飞轮储能再生制动能量回馈系统及其控制方法

摘要

本发明涉及城市轨道交通再生能量回收技术领域，具体涉及一种飞轮储能再生制动能量回馈系统及其控制方法。该系统包括：直流‑直流双向变换器、二级直流母线和飞轮储能装置。本发明的飞轮储能再生制动能量回馈系统包括两级功率变换设备，第一级为直流‑直流双向变换器，第二级为飞轮储能装置中的直流‑交流双向变换器，在两级功率变换设备之间设置了二级直流母线，增加了系统兼容性；本发明的控制方法中直流‑直流双向变换器和飞轮储能装置分别独立地按照各自的控制策略调整运行状态，直流‑直流双向变换器和每一个飞轮储能装置中的直流‑交流双向变换器之间无需通信，控制上相互解耦，降低了系统复杂度，具有良好的可扩展性，方便建设和运维。

说明书

技术领域

本发明涉及城市轨道交通再生能量回收技术领域，具体涉及一种飞轮储能再生制动能量回馈系统及其控制方法。

背景技术

城市轨道交通具有运输量大、行驶速度快、舒适性好等优点，在世界各国得到了越来越广泛的应用。人们在享受轨道交通舒适性和便利性的同时，也越来越关注轨道交通的节能与环保。城市轨道列车因为站间距离短、运行密度高，在频繁的制动过程中产生了可观的再生制动能量。这些再生制动能量除了一部分被相邻车辆吸收之外，其他都流入到直流牵引网中，如果不能吸收这些能量，将会引起直流母线电压升高，电压过高将会影响到系统的正常运行，因此，需要配置能量吸收设备来吸收这些再生制动能量。常用的吸收再生制动能量的设备包括电阻耗能装置、飞轮储能装置、超级电容储能装置和逆变回馈装置。其中飞轮储能装置因为能够在列车制动时吸收能量，在列车启动和加速时释放能量，节能效果好，并且安全可靠、使用寿命长、绿色环保，是一种新的技术发展方向。

世界各国城市轨道交通的直流供电电压大都在DC 600～1500V之间。我国的轨道交通牵引网供电电压主要包括两种制式：一种制式额定电压为直流750V，另一种制式额定电压为直流1500V。对于供电电压为直流750V的轨道交通系统，飞轮储能装置通过AC/DC变流器将电压转换至直流750V，接入直流750V牵引网，已经有飞轮储能装置成功运行的案例。但是对于供电电压为直流1500V的轨道交通系统，飞轮储能装置如何进行功率变换与充放电控制，相关的研究成果较少。

现有技术中的飞轮储能装置能量回馈系统，用于750V直流轨道系统的飞轮储能装置，其DC/AC双向变流器的直流侧额定电压为750V，不能接入1500V直流轨道系统。如果为每台飞轮储能装置配置直流电压为1500V的DC/AC双向变流器，不仅变流器结构复杂，而且成本高。

鉴于此，克服以上现有技术中的缺陷，提供一种新的飞轮储能再生制动能量回馈系统成为本领域亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的上述缺陷，提供一种飞轮储能再生制动能量回馈系统及其控制方法。

本发明提供了一种飞轮储能再生制动能量回馈系统，设于用于输出电能给列车供电的牵引网上，该系统包括：

高压侧与牵引网的直流母线连接的直流-直流双向变换器；

与所述直流-直流双向变换器的低压侧连接的二级直流母线；以及

至少一个与所述二级直流母线连接的飞轮储能装置，所述飞轮储能装置包括：直流侧与所述二级直流母线连接的直流-交流双向变换器、以及与所述直流-交流双向变换器的交流侧连接的飞轮储能单元，所述飞轮储能装置用于将列车制动时产生的再生能量转化为动能储存或将储存的动能转化为电能释放供列车使用；

其中，所述直流-直流双向变换器根据所述直流母线电压调节运行状态，所述飞轮储能装置根据所述二级直流母线电压调节运行状态。

优选地，所述直流母线的额定电压为1500V，所述二级直流母线的额定电压为750V。

优选地，该系统还包括：

用于检测直流母线电压的第一电压传感器；

与所述第一电压传感器和所述直流-直流双向变换器连接的第一控制器，所述第一控制器根据所述第一电压传感器的检测结果控制所述直流-直流双向变换器的运行状态。

优选地，所述飞轮储能装置还包括：

用于检测二级直流母线电压的第二电压传感器；

与所述第二电压传感器、所述直流-交流双向变换器、以及所述飞轮储能单元均连接的第二控制器，所述第二控制器根据所述第二电压传感器的检测结果控制所述直流-交流双向变换器的运行状态以及所述飞轮储能单元的运行状态。

优选地，所述飞轮储能单元包括：

用于储存动能的飞轮本体；

与所述飞轮本体连接的电机，所述电机的定子端与所述直流-交流双向变换器的交流侧连接。

本发明还提供了一种飞轮储能再生制动能量回馈系统的控制方法，包括：

分别检测直流母线电压和二级直流母线电压；

根据所述直流母线电压控制所述直流-直流双向变换器的运行状态；

根据所述二级直流母线电压控制所述飞轮储能装置的运行状态。

优选地，所述“根据所述直流母线电压控制所述直流-直流双向变换器的运行状态”的步骤包括：

当所述直流母线电压大于或等于第一充电阈值时，控制所述直流-直流双向变换器的功率流向为由高压侧流向低压侧；当所述直流母线电压小于或等于第一放电阈值时，控制所述直流-直流双向变换器的功率流向为由低压侧流向高压侧。

优选地，所述“根据所述二级直流母线电压控制所述飞轮储能装置的运行状态”的步骤包括：

当所述二级直流母线电压大于或等于第二充电阈值时，控制所述直流-交流双向变换器的功率流向为由直流侧流向交流侧，控制电机工作模式为电动机模式，驱动飞轮本体旋转，将电能转换为动能；

当所述二级直流母线电压小于或等于第二放电阈值时，控制所述直流-交流双向变换器的功率流向为由交流侧流向直流侧，控制电机工作模式为发电机模式，飞轮本体的惯性驱动发电机转子旋转，将动能转换为电能。

优选地，所述“根据所述直流母线电压控制所述直流-直流双向变换器的运行状态”的步骤还包括：

当所述直流母线电压大于第一放电阈值且小于第一充电阈值时，控制所述直流-直流双向变换器停止功率变换。

优选地，所述“根据所述二级直流母线电压控制所述飞轮储能装置的运行状态”的步骤还包括：

当所述二级直流母线电压大于第二放电阈值且小于第二充电阈值时，控制所述直流-交流双向变换器停止功率变换，控制飞轮储能装置进入待机状态。

本发明的飞轮储能再生制动能量回馈系统包括两级功率变换设备，第一级为直流-直流双向变换器，第二级为飞轮储能装置中的直流-交流双向变换器，在两级功率变换设备之间设置了二级直流母线，增加了系统兼容性；本发明的控制方法中直流-直流双向变换器和飞轮储能装置分别独立地按照各自的控制策略调整运行状态，直流-直流双向变换器和每一个飞轮储能装置中的直流-交流双向变换器之间无需通信，控制上相互解耦，降低了系统复杂度，具有良好的可扩展性，方便建设和运维。

附图说明

图1是本发明实施例的飞轮储能再生制动能量回馈系统的结构框图。

图2是本发明实施例的优选实施方式的飞轮储能再生制动能量回馈系统的结构框图。

图3是本发明实施例的控制方法中直流-直流双向变换器的控制流程图。

图4是本发明实施例的控制方法中飞轮储能装置的控制流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

为了使本揭示内容的叙述更加详尽与完备，下文针对本发明的实施方式与具体实施例提出了说明性的描述；但这并非实施或运用本发明具体实施例的唯一形式。实施方式中涵盖了多个具体实施例的特征以及用以建构与操作这些具体实施例的方法步骤与其顺序。然而，亦可利用其它具体实施例来达成相同或均等的功能与步骤顺序。

供电网用于输出电能给轨道供电，牵引网用于输出电能给列车供电，请参阅图1所示，供电网的交流母线100和牵引网的直流母线200之间依次设有变压器300和交流-直流整流器400，变压器300的一侧与交流母线100连接，交流-直流整流器400的交流侧与变压器300的另一侧连接，交流-直流整流器400的直流侧与直流母线200连接，供电网通过交流母线100输出的电能经过变压器300和交流-直流整流器400转换后与牵引网的直流母线200相适配。

本发明实施例的飞轮储能再生制动能量回馈系统500，设于牵引网的直流母线200上，该飞轮储能再生制动能量回馈系统500包括：直流-直流双向变换器10、飞轮储能装置20和二级直流母线30，直流-直流双向变换器10的高压侧与直流母线200连接，直流-直流双向变换器10的低压侧与二级直流母线30连接，直流母线200输送到该飞轮储能再生制动能量回馈系统500的电能经过直流-直流双向变换器10转换后与二级直流母线30相适配。

飞轮储能装置20设于二级直流母线30上，用于将列车制动时产生的再生能量转化为动能储存或将储存的动能转化为电能释放供列车使用。飞轮储能装置20包括：直流-交流双向变换器201和飞轮储能单元202，直流-交流双向变换器201的交流侧与飞轮储能单元202连接，用于为飞轮储能单元202提供充电功率、以及接收飞轮储能单元202的输出功率。

当列车制动时，直流母线200电压升高，当直流母线200的电压大于或等于第一充电阈值时，直流-直流双向变换器10的功率流向为由高压侧流向低压侧，即直流-直流双向变换器10的功率从直流母线200流向二级直流母线30，二级直流母线30电压升高，当二级直流母线30电压大于或等于第二充电阈值时，直流-交流双向变换器201的功率流向为由直流侧向交流侧，即直流-交流双向变换器201控制功率从二级直流母线30流向飞轮储能单元202，将再生能量以动能的形式储存起来。

当列车启动或加速时，直流母线200电压下降，当直流母线200的电压小于或等于第一放电阈值时，直流-直流双向变换器10的功率流向为由低压侧流向高压侧，即直流-直流双向变换器10的功率从二级直流母线30流向直流母线200，二级直流母线30电压下降，当二级直流母线30电压小于或等于第二放电阈值时，直流-交流双向变换器201的功率流向为由交流侧向直流侧，即直流-交流双向变换器201控制功率从飞轮储能单元202流向二级直流母线30，将所储存的动能转化为电能释放出来，供列车运行使用。

直流-直流双向变换器10根据直流母线200电压的变化调整功率变换方向及功率大小，使直流母线200电压稳定在设定值范围内。直流-交流双向变换器201根据二级直流母线30电压的变化调整功率变换方向及功率大小，使二级直流母线30电压稳定在设定值范围内。

在本发明的飞轮储能再生制动能量回馈系统500中，多个飞轮储能装置20可以并接在二级直流母线30上，飞轮储能装置20的数量可以根据充放电功率和能量的需求进行配置，当其中一台飞轮储能装置退出运行时，不影响整个系统500的运行，只是充放电功率和能量减少。

在一个实施方式中，直流母线200的额定电压为1500V，二级直流母线30的额定电压为750V。

本发明采用两级功率变换的拓扑架构，该飞轮储能再生制动能量回馈系统500包括两级功率变换设备，第一级为直流-直流双向变换器10，第二级为飞轮储能装置20中的直流-交流双向变换器201，在两级功率变换设备之间设置了二级直流母线30，增加了系统兼容性。其中，直流-直流双向变换器10根据该直流母线200电压调节运行状态，该飞轮储能装置20根据该二级直流母线30电压调节运行状态。本发明的飞轮储能再生制动能量回馈系统500中，直流-直流双向变换器10和每一个直流-交流双向变换器201之间不需要通信，各个直流-交流双向变换器201之间不需要通信。

具体地，在一个优选实施方式中，请参阅图2所示，该飞轮储能再生制动能量回馈系统500还包括第一电压传感器和第一控制器，其中，第一电压传感器与直流母线200连接，用于检测直流母线200电压；第一控制器与该第一电压传感器和该直流-直流双向变换器10均连接，该第一控制器根据该第一电压传感器的检测结果控制该直流-直流双向变换器10的运行状态。该飞轮储能装置20还包括第二电压传感器和第二控制器，其中，第二电压传感器与该二级直流母线30连接，用于检测二级直流母线30电压，第二控制器与该第二电压传感器、该直流-交流双向变换器201、以及该飞轮储能单元202均连接，该第二控制器根据该第二电压传感器的检测结果控制该直流-交流双向变换器201的运行状态以及该飞轮储能单元202的运行状态。

进一步地，第一控制器和第二控制器均包括可编程处理器，该可编程处理器中写有软件程序，该程序可执行本文描述的功能。具体地，该软件程序可以通过网络以电子格式的形式下载至处理器中；或者，该软件程序可以存储在如磁存储器、光学存储器或电子存储器等存储介质上。在一些实施例中，第一控制器和第二控制器还可以包括用于加速其操作的附加或嵌入式硬件模块。前述硬件模块可以包括离散部件、至少一个现场可编程门列阵(FPGA)和/或至少一个专用集成电路(ASI C)。

当直流母线200电压大于或等于第一充电阈值时，第一控制器控制该直流-直流双向变换器10的功率流向为由高压侧流向低压侧；当该直流母线电压200小于或等于第一放电阈值时，第一控制器控制该直流-直流双向变换器10的功率流向为由低压侧流向高压侧；当该直流母线200电压大于第一放电阈值且小于第一充电阈值时，控制该直流-直流双向变换器10停止功率变换。

在一个优选实施方式中，请参阅图2所示，该飞轮储能单元202包括：电机2021和飞轮本体2022，其中，电机2021为电动机/发电机一体机，飞轮储能单元202充电时作为电动机使用，飞轮储能单元202放电时，作为发电机使用。充电时，电机2021获得直流-交流双向变换器201的输出电力以驱动飞轮本体2022旋转，飞轮本体2022用于存储动能，放电时，飞轮本体2022将储存的动能传输给电机2021，电机2021的电输出端与直流-交流双向变换器201的交流侧连接，将由动能转化的电能输送至二级直流母线30。直流-交流双向变换器201的交流侧与电机2021的定子端连接，为变频交流电压。

本领域技术人员应当理解，本发明的重点不在于飞轮储能单元202的结构，该飞轮储能单元202还可以采用其他实现方式，均在本发明的保护范围之内。

飞轮储能装置20具有充电状态、放电状态和待机状态(既不充电也不放电的状态)。

当二级直流母线30电压大于或等于第二充电阈值时，第二控制器控制该直流-交流双向变换器201的功率流向为由直流侧流向交流侧，控制电机2021工作模式为电动机模式，驱动飞轮本体2022旋转，将电能转换为动能，飞轮储能装置20为充电状态。

当二级直流母线30电压小于或等于第二放电阈值时，第二控制器控制该直流-交流双向变换器201的功率流向为由交流侧流向直流侧，控制电机2021工作模式为发电机模式，飞轮本体2022的惯性驱动发电机转子旋转，将动能转换为电能，飞轮储能装置20为放电状态。

当二级直流母线30电压大于第二放电阈值且小于第二充电阈值时，第一控制器控制该直流-交流双向变换器201停止功率变换，控制飞轮储能装置20进入待机状态。当飞轮储能装置20进入待机状态时，在不考虑能量损失的前提下，飞轮本体2022将靠自身惯性以当前转速继续旋转。

本发明还提供了上述的飞轮储能再生制动能量回馈系统500的控制方法，包括如下步骤：

S101，分别检测直流母线电压和二级直流母线电压。

S102，根据该直流母线电压控制该直流-直流双向变换器的运行状态，根据该二级直流母线电压控制该飞轮储能装置的运行状态。

本发明的控制方法中直流-直流双向变换器10和飞轮储能装置20分别独立地按照各自的控制策略调整运行状态，直流-直流双向变换器10和每一个飞轮储能装置20中的直流-交流双向变换器201之间无需通信，控制上相互解耦，降低了系统复杂度，具有良好的可扩展性，方便建设和运维。

图3为根据本发明实施例的飞轮储能再生制动能量回馈系统500的控制方法中直流-直流双向变换器的控制流程，在图3中示出了流程图，从检测步骤S301开始，检测直流母线电压。在判断步骤S302中，当检测到该直流母线电压大于或等于第一充电阈值时，控制直流-直流双向变换器的功率流向为由高压侧流向低压侧。

在判断步骤S302中，当检测到该直流母线电压小于第一充电阈值时，进入判断步骤304。在判断步骤304中，当检测到该直流母线电压小于或等于第一放电阈值时，控制直流-直流双向变换器的功率流向为由低压侧流向高压侧。在判断步骤304中，当检测到该直流母线电压大于第一放电阈值时，控制直流-直流双向变换器停止功率变换。

图4为根据本发明实施例的飞轮储能再生制动能量回馈系统500的控制方法中飞轮储能装置20的控制流程，在图4中示出了流程图，可以支持如下四种包含在所描述的控制方法中的控制模式中的一种或多种：

(a)充电模式：控制该直流-直流双向变换器的功率流向为由高压侧流向低压侧，控制该直流-交流双向变换器的功率流向为由直流侧流向交流侧，控制电机工作模式为电动机模式，驱动飞轮本体旋转，将电能转换为动能，并且直流-交流双向变换器的功率不大于为飞轮储能装置的额定充电功率。

(b)待机模式：控制该直流-交流双向变换器停止功率变换，控制飞轮储能装置进入待机状态。

(c)放电模式：控制该直流-交流双向变换器的功率流向为由交流侧流向直流侧，控制电机工作模式为发电机模式，飞轮本体的惯性驱动发电机转子旋转，将动能转换为电能并且直流-交流双向变换器的功率不大于飞轮储能装置的额定放电功率。

图4中示出的方法从检测步骤S401开始，在监测步骤S401中，检测二级直流母线电压。在判断步骤S402中，当检测到该二级直流母线电压大于或等于第二充电阈值时，飞轮储能装置20进入充电模式。

在判断步骤S402中，当检测到该二级直流母线电压小于第二充电阈值时，进入判断步骤404。在判断步骤404中，当检测到该二级直流母线电压小于或等于第二放电阈值时，飞轮储能装置20进入放电模式。在判断步骤404中，当检测到该二级直流母线电压大于第二放电阈值时，飞轮储能装置20不充电也不放电，飞轮储能装置20进入待机模式。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。