一种轨道交通能量吸收存储装置及控制方法

摘要

本发明公开了一种轨道交通能量吸收存储装置，包括控制单元、输入单元、第一功率单元、第二功率单元、第一输出单元、第二输出单元、存储单元和吸收单元；第一功率单元、第一输出单元和存储单元依次连接，第二功率单元、第二输出单元和吸收单元依次连接，第一功率单元和第二功率单元连接输入单元，输入单元外接直流母线，控制单元根据直流母线电压等级控制输入单元，根据直流母线与存储单元的电压控制第一功率单元和第二功率单元。同时公开了控制方法。本发明完成对应电压等级的切换、能量的回馈与吸收、存储与释放，实现直流母线电压稳定和能量的合理利用，节约电能，满足电网对能量和功率不断变化的需求，提升轨道交通系统的稳定性与盈利能力。

说明书

技术领域

本发明涉及一种轨道交通能量吸收存储装置及控制方法，属于于电力电子技术领域。

背景技术

随着国内城市的建设与发展，轨道交通高速推进，对长期能源和短期功率的需求已迫在眉睫，安全可靠而又经济合理的电力供给是城市轨道交通正常运营的重要保证和前提。处于加减速状态的轨道列车大部分采用电气制动方式将能量存储与回馈至系统。城市轨道线路普遍采用直流供电，电压等级一般为DC750V或DC1500V，当再生制动能量回馈至牵引网时，会被线路上其他处于加速状态的列车吸收，若无法完全被吸收时，会抬高触网电压，影响供电系统的安全运行。因此，通常在城市轨道供电系统的变电所内或列车上设置不同类型的再生能量吸收装置，以保证供电系统的运行安全。但是目前的装置无法满足电网对能量和功率不断变化的需求。

发明内容

本发明提供了一种轨道交通能量吸收存储装置及控制方法，解决了背景技术中披露的问题。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种轨道交通能量吸收存储装置，包括控制单元、输入单元、第一功率单元、第二功率单元、第一输出单元、第二输出单元、存储单元和吸收单元；

第一功率单元、第一输出单元和存储单元依次连接，第二功率单元、第二输出单元和吸收单元依次连接，第一功率单元和第二功率单元连接输入单元， 输入单元外接直流母线；

控制单元连接输入单元、第一功率单元、存储单元、第二功率单元和吸收单元，控制单元根据直流母线电压等级控制输入单元，控制单元根据直流母线与存储单元的电压控制第一功率单元和第二功率单元。

第一功率单元包括第一双向变流单元和第二双向变流单元，第二功率单元包括第一单向变流单元和第二单向变流单元，第一输出单元包括输出单元A和输出单元B，存储单元包括存储单元A1和存储单元B1，第二输出单元包括输出单元C和输出单元D，吸收单元包括吸收单元A2和吸收单元B2；

第一双向变流单元和第二双向变流单元均并接在输入单元的输出端、或者第一双向变流单元和第二双向变流单元串联后并接在输入单元的输出端；

第一双向变流单元的每个桥臂的中点均通过输出单元A连接存储单元A1；第二双向变流单元的每个桥臂的中点均通过输出单元B连接存储单元B1；

第一单向变流单元与第一双向变流单元并接，第一单向变流单元的每个桥臂的中点均通过输出单元C连接吸收单元A2；

第二单向变流单元与第二双向变流单元并接，第二单向变流单元的每个桥臂的中点均通过输出单元D连接吸收单元B2；

输入单元内置受控制单元控制的开关，通过开关控制第一双向变流单元和第二双向变流单元与输入单元的连接结构。

输出单元A和输出单元B的结构一致，包括第一隔刀，第一隔刀的一端连接存储单元，另一端通过电抗器连接各桥臂的中点。

第一隔刀靠近电抗器的一端连接有滤波电容，滤波电容与存储单元并联。

输出单元C和输出单元D的结构一致，包括若干第二隔刀，每个第二隔刀的一端均连接吸收单元，每个第二隔刀的另一端连接一桥臂的中点。

第一双向变流单元和第二双向变流单元结构一致，第一双向变流单元和第二双向变流单元均并接有直流电容和均压电阻。

一种轨道交通能量吸收存储装置的控制方法，包括，

若直流母线电压在预设的2级范围内、并且高于预设的1级范围上限值，控制第一功率单元吸收电能；

若直流母线电压在预设的2级范围内、并且低于预设的1级范围下限值，控制第一功率单元释放存储的电能；

若直流母线电压在预设的3级范围内、并且高于预设的2级范围上限值，控制第一功率单元和第二功率单元吸收电能；

若直流母线电压在预设的3级范围内、并且低于预设的2级范围下限值，控制第一功率单元释放存储的电能；

其中，1级范围为[U

第一双向变流单元和第二双向变流单元均为三桥臂的双向变流单元，第一单向变流单元和第二单向变流单元均为两桥臂的单向变流单元；

若第一双向变流单元和第二双向变流单元均并接在输入单元的输出端；控制第一双向变流单元第一桥臂、第一双向变流单元第二桥臂、第一双向变流单元第三桥臂、第二双向变流单元第一桥臂、第二双向变流单元第二桥臂、第二双向变流单元第三桥臂的相位依次相差60度；控制第一单向变流单元第一桥臂、第一单向变流单元第二桥臂、第二单向变流单元第一桥臂、第二单向变流单元第二桥臂的相位依次相差90度；

若第一双向变流单元和第二双向变流单元串联后并接在输入单元的输出端；控制第一双向变流单元第一桥臂和第二双向变流单元第一桥臂的相位相同，控制第一双向变流单元第二桥臂和第二双向变流单元第二桥臂的相位相同，控制第一双向变流单元第三桥臂和第二双向变流单元第三桥臂的相位相同，第一双向变流单元第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂的相位依次相差120度；控制第一单向变流单元第一桥臂和第二单向变流单元第一桥臂的相位相同，控制第一单向变流单元第二桥臂和第二单向变流单元第二桥臂的相位相同，第一单向变流单元第一桥臂和第一桥臂的相位相差180度。

若第一双向变流单元和第二双向变流单元均并接在输入单元的输出端、并且某一桥臂故障，封闭该桥臂脉冲，其余桥臂正常运行；

若第一双向变流单元和第二双向变流单元串联后并接在输入单元的输出端、并且某一桥臂故障，封闭该桥臂以及与该桥臂串联的桥臂脉冲，其余桥臂正常运行。

本发明所达到的有益效果：本发明设置存储单元和吸收单元，并且控制单元根据直流母线电压等级控制输入单元，根据直流母线与存储单元的电压控制第一功率单元和第二功率单元，完成对应电压等级的切换、能量的回馈与吸收、存储与释放，从而实现直流母线电压的稳定和能量的合理利用，节约电能，满足电网对能量和功率不断变化的需求，提升轨道交通系统的稳定性与盈利能力。

附图说明

图1为装置的系统框图；

图2为装置的控制连接图；

图3为装置的电路图；

图4为启动过程控制图；

图5为分级控制图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1和2所示，一种轨道交通能量吸收存储装置，包括控制单元8、输入单元1、第一功率单元2、第二功率单元5、第一输出单元3、第二输出单元6、存储单元4和吸收单元7。

第一功率单元2、第一输出单元3和存储单元4依次连接，第二功率单元5、第二输出单元6和吸收单元7依次连接，第一功率单元2和第二功率单元5通过直流母排连接输入单元1， 输入单元1外接直流母线；控制单元8连接输入单元1、第一功率单元2、存储单元4、第二功率单元5和吸收单元7，控制单元8根据直流母线电压等级控制输入单元1，控制单元8根据直流母线与存储单元4的电压控制第一功率单元2和第二功率单元5。

如图3所示，第一功率单元2包括第一双向变流单元UC1和第二双向变流单元UC2，第一双向变流单元UC1和第二双向变流单元UC2结构一致，均为三桥臂双向变流单元（从左往右依此定义为第一桥臂q1、第二桥臂q2和第三桥臂q3），第一双向变流单元UC1和第二双向变流单元UC2均并接有直流电容和均压电阻，所有桥臂的中点为第一功率单元2的输出端，第一双向变流单元UC1和第二双向变流单元UC2与输入单元1之间有以下两种连接方式：第一双向变流单元UC1和第二双向变流单元UC2均并接在输入单元1的输出端、或者第一双向变流单元UC1和第二双向变流单元UC2串联后并接在输入单元1的输出端。

第一输出单元3包括输出单元A和输出单元B，存储单元4包括存储单元A1和存储单元B1。第一双向变流单元UC1的每个桥臂的中点均通过输出单元A连接存储单元A1；第二双向变流单元UC2的每个桥臂的中点均通过输出单元B连接存储单元B1。

输出单元A和输出单元B的结构一致，包括第一隔刀K1，第一隔刀K1的一端连接存储单元4，另一端通过电抗器L2连接各桥臂的中点，第一隔刀K1靠近电抗器L2的一端连接有滤波电容C2，滤波电容C2与存储单元4并联，有效消除变流单元产生的谐波，减少谐波在连接电缆上的传输。

存储单元A1和存储单元B1结构一致，为若干并联的超级电容串。

第二功率单元5包括第一单向变流单元UC3和第二单向变流单元UC4，第二输出单元6包括输出单元C和输出单元D， 第一单向变流单元UC3和第二单向变流单元UC4结构一致，均为二桥臂双向变流单元（从左往右依此定义为第一桥臂q1和第二桥臂q2），第一单向变流单元UC3与第一双向变流单元UC1并接，第一单向变流单元UC3的每个桥臂的中点均通过输出单元C连接吸收单元A2；第二单向变流单元UC4与第二双向变流单元UC2并接，第二单向变流单元UC4的每个桥臂的中点均通过输出单元D连接吸收单元B2。

输出单元C和输出单元D的结构一致，包括若干第二隔刀K2，每个第二隔刀K2的一端均连接吸收单元7，每个第二隔刀K2的另一端连接一桥臂的中点。

吸收单元7包括吸收单元A2和吸收单元B2，两者结构一致，为若干电阻组，每个电阻组连接一第二隔刀K2，电阻组为若干并联的电阻串。

输入单元1包括充电电路和受控制单元8控制的开关QS2；充电电路的输入端依次通过电感L1和开关QS1连接输入单元1的正输入端，电感L1和开关QS1实现直流缓冲功能，充电电路的输出端连接输入单元1的正输出端；开关QS2为双刀双掷开关，两个第一静触点分别连接输入单元1的正输出端和第一双向变流单元UC1的负输入端，两个第二静触点中，其中一个空置，另一个连接第一双向变流单元UC1的负输入端，两个动触点分别连接输入单元1的负输出端和第二双向变流单元UC2的正输入端。

通过输入单元1的开关QS2控制第一双向变流单元UC1和第二双向变流单元UC2与输入单元1的连接结构（即上述两种连接方式的切换）；当开关QS2的动触点与第一静触点导通，整个装置在750V电压模式下运行，即直流母线电压为750V；当开关QS2的动触点与第二静触点导通，整个装置在1500V电压模式下运行，即直流母线电压为1500V。

充电电路包括电阻R1和受控制器单元控制的开关KM1和开关KM2，开关KM1和电阻R1依次串联，开关KM1连接电感L1，开关KM2与开关KM1和电阻R1的串联电路并接。

控制单元8包括若干CPU，具体数量可根据实际情况稳定，图2中设置两个CPU（CPU1和CPU2），其中一个控制输入单元1、第二功率单元5和吸收单元7，另一个控制第一功率单元2和存储单元4，两个CPU通过光纤相连建立通信连接，共享信息数据。

如图4所示，装置启动后控制开关KM1闭合，装置通过电阻R1对各变流单元的直流母排进行充电，充电20秒后，直流母线与输入单元1输出电压相差小于20V时，控制开关KM2闭合、开关KM1断开，主回路接通，直流缓冲回路断开，装置正常运行。

装置整体可分为能量回馈与能量吸收两部分：

第一双向变流单元UC1、第二双向变流单元UC2、与第一双向变流单元UC1连接的存储单元A1、与第二双向变流单元UC2连接的存储单元B1，存储单元A1和存储单元B1为电能存储装置，这部分组成能量回馈部分，由CPU1控制；

第一单向变流单元UC3、第二单向变流单元UC4、与第一单向变流单元UC3连接的吸收单元A2、与第二单向变流单元UC4连接的吸收单元B2，吸收单元A2和吸收单元B2为电能吸收装置，这部分组成能量吸收部分，由CPU2控制。

直流母线电压为750V或 1500V时，上述装置的具体控制方法如下：

若直流母线电压在预设的1级范围内，控制第一功率单元2、第二功率单元5、存储单元4和吸收单元7不工作，即直流母线电压保持在合理的范围内；

若直流母线电压在预设的2级范围内、并且高于预设的1级范围上限值，控制第一功率单元2吸收电能；

若直流母线电压在预设的2级范围内、并且低于预设的1级范围下限值，控制第一功率单元2释放存储的电能；

若直流母线电压在预设的3级范围内、并且高于预设的2级范围上限值，控制第一功率单元2和第二功率单元5吸收电能；

若直流母线电压在预设的3级范围内、并且低于预设的2级范围下限值，控制第一功率单元2释放存储的电能；

若直流母线电压低于预设的3级范围下限值或者高于预设的3级范围上限值，装置保护动作，停止运行；

其中，如图5所示，1级范围为[U

为提高直流电压的平稳性，对变流单元的各桥臂进行延迟控制，具体如下：

若第一双向变流单元UC1和第二双向变流单元UC2均并接在输入单元1的输出端，即开关QS2的动触点与第一静触点导通；将20mS定为一个周期360度，控制第一双向变流单元UC1第一桥臂q1、第一双向变流单元UC1第二桥臂q2、第一双向变流单元UC1第三桥臂q3、第二双向变流单元UC2第一桥臂q1、第二双向变流单元UC2第二桥臂q2、第二双向变流单元UC2第三桥臂q3的相位依次相差60度；控制第一单向变流单元UC3第一桥臂q1、第一单向变流单元UC3第二桥臂q2、第二单向变流单元UC4第一桥臂q1、第二单向变流单元UC4第二桥臂q2的相位依次相差90度；

若第一双向变流单元UC1和第二双向变流单元UC2串联后并接在输入单元1的输出端即开关QS2的动触点与第二静触点导通；将20mS定为一个周期360度；控制第一双向变流单元UC1第一桥臂q1和第二双向变流单元UC2第一桥臂q1的相位相同，控制第一双向变流单元UC1第二桥臂q2和第二双向变流单元UC2第二桥臂q2的相位相同，控制第一双向变流单元UC1第三桥臂q3和第二双向变流单元UC2第三桥臂q3的相位相同，第一双向变流单元UC1第一桥臂q1、第二桥臂q2、第三桥臂q3的相位依次相差120度；控制第一单向变流单元UC3第一桥臂q1和第二单向变流单元UC4第一桥臂q1的相位相同，控制第一单向变流单元UC3第二桥臂q2和第二单向变流单元UC4第二桥臂q2的相位相同，第一单向变流单元UC3第一桥臂q1和第一桥臂q1的相位相差180度。

若第一双向变流单元UC1、第二双向变流单元UC2、第一单向变流单元UC3、第二单向变流单元UC4均并接在输入单元1的输出端，各桥臂单独控制，在某一桥臂故障，封闭该桥臂脉冲，降低装置输出功率，其余桥臂正常运行。若第一双向变流单元UC1和第二双向变流单元UC2串联后并接在输入单元1的输出端，第一双向变流单元UC1第一桥臂q1和第二双向变流单元UC2第一桥臂q1组合控制，第一双向变流单元UC1第二桥臂q2和第二双向变流单元UC2第二桥臂q2组合控制，第一双向变流单元UC1第三桥臂q3和第二双向变流单元UC2第三桥臂q3组合控制，第一单向变流单元UC3第一桥臂q1和第二单向变流单元UC4第一桥臂q1组合控制，第一单向变流单元UC3第二桥臂q2和第二单向变流单元UC4第二桥臂q2组合控制，若某一桥臂故障，封闭该桥臂以及与该桥臂串联的桥臂（即组合控制的桥臂）脉冲，降低装置输出功率，其余桥臂正常运行。

上述装置的控制单元8根据直流母线电压等级控制输入单元1，根据直流母线与存储单元4的电压控制第一功率单元2和第二功率单元5，具体控制开关QS2、各桥臂通断，完成对应电压等级的切换、能量的回馈与吸收、存储与释放，从而实现直流母线电压的稳定和能量的合理利用，节约电能，满足电网对能量和功率不断变化的需求，提升轨道交通系统的稳定性与盈利能力。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。