；主控模块利用输入检测电路检测熔断器状态、启动或停止命令、接触器状态等反馈信号；上述的控制命令包括调整电流命令、充电放电命令、变换器故障信号等。

参阅图3和图5，超级电容线路储能系统的控制方案总共有三个模式，包括正常工作模式、故障模式及无动作模式。无动作模式不产任何动作；故障模式发出故障保护信号；本系统的主要模式为正常工作模式，制动能量回收和再生利用在正常工作模式中完成。

下面具体对正常工作模式进行分析，它包括准备状态、预充电状态、等待状态及充电/放电状态，具体的状态转换可以参阅图3。

系统启动后，首先转换成准备状态，设备正常（输入信号持续800毫秒，）时进入预充电状态。预充电状态4S内完成预充电则进入等待状态，否则退回至准备状态。系统处于等待状态下，电网电压高于充电参考电压（充电阈值）、超级电容电压低于充电最大阈值及设备正常，储能装置进入充电状态；电网电压低于放电参考电压（放电阈值）、超级电容电压高于放电最小阈值及设备正常，储能装置进入放电电状态。充电状态下，电容电压高于满电电压或设备故障时，储能装置进入退回等待状态，否则保持充电状态。放电状态下，电容电压低于发电最小阈值或设备故障，储能装置进入退回等待状态，否则保持放电状态。状态转换采用滞回法，一旦进入某个状态，必须超出滞回区以后才会转换成其他状态。滞回值大小设置为20-50V，可根据现场试验效果调整至最佳。滞回值并不限于20-50V，具体的大小可以根据实际的设计要求来设计。

图4所示为本实用新型的超级电容线路储能系统控制方案原理框图。电网电压随着列车运行状态的改变而变化。采集Uin电网电压值与Uref参考电压进行比较以确定系统将进入的工作状态。充电参考电压值与放电参考电压值不同，通过实验记录列车电网电压实际工作电压的常态电压值和列车制动、牵引工况下的电网电压值范围，从而分别确定合理的充电、放电参考电压值。充电或放电状态下，输出调整电流信号以PWM脉冲信号的形式输出，PWM脉冲频率与电网电压较充电或放电参考电压值之差成正比关系，其比值可以根据现场试验数据具体设定，对充放电调整电流信号范围作最大或最小值限制后输出。

图5为本实用新型的实施例工作流程示意图。系统上电运行时，首先执行控制器初始化，然后进入到主控流程：检测输入电流、输出电流、电抗器温度、环境温度、母线电压、电网电压、接地电压、电容电压、熔断器状态、启动或停止命令反馈、接触器状态等信号。由输入信号检测电路对系统工作状况进行判断：电压、电流、温度、熔断器、接触器是否正常。若不正常则进入故障模式，若正常则进入正常工作模式。在正常工作模式下进行图3所示的状态转换。充电、放电状态模式下电流调整方案如图4所示。故障模式下，输出禁止充电放电命令、电流调整信号输出无电流值、故障指示命令。输出控制信号后又再重新检测输出，进行新的一轮控制，如此循环。

图6为实用新型的实施例运行的稳态实验波形。顶层波形为电网网压随着列车牵引或制动产生的电压上升或下降波形，中间波形为超级电容充电和放电电流波形，底层波形为电流调整信号。现场实验结果表明，采用本实用新型的超级电容线路储能系统控制方案能够有效回收及再生列车制动能量，每列车一次制动可以回收再利用5KW·H电能。

最后，需要强调的是，以上列举的仅是本实用新型的具体实施例。显然，本实用新型不限于以上实施例，还可以有许多变形，包括采用电压信号、其他可调信号替代PWM电流调整信号，电流电压采样点不同，正常工作状态下电流调整参考值不同，以及检测其他输入作为判断系统正常工作状态转换条件的方法，均是可行方案。

以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种超级电容线路储能系统，其特征在于，包括信号输入装置、变流控制装置及储能装置；

所述信号输入装置用于向变流控制装置输入信号，控制变流控制装置的启动/关闭；

所述变流控制装置与信号输入装置电连接，包括主控模块及与主控模块电连接的双向DC-DC变换模块，所述主控模块用于采集外部电网电压信号及储能装置的电压信号，对电网电压及储能装置电压进行分析，以及根据分析结果向双向DC-DC变换模块发送充电/放电控制指令；所述双向DC-DC变换模块根据充电/放电指令向储能装置发送电流调整信号，使储能装置充电/放电；

所述储能装置与双向DC-DC变换模块电连接，用于储存/释放电能。

2.根据权利要求1所述的超级电容线路储能系统，其特征在于，所述储能装置包括为超级电容。

3.根据权利要求1所述的超级电容线路储能系统，其特征在于，所述主控模块包括电网电压采样电路、电容电压采样电路及MCU控制电路，所述电网电压采样电路及电容电压采样电路分别与MCU控制电路电连接；所述MCU控制电路与双向DC-DC变换模块电连接。

4.根据权利要求3所述的超级电容线路储能系统，其特征在于，所述主控模块还包括输入信号检测电路，所述输入信号检测电路的第一输入端与电网电压采样电路的输出端电连接，所述输入信号检测电路的第二输入端与电容电压采样电路的输出端电连接，所述输入信号检测电路的输出端与MCU控制电路电连接。

5.根据权利要求4所述的超级电容线路储能系统，其特征在于，所述主控模块还包括串口通信电路，所述信号输入装置及储能装置通过串口通信电路与输入信号检测电路电连接。

6.根据权利要求3所述的超级电容线路储能系统，其特征在于，所述主控模块还包括输出指令驱动电路，所述输出指令驱动电路的输入端与MCU控制电路电连接，其输出端与所述双向DC-DC变换模块的输入端电连接。

7.根据权利要求6所述的超级电容线路储能系统，其特征在于，所述主控模块还包括温度采样电路，所述温度采样电路的输出端与输入信号检测电路的第三输入端电连接。

8.根据权利要求1-7任一项所述的超级电容线路储能系统，其特征在于，所述电流调整信号为PWM脉冲信号。

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