[發明專利]城市軌道列車再生制動能量吸收利用系統及方法

有效

• 申請號: 201310179540.6
• 申請日: 2013-05-15
• 公開（公告）號: CN103311950A
• 公開（公告）日: 2013-09-18
• 發明（設計）人: 尹項根;張哲;王存平;蘇玉京;唐萍;文明浩
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: H02J3/38
• 分類號: H02J3/38;H02J3/28;B60L7/00
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 李智

技術領域

本發明屬于城市軌道交通供電系統領域，具體涉及一種城市軌道列車再生制動能量吸收利用系統。

背景技術

城市軌道交通采用直流牽引供電方式，直流電源在牽引變電站中通過不控整流器獲得，電壓等級有DC750V和DC1500V兩種。目前城市軌道列車的牽引電機多采用交流感應電機，通過變壓變頻調速（VVVF）單元從直流接觸網（即直流母線，以下統稱直流母線）獲取電能。目前列車大多采用再生制動方式：當列車開始制動時，感應電機工作于發電機狀態，將列車運行的動能轉換為電能回饋到直流母線。當列車向直流母線回饋的電能不能被其他列車吸收時，會造成直流母線電壓升高，進而威脅系統安全。

為了維持直流母線電壓的穩定，傳統系統是在牽引變電所中裝設電阻耗能單元，當直流母線電壓超過一定值時，將多余的制動能量消耗在耗能電阻上，從而抑制直流母線電壓的升高。

顯然，電阻耗能方式浪費掉了很多能量，不利于資源節約，同時也不利于環境保護。為了提高再生制動能量的利用率，減少耗能電阻的使用，實現節能、環保的目的，以儲能式和逆變回饋式為代表的先進的再生制動能量吸收利用系統成為目前國內外研究的熱點問題。儲能式是在牽引變電站的直流母線上裝設儲能單元，吸收多余的再生制動能量，同時當列車在起動、加速時，儲能單元釋放能量，供列車使用；逆變回饋式是在牽引變電站的直流母線與交流電網之間裝設一個逆變器，將多余的再生制動能量逆變回饋到交流電網中。這兩種方式分別如圖1和圖2所示。

但是，由于列車起制動頻繁，再生制動能量功率幅值大（可達3～6MW），若單獨采用儲能方式，要求儲能單元具有很大的功率與容量，導致體積與造價增大，同時過于頻繁的充放電會影響儲能單元的壽命；若單獨采用逆變回饋方式，則不足以對列車再生制動能量進行有效吸收。因此，需要尋找一種更加高效的再生制動能量吸收利用系統。

發明內容

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種城市軌道列車再生制動能量綜合吸收利用系統及方法，其目的在于快速、充分地吸收列車再生制動能量，維持直流母線電壓穩定，提高列車再生制動能量的利用率。

一種城市軌道列車再生制動能量綜合吸收利用系統，其特征在于，包括能量回饋逆變器、儲能單元、DC/DC雙向變換器及直流平波電容C_dc；

能量回饋逆變器的直流側、DC/DC雙向變換器的高壓側均與直流平波電容C_dc相并聯，同時與城市軌道列車接觸網的直流母線的正負極相并聯；DC/DC雙向變換器的低壓側與儲能單元相連；能量回饋逆變器的交流側與城市軌道列車的牽引變電站內配電變壓器的低壓側相連，用于將直流母線上的再生制動能量進行逆變，供牽引變電站內用電設備使用。

一種基于上述系統的城市軌道列車再生制動能量吸收利用方法，具體為：

當列車再生制動導致直流母線電壓升高超過其最高限值時，首先控制DC/DC雙向變換器的開關狀態使直流母線向儲能單元充電，儲能單元吸收列車再生制動能量，使直流母線電壓恢復到正常范圍；當儲能單元充電即將飽和時，停止對其充電，控制能量回饋逆變器工作在逆變狀態，將直流母線上多余的再生制動能量逆變回饋到牽引變電站內交流電網，供牽引變電站內用電設備使用；

當直流母線電壓由于列車啟動而降低越過其最低限值時，控制DC/DC雙向變換器的開關狀態使儲能單元向直流母線放電，使直流母線電壓恢復到正常范圍；

當直流母線電壓在正常范圍內，而儲能單元電壓越過其最低限值時，控制DC/DC雙向變換器的開關狀態使直流母線向儲能單元充電，從而維持儲能單元電壓在正常范圍內；

當直流母線電壓在正常范圍內，而儲能單元電壓越過其最高限值時，通過對能量回饋逆變器及DC/DC雙向變換器的聯合控制，使儲能單元向牽引變電站內用電設備放電，從而維持儲能單元電壓在正常范圍內。

進一步地，所述能量回饋逆變器工作在靜止無功補償模式，以對牽引變電站內用電設備進行無功功率補償。

本發明的有益效果包括：

1、所提供的列車再生制動能量綜合吸收利用系統兼具儲能式與逆變回饋式兩種系統的優點，具有多種靈活的工作模式，從而可以更加快速、充分地吸收列車再生制動能量，有效維持直流母線電壓的穩定。

2、通過能量回饋逆變器將多余的再生制動能量回饋到牽引變電站內電網，供牽引變電站內用電設備使用，從而提高了列車再生制動能量的利用率。