一種基於新型儲能裝置的車載式軌道交通制動能量回饋系統的製作方法

2023-05-27 23:26:41

本實用新型屬於制動能量回饋系統技術領域，特別是涉及一種節能減排的車載式軌道交通制動能量回饋系統。

背景技術：

城市軌道交通的制動一般為電制動(即再生制動、電阻制動)和空氣制動兩級,再生制動時，牽引電動機處於發電機工況，再生電能通過VVVF逆變器反饋至直流牽引網。牽引網獲得的再生電能除小部分被車輛電氣設備利用外，其餘被供電網上其他車輛或電氣設備吸收利用。軌道交通供電系統整流設備具有不可逆性，當線路上沒有足夠的負載吸收再生電能時，過剩的再生電能會抬升供電網電壓，當其超過安全電壓後，會引起再生制動失效。對這部分再生電能，國內大部分軌道交通系統使用車載設置的電阻器以熱耗散形式消耗，以保證牽引網安全供電。由於制動電阻體積大，且其熱耗散會引起隧道溫升，採用該方法需要專門的電阻器設置場所及通風散熱設備,增加運行費用的同時造成了能量的浪費，降低了能量利用率。根據經驗，列車再生制動產生的反饋能量一般為牽引能量的30％甚至更多，僅有30％～50％的制動能量能夠得到利用。

車載儲能系統以其良好的技術經濟型,受到國內外專家、研究學者的青睞。通過將車載儲能系統作為軌道交通和直流牽引網之間的能量緩衝系統，不但可以保證城軌車輛再生制動的順利進行，同時可有效地改善直流網壓的相對穩定性。然而現有技術中，以超級電容器作為儲能裝置的儲能系統存在缺陷。超級電容器的能量密度低，體積大，儲能裝置的整體重量重，對於車載式軌道交通而言，增加了其運行負擔，更不能滿足地鐵車輛的平衡要求。此外，由於車載儲能裝置的存儲容量有限，對於超過其額定容量的制動能量如果沒有及時處理，過剩的制動回饋能量仍然會造成牽引網壓波動，因此穩定性相對較差。

技術實現要素：

本實用新型所要解決的技術問題是提供一種基於新型儲能裝置的車載式軌道交通制動能量回饋系統，該系統具備吸收儲存能量快，體積小，重量輕，且能夠保證牽引網壓相對穩定。

為解決上述技術問題，本實用新型採用的技術方案：一種基於新型儲能裝置的車載式軌道交通制動能量回饋系統，該系統包括啟動模塊，變流模塊，儲能模塊以及電阻模塊，所述啟動模塊連接於車輛主母線的正負極兩端，儲能模塊經變流模塊後與啟動模塊連接，所述儲能模塊包括隔離開關，熔斷器，鋰離子電容器組，且隔離開關，熔斷器，鋰離子電容器組依次串聯連接，電阻模塊包括限壓電阻，所述限壓電阻一端與儲能模塊中的鋰離子電容器組連接，另一端通過車輛絕緣柵雙極型電晶體與車輛主母線的正極連接。

進一步地，所述鋰離子電容器組是由鋰離子電容單體經過串並聯構成。

進一步地，所述啟動模塊包括熔斷器，啟動電阻，預充電接觸器和主接觸器，所述啟動電阻與預充電接觸器串聯後再並聯在主接觸器兩端。

進一步地，所述變流模塊包括並聯在車輛主母線兩端的濾波電容，連接於主母線正極的濾波電抗器，該變流模塊還包括兩個及以上數量的偶數個的絕緣柵雙極型電晶體，所述絕緣柵雙極型電晶體前一半順次連接在主母線正極與濾波電容之間，後一半順次連接後再一端連接在前一半絕緣柵雙極型電晶體與濾波電容之間，另一端連接主母線負極。所述絕緣柵雙極型電晶體的數量由系統中的功率決定，當系統功率增大時，可以增加絕緣柵雙極型電晶體的數量滿足工況需求。其中，描述絕緣柵雙極型電晶體時所用的「前一半」與「後一半」中的前後僅僅是為了區分其中「一半」與剩餘的「另一半」，並非是限定位置的前後。

進一步地，所述變流模塊包括濾波電容，第一絕緣柵雙極型電晶體，第二絕緣柵雙極型電晶體，濾波電抗器，所述濾波電容經過啟動模塊後並聯於車輛主母線兩端，所述第一絕緣柵雙極型電晶體，濾波電抗器順次連接於車輛主母線的正極，所述第二絕緣柵雙極型電晶體一端連接於第一絕緣柵雙極型電晶體和濾波電抗器之間，另一端與車輛主母線負極連接。

進一步地，所述變流模塊包括濾波電容，第一絕緣柵雙極型電晶體，第二絕緣柵雙極型電晶體，濾波電抗器，第三絕緣柵雙極型電晶體，第四絕緣柵雙極型電晶體，飛跨電容，所述濾波電容經過啟動模塊後並聯於車輛主母線兩端，所述第一絕緣柵雙極型電晶體，第二絕緣柵雙極型電晶體，濾波電抗器順次連接於車輛主母線的正極，所述第三絕緣柵雙極型電晶體一端連接於第二絕緣柵雙極型電晶體和濾波電抗器之間，另一端通過第四絕緣柵雙極型電晶體與車輛主母線負極連接，所述飛跨電容一端連接於第一絕緣柵雙極型電晶體和第二絕緣柵雙極型電晶體之間，另一端連接於第三絕緣柵雙極型電晶體和第四絕緣柵雙極型電晶體之間。

進一步地，所述變流模塊至少包含一個，當變流模塊大於一個時，變流模塊之間兩兩相互並聯連接，將並聯後的變流模塊作為一個整體連接於啟動模塊和儲能模塊之間。

本實用新型的有益效果：本實用新型基於新型儲能裝置的車載式軌道交通制動能量回饋系統，是基於鋰離子電容器組作為儲能模塊，使其具備吸收儲存能量快，體積小，重量輕等優勢，且該系統的電阻模塊能夠消耗經儲能模塊存儲之後過剩的制動能量，能夠保證牽引網壓相對穩定。

附圖說明

圖1為實施例1的車載式軌道交通制動能量回饋系統結構示意圖；

圖2為實施例2的車載式軌道交通制動能量回饋系統結構示意圖。

具體實施方式

下面結合實施例，更具體地闡述本發明的內容。本發明的實施並不限於下面的實施例，對本發明所做的任何形式上的變通或改變都應在本發明的保護範圍內。

實施例1：

如圖1所示，本實用新型所述的基於新型儲能裝置的車載式軌道交通制動能量回饋系統，包括啟動模塊，變流模塊，儲能模塊以及電阻模塊，啟動模塊連接於車輛主母線的正負極兩端，用於預充電以及連接主迴路。啟動模塊包括熔斷器FU1，啟動電阻R1，預充電接觸器KM2和主接觸器KM1，其中啟動電阻R1與預充電接觸器KM2串聯後再並聯在主接觸器KM1兩端。變流模塊用於升降壓電流變換，它包括濾波電容C1，第一絕緣柵雙極型電晶體T1，第二絕緣柵雙極型電晶體T2，濾波電抗器L，所述濾波電容C1經過啟動模塊後並聯於車輛主母線兩端，所述第一絕緣柵雙極型電晶體T1，濾波電抗器L順次連接於車輛主母線的正極，所述第二絕緣柵雙極型電晶體T2一端連接於第一絕緣柵雙極型電晶體T1和濾波電抗器L之間，另一端與車輛主母線負極連接。當系統功率增大時，可以增加變流模塊的數量，多個變流模塊並聯連接可以滿足系統高功率使用工況。儲能模塊主要用於制動能量的回收及釋放，其經變流模塊後與啟動模塊連接，儲能模塊包括隔離開關QS，熔斷器FU2，鋰離子電容器組LIC，鋰離子電容器組LIC是由鋰離子電容單體經過串並聯構成。隔離開關QS，熔斷器FU2，鋰離子電容器組LIC依次串聯連接；電阻模塊用於消耗經儲能模塊後且超過設定電壓時剩餘的制動電量，其包括限壓電阻R2，所述限壓電阻R2一端與儲能模塊中的鋰離子電容器組LIC連接，另一端通過車輛絕緣柵雙極型電晶體與車輛主母線的正極連接。該制動能量回收系統的工作模式如下：

首先，軌道交通開始運行時啟動模塊中預充電接觸器KM2閉合，為變流模塊中的濾波電容C1預充電，當預充電8秒左右，主接觸器KM1閉合，預充電接觸器KM2斷開，連通主迴路。當軌道交通制動後，制動能量回饋於主母線，制動能量經變流模塊變換後降壓，回收的制動能量存儲於鋰離子電容器組。若經儲能模塊後還有剩餘的制動能量且主母線電壓超過設定值時，電阻模塊中的限壓電阻R2將消耗能量，以保證電網電壓的穩定。當軌道交通啟動或加速時，電網電壓降低，鋰離子電容器組釋放電量，通過變流模塊變流升壓，再通過啟動模塊中的主接觸器將電量回饋於主母線中。

實施例2：

實施例2與實施例1的不同之處在於變流模塊結構的差異，而啟動模塊，儲能模塊以及電阻模塊跟實施例1相同，如圖2所示。該實施例中變流模塊包括濾波電容C1，第一絕緣柵雙極型電晶體T1，第二絕緣柵雙極型電晶體T2，濾波電抗器L，第三絕緣柵雙極型電晶體T3，第四絕緣柵雙極型電晶體T4，飛跨電容C2，所述濾波電容C1經過啟動模塊後並聯於車輛主母線兩端，所述第一絕緣柵雙極型電晶體T1，第二絕緣柵雙極型電晶體T2，濾波電抗器L順次連接於車輛主母線的正極，所述第三絕緣柵雙極型電晶體T3一端連接於第二絕緣柵雙極型電晶體T2和濾波電抗器L之間，另一端通過第四絕緣柵雙極型電晶體T4與車輛主母線負極連接，所述飛跨電容C2一端連接於第一絕緣柵雙極型電晶體T1和第二絕緣柵雙極型電晶體T2之間，另一端連接於第三絕緣柵雙極型電晶體T3和第四絕緣柵雙極型電晶體T4之間。

相比於實施例1，實施例2的優勢在於：

1.變流模塊中每個功率開關器件所承受的電壓峰值只有實施例1中功率開關器件的一半，從而降低了功率開關管的電壓應力，較好的解決了開關器件耐壓不夠高的問題。

2.在相同的開關頻率及控制方式下，由於拓撲結構的改變以及絕緣柵雙極型電晶體的增加，實施例2較實施例1輸出文波好。

3.實施例2中變流模塊的電感電流最大脈動量僅為實施例1的1/4。如果兩者電感電流脈動的最大值相同，那麼實施例2中變流模塊的濾波電感量可減小為實施例1中變流模塊電感量的1/4。