一种城市轨道交通混合型再生制动能量利用系统

1.本实用新型涉及城市轨道交通节能技术领域，特别是一种城市轨道交通混合型再生制动能量利用系统。


背景技术：

2.随着城市化进程的加快，城市轨道交通具有运量大、速度快、安全准时、节能环保等优点，近年来进入了蓬勃发展时期。城轨列车在制动过程中，优先采用再生制动的方式，即将电机的工作模式由牵引耗电模式改变为制动发电模式，将列车的动能转变为电能实现列车的制动。相比于空气制动，再生制动不产生闸瓦磨损，有效降低系统维护成本，制动更平稳，尤其适用于非紧急制动。这种制动方式会产生电能(再生能量)。然而，目前城轨交通大部分牵引变电所采用二极管单向整流方式，再生能量无法反馈到交流电网，若没有牵引列车吸收能量，将导致直流母线电压急剧上升。为避免过压现象，制动列车将对再生能量进行限制，如投入制动电阻以热能的形式消耗，但这种方式既浪费能源，还会导致车体发热，减低乘车舒适性。
3.为了对城轨列车再生能量进行有效利用，当前较好的利用方式有：1)被牵引系统同一供电区间上处于牵引工况(非再生工况)另一列车利用，此方式无需附加设备，成本低，但同一供电区间上刚好有另一处于牵引工况列车的几率不高，其利用率有待提高。2)在牵引变电所配置逆变装置、升压变压器和滤波器，将再生能量回馈至10/35kv中压交流电网，此方式回馈功率大，利用效率高，但装置体积成本高，且会冲击中压交流电网，影响牵引供电。3)通过配置逆变装置和滤波器，将再生能量回馈至400v低压交流系统，供给车站空调、照明等站内辅助用电设备使用，此方式装置体积小，实现简单成本较低，但是容量较小，利用效率低。4)将再生能量存储在储能介质中，并在列车牵引时释放回牵引网，此方式能量利用率高，可控度高，但储能介质成本高昂，容量有限。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的是提供一种城市轨道交通混合型再生制动能量利用系统及其控制方法，该系统结构简单、成本较低、可控度高，且对城轨列车再生制动能量的利用率高。
5.实现本实用新型的技术方案如下：
6.一种城市轨道交通混合型再生制动能量利用系统，双向dc-dc变换器的输入端正、负极分别连接到三相并网逆变器的输入端正、负极和支撑电容的两端，双向dc-dc变换器的输出端正、负极分别连接到超级电容的正、负极；三相并网逆变器的输出端连接到lcl滤波器的输入端；所述双向dc-dc变换器的输入端正、负极分别用于连接直流母线的正、负极，lcl滤波器的输出端用于连接低压配电网的进线端。
7.与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：
8.1)能够根据再生功率与低压配电网负荷功率和三相并网逆变器最大功率之间关系实现按负荷需求准确回馈，对低压配电网冲击小。
9.2)由于回馈装置的存在，可以减小配置的储能介质的容量，降低设备成本。
附图说明
10.图1为城市轨道交通混合型再生制动能量利用系统电气拓扑结构示意图。
11.图2为城市轨道交通混合型再生制动能量利用系统控制方法基本流程图。
12.图3为系统运行工况划分及参考功率分配策略图。
13.图4为城市轨道交通混合型再生制动能量利用系统变流器控制原理图。
14.图5(a)至图5(j)为运行工况1至工况10的系统能量流动示意图。
具体实施方式
15.以下结合附图和具体实施例对本实用新型进一步说明。
16.图1所示为城市轨道交通混合型再生制动能量利用系统电气拓扑结构示意图。
17.利用装置包括：三相并网逆变器(n)、lcl滤波器(f)、储能变换器(b)以及超级电容(s)，每个部分均采用集装箱安装。其中，三相并网逆变器(n)以400v低压配电网电压为标准，将输入端直流电变换为输出端三相交流电，实现直流电单位功率因数逆变；lcl滤波器(f)位于三相并网逆变器(n)与400v低压配电网进线端之间，滤除三相并网逆变器(n)输出电流的谐波；储能变换器(b)根据列车运行工况，切换工作模式，控制超级电容(s)的运行状态，并且起到稳定直流母线(d)电压的作用。
18.储能变换器(b)采用双向dc-dc变换器。双向dc-dc变换器结构多样，分为非隔离型和隔离型两种类型。非隔离型包括半桥结构、cuk结构和sepic结构等，隔离型包括正激式结构、反激式结构、推挽式结构和全桥结构等。本实施例，储能变换器(b)以最简单的半桥结构进行说明。
19.系统具体接线方式为：
20.三相并网逆变器(n)的正极输入端、负极输入端分别与储能变换器(b)的正极输入端、负极输入端相连；在三相并网逆变器(n)和储能变换器(b)的正极输入端、负极输入端之间有支撑电容(c)，并将相连后的正极输入端、负极输入端分别接在正极直流母线(d1)、负极直流母线(d2)上；三相并网逆变器(n)的输出端通过lcl滤波器(f)连接至400v低压配电网的进线端；储能变换器(b)的正极输出端、负极输出端分别与超级电容(s)的正极、负极相连。
21.一种城市轨道交通混合型再生制动能量利用系统的控制方法，基本流程如图2所示，包括：
22.步骤一，在变电所安装的电气量检测装置实时检测，并将信息实时通信传输到控制系统。
23.需采集瞬时电气量包括：左馈线和右馈线的瞬时电压和电流、400v低压配电网出线端的瞬时电压和电流、lcl滤波器出线端的瞬时电压、三相并网逆变器输出侧瞬时电流、lcl滤波器电容电流、整流变压器进线端瞬时电压、直流母线瞬时电压u
dc
、超级电容瞬时电流i
sc
、超级电容荷电状态soc。
24.步骤二，控制系统接收电气量信息，并根据接收到的信息计算功率数据和电压阈值。
25.功率数据计算处理包括：由左馈线和右馈线的瞬时电压和电流，得到左馈线瞬时功率p
l
、右供电臂瞬时功率pr，进而得到左右馈线功率和ps，ps＝p
l
pr；由400v低压配电网出线端的瞬时电压和电流，得到400v负载瞬时功率p
load
。
26.电压阈值计算如图4中“储能变换器控制”的“电压阈值计算”所示，具体计算步骤如下：
27.由整流变压器进线端瞬时电压，得到中压供电网有效值um。
28.由中压供电网有效值um、整流变压器出线端到直流输出电压的整流系数m和整流变压器一次侧到二次侧的变比系数n，计算得到牵引变电所空载电压值u
dc0
，
29.u
dc0
＝m
·n·
um。
30.由牵引变电所空载电压值u
dc0
、超级电容放电电压阈值设定值(经验值)δu
dis
、超级电容充电电压阈值设定值(经验值)δu
char
和直流母线最大允许电压u
dc_max
，计算得到超级电容放电电压阈值u
dis
和充电电压阈值u
char
，
31.u
dis
＝u
dc0-δu
dis
；
32.u
char
＝min[u
dc_max
,u
dc0
δu
char
]。
[0033]
步骤三，确定系统运行工况，并进行参考回馈功率pf和储能系统参考功率p
sc
的分配。
[0034]
确定系统运行工况所需参考量包括：左右馈线功率之和ps、400v负载瞬时功率p
load
、最大回馈功率p
fm
、直流母线电压u
dc
、超级电容荷电状态soc、超级电容放电电压阈值u
dis
和充电电压阈值u
char
、超级电容最大放电功率p
dis_max
和最大充电功率p
char_max
、超级电容荷电状态最大值soc
max
和荷电状态最小值soc
min
。
[0035]
如图3所示，系统运行工况划分及参考功率分配具体过程如下：
[0036]
s01，判断ps《0是否成立，即是否有再生制动能量剩余，若是，进入s07；若否，进入s02；
[0037]
s02，判断u
dc
《u
dis
且soc》soc
min
是否成立，若是，进入s04；若否，进入s03；
[0038]
s03，系统运行于工况1，无再生制动能量产生，回馈装置和超级电容均处于空闲状态，因此400v负荷所需功率全部由400v低压配电网提供，列车所需牵引功率由牵引变电所提供，该工况下能量流动图如图5(a)所示，参考回馈功率pf和储能系统参考功率p
sc
的分配结果如下：
[0039][0040]
s04，判断ps》p
dis_max
是否成立，若是，进入s06；若否，进入s05；
[0041]
s05,系统运行于工况2，无再生制动能量产生，回馈装置处于空闲状态，超级电容处于放电状态，所需牵引功率不超过超级电容最大放电功率，因此400v负荷所需功率全部由400v低压配电网提供，列车所需牵引功率由超级电容完全提供，该工况下能量流动图如图5(b)所示，参考回馈功率pf和储能系统参考功率p
sc
的分配结果如下：
[0042][0043]
s06,系统运行于工况3，无再生制动能量产生，回馈装置处于空闲状态，超级电容
处于放电状态，所需牵引功率超过了超级电容最大放电功率，因此400v负荷所需功率全部由400v低压配电网提供，超级电容以最大放电功率放电，列车所需牵引功率由超级电容和牵引变电所共同提供，该工况下能量流动图如图5(c)所示，参考回馈功率pf和储能系统参考功率p
sc
的分配结果如下：
[0044][0045]
s07，判断-ps≤p
fm
且p
load
≥-ps是否成立，若是，进入s08；若否，进入s09；
[0046]
s08，系统运行于工况4，有再生制动能量产生，回馈装置处于工作状态，超级电容处于空闲状态，剩余再生制动功率满足400v负荷全部功率需求且在最大回馈功率范围内，因此剩余再生制动能量全部回馈至400v低压配电网，400v负荷所需功率由回馈装置和400v低压配电网共同提供，该工况下能量流动图如图5(d)所示，参考回馈功率pf和储能系统参考功率p
sc
的分配结果如下：
[0047][0048]
s09，判断u
dc
》u
char
且soc《soc
max
是否成立，若是，进入s13；若否，进入s10；
[0049]
s10，判断-ps》p
fm
且p
load
≥-p
fm
是否成立，若是，进入s11；若否，进入s12；
[0050]
s11，系统运行于工况5，有再生制动能量产生，回馈装置处于工作状态，超级电容处于空闲状态，剩余再生制动功率超过了最大回馈功率且400v负荷功率需求不低于最大回馈功率，因此回馈装置以最大回馈功率进行回馈，回馈后剩余再生制动能量被列车制动电阻所消耗，400v负荷所需功率由回馈装置和400v低压配电网共同提供，该工况下能量流动图如图5(e)所示，参考回馈功率pf和储能系统参考功率p
sc
的分配结果如下：
[0051][0052]
s12，系统运行于工况6，有再生制动能量产生，回馈装置处于工作状态，超级电容处于空闲状态，剩余再生制动功率超过了400v负荷功率需求且400v负荷功率需求低于最大回馈功率，因此回馈装置以400v负荷所需功率进行回馈，回馈后剩余再生制动能量被列车制动电阻所消耗，400v负荷所需功率完全由回馈装置提供，该工况下能量流动图如图5(f)所示，参考回馈功率pf和储能系统参考功率p
sc
的分配结果如下：
[0053][0054]
s13，判断-ps》p
fm
且p
load
≥-p
fm
是否成立，若是，进入s14；若否，进入s17；
[0055]
s14，判断-p
s-p
fm
》p
char_max
是否成立，若是，进入s16；若否，进入s15；
[0056]
s15，系统运行于工况7，有再生制动能量产生，回馈装置处于工作状态，超级电容处于充电状态，剩余再生制动功率超过了最大回馈功率且400v负荷功率需求不低于最大回馈功率，回馈后剩余的再生制动功率不超过超级电容最大充电功率，因此回馈装置以最大回馈功率进行回馈，回馈后剩余再生制动能量完全被超级电容存储，400v负荷所需功率由回馈装置和400v低压配电网共同提供，该工况下能量流动图如图5(g)所示，参考回馈功率
pf和储能系统参考功率p
sc
的分配结果如下：
[0057][0058]
s16，系统运行于工况8，有再生制动能量产生，回馈装置处于工作状态，超级电容处于充电状态，剩余再生制动功率超过了最大回馈功率且400v负荷功率需求不低于最大回馈功率，回馈后剩余的再生制动功率超过了超级电容最大充电功率，因此回馈装置以最大回馈功率进行回馈，超级电容以最大充电功率充电，回馈后剩余再生制动能量被超级电容存储部分后，其余能量被列车制动电阻所消耗，400v负荷所需功率由回馈装置和400v低压配电网共同提供，该工况下能量流动图如图5(h)所示，参考回馈功率pf和储能系统参考功率p
sc
的分配结果如下：
[0059][0060]
s17，判断-p
s-p
load
》p
char_max
是否成立，若是，进入s19；若否，进入s18；
[0061]
s18，系统运行于工况9，有再生制动能量产生，回馈装置处于工作状态，超级电容处于充电状态，剩余再生制动功率超过了400v负荷功率需求且400v负荷功率需求低于最大回馈功率，回馈后剩余的再生制动功率不超过超级电容最大充电功率，因此回馈装置以400v负荷所需功率进行回馈，回馈后剩余再生制动能量完全被超级电容存储，400v负荷所需功率完全由回馈装置提供，该工况下能量流动图如图5(i)所示，参考回馈功率pf和储能系统参考功率p
sc
的分配结果如下：
[0062][0063]
s19，系统运行于工况10，有再生制动能量产生，回馈装置处于工作状态，超级电容处于充电状态，剩余再生制动功率超过了400v负荷功率需求且400v负荷功率需求低于最大回馈功率，回馈后剩余的再生制动功率超过了超级电容最大充电功率，因此回馈装置以400v负荷所需功率进行回馈，超级电容以最大充电功率充电，回馈后剩余再生制动能量被超级电容存储部分后，其余能量被列车制动电阻所消耗，400v负荷所需功率完全由回馈装置提供，该工况下能量流动图如图5(j)所示，参考回馈功率pf和储能系统参考功率p
sc
的分配结果如下：
[0064][0065]
步骤四，按照参考回馈功率pf和储能系统参考功率p
sc
的分配，对并网逆变器和储能变换器实时控制，控制框图如图4所示，具体过程如下：
[0066]
4.1并网逆变器控制详细步骤如下：
[0067]
(1)计算三相并网逆变器输出侧电流参考值在dq0坐标系下的d轴电流参考值分量i
d*
和q轴电流参考值分量i
q*
。
[0068]
如图4中“并网逆变器控制”的“参考电流计算”所示，计算步骤包括：
[0069]
引入电容电流前馈之前，计算三相并网逆变器输出侧电流参考值在dq0坐标系下
的d轴电流参考值分量i
d*’和q轴电流参考值分量i
q*’，
[0070][0071][0072]
式中，ud和uq分别为lcl滤波器出线端电压经abc/dq0坐标系变换得到的d轴电压分量和q轴电压分量。
[0073]
引入电容电流前馈之后，计算三相并网逆变器输出侧电流参考值在dq0坐标系下的d轴电流参考值分量i
d*
和q轴电流参考值分量i
q*
，
[0074][0075][0076]
式中，i
cd
和i
cq
分别为lcl滤波器电容电流经abc/dq0坐标系变换得到的d轴电流分量和q轴电流分量。
[0077]
(2)计算三相并网逆变器调制信号在dq0坐标系下的d轴调制信号分量ud与q轴调制信号分量uq。
[0078]
如图4中“并网逆变器控制”的“电流环”所示，计算步骤包括：
[0079]
将三相并网逆变器输出侧电流参考值在dq0坐标系下的d轴电流参考值分量i
d*
与三相并网逆变器输出侧电流在dq0坐标系下的d轴电流分量id相减得到d轴分量差值；
[0080]
将三相并网逆变器输出侧电流参考值在dq0坐标系下的q轴电流参考值分量i
q*
与三相并网逆变器输出侧电流在dq0坐标系下的q轴电流分量iq相减得到q轴分量差值；
[0081]
将d轴分量差值、q轴分量差值作为pi调节器的输入，经pi调节器调制后得到三相并网逆变器调制信号在dq0坐标系下的d轴调制信号分量ud与q轴调制信号分量uq。
[0082]
(3)采用空间矢量脉宽调制技术产生开关信号，进而控制三相并网逆变器产生与参考回馈功率pf相对应的输出电流。
[0083]
如图4中“并网逆变器控制”的“脉冲波产生”所示，具体步骤包括：
[0084]
通过dq0/αβ0坐标变换，将三相并网逆变器调制信号在dq0坐标系下的d轴调制信号分量ud与q轴调制信号分量uq变换得到三相并网逆变器调制信号在αβ0坐标系下的α轴调制信号分量u
α
和β轴调制信号分量u
β
；
[0085]
对三相并网逆变器调制信号在αβ0坐标系下的α轴调制信号分量u
α
和β轴调制信号分量u
β
进行空间矢量脉宽调制得到三相并网逆变器的6路开关信号，进而控制三相并网逆变器产生出对应的输出电流。
[0086]
4.2储能变换器控制详细步骤如下：
[0087]
(1)计算超级电容放电电压阈值u
dis
和充电电压阈值u
char
，具体过程如步骤二所示。
[0088]
(2)计算超级电容放电电流参考值i
sc_dis*
和充电电流参考值i
sc_char*
。
[0089]
如图4中“储能变换器控制”的“电压外环”所示，计算步骤包括：
[0090]
将放电电压阈值u
dis
与直流母线电压u
dc
相减得到差值，经pi调节器调制后得到超级电容放电电流参考值i
sc_dis*
，若超级电容放电电流参考值i
sc_dis*
大于超级电容最大放电
电流i
sc_dis_max
，则设定超级电容放电电流参考值i
sc_dis*
为i
sc_dis_max
；
[0091]
将直流母线电压u
dc
与充电电压阈值u
char
相减得到差值，经pi调节器调制后得到超级电容充电电流参考值i
sc_char*
，若超级电容充电电流参考值i
sc_char*
的绝对值大于超级电容最大充电电流数值i
sc_char_max
，则设定超级电容充电电流参考值i
sc_char*
为-i
sc_char_max
。
[0092]
(3)确定超级电容工作模式和电流参考值i
sc*
。
[0093]
如图4中“储能变换器控制”的“模式选择”所示，具体步骤为：
[0094]
当直流母线电压u
dc
小于放电电压阈值u
dis
时，超级电容工作在放电模式，设定超级电容电流参考值i
sc*
为超级电容放电电流参考值i
sc_dis*
；
[0095]
当直流母线电压u
dc
大于充电电压阈值u
char
时，超级电容工作在充电模式，设定超级电容电流参考值i
sc*
为超级电容充电电流参考值i
sc_char*
；
[0096]
当直流母线电压u
dc
处于放电电压阈值u
dis
和充电电压阈值u
char
时，超级电容工作在空闲模式，设定超级电容电流参考值i
sc*
为0。
[0097]
(4)计算限流后超级电容电流参考值i
sc_lim*
。
[0098]
如图4中“储能变换器控制”的“限流”所示，具体步骤为：
[0099]
当超级电容处于放电状态时，根据超级电容荷电状态soc、超级电容荷电状态最小值soc
min
、超级电容荷电状态低电量值soc
low
和放电限流启动时超级电容荷电状态下降斜率设定值k1，计算得到超级电容放电电流限制系数k
soc_dis
，
[0100][0101]
当超级电容处于充电状态时，根据超级电容荷电状态soc、超级电容荷电状态最大值soc
max
、超级电容荷电状态高电量值soc
high
和充电限流启动时超级电容荷电状态上升斜率设定值k2，计算得到超级电容充电电流限制系数k
soc_char
，
[0102][0103]
从而根据超级电容电流参考值的大小关系，计算得到超级电容电流限制系数k
soc
，
[0104][0105]
将超级电容电流参考值i
sc*
与电流限制系数k
soc
相乘，计算得到限流后超级电容电流参考值i
sc_lim*
。
[0106]
(5)计算储能变换器调制信号。
[0107]
如图4中“储能变换器控制”的“电流内环”所示，计算步骤如下：
[0108]
将限流后超级电容电流参考值i
sc_lim*
与超级电容电流i
sc
相减得到差值，经pi调节器调制后得到储能变换器调制信号。
[0109]
(6)采用正弦脉冲宽度调制技术产生开关信号，进而控制储能变换器产生与限流后超级电容电流参考值i
sc_lim*
相对应的输出电流。
[0110]
如图4中“储能变换器控制”的“脉冲波产生”所示，具体过程如下：
[0111]
将储能变换器调制信号，进行正弦脉冲宽度调制，得到储能变换器的2路开关信号(本实施例为半桥结构，产生2路开关信号，其余双向dc-dc结构产生开关信号数与其结构开关管数对应)，进而控制储能变换器产生对应的输出电流。
[0112]
本实用新型能够有效利用城轨列车在制动过程中产生的再生制动能量，根据再生制动工况与负载功率实现动态能量回馈，为低压配电网负荷提供电能，减轻了低压配电网压力。