一种基于新型储能装置的车载式轨道交通制动能量回馈系统的制作方法

本实用新型属于制动能量回馈系统技术领域，特别是涉及一种节能减排的车载式轨道交通制动能量回馈系统。

背景技术：

城市轨道交通的制动一般为电制动(即再生制动、电阻制动)和空气制动两级,再生制动时，牵引电动机处于发电机工况，再生电能通过VVVF逆变器反馈至直流牵引网。牵引网获得的再生电能除小部分被车辆电气设备利用外，其余被供电网上其他车辆或电气设备吸收利用。轨道交通供电系统整流设备具有不可逆性，当线路上没有足够的负载吸收再生电能时，过剩的再生电能会抬升供电网电压，当其超过安全电压后，会引起再生制动失效。对这部分再生电能，国内大部分轨道交通系统使用车载设置的电阻器以热耗散形式消耗，以保证牵引网安全供电。由于制动电阻体积大，且其热耗散会引起隧道温升，采用该方法需要专门的电阻器设置场所及通风散热设备,增加运行费用的同时造成了能量的浪费，降低了能量利用率。根据经验，列车再生制动产生的反馈能量一般为牵引能量的30％甚至更多，仅有30％～50％的制动能量能够得到利用。

车载储能系统以其良好的技术经济型,受到国内外专家、研究学者的青睐。通过将车载储能系统作为轨道交通和直流牵引网之间的能量缓冲系统，不但可以保证城轨车辆再生制动的顺利进行，同时可有效地改善直流网压的相对稳定性。然而现有技术中，以超级电容器作为储能装置的储能系统存在缺陷。超级电容器的能量密度低，体积大，储能装置的整体重量重，对于车载式轨道交通而言，增加了其运行负担，更不能满足地铁车辆的平衡要求。此外，由于车载储能装置的存储容量有限，对于超过其额定容量的制动能量如果没有及时处理，过剩的制动回馈能量仍然会造成牵引网压波动，因此稳定性相对较差。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种基于新型储能装置的车载式轨道交通制动能量回馈系统，该系统具备吸收储存能量快，体积小，重量轻，且能够保证牵引网压相对稳定。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案：一种基于新型储能装置的车载式轨道交通制动能量回馈系统，该系统包括启动模块，变流模块，储能模块以及电阻模块，所述启动模块连接于车辆主母线的正负极两端，储能模块经变流模块后与启动模块连接，所述储能模块包括隔离开关，熔断器，锂离子电容器组，且隔离开关，熔断器，锂离子电容器组依次串联连接，电阻模块包括限压电阻，所述限压电阻一端与储能模块中的锂离子电容器组连接，另一端通过车辆绝缘栅双极型晶体管与车辆主母线的正极连接。

进一步地，所述锂离子电容器组是由锂离子电容单体经过串并联构成。

进一步地，所述启动模块包括熔断器，启动电阻，预充电接触器和主接触器，所述启动电阻与预充电接触器串联后再并联在主接触器两端。

进一步地，所述变流模块包括并联在车辆主母线两端的滤波电容，连接于主母线正极的滤波电抗器，该变流模块还包括两个及以上数量的偶数个的绝缘栅双极型晶体管，所述绝缘栅双极型晶体管前一半顺次连接在主母线正极与滤波电容之间，后一半顺次连接后再一端连接在前一半绝缘栅双极型晶体管与滤波电容之间，另一端连接主母线负极。所述绝缘栅双极型晶体管的数量由系统中的功率决定，当系统功率增大时，可以增加绝缘栅双极型晶体管的数量满足工况需求。其中，描述绝缘栅双极型晶体管时所用的“前一半”与“后一半”中的前后仅仅是为了区分其中“一半”与剩余的“另一半”，并非是限定位置的前后。

进一步地，所述变流模块包括滤波电容，第一绝缘栅双极型晶体管，第二绝缘栅双极型晶体管，滤波电抗器，所述滤波电容经过启动模块后并联于车辆主母线两端，所述第一绝缘栅双极型晶体管，滤波电抗器顺次连接于车辆主母线的正极，所述第二绝缘栅双极型晶体管一端连接于第一绝缘栅双极型晶体管和滤波电抗器之间，另一端与车辆主母线负极连接。

进一步地，所述变流模块包括滤波电容，第一绝缘栅双极型晶体管，第二绝缘栅双极型晶体管，滤波电抗器，第三绝缘栅双极型晶体管，第四绝缘栅双极型晶体管，飞跨电容，所述滤波电容经过启动模块后并联于车辆主母线两端，所述第一绝缘栅双极型晶体管，第二绝缘栅双极型晶体管，滤波电抗器顺次连接于车辆主母线的正极，所述第三绝缘栅双极型晶体管一端连接于第二绝缘栅双极型晶体管和滤波电抗器之间，另一端通过第四绝缘栅双极型晶体管与车辆主母线负极连接，所述飞跨电容一端连接于第一绝缘栅双极型晶体管和第二绝缘栅双极型晶体管之间，另一端连接于第三绝缘栅双极型晶体管和第四绝缘栅双极型晶体管之间。

进一步地，所述变流模块至少包含一个，当变流模块大于一个时，变流模块之间两两相互并联连接，将并联后的变流模块作为一个整体连接于启动模块和储能模块之间。

本实用新型的有益效果：本实用新型基于新型储能装置的车载式轨道交通制动能量回馈系统，是基于锂离子电容器组作为储能模块，使其具备吸收储存能量快，体积小，重量轻等优势，且该系统的电阻模块能够消耗经储能模块存储之后过剩的制动能量，能够保证牵引网压相对稳定。

附图说明

图1为实施例1的车载式轨道交通制动能量回馈系统结构示意图；

图2为实施例2的车载式轨道交通制动能量回馈系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例，更具体地阐述本发明的内容。本发明的实施并不限于下面的实施例，对本发明所做的任何形式上的变通或改变都应在本发明的保护范围内。

实施例1：

如图1所示，本实用新型所述的基于新型储能装置的车载式轨道交通制动能量回馈系统，包括启动模块，变流模块，储能模块以及电阻模块，启动模块连接于车辆主母线的正负极两端，用于预充电以及连接主回路。启动模块包括熔断器FU1，启动电阻R1，预充电接触器KM2和主接触器KM1，其中启动电阻R1与预充电接触器KM2串联后再并联在主接触器KM1两端。变流模块用于升降压电流变换，它包括滤波电容C1，第一绝缘栅双极型晶体管T1，第二绝缘栅双极型晶体管T2，滤波电抗器L，所述滤波电容C1经过启动模块后并联于车辆主母线两端，所述第一绝缘栅双极型晶体管T1，滤波电抗器L顺次连接于车辆主母线的正极，所述第二绝缘栅双极型晶体管T2一端连接于第一绝缘栅双极型晶体管T1和滤波电抗器L之间，另一端与车辆主母线负极连接。当系统功率增大时，可以增加变流模块的数量，多个变流模块并联连接可以满足系统高功率使用工况。储能模块主要用于制动能量的回收及释放，其经变流模块后与启动模块连接，储能模块包括隔离开关QS，熔断器FU2，锂离子电容器组LIC，锂离子电容器组LIC是由锂离子电容单体经过串并联构成。隔离开关QS，熔断器FU2，锂离子电容器组LIC依次串联连接；电阻模块用于消耗经储能模块后且超过设定电压时剩余的制动电量，其包括限压电阻R2，所述限压电阻R2一端与储能模块中的锂离子电容器组LIC连接，另一端通过车辆绝缘栅双极型晶体管与车辆主母线的正极连接。该制动能量回收系统的工作模式如下：

首先，轨道交通开始运行时启动模块中预充电接触器KM2闭合，为变流模块中的滤波电容C1预充电，当预充电8秒左右，主接触器KM1闭合，预充电接触器KM2断开，连通主回路。当轨道交通制动后，制动能量回馈于主母线，制动能量经变流模块变换后降压，回收的制动能量存储于锂离子电容器组。若经储能模块后还有剩余的制动能量且主母线电压超过设定值时，电阻模块中的限压电阻R2将消耗能量，以保证电网电压的稳定。当轨道交通启动或加速时，电网电压降低，锂离子电容器组释放电量，通过变流模块变流升压，再通过启动模块中的主接触器将电量回馈于主母线中。

实施例2：

实施例2与实施例1的不同之处在于变流模块结构的差异，而启动模块，储能模块以及电阻模块跟实施例1相同，如图2所示。该实施例中变流模块包括滤波电容C1，第一绝缘栅双极型晶体管T1，第二绝缘栅双极型晶体管T2，滤波电抗器L，第三绝缘栅双极型晶体管T3，第四绝缘栅双极型晶体管T4，飞跨电容C2，所述滤波电容C1经过启动模块后并联于车辆主母线两端，所述第一绝缘栅双极型晶体管T1，第二绝缘栅双极型晶体管T2，滤波电抗器L顺次连接于车辆主母线的正极，所述第三绝缘栅双极型晶体管T3一端连接于第二绝缘栅双极型晶体管T2和滤波电抗器L之间，另一端通过第四绝缘栅双极型晶体管T4与车辆主母线负极连接，所述飞跨电容C2一端连接于第一绝缘栅双极型晶体管T1和第二绝缘栅双极型晶体管T2之间，另一端连接于第三绝缘栅双极型晶体管T3和第四绝缘栅双极型晶体管T4之间。

相比于实施例1，实施例2的优势在于：

1.变流模块中每个功率开关器件所承受的电压峰值只有实施例1中功率开关器件的一半，从而降低了功率开关管的电压应力，较好的解决了开关器件耐压不够高的问题。

2.在相同的开关频率及控制方式下，由于拓扑结构的改变以及绝缘栅双极型晶体管的增加，实施例2较实施例1输出文波好。

3.实施例2中变流模块的电感电流最大脉动量仅为实施例1的1/4。如果两者电感电流脉动的最大值相同，那么实施例2中变流模块的滤波电感量可减小为实施例1中变流模块电感量的1/4。