基于飞轮储能和逆变回馈的再生能量回收系统及控制方法与流程

本发明涉及城市轨道交通再生能量回收技术领域，具体涉及基于飞轮储能和逆变回馈的再生能量回收系统及控制方法。

背景技术：

地铁等轨道交通的运营成本中，电费约占30～40％。目前轨道列车普遍采用变压变频(vvvf)的传动方式，在列车制动时可以将电能回馈到牵引电网供其他列车使用，这部分再生制动能量非常可观，在有的牵引电网中再生制动能量约占列车牵引总电能的30％，具有很大的节能空间。

常用的再生制动能量吸收方式主要包括以下几种技术：电阻耗能型、超级电容储能型、飞轮储能型和逆变回馈型。这几种技术在轨道交通再生制动能量吸收领域都有应用，每种技术都有其各自的特点。

电阻耗能型再生制动能量吸收装置将列车产生的再生制动能量在电阻上以热能的形式进行消耗。该类型装置技术成熟，结构简单，控制方便，运行稳定。主要缺点是将再生制动能量转换成热能消耗掉，造成能源浪费，并且会导致地铁隧道或站房内温度升高。

超级电容储能型能量回馈装置利用双向变流器把列车的再生制动能量存储到大容量电容器组中，当有列车起动、加速需要引流时，该装置将电能释放，进行能量再利用。该类型装置只在直流系统内进行能力吸收和释放，有一定节能效果，不会影响交流系统。主要缺点是采用超级电容器作为存储介质，当前超级电容器充放电循环寿命短、造价高。

飞轮储能型能量回馈装置接在直流母线上，可以将列车制动产生的再生制动电能转化为飞轮转动的动能存储起来，当列车启动或加速时，再将飞轮的动能转化成电能输出，实现再生制动能量的回收利用。该类型装置使用寿命长达20年，运维成本低；再生能量直接在直流系统内转换，不影响交流系统，节能效果好。

逆变回馈型能量吸收装置将再生制动能量直接回馈到中压环网或站内400v低压电网，没有配置储能元件。该类型装置部分利用了列车再生制动能量，具有一定的节能作用，但是受限于低压侧负荷容量或中压侧负荷容量，再生电能得不到充分利用，有可能向电网倒送电，影响供电系统的继电保护及电能质量。

为了解决轨道交通再生制动能量的回收利用问题，只靠单一的某种产品很难在技术性能方面和经济指标方面同时达到最优。逆变回馈装置可以直接往交流侧回馈能量，但回馈的能量是脉冲式的，不能完全被站内负荷消纳；飞轮储能回馈装置可以将多余能量存储起来再利用，节能效果好。

鉴于此，克服以上现有技术中的缺陷，提供新的基于飞轮储能和逆变回馈的再生能量回收系统及控制方法成为本领域亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术的上述缺陷，提供基于飞轮储能和逆变回馈的再生能量回收系统及控制方法。

本发明的目的可通过以下的技术措施来实现：

本发明提供了一种基于飞轮储能和逆变回馈的再生能量回收系统，该系统包括：

用于输出电能给轨道供电的上级电网、与上级电网电连通的用于输出电能给列车供电的牵引电网，所述牵引电网包括电连通的直流母线和交流母线，所述牵引电网与所述上级电网之间设有用于改变所述上级电网输送的交流电压的第一变压器，所述第一变压器的一侧与所述上级电网连接，所述第一变压器的另一侧与所述交流母线连接，所述交流母线上连接有站内用电设备，该系统还包括：

至少一个逆变回馈模块，所述逆变回馈模块设于所述直流母线和所述交流母线之间，并分别与所述直流母线和交流母线连接，所述逆变回馈模块用于将列车制动时产生的再生能量回馈给交流母线供站内用电设备使用；

至少一个飞轮储能回馈模块，所述飞轮储能回馈模块与所述直流母线连接，所述飞轮储能模块将所述逆变回馈模块吸收后的剩余能量转化成动能储存或将储存的动能转化成电能释放供列车使用；

与所述第一变压器和所述逆变回馈模块分别连接的检测模块，所述检测模块用于实时检测第一变压器的有功功率大小及方向，所述逆变回馈模块根据所述有功功率大小及方向改变回馈功率的大小；

设于直流母线上的电压传感器，用于检测直流母线电压；

所述逆变回馈模块与所述飞轮储能回馈模块根据所述电压传感器的检测结果改变运行状态。

优选地，所述逆变回馈模块包括用于直流-交流转换的逆变器和用于改变所述逆变器输送的交流电压的第二变压器，所述逆变器的一端与所述直流母线连接，所述逆变器的另一端与所述第二变压器一端连接，所述第二变压器另一端与所述交流母线连接，所述直流母线的直流电压经过逆变器进行直流-交流转换输出交流电压，经过第二变压器输送适配的交流电压给交流母线。

优选地，所述检测模块包括用于检测第一变压器的电流的电流互感器、用于检测交流母线电压的电压互感器和用于根据所述电流互感器、所述电压互感器分别检测的电流、电压计算有功功率大小及方向的处理单元，所述处理单元分别与所述电流互感器、电压互感器电连接。

优选地，所述电流互感器设于所述交流母线与所述第一变压器之间，所述电流互感器的输出端与所述逆变器连接，所述电压互感器的一端与所述交流母线连接，另一端与所述逆变器连接。

优选地，所述检测模块包括用于直接读取所述第一变压器有功功率大小及方向的智能电能表。

优选地，所述飞轮储能回馈模块包括用于直流-交流转换、交流-直流转换的双向变流器和用于电能-动能转换、动能-电能转换的飞轮储能单元，所述双向变流器的直流侧与所述直流母线连接，所述双向变流器的交流侧与所述飞轮储能单元连接。

本发明还提供了一种应用于上述基于飞轮储能和逆变回馈的再生能量回收系统的控制方法，该控制方法包括：

检测模块实时检测第一变压器的有功功率大小及方向，逆变回馈模块根据所述有功功率大小及方向改变回馈功率的大小；

电压传感器采集直流母线电压，所述逆变回馈模块与所述飞轮储能回馈模块根据所述直流母线电压改变运行状态。

优选地，所述飞轮储能回馈模块的运行状态包括：充电、放电、待机，所述逆变回馈模块的运行状态包括：吸收、待机。

优选地，列车制动时，当直流母线电压大于或等于第一吸收阈值，逆变回馈模块吸收；当直流母线电压小于第一吸收阈值时，逆变回馈模块待机。

优选地，在直流母线电压大于或等于第一吸收阈值时，

若直流母线电压小于第二吸收阈值，飞轮储能回馈模块待机；

若直流母线电压大于或等于第二吸收阈值，飞轮储能回馈模块充电。

优选地，列车启动或加速时，当直流母线电压小于或等于放电阈值时，飞轮储能回馈装置放电，逆变回馈模块待机；当直流母线电压大于放电阈值时，飞轮储能回馈装置待机，逆变回馈模块待机。

本发明的系统中的逆变回馈模块和飞轮储能回馈模块相互协调工作，再生能量以逆变回馈为主，飞轮储能回馈为辅，逆变回馈模块提供大部分的吸收功率，吸收大部分的能量，在逆变回馈模块回馈的功率不足以被站内用电设备的用电负荷消纳的情况下，为防止电能倒送，飞轮储能回馈模块才投入使用，将剩余的再生能量储存起来待用，充分利用再生能量，解决了电能倒送的问题；此外，飞轮储能回馈模块不需要按最大的吸收功率需求配置，系统的整体经济性与节能效果比单一的逆变回馈和飞轮储能回馈更佳；本发明提供的该系统控制方法，逆变回馈模块与飞轮储能回馈模块在控制上解耦，不需要依赖于相互通信，降低了系统控制的复杂度，具有可扩展性、方便建设和运维。

附图说明

图1是本发明的系统的组成结构示意图。

图2是本发明的系统的控制方法的步骤流程图。

图3是本发明的系统的各种状态的控制方法流程图。

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。

本发明提供了一种基于飞轮储能和逆变回馈的再生能量回收系统，请参见图1，图1示出了一种基于飞轮储能和逆变回馈的再生能量回收系统，该系统包括：用于输出电能给轨道供电的上级电网10、与上级电网10电连通的用于输出电能给列车供电的牵引电网，牵引电网包括电连通的直流母线20和交流母线30，牵引电网与上级电网10之间设有用于改变上级电网10输送的交流电压的第一变压器40，第一变压器40的一侧与上级电网10连接，第一变压器40的另一侧与交流母线30连接，交流母线30上连接有站内用电设备(图中未示出)，该系统还包括：至少一个逆变回馈模块50、至少一个飞轮储能回馈模块60、检测模块(图中未示出)和电压传感器(图中未示出)。

进一步地，请参见图1，逆变回馈模块50设于直流母线20和交流母线30之间，并分别与直流母线20和交流母线30连接；飞轮储能回馈模块60与直流母线20连接；检测模块与第一变压器40和逆变回馈模块50分别连接，检测模块用于实时检测第一变压器40的有功功率大小及方向，逆变回馈模块50根据有功功率大小及方向改变回馈功率的大小；电压传感器设于直流母线20上，用于检测直流母线20电压，逆变回馈模块50与飞轮储能回馈模块60根据直流母线20电压改变运行状态。

进一步地，逆变回馈模块50可以根据应用需求进行配置，多个逆变回馈模块50并联工作以提高功率配置。当列车制动时，逆变回馈模块50将直流母线20中再生的直流电能逆变成交流电能，并回馈到交流母线30中供站内用电设备使用，充分利用再生能量。

进一步地，飞轮储能回馈模块60可以根据应用需求进行配置，多个飞轮储能回馈模块60并联工作以提高功率和储能容量。当列车制动时，飞轮储能回馈模块60将逆变回馈模块50吸收后的剩余能量转化成动能储存起来，当列车启动或加速时，飞轮储能回馈模块60将动能转化成电能供列车使用。

进一步地，交流母线30的额定电压为0.4kv、10kv或35kv。

进一步地，直流母线20的额定电压为750v或1500v。

在本实施例中，当列车制动时，产生的再生能量回馈到直流母线20上，直流母线20的电压升高，为稳定直流母线20电压在设定值范围内，保证列车正常、安全运行，当电压传感器检测到直流母线20的电压大于或等于第一吸收阈值，逆变回馈模块50将直流母线20中再生的直流电能逆变成交流电能，并回馈到交流母线30中供站内用电设备使用，充分利用再生能量，同时检测模块实时检测第一变压器40的有功功率大小及方向并判断交流母线30的电能是否会往上级电网10倒送，在倒送电能之前，逆变回馈模块50减小输送功率，与此同时，直流母线20电压继续增大，若电压传感器检测到直流母线20电压大于或等于第二吸收阈值，飞轮储能回馈模块60就会启动运行，将剩余的再生能量转化成动能储存起来，当列车启动或加速时，直流母线20电压小于或等于放电阈值时，飞轮储能回馈模块60将所储存的动能转化成电能释放出来供列车使用。

本实施例中，逆变回馈模块50和飞轮储能回馈模块60相互协调工作，再生能量以逆变回馈为主，飞轮储能回馈为辅，逆变回馈模块50提供大部分的吸收功率，吸收大部分的能量，在逆变回馈模块50回馈的功率不足以被站内用电设备的用电负荷消纳的情况下，为防止电能倒送，飞轮储能回馈模块60才投入使用，将剩余的再生能量储存起来待用，充分利用再生能量，解决了电能倒送的问题；此外，飞轮储能回馈模块60不需要按最大的吸收功率需求配置，系统的整体经济性与节能效果比单一的逆变回馈和飞轮储能回馈更佳。

进一步地，请参见图1，逆变回馈模块50包括用于直流-交流转换的逆变器501和用于改变逆变器501输送的交流电压的第二变压器502，逆变器501的直流侧与直流母线20连接，逆变器501的交流侧与第二变压器502一端连接，第二变压器502另一端与交流母线30连接，直流母线20的直流电压经过逆变器501进行直流-交流转换输出交流电压，经过第二变压器502输送适配的交流电压给交流母线30。

进一步地，请参见图1，站内用电设备包括：空调、照明、电梯、通风机、安检设备、信号系统和监控系统等。当列车制动时，逆变回馈模块50将直流母线20中再生的直流电能逆变成交流电能，并回馈到交流母线30中供站内用电设备使用，当逆变回馈模块50回馈的再生能量不能被站内用电设备完全消纳时，飞轮储能回馈模块60将剩余的能量以动能的形式储存起来，本实施例一方面实现了再生能量充分利用，节约能源，另一方面防止逆变回馈模块50回馈的电能往上级电网10倒送。

进一步地，请参见图1，检测模块包括用于检测第一变压器40的电流的电流互感器70、用于检测交流母线30电压的电压互感器80和用于根据电流互感器70、电压互感器80分别检测的电流、电压计算有功功率大小及方向的处理单元(图中未示出)，处理单元分别与电流互感器70、电压互感器80电连接。

更进一步地，在本实施例中，请参见图1，电流互感器70设于交流母线30与第一变压器40之间，电流互感器70的输出端与逆变器501连接，电压互感器80的一端与交流母线30连接，另一端与逆变器501连接。

在另一些优选地实施例中，检测模块包括用于直接读取第一变压器40有功功率大小及方向的智能电能表，简化系统器件设置，方便、快捷、直观地获取第一变压器40有功功率大小及方向。

在上述实施例的基础上，本实施例中，请参见图1，飞轮储能回馈模块60包括用于直流-交流转换、交流-直流转换的双向变流器601和用于电能-动能转换、动能-电能转换的飞轮储能单元602，双向变流器601的直流侧与直流母线20连接，双向变流器601的交流侧与飞轮储能单元602连接。

具体地，当列车制动时，直流母线20电压升高，双向变流器601控制有功功率从直流母线20流向飞轮储能单元602，飞轮储能单元602以电动机的模式工作，直流母线20中再生的直流电能转化为动能；当列车启动或加速时，直流母线20电压下降，双向变流器601控制有功功率从飞轮储能单元602流向直流母线20，飞轮储能单元602以发电机的模式工作，飞轮储能单元602储存的动能转化成直流电能。双向变流器601可以根据直流母线20电压的变化调整功率的大小，使直流母线20电压稳定在设定值范围内。

本实施例的飞轮储能单元602实现动能与电能之间的相互转换，以发电机模式工作时，飞轮储能单元602将储存的动能转化成电能释放，属于物理储能，对环境无污染，飞轮储能回馈模块60的使用寿命长、运维成本低、节能效果好。

本发明还提供了一种应用于上述的基于飞轮储能和逆变回馈的再生能量回收系统的控制方法，请参见图2，图2示出了一种基于飞轮储能和逆变回馈的再生能量回收系统的控制方法，该控制方法包括：

步骤s1：检测模块实时检测第一变压器40的有功功率大小及方向，逆变回馈模块50根据有功功率的方向改变回馈功率的大小；

步骤s2：电压传感器采集直流母线20电压，逆变回馈模块50与飞轮储能回馈模块60根据直流母线20电压改变运行状态。

进一步地，飞轮储能回馈模块60的运行状态包括：充电、放电、待机，逆变回馈模块50的运行状态包括：吸收、待机。

进一步地，列车制动时，当直流母线20电压大于或等于第一吸收阈值，逆变回馈模块50吸收，当直流母线20电压小于第一吸收阈值时，逆变回馈模块50待机。

进一步地，在直流母线20电压大于或等于第一吸收阈值时，

若直流母线20电压小于第二吸收阈值，飞轮储能回馈模块60待机；

若直流母线20电压大于或等于第二吸收阈值，飞轮储能回馈模块60充电。

进一步地，列车启动或加速时，当直流母线20电压小于或等于放电阈值时，飞轮储能回馈装置放电，逆变回馈模块50待机；

当直流母线20电压大于放电阈值时，飞轮储能回馈装置待机，逆变回馈模块50待机。

具体地，该系统的工作状态及对应状态下的控制方法如下：

请参见图3，当直流母线20电压处于设定值范围内，如状态2所示，即直流母线20电压小于第一吸收阈值且大于放电阈值时，逆变回馈模块50与飞轮储能回馈模块60均处于待机状态，不进行能量转换。

当列车制动时，向直流母线20回馈再生能量，直流母线20电压升高，电压传感器检测直流母线20电压，当直流母线20电压大于或等于第一吸收阈值时，逆变回馈模块50开始向交流母线30回馈功率，回馈功率随直流母线20电压升高而增大，如状态3所示，若直流母线20电压小于第二吸收阈值，通过逆变回馈模块50回馈的功率被站内用电设备全部吸收，交流母线30不会往上级电网10倒送电能，第一变压器40的有功功率方向始终为第一变压器40流向牵引电网，逆变回馈模块50回馈的最大功率不超过额定峰值功率，将直流母线20电压控制在设定值范围内，此时飞轮储能回馈模块60待机，不进行能量转换。如状态4所示，若通过逆变回馈模块50回馈的功率不能被站内用电设备全部吸收，为了不往上级电网10倒送电能，逆变回馈模块50限制回馈功率，使回馈功率减小，检测模块实时检测第一变压器40的有功功率方向，保持第一变压器40的有功功率方向始终为第一变压器40流向牵引电网，随着直流母线20电压继续升高，当直流母线20电压大于或等于第二吸收阈值，飞轮储能回馈模块60启动充电，通过双向变流器601控制充电功率的大小，进而控制直流母线20电压稳定在设定值范围内。随着列车制动进程的发展，再生能量逐渐下降，直流母线20电压也随之下降，当直流母线20电压小于第二吸收阈值时，飞轮储能回馈模块60自动退出充电状态。当列车制动结束，直流母线20电压小于第一吸收阈值时，逆变回馈模块50也退出吸收状态，进入待机状态。

请参见图3，如状态1所示，当列车处于启动或加速状态，直流母线20电压下降，当直流母线20电压小于或等于放电阈值时，飞轮储能回馈模块60开始放电，将所储存的动能转化成电能释放，通过双向变流器601控制功率由飞轮储能单元602流向直流母线20，控制直流母线20电压稳定在设定值范围内，逆变回馈模块50处于待机状态。

本实施例中的该系统的控制方法，逆变回馈模块50与飞轮储能回馈模块60在控制上解耦，不需要依赖于相互通信，降低了系统控制的复杂度，具有可扩展性、方便建设和运维。

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。