基于串联双向变换器的储能系统及其控制方法技术方案

本发明专利技术公开了基于串联双向变换器的储能系统及其控制方法，主要应用于城市轨道交通车辆的节能。所述储能系统包含储能系统网侧接口电路、第一双向DC/DC变换器、第二双向DC/DC变换器、第一超级电容组模块、第二超级电容组模块、中央控制器、辅助控制器、综合显示控制器、第一超级电容组均衡控制器和第二超级电容组均衡控制器，采用五个控制器协调控制，实现对整个储能系统的控制。本发明专利技术克服了低压储能元件在高压牵引网应用的制动能量可靠吸收与释放控制、模块串联均压控制的问题，高效利用车辆制动能量来实现节能减排。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了，主要应用于城市轨道交通车辆的节能。所述储能系统包含储能系统网侧接口电路、第一双向DC/DC变换器、第二双向DC/DC变换器、第一超级电容组模块、第二超级电容组模块、中央控制器、辅助控制器、综合显示控制器、第一超级电容组均衡控制器和第二超级电容组均衡控制器，采用五个控制器协调控制，实现对整个储能系统的控制。本专利技术克服了低压储能元件在高压牵引网应用的制动能量可靠吸收与释放控制、模块串联均压控制的问题，高效利用车辆制动能量来实现节能减排。【专利说明】
本专利技术属于城市轨道交通车辆节能
，特别涉及了。
技术介绍
当前城市轨道交通车辆的再生制动方案主要分为耗散式、能馈式和储能式三种，其中耗散式制动是将再生制动能量用电阻以热能的形式消耗掉，并未对再生的电能加以利用，不符合节能降耗的目的。能馈式再生制动能量吸收方式是通过逆变装置将能量回馈至交流电网供其它用电设备使用，可以减少机车制动电阻，减少地铁隧道温升并减少通风设备的能耗，但是需要新建具有能量回馈功能的供电系统或对整个变电供电系统进行改造，成本较高。 储能式再生制动能量吸收方式采用储能元件吸收多余的再生制动能量，可以抑制直流电网电压的升高；储存的能量在车辆加速启动时释放，可以给电网提供电压支撑，防止电网电压跌幅过大，同时吸收的能量得到了有效利用。超级电容的功率密度非常高，且能量密度也较高，充放电持续时间在零点几秒至数十秒之间，很适合用于电压跌落补偿和能量制动吸收场合。 当前超级电容储能系统主要用于750V及以下电压等级接触网，我国城市轨道交通直流接触网系统已广泛采用1500V直流网，用于750V及以下电压等级系统的超级电容储能技术难以用于1500V及以上电压等级系统。对于1500V及以上的供电系统，可以采用串联双向DC/DC变换器进行高压侧分压以降低单模块的电压应力。采用串联双向变换器储能电路拓扑，一方面要实现车辆制动能量的有效吸收和利用，同时还要控制各模块的输入电压保持均衡以保证系统的安全运行，这对整个系统的控制提出了较高的要求。
技术实现思路
为了解决上述
技术介绍
存在的技术问题，本专利技术旨在提供，克服低压储能元件在高压牵引网应用的制动能量可靠吸收与释放控制、模块串联均压控制的问题，高效利用车辆制动能量来实现节能减排。 为了实现上述技术目的，本专利技术的技术方案为:基于串联双向变换器的储能系统，包含储能系统网侧接口电路、第一双向DC/DC变换器、第二双向DC/DC变换器、第一超级电容组模块和第二超级电容组模块，所述第一双向DC/DC变换器的低压侧连接第一超级电容组模块，第二双向DC/DC变换器的低压侧连接第二超级电容组模块，所述第一双向DC/DC变换器和第二双向DC/DC变换器的高压侧均包含第一端和第二端，牵引网经储能系统网侧接口电路分别连接第一双向DC/DC变换器的第一端和第二双向DC/DC变换器的第二端，第一双向DC/DC变换器的第二端连接第二双向DC/DC变换器的第一端；该储能系统还包含中央控制器、辅助控制器、综合显示控制器、第一超级电容组均衡控制器和第二超级电容组均衡控制器，所述中央控制器分别与辅助控制器、综合显示控制器、第一超级电容组均衡控制器和第二超级电容组均衡控制器进行数据交互，所述中央控制器采集储能系统网侧接口电路的牵引网电压、电流以及第一、第二双向DC/DC变换器的高压侧电压、低压侧电压和输出电感电流并对这些信号进行监测，中央控制器根据采集信号和监测信号产生控制信号，并将控制信号传送给辅助控制器、综合显示控制器、第一超级电容组均衡控制器和第二超级电容组均衡控制器，从而控制整个储能系统的工作状态，所述辅助控制器分别采集储能系统网侧接口电路的牵引网电压、电流的硬件保护信号和开关触点信号以及第一、第二双向DC/DC变换器的电压、电流和温度的硬件保护信号并对这些信号进行监测，辅助控制器根据采集信号、监测信号以及中央控制器传来的控制信号控制储能系统网侧接口电路、第一双向DC/DC变换器和第二双向DC/DC变换器的状态，所述第一超级电容组均衡控制器采集第一超级电容组模块的端电压、均衡电流以及单体电压、温度的硬件保护信号并对这些信号进行监测，第一超级电容组均衡控制器根据采集信号、监测信号以及中央控制器传来的控制信号控制第一超级电容组模块的状态，所述第二超级电容组均衡控制器采集第二超级电容组模块的端电压、均衡电流以及单体电压、温度的硬件保护信号并对这些信号进行监测，第二超级电容组均衡控制器根据采集信号、监测信号以及中央控制器传来的控制信号控制第二超级电容组模块的状态，所述综合显示控制器接收并显示中央控制器传来的控制信号和状态信号。 其中，上述中央控制器采用DSP处理器。 其中，上述辅助控制器采用FPGA。 本专利技术还包含基于上述储能系统的控制方法，若第一、第二超级电容组模块的端电压在预定范围内，当网侧电压上升至设定的上限值时，第一、第二双向DC/DC变换器工作于降压模式，储能系统吸收能量，抑制网侧电压的上升，当网侧电压下降至设定的下限值时，第一、第二双向DC/DC变换器工作于升压模式，储能系统释放能量，抑制网侧电压的跌落，当网侧电压在设定的上限值和下限值之间时，储能系统工作于待机模式，储能系统无能量流动，维持网侧电压不变；若第一、第二超级电容组模块的端电压超出预定范围，储能系统工作于待机模式。 本专利技术还包含基于上述储能系统的控制方法，对第一、第二双向DC/DC变换器采用高压侧均压环与电流环的双环控制，当储能系统处于储能或释能状态时，高压侧均压环控制第一、第二双向DC/DC变换器的高压侧电压均等，电流环根据储能系统运行状态控制指令控制第一、第二双向DC/DC变换器充/放电电流的大小。 采用上述技术方案带来的有益效果是:本专利技术的储能系统在高压牵引网和低压储能元件一超级电容之间增加串联双向DC/DC变换器，在其高压侧分压，从而降低超级电容的电压应力。本专利技术采用五个控制器协调控制，结合系统运行状态控制方法，实现对整个储能系统的控制以及制动能量的可靠吸收与释放的控制。本专利技术还对串联双向DC/DC变换器采用高压侧均压环与电流环的双环控制，使各模块的输入电压保持均衡，从而保证储能系统的安全运行。 【专利附图】【附图说明】 图1是本专利技术的基于串联双向变换器的储能系统的结构框图。 图2是本专利技术中储能系统网侧接口电路的电路图。 图3是本专利技术中第一双向DC/DC变换器的电路图。 图4是本专利技术中第一超级电容组模块的电路图。 图5是本专利技术的各控制器的功能示意图。 图6是本专利技术的储能系统运行状态转换图。 图7是本专利技术的储能系统运行状态控制框图。 图8是本专利技术的能量回收与释放控制框图。 图中主要标号说明:1、牵引网；2、储能系统网侧接口电路；3、第一双向DC/DC变换器；4、第二双向DC/DC变换器；5、第一超级电容组模块；6、第二超级电容组模块；7、辅助控制器；8、中央控制器；9、综合显示控制器；10、第一超级电容组均衡控制器；11、第二超级电容组均衡控制器。 【具体实施方式】 以下将结合附图，对本专利技术的技术方案进行详细说明。 如图1所示本专利技术的基于串联双向变换器的储能本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于串联双向变换器的储能系统，其特征在于：包含储能系统网侧接口电路、第一双向DC/DC变换器、第二双向DC/DC变换器、第一超级电容组模块和第二超级电容组模块，所述第一双向DC/DC变换器的低压侧连接第一超级电容组模块，第二双向DC/DC变换器的低压侧连接第二超级电容组模块，所述第一双向DC/DC变换器和第二双向DC/DC变换器的高压侧均包含第一端和第二端，牵引网经储能系统网侧接口电路分别连接第一双向DC/DC变换器的第一端和第二双向DC/DC变换器的第二端，第一双向DC/DC变换器的第二端连接第二双向DC/DC变换器的第一端；该储能系统还包含中央控制器、辅助控制器、综合显示控制器、第一超级电容组均衡控制器和第二超级电容组均衡控制器，所述中央控制器分别与辅助控制器、综合显示控制器、第一超级电容组均衡控制器和第二超级电容组均衡控制器进行数据交互，所述中央控制器采集储能系统网侧接口电路的牵引网电压、电流以及第一、第二双向DC/DC变换器的高压侧电压、低压侧电压和输出电感电流并对这些信号进行监测，中央控制器根据采集信号和监测信号产生控制信号，并将控制信号传送给辅助控制器、综合显示控制器、第一超级电容组均衡控制器和第二超级电容组均衡控制器，从而控制整个储能系统的工作状态，所述辅助控制器分别采集储能系统网侧接口电路的牵引网电压、电流的硬件保护信号和开关触点信号以及第一、第二双向DC/DC变换器的电压、电流和温度的硬件保护信号并对这些信号进行监测，辅助控制器根据采集信号、监测信号以及中央控制器传来的控制信号控制储能系统网侧接口电路、第一双向DC/DC变换器和第二双向DC/DC变换器的状态，所述第一超级电容组均衡控制器采集第一超级电容组模块的端电压、均衡电流以及单体电压、温度的硬件保护信号并对这些信号进行监测，第一超级电容组均衡控制器根据采集信号、监测信号以及中央控制器传来的控制信号控制第一超级电容组模块的状态，所述第二超级电容组均衡控制器采集第二超级电容组模块的端电压、均衡电流以及单体电压、温度的硬件保护信号并对这些信号进行监测，第二超级电容组均衡控制器根据采集信号、监测信号以及中央控制器传来的控制信号控制第二超级电容组模块的状态，所述综合显示控制器接收并显示中央控制器传来的控制信号和状态信号。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：武伟，谢少军，陈文明，何汀，王成，丰瀚麟，许爱国，韩军，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，南京麦格安倍电气科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32