[发明专利]基于超级电容的储能型再生制动能量回收方法及系统

说明书

技术领域

本发明涉及城轨列车的再生制动能量回收技术，具体涉及一种基于超级电容的储能型再生制动能量回收方法及系统。

背景技术

近年来，我国城市轨道交通建设发展迅速，城轨供电系统作为轨道交通的重要组成部分，其能耗指标是城轨运营的重要指标，节能降耗及技术升级的要求使城市轨道交通对于合理利用再生能量有愈加强烈的需求。为了推动城市轨道交通建设向资源节约型、环境友好型的绿色、可持续性方向发展，需要开展轨道交通再生制动能量二次节能利用系统的研究。

目前在国内外应用较为成熟的是再生制动能量回馈装置，即将列车制动产生的能量通过逆变转换为交流电，再回馈至交流电网。再生制动能量回馈装置按回馈点电压的不同分为低压型能量回馈装置、中压型能量回馈装置、高压型能量回馈装置。其中低压型能量回馈装置可以实现在一定功率范围内回馈制动能量，但吸收能量有限，一般需加装电阻消耗装置，效率较低；中压型能量回馈装置可以实现全功率范围内制动能量回馈，但回馈装置与整流器之间存在环流，效率较低，保护兼容性差，功率因数较低，回馈至电网的电流谐波较大；高压型能量回馈装置可以实现全功率范围内制动能量回馈，采用多重化拓扑结构，投资较高，国内应用较少。

基于超级电容的储能型能量回收装置可以实现全功率范围内制动能量吸收，超级电容具有循环次数高、充电速度快、功率密度高、无污染、免维护、充放电效率高，温度范围宽等优点，这些特性使超级电容更加适应于城轨领域，可以快速为城轨车辆启动提供瞬时大功率，并能够有效吸收车辆制动回馈的能量，是城轨再生制动能量回收系统的重要研究方向。城轨列车的再生制动能量回收系统目前已在国内地铁线路应用，并且已有多条地铁线路正在做再生制动能量回收系统规划，这也代表着再生制动能量系统是未来城轨运营配置的主流趋势。而基于超级电容的储能型再生制动能量回收系统最能符合列车制动时间短，制动功率大的特点，是目前城轨再生制动能量回收系统的重要研究方向。

目前对于基于超级电容的储能型再生制动能量回收，现有技术主要有以下文几种：

现有技术一：公开号为CN 101249802A的专利文献公开的城市轨道交通车辆制动能量回收系统，该系统采用了基于车辆自身为主体、脱离电网的能量回收闭环系统，将回收的电能储存在超级电容中，当超级电容阵列容量≥车厢用电容量时，超级电容阵列向车厢内部的交直流用电设备供电；当超级电容阵列容量达到额定容量时，列车制动时将切换到电阻制动模式。该技术的超级电容只吸收本节车组能量，容量很小，制动能量回收的效率低；此外，该技术需要超级电容充电电路、放电电路、DC/AC转换器、变压稳压单元等部分，并需要额外的制动电阻部分，整个装置的投资成本高，控制复杂。

现有技术二：公开号为CN 101042121A的专利文献公开的用于回收利用城轨交通再生制动能量的飞轮储能系统。该系统采用了基于水池和多个飞轮储能子系统的方案，采用并联方式共同与城轨交通直流电网的主电缆直接连接或与城轨交通用于处理再生制动能量的斩波调压装置连接。但采用飞轮储能系统的方案目前在国内外均难以实现。

现有技术三：2010年南京航空航天大学冯晶晶硕士学位论文《基于超级电容的再生制动能量吸收利用技术研究》。该技术采用了4个变流模块高压侧串联、超级电容侧独立组合的模块化储能结构，模块均压控制复杂且效果很难保证；变流模块采用两个IGBT各反并联一个二极管的BUCK/BOOST双向斩波电路，开关频率较低，输出电能质量差、模块体积大。

上述几种对储能型再生制动能量回收系统的现有方案中，都存在着一定的缺点。现有技术一系统电路复杂、控制系统复杂、投资成本高；现有技术二采用飞轮储能系统，国内外都难以实现；现有技术三的变流模块均压控制复杂，且变流模块的开关频率较低，体积大。且以上三种现有技术的变流模块均不能实现热插拔功能，储能型再生制动能量回收装置一般都采用多个变流模块串并联的方式，当有任一变流模块出现故障时，整个装置都将被断开以实现保护功能，装置的故障风险较大。