城轨列车再生能量综合利用系统及其控制方法技术方案

本发明专利技术提供了一种城轨列车再生能量综合利用系统，包括直流母线和超级电容储能单元，其特征在于：还包括光伏发电储能系统和协调控制模块。光伏发电装置开始发电时，协调控制模块控制剩余容量较小的蓄电池组吸收光伏发电电能并储存，与光伏发电装置连接的蓄电池组与直流母线断开连接；协调控制模块控制剩余容量较大的蓄电池组与直流母线连接为列车运行提供能量，并参与对列车制动能量的再生利用，与直流母线连接的蓄电池组与光伏发电装置断开连接。采用本发明专利技术的系统及控制方法，即能对光伏发电电能和列车制动再生能量进行综合利用，有效降低列车运营成本，还不会对交流电网直流母线的稳定性和可靠性造成不良影响，从而保证城轨列车的正常运行。

Comprehensive Utilization System of Regenerative Energy of Urban Rail Train and Its Control Method

The invention provides a comprehensive utilization system of regenerative energy for urban rail trains, which comprises a DC bus and a supercapacitor energy storage unit. The characteristics of the system include a photovoltaic power generation energy storage system and a coordinated control module. When the photovoltaic power plant starts to generate electricity, the coordination control module controls the smaller remaining capacity of the battery group to absorb and store the photovoltaic power, and disconnects the battery group connected with the photovoltaic power plant from the DC bus. The coordination control module controls the connection between the larger remaining capacity battery group and the DC bus to provide energy for train operation and participate in the regeneration of train braking energy. The battery group connected with the DC bus is disconnected from the photovoltaic power generation device. The system and control method of the invention can comprehensively utilize photovoltaic power generation and regenerative energy of train braking, effectively reduce train operation cost, and not adversely affect the stability and reliability of DC bus of AC network, thereby ensuring the normal operation of urban rail trains.

【技术实现步骤摘要】
城轨列车再生能量综合利用系统及其控制方法
本专利技术涉及交通运输
，特别是一种城轨列车再生能量综合利用系统。
技术介绍
目前，光伏发电技术由于其具有安全可靠、无噪声、资源充足、绿色环保等优点，正在被运用到越来越多的
城轨交通中，也可在高架车站屋顶装设太阳能光伏发电系统，利用其发出的电能供城轨列车牵引站内的用电设备使用。然而，仅仅将太阳能光伏发电用于牵引站内的照明、空调等用电设备使用并不能充分利用太阳能。理论上，可以将光伏发电系统通过DC/DC变换器直接接入城轨接触网的直流母线，为城轨列车的运行提供电能，但是，由于光伏发电受光照度和温度等环境因素影响较大，其发出的电能波动也较大，如果将其直接接入直流母线，将会造成直流母线能量的波动，同时，如果出现DC/DC变换器等接入设备的故障，也会直接影响直流母线的可靠性，从而影响列车的正常运行，甚至造成难以估量的损失。另一方面，作为城轨列车再生制动的储能装置，蓄电池和超级电容器是运用最为广泛的，蓄电池具有能量密度高、价格较低等优点，但蓄电池的功率密度较低，循环寿命短；超级电容具有功率密度大、可承受深度充放电、使用寿命长、效率高等优点，但同时存在能量密度低、成本高等缺点。现有技术中，利用他们的优势互补，通常将两者结合成一个混合储能系统，在列车制动时吸收并储存直流母线上的多余能量，当列车牵引加速时，又释放能量供列车使用。这样就可降低城轨列车从交流电网吸取的电能，从而达到节能减耗，降低运营成本的目的。但是现有技术对这种混合储能系统的利用并不充分，没有使列车制动产生的能量得到充分的再生利用。再一方面，光伏发电常用的储能装置也是蓄电池，如果能将光伏发电系统接入直流母线，把超级电容器和光伏发电的蓄电池结合起来，实现列车运行过程中对再生制动能量和太阳能的综合利用，既环保，还将极大节约能源，降低城轨列车运营成本。
技术实现思路
针对
技术介绍
的问题，本专利技术提供一种城轨列车再生能量综合利用系统，同时还提供一种针对上述城轨列车再生能量综合利用系统的控制方法，以解决如何既能充分利用太阳能光伏发电为列车行驶和用电设备提供能源，又不会影响城轨列车供电系统的稳定性和可靠性，同时还能将蓄电池和超级电容器组结合起来，对列车再生制动和光伏发电的能量进行充分利用的问题。为实现本专利技术的目的，本专利技术提供了一种城轨列车再生能量综合利用系统，包括城轨列车接触网的直流母线和超级电容储能单元；所述超级电容储能单元包括超级电容器组和第一DC/DC双向变换器，所述第一DC/DC双向变换器的高压侧与所述直流母线连接，所述第一DC/DC双向变换器的低压侧与超级电容器组连接，其创新点在于：还包括光伏发电储能系统和协调控制模块；所述光伏发电储能系统包括光伏发电装置、逆变器、DC/DC变换器、第二DC/DC双向变换器、2个开关组、2个蓄电池组和2个荷电检测单元；所述DC/DC变换器与光伏发电装置连接；所述2个蓄电池组均通过第一开关组与DC/DC变换器连接；2个蓄电池组均通过第二开关组与第二DC/DC双向变换器的低压侧连接，2个蓄电池组均通过第二开关组与逆变器的直流侧连接；第二DC/DC双向变换器的高压侧与所述直流母线连接；逆变器的交流侧与城轨列车牵引变电站的用电设备连接；所述2个荷电检测单元分别与2个蓄电池组连接，用于分别检测2个蓄电池组的剩余容量；所述光伏发电装置用于将光能转化为电能输出；所述DC/DC变换器用于将光伏发电装置输出的电能传输给蓄电池组充电；所述第一DC/DC双向变换器用于实现超级电容器组与直流母线间的能量流动；所述第二DC/DC双向变换器用于实现蓄电池组与直流母线间的能量流动；所述逆变器能将蓄电池组输出的直流电逆变成交流电，供城轨列车牵引变电站内的用电设备使用；所述第一开关组能分别控制2个蓄电池组与DC/DC变换器的连接状态；所述第二开关组能分别控制2个蓄电池组与第二DC/DC双向变换器的连接状态；所述第二开关组能分别控制2个蓄电池组与逆变器的连接状态；所述连接状态包括连通和断开；所述协调控制模块存储有直流母线的上限电压值和下限电压值数据；协调控制模块还能对输入数据或信号进行处理并输出相应的控制信号；协调控制模块的输入数据或信号包括：光伏发电装置的工作状态信号、直流母线实际电压、2个蓄电池组的剩余容量、超级电容器组的剩余容量、列车运行模式信号、列车的瞬时牵引功率和瞬时制动功率；协调控制模块的输出信号包括：2个开关组的控制信号、DC/DC变换器的控制信号、2个DC/DC双向变换器的控制信号、逆变器的控制信号；所述光伏发电装置的工作状态包括发电状态和停机状态；所述列车运行模式包括制动、牵引、巡航和惰行。本专利技术还提供了针对上述城轨列车再生能量综合利用系统的控制方法，其创新点在于：所述的控制方法包括：(一)当光伏发电装置开始发电时，1)首先光伏发电装置将发电状态信号发送给协调控制模块；2)协调控制模块收到所述发电状态信号后即采集2个荷电检测单元的检测信号，并对2个蓄电池组的剩余容量进行比较，将剩余容量大的蓄电池组记为第一蓄电池组，将剩余容量小的蓄电池组记为第二蓄电池组；3)然后，协调控制模块控制第一开关组同时进行如下几个操作：将第二蓄电池组与DC/DC变换器连通，将第一蓄电池组与DC/DC变换器断开；同时，协调控制模块控制第二开关组同时进行如下几个操作：将第二蓄电池组与逆变器连通，将第二蓄电池组与第二DC/DC双向变换器断开，将第一蓄电池组与第二DC/DC双向变换器连通，将第一蓄电池组与逆变器断开；4)然后，协调控制模块控制DC/DC变换器工作，将光伏发电装置输出的电能传送给第二蓄电池组充电，同时，协调控制模块控制逆变器工作在逆变状态，将第二蓄电池组的电能传输给所述用电设备使用；同时，协调控制模块按方法一控制所述直流母线、超级电容器组和第一蓄电池组三者间的能量流动；(二)当光伏发电装置停止发电时，A)首先，光伏发电装置将所述停机状态信号发送给协调控制模块；B)协调控制模块收到所述停机状态信号后即控制第一开关组使2个蓄电池组均与DC/DC变换器断开；同时，协调控制模块控制第二开关组使2个蓄电池组均与第二DC/DC双向变换器断开；同时，协调控制模块控制第二开关组使2个蓄电池组均与逆变器断开；所述方法一包括：a)当列车制动时，列车将制动运行模式信号发送给协调控制模块；协调控制模块收到列车制动运行模式信号后，立即采集所述直流母线当前的实际电压值和列车当前的瞬时制动功率Pt1值数据，并将当前的实际电压值与所述上限电压值进行比较，当直流母线当前的实际电压值大于或等于上限电压值时，协调控制模块即对列车当前的瞬时制动功率Pt1进行分配，得到蓄电池吸收功率Pbat1和超级电容吸收功率Psc1，然后协调控制模块根据所述Pbat1和Psc1对制动能量进行分配分别得到蓄电池吸收能量和超级电容吸收能量；然后协调控制模块控制第一DC/DC双向变换器和第二DC/DC双向变换器均工作在降压模式，并将超级电容吸收能量通过第一DC/DC双向变换器传输给超级电容器组吸收，将蓄电池吸收能量通过第二DC/DC双向变换器传输给第一蓄电池组吸收；所述超级电容吸收功率Psc1按公式一获取，所述蓄电池吸收功率Pbat1按公式二获取；所述公式一为：P本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种城轨列车再生能量综合利用系统，包括城轨列车接触网的直流母线(12)和超级电容储能单元；所述超级电容储能单元包括超级电容器组(11)和第一DC/DC双向变换器(10)，所述第一DC/DC双向变换器(10)的高压侧与所述直流母线(12)连接，所述第一DC/DC双向变换器(10)的低压侧与超级电容器组(11)连接，其特征在于：还包括光伏发电储能系统和协调控制模块；所述光伏发电储能系统包括光伏发电装置(1)、逆变器(13)、DC/DC变换器(2)、第二DC/DC双向变换器(9)、2个开关组、2个蓄电池组(4、5)和2个荷电检测单元(6、7)；所述DC/DC变换器(2)与光伏发电装置(1)连接；所述2个蓄电池组(4、5)均通过第一开关组(3)与DC/DC变换器(2)连接；2个蓄电池组(4、5)均通过第二开关组(8)与第二DC/DC双向变换器(9)的低压侧连接，2个蓄电池组(4、5)均通过第二开关组(8)与逆变器(13)的直流侧连接；第二DC/DC双向变换器(9)的高压侧与所述直流母线(12)连接；逆变器(13)的交流侧与城轨列车牵引变电站的用电设备(14)连接；所述2个荷电检测单元(6、7)分别与2个蓄电池组(4、5)连接，用于分别检测2个蓄电池组(4、5)的剩余容量；所述光伏发电装置(1)用于将光能转化为电能输出；所述DC/DC变换器(2)用于将光伏发电装置(1)输出的电能传输给蓄电池组充电；所述第一DC/DC双向变换器(10)用于实现超级电容器组(11)与直流母线(12)间的能量流动；所述第二DC/DC双向变换器(9)用于实现蓄电池组与直流母线(12)间的能量流动；所述逆变器(13)能将蓄电池组输出的直流电逆变成交流电，供城轨列车牵引变电站内的用电设备(14)使用；所述第一开关组(3)能分别控制2个蓄电池组(4、5)与DC/DC变换器(2)的连接状态；所述第二开关组(8)能分别控制2个蓄电池组(4、5)与第二DC/DC双向变换器(9)的连接状态；所述第二开关组(8)能分别控制2个蓄电池组(4、5)与逆变器(13)的连接状态；所述连接状态包括连通和断开；所述协调控制模块存储有直流母线(12)的上限电压值和下限电压值数据；协调控制模块还能对输入数据或信号进行处理并输出相应的控制信号；协调控制模块的输入数据或信号包括：光伏发电装置(1)的工作状态信号、直流母线(12)实际电压、2个蓄电池组(4、5)的剩余容量、超级电容器组(11)的剩余容量、列车运行模式信号、列车的瞬时牵引功率和瞬时制动功率；协调控制模块的输出信号包括：2个开关组的控制信号、DC/DC变换器(2)的控制信号、2个DC/DC双向变换器的控制信号、逆变器(13)的控制信号；所述光伏发电装置(1)的工作状态包括发电状态和停机状态；所述列车运行模式包括制动、牵引、巡航和惰行。...

【技术特征摘要】
1.一种城轨列车再生能量综合利用系统，包括城轨列车接触网的直流母线(12)和超级电容储能单元；所述超级电容储能单元包括超级电容器组(11)和第一DC/DC双向变换器(10)，所述第一DC/DC双向变换器(10)的高压侧与所述直流母线(12)连接，所述第一DC/DC双向变换器(10)的低压侧与超级电容器组(11)连接，其特征在于：还包括光伏发电储能系统和协调控制模块；所述光伏发电储能系统包括光伏发电装置(1)、逆变器(13)、DC/DC变换器(2)、第二DC/DC双向变换器(9)、2个开关组、2个蓄电池组(4、5)和2个荷电检测单元(6、7)；所述DC/DC变换器(2)与光伏发电装置(1)连接；所述2个蓄电池组(4、5)均通过第一开关组(3)与DC/DC变换器(2)连接；2个蓄电池组(4、5)均通过第二开关组(8)与第二DC/DC双向变换器(9)的低压侧连接，2个蓄电池组(4、5)均通过第二开关组(8)与逆变器(13)的直流侧连接；第二DC/DC双向变换器(9)的高压侧与所述直流母线(12)连接；逆变器(13)的交流侧与城轨列车牵引变电站的用电设备(14)连接；所述2个荷电检测单元(6、7)分别与2个蓄电池组(4、5)连接，用于分别检测2个蓄电池组(4、5)的剩余容量；所述光伏发电装置(1)用于将光能转化为电能输出；所述DC/DC变换器(2)用于将光伏发电装置(1)输出的电能传输给蓄电池组充电；所述第一DC/DC双向变换器(10)用于实现超级电容器组(11)与直流母线(12)间的能量流动；所述第二DC/DC双向变换器(9)用于实现蓄电池组与直流母线(12)间的能量流动；所述逆变器(13)能将蓄电池组输出的直流电逆变成交流电，供城轨列车牵引变电站内的用电设备(14)使用；所述第一开关组(3)能分别控制2个蓄电池组(4、5)与DC/DC变换器(2)的连接状态；所述第二开关组(8)能分别控制2个蓄电池组(4、5)与第二DC/DC双向变换器(9)的连接状态；所述第二开关组(8)能分别控制2个蓄电池组(4、5)与逆变器(13)的连接状态；所述连接状态包括连通和断开；所述协调控制模块存储有直流母线(12)的上限电压值和下限电压值数据；协调控制模块还能对输入数据或信号进行处理并输出相应的控制信号；协调控制模块的输入数据或信号包括：光伏发电装置(1)的工作状态信号、直流母线(12)实际电压、2个蓄电池组(4、5)的剩余容量、超级电容器组(11)的剩余容量、列车运行模式信号、列车的瞬时牵引功率和瞬时制动功率；协调控制模块的输出信号包括：2个开关组的控制信号、DC/DC变换器(2)的控制信号、2个DC/DC双向变换器的控制信号、逆变器(13)的控制信号；所述光伏发电装置(1)的工作状态包括发电状态和停机状态；所述列车运行模式包括制动、牵引、巡航和惰行。2.一种城轨列车再生能量综合利用系统的控制方法，其特征在于：所涉及的硬件包括城轨列车接触网的直流母线(12)和超级电容储能单元；所述超级电容储能单元包括超级电容器组(11)和第一DC/DC双向变换器(10)，所述第一DC/DC双向变换器(10)的高压侧与所述直流母线(12)连接，所述第一DC/DC双向变换器(10)的低压侧与超级电容器组(11)连接；所涉及的硬件还包括光伏发电储能系统和协调控制模块；所述光伏发电储能系统与直流母线(12)连接；所述协调控制模块能控制超级电容储能单元和光伏发电储能系统二者与直流母线(12)间的能量流动，协调控制模块还能控制光伏发电储能系统内部的能量流动，以及协调控制模块能控制光伏发电储能系统与牵引变电站的用电设备(14)之间的能量流动；所述光伏发电储能系统包括光伏发电装置(1)、逆变器(13)、DC/DC变换器(2)、第二DC/DC双向变换器(9)、2个开关组、2个蓄电池组(4、5)和2个荷电检测单元(6、7)；所述DC/DC变换器(2)与光伏发电装置(1)连接；所述2个蓄电池组(4、5)均通过第一开关组(3)与DC/DC变换器(2)连接；2个蓄电池组(4、5)均通过第二开关组(8)与第二DC/DC双向变换器(9)的低压侧连接，2个蓄电池组(4、5)均通过第二开关组(8)与逆变器(13)的直流侧连接；第二DC/DC双向变换器(9)的高压侧与所述直流母线(12)连接；逆变器(13)的交流侧与城轨列车牵引变电站的用电设备(14)连接；所述2个荷电检测单元(6、7)分别与2个蓄电池组(4、5)连接，用于分别检测2个蓄电池组(4、5)的剩余容量；所述光伏发电装置(1)用于将光能转化为电能输出；所述DC/DC变换器(2)用于将光伏发电装置(1)输出的电能传输给蓄电池组充电；所述第一DC/DC双向变换器(10)用于实现超级电容器组(11)与直流母线(12)间的能量流动；所述第二DC/DC双向变换器(9)用于实现蓄电池组与直流母线(12)间的能量流动；所述逆变器(13)能将蓄电池组输出的直流电逆变成交流电，供城轨列车牵引变电站内的用电设备(14)使用；所述第一开关组(3)能分别控制2个蓄电池组(4、5)与DC/DC变换器(2)的连接状态；所述第二开关组(8)能分别控制2个蓄电池组(4、5)与第二DC/DC双向变换器(9)的连接状态；所述第二开关组(8)能分别控制2个蓄电池组(4、5)与逆变器(13)的连接状态；所述连接状态包括连通和断开；所述协调控制模块存储有直流母线(12)的上限电压值和下限电压值数据；协调控制模块还能对输入数据或信号进行处理并输出相应的控制信号；协调控制模块的输入数据或信号包括：光伏发电装置(1)的工作状态信号、直流母线(12)实际电压、2个蓄电池组(4、5)的剩余容量、超级电容器组(11)的剩余容量、列车运行模式信号、列车的瞬时牵引功率和瞬时制动功率；协调控制模块的输出信号包括：2个开关组的控...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐凯，袁浩轩，何立兰，周颖，
申请(专利权)人：重庆交通大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50