本发明专利技术公开了一种轨道交通车辆及其再生制动能量综合利用装置、方法，该装置包括第一DCDC转换器、第二DCDC转换器、DC/AC转换器、超级电容组、蓄电池组以及控制模块；控制模块根据牵引网/接触网电压控制所述第一DCDC转换器的工作状态，实现所述超级电容组的充放电控制；根据第一直流母线电压控制所述第二DCDC转换器的工作状态，实现所述蓄电池组的充电控制；以及根据第一直流母线电压、或蓄电池组的荷电状态控制所述DC/AC转换器的工作状态，实现0.4kV低压配电控制。本发明专利技术利用超级电容的快充快放功能实现再生制动能量的瞬时吸收以及牵引网/接触网的网压支撑功能。及牵引网/接触网的网压支撑功能。及牵引网/接触网的网压支撑功能。
【技术实现步骤摘要】
轨道交通车辆及其再生制动能量综合利用装置、方法
[0001]本专利技术属于城轨交通车辆
，尤其涉及一种轨道交通车辆及其再生制动能量综合利用装置、方法。
技术介绍
[0002]随着经济的快速发展，城市化建设的规模日益扩大，城市轨道交通正处于快速发展阶段。城市轨道交通发车密度大、站间距较短，列车因频繁启动、制动而产生大量的制动能量。目前，城市轨道交通内的电力机车均具有再生制动功能。合理利用再生制动能量可以有效减少城市用电量，从而实现节能减排，具有经济、社会效益。
[0003]目前，列车再生制动能量吸收装置主要包括以下类型：1、电阻耗能型电阻耗能型是将列车多余能量经大功率电阻以热能被耗散掉，其电路拓扑结构主要是含有IGBT的斩波电路和大功率制动电阻，如图1所示。当接触网电压过高且超过设定的预警电压时，通过控制IGBT导通比来调节电阻的吸收功率，经LC滤波电路将接触网能量引入制动电阻，实现稳定接触网电压的目的。但是电阻耗能型装置不节能、反耗能，具体表现为：（1.1）再生制动电能在电阻上集中发热消耗，无法得到最大限度利用；（1.2）电阻在散热过程中，需配置高功率散热风机，产生大量噪音污染；（1.3）高功率散热风机增加电能的消耗。
[0004]2、逆变回馈型，逆变回馈型分为低压逆变回馈型和中压逆变回馈型2.1低压回馈型低压回馈型是利用大功率电力电子技术，将直流牵引网中的列车制动能量反馈至车站低压动力照明供电系统，可将接触网直流电逆变成三相交流电，与车站动力照明供电系统并网后供车站0.4kV动力照明负荷用电，其原理图如图2所示。对于0.4kV低压逆变回馈型装置具有以下缺陷：（2.11）由于列车制动属于间歇式活动，且瞬时回馈功率一般较高，然而城市轨道交通车站0.4kV电网系统容量一般较小，0.4kV低压逆变回馈型装置实际被利用的再生电能相当有限，节能效果不明显；（2.12）由于0.4kV低压逆变回馈型装置实际被利用的再生电能相当有限，为了达到稳定网压的作用，需要额外设置吸收电阻，存在电阻耗能型装置的全部缺点。
[0005]2.2中压回馈型中压回馈型是利用大功率电力电子技术，将直流牵引网中的列车制动能量反馈至10kV或35kV中压环网，可将接触网直流电逆变成三相交流电，供10kV或35kV中压环网负荷使用，从而减小因列车制动造成的直流牵引网电压抬升，达到稳定网压的效果；而且，由于列车制动能量被回馈至中压环网，可减少或取消车载制动电阻配置，减轻列车固有载重的同时，减少因制动电阻散热带来的隧道通风能耗，其原理图如图3所示。对于10kV/35kV中压
逆变回馈型装置具有以下缺陷：（2.21）中压逆变回馈装置属于谐波源，会给电网带来谐波污染的隐患；（2.22）受城轨线路行车组织运行图限制，中压逆变回馈至10kV/35kV网络的电能可能无法完全被邻车吸收，节能效果有限；（2.23）受制于城轨线路行车组织运行的状态，当回馈的电能无法完全被邻车吸收，回馈的电能只能被10kV/35kV电网吸收的消耗掉，而无法进行再利用，因此这种中压逆变回馈方式无法达到真正节能、降本的目的和效果；（2.24）虽然逆变回中压逆变回馈具备反向网压支撑的功能，但进行网压支撑时，需从10kV/35kV取电能来实现，不但不节能，反而耗能。
[0006]3、电容储能型利用超级电容充放电速度快、功率密度大、效率高、工作稳定的特点，实现瞬时网压波动能量的吸收和支撑。如图4所示，其主要由两个部分组成：（3.1）由众多超级电容单体构成的超级电容储能部分；（3.2）连接地铁接触网与储能部分实现不同直流电压等级间能量变换和流动的双向DC/DC变换器。当列车制动时，再生制动能量使接触网电压升高，接触网电压超过阈值时DC/DC变换器将高压接触网侧能量降压向储能部分传输，实现再生制动能量的吸收；当列车启动时，造成接触网电压下降，此时DC/DC变换器将储能吸收的部分能量经DC/DC变换器向接触侧传输供地铁列车使用，实现了网压支撑以及再生制动能量利用。电容储能型装置存在以下缺陷：（a）电容储能型再生制动吸收方式主要用于就地网压支撑，在超级电容储存的电能未在网压支撑条件下及时完全释放的情况下，多列车先后制动时无法持续重复吸收能量；（b）电容储能型再生制动吸收方式主要用于就地网压支撑，能量再利用方式有限，再生制动能量综合利用效果不佳，节能效益有限；（c）由于制动瞬时能量大、电压高，采用纯超级电容储能时，需要多套电容系统进行串、并联，才能满足高压、大电流的需求，因此其成本非常高。
[0007]4、飞轮储能型飞轮储能方式将地铁接触网中多余电能以飞轮动能形式存储，如图5所示，其基本结构有DC/AC双向变换器、异步电机、飞轮以及轴承。当列车制动时，再生制动能量使接触网电压升高时，DC/AC双向变换器将接触网直流电逆变为三相交流电通过异步电机对飞轮进行加速，实现接触网电能到飞轮动能的转换，从而实现再生制动能量的吸收。当接触网电压不足时，三相异步电机工作于发电机状态，飞轮减速实现动能到电能的转换，输送到接触网使其电压维持稳定，实现了网压支撑以及再生制动能量利用。飞轮储能型装置具有以下缺陷：（4.1）飞轮储能型再生制动吸收方式主要用于就地网压支撑，能量再利用方式有限，再生制动能量综合利用效果不佳，节能效益有限；（4.2）当前飞轮储能技术尚未发展至成熟应用阶段，且飞轮机组对安装基础设施及环境要求较高。
[0008]5、混合储能型混合储能型再生制动能量吸收方式的超级电容回路和蓄电池回路独立并联于牵
引网直流母线，如图6所示。当列车制动，再生制动能量使接触网电压升高，接触网电压超过阈值时，超级电容回路的双向DC/DC变换器和蓄电池回路的双向DC/DC变换器将高压接触网侧能量降压分别向超级电容和蓄电池传输，实现再生制动能量吸收；当列车启动过程中造成接触网电压下降时，超级电容回路的双向DC/DC变换器和蓄电池回路的双向DC/DC变换器将超级电容和蓄电池能量分别注入直流接触网，供地铁列车使用，实现了再生制动能量的再利用。混合储能型装置具有以下缺陷：（5.1）超级电容和蓄电池采用独立回路并联混合，无法实现能量转移和充分综合利用超级电容回路和蓄电池回路独立并联于牵引网直流母线，未采用多端口交直流混合拓扑设计，需要经过牵引网直流母线才能实现超级电容与蓄电池之间的能量转移，导致能量与牵引网本身的能量将会混合交织在一起，无法实现解耦控制。因此，超级电容和蓄电池实际上只能为两个独立的储能回路，不能充分利用超级电容高功率密度和蓄电池高能量密度的综合优势来实现再生能量的综合再利用。
[0009]（5.2）未采用多端口交直流混合拓扑设计，不能给车站0.4kV动力照明负荷用电车站混合储能型再生制动能量吸收方式的核心作用主要为网压吸收和支撑，未考虑车站0.4kV动力照明负荷就地用电，再生制动能量综合利用效果不佳。
[0010]（5.3）受城轨线路行车组织运行图限制，节能效果不明显，且存在网压抬升、列车闸瓦制动频繁启动的不良影响由于不能实现能量从超级电容向蓄电池和车站0.4kV动力照明负荷的转移，当行本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种再生制动能量综合利用装置，其特征在于，包括：第一DCDC转换器，其第一端与牵引网/接触网连接，其第二端与第一直流母线连接；超级电容组，其与所述第一直流母线连接；第二DCDC转换器，其第一端与所述第一直流母线连接，其第二端与第二直流母线连接；蓄电池组，其与所述第二直流母线连接；DC/AC转换器，其直流侧与所述第二直流母线连接，其交流侧与0.4kV交流母线连接；控制模块，被配置为根据牵引网/接触网电压控制所述第一DCDC转换器的工作状态，实现所述超级电容组的充放电控制；根据第一直流母线电压控制所述第二DCDC转换器的工作状态，实现所述蓄电池组的充电控制；以及根据第一直流母线电压、或蓄电池组的荷电状态控制所述DC/AC转换器的工作状态，实现0.4kV低压配电控制。2.根据权利要求1所述的再生制动能量综合利用装置，其特征在于：所述超级电容组是由多个串联和/或并联的超级电容单体构成。3.根据权利要求1或2所述的再生制动能量综合利用装置，其特征在于：所述第二DCDC转换器为单向DCDC转换器或双向DCDC转换器。4.一种利用如权利要求1~3中任一项所述的再生制动能量综合利用装置进行再生制动能量综合利用的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：获取牵引网/接触网电压；当所述牵引网/接触网电压大于第一临界电压时，控制第一DCDC转换器处于降压状态，所述牵引网/接触网对超级电容组充电；当所述牵引网/接触网电压小于第二临界电压时，控制第一DCDC转换器处于升压状态，所述超级电容组对所述牵引网/接触网放电；获取第一直流母线电压；当所述第一直流母线电压大于第三临界...
【专利技术属性】
技术研发人员：张成，余家华，彭俊荟，张群，王震，欧阳振宇，张杰，时丽丽，张致源，谭勇，
申请(专利权)人：通号长沙轨道交通控制技术有限公司，
类型：发明
国别省市：
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