城轨供电系统混合型再生能量回收方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种用于城轨供电系统的混合型再生能量回收方法及装置，方法的步骤包括根据交流电网的故障状态确定能量回馈/吸收模式，通过控制能馈变流器在能量回馈模式下将再生制动能量回馈至交流电网，在能量吸收模式下将再生制动能量转换为直流低压电后通过能量吸收组件吸收；装置包括直流隔离开关单元、能馈变压器、变流器控制单元和至少一个变流器单元，变流器单元包括能馈变流器、能量回馈支路开关K1、能量吸收支路开关K2和三个能量吸收组件。本发明专利技术能够在交流电网故障时通过能量吸收组件吸收再生制动能量以维持直流网压稳定，不需要切断能量回收装置与直流电网的连接，提高了能量回收装置的安全可靠性，并能省去斩波器结构、节约成本。

【技术实现步骤摘要】
城轨供电系统混合型再生能量回收方法及装置
本专利技术涉及城市轨道交通系统的城轨能量回收技术，具体涉及一种城轨供电系统 混合型再生能量回收方法及装置。
技术介绍
城市轨道交通的再生制动能量（列车制动时，将列车的动能转化再利用，而不是 变成热能）相当可观，约为牵引能量的30%，除了部分能量被辅助供电系统吸收，多余的能 量会通过再生制动能量回收装置吸收或再利用。目前再生制动能量利用装置可分为三类： 能量吸收装置、能量储存装置、能量回馈（将牵引电机的电动机工况转变为发电机工况，将 列车动能转化为电能，电能通过变流器反馈给供电触网，可提供给相邻运行的列车使用的 制动方式）装置。 城轨能量回收系统中，列车制动时，直流网压抬高，当网压到达一定程度时，多余 的能量通过能馈变流器和能馈变压器，回馈至交流电网，供其他设备使用。当列车牵引导致 直流网压降低时，能量回收装置能工作在整流状态，与原有牵引系统协同工作，保持直流母 线电压稳定。 在实际应用中，一个变电所内有且仅有一套再生能量回收装置，且不再设置其他 吸收再生制动能量的方式，变电所土建设计同样也只为一套再生能量回收装置设计放置空 间。当交流电网出现故障，再生制动能量不能再继续回馈至交流电网，只能通过再生能量回 收装置吸收，否则多余的能量将不能及时消耗，这将引起变流器电流增大、直流母线电压升 高等问题，严重时可能会损坏变流器开关器件，影响地铁的正常运行，严重影响了供电系统 的稳定性和可靠性。因此，城轨供电系统的再生能量回收装置的交流电网故障保护功能非 常重要。在城轨能量回收供电系统中，对直流侧故障的研究较多，对交流侧故障研究很少。 现有技术有以下几种方案：现有技术一：交流电网故障时，为了保护再生能量回收装置，采 取直接切断能量回收装置与交流侧、直流侧连接的措施来实现保护功能，但是突然切断能 量回收装置，再生制动能量将无法消耗，直流侧网压抬升，严重影响了系统的正常运行。现 有技术二：采用混合型能量回收（列车制动时，结合能量回馈、超级电容储能或者制动电阻 耗能两种工作方式，将再生制动能量回收再利用）装置，即采用能量回馈+制动电阻或者超 级电容储能装置，当交流电网故障时，能通过制动电阻消耗多余的能量，或者超级电容将多 余能量储存起来，但该种装置本质上不是为了解决交流电网故障问题而设计的。同时，混合 型能量回收装置中，制动电阻和超级电容都需要通过斩波器模块与直流母线相连，其中超 级电容需要双向DC/DC斩波模块，使整个装置的成本大大提高，同时增大了装置体积，变电 所的再生能量回收装置空间也会增大，土建工程量则相应增加，也大大增加了变电所建设 成本。 众所周知，城市轨道交通供电系统的安全性和稳定性关系着乘客、运营人员、列车 设备等多方面的安全。当供电系统出现故障时，要求系统有对应的保护电路，能自动反应和 保护系统设备，保证系统的安全运行。在保证安全的前提下，供电系统应尽可能降低成本， 提高设备复用率。但是，现有技术的城轨能量回收系统中，当交流侧出现故障，混合型能量 回收装置需要制动电阻或超级电容来消耗或储存多余的再生制动能量，制动电阻和超级电 容都需要通过斩波器模块与直流侧母线相连，这将提高系统的成本。混合型能量回收装置 的结构比常规能量回馈装置复杂，控制也相对复杂。常规能量回馈供电系统则是采取断开 能馈装置的措施来保护设备，这将导致多余的再生制动能量无法消耗，直流侧网压迅速抬 升，严重影响城轨系统的安全稳定运行。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种能够在交流电网故障时，通过能量吸收组件 吸收再生制动能量的方式保持直流网压稳定，不需要切断能量回收装置与直流电网的连 接，安全可靠性好，并且能省去斩波器结构、节约成本的城轨供电系统混合型再生能量回收 方法及装置。 为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为： -种城轨供电系统混合型再生能量回收方法，包括如下步骤：在城轨运行状态下， 检测交流电网的故障状态，如果交流电网正常，则在列车制动时进入能量回馈模式，在能量 回馈模式下将城轨牵引供电系统的直流电网输出的再生制动能量通过能馈变流器转换为 交流电、再通过能馈变压器转换为指定电压的交流电后回馈至交流电网；如果所述交流电 网发生故障，则断开所述能馈变流器到交流电网之间的通路，在列车制动时进入能量吸收 模式，在能量吸收模式下将能馈变流器作为斩波器或者双向DC/DC斩波器使用，将城轨牵 引供电系统的直流电网输出的再生制动能量转换为低压直流电后通过能量吸收组件吸收。 优选地，所述在能量回馈模式下将城轨牵引供电系统的直流电网输出的再生制动 能量通过能馈变流器转换为交流电的步骤包括： 1. 1)在能量回馈模式下，检测能馈变流器交流侧各相线路的电流ia、ib、i。及城轨 牵引供电系统的直流母线电压u d。；分别将检测得到的信号进行滤波处理； 1. 2)通过锁相环检测交流电网的电压相位信息，根据电压相位信息将所述电流 ia、ib、i。从三相静止坐标系转换为dq两相同步旋转坐标系得到电流id和i,; 1. 3)获取电压Ud。和预设的参考电压Utk ref之间的差值，将该差值输入PI控制器 后输出电流参考值id%设置电流参考值为〇 ; 1.4)获取电流id、电流参考值i/之间的差值，将该差值输入PI控制器后输出电压 参考值U/ ;获取电流、电流参考值之间的差值，将该差值输入PI控制器后输出电压参 考值U/ ;在电流id的基础上构建耦合项COLid,其中L表示能馈变流器交流侧的滤波电感， ω = 2Jif，f的值为50Hz，将电网电压的d轴分量ed作为前馈补偿加上d轴耦合项c〇Lid 再减去电压参考值U/生成d轴控制信号Ud ;在电流i,的基础上构建耦合项ω Li,，其中L 表示能馈变流器交流侧的滤波电感，ω = 2 π f，f的值为50Hz，将电压参考值U/加上q轴 奉禹合项ω Liq后再取反生成q轴控制信号Uq ; 1. 5)将d轴控制信号Ud、q轴控制信号Uq从dq两相同步旋转坐标系转换为三相 静止坐标系得到三相控制电压信号，将所述三相控制电压信号输入至空间矢量脉宽调制模 块，通过空间矢量脉宽调制模块输出的脉冲触发信号控制能馈变流器，从而将城轨牵引供 电系统的直流电网输出的再生制动能量通过能馈变流器转换为交流电。 优选地，所述将城轨牵引供电系统的直流电网输出的再生制动能量转换为低压直 流电后通过能量吸收组件吸收的步骤包括： 2. 1)在能量吸收模式下，检测能馈变流器靠能馈变压器侧各相线路的电流ia、ib、 i。及城轨牵引供电系统的直流母线电压ud。；分别将检测得到的信号进行滤波处理； 2. 2)获取电压Ud。和预设的参考电压Utk ref之间的差值，将该差值输入PI控制器 后输出电流参考值作为能馈变流器靠能馈变压器侧的每一相共用的外环输出量； 2. 3)针对能馈变流器靠能馈变压器侧的每一相，获取所述能馈变流器靠能馈变压 器侧各相线路的电流ia、i b、i。与作为共用外环输出量的电流参考值之间的差值，分别将该 差值输入PI控制器得到控制信号，将所述控制信号输出至脉宽调制模块； 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种城轨供电系统混合型再生能量回收方法，其特征在于包括如下步骤：在城轨运行状态下，检测交流电网的故障状态，如果交流电网正常，则在列车制动时进入能量回馈模式，在能量回馈模式下将城轨牵引供电系统的直流电网输出的再生制动能量通过能馈变流器转换为交流电、再通过能馈变压器转换为指定电压的交流电后回馈至交流电网；如果所述交流电网发生故障，则断开所述能馈变流器到交流电网之间的通路，在列车制动时进入能量吸收模式，在能量吸收模式下将能馈变流器作为斩波器或者双向DC/DC斩波器使用，将城轨牵引供电系统的直流电网输出的再生制动能量转换为低压直流电后通过能量吸收组件吸收。

【技术特征摘要】
1. 一种城轨供电系统混合型再生能量回收方法，其特征在于包括如下步骤：在城轨运 行状态下，检测交流电网的故障状态，如果交流电网正常，则在列车制动时进入能量回馈模 式，在能量回馈模式下将城轨牵引供电系统的直流电网输出的再生制动能量通过能馈变流 器转换为交流电、再通过能馈变压器转换为指定电压的交流电后回馈至交流电网；如果所 述交流电网发生故障，则断开所述能馈变流器到交流电网之间的通路，在列车制动时进入 能量吸收模式，在能量吸收模式下将能馈变流器作为斩波器或者双向DC/DC斩波器使用， 将城轨牵引供电系统的直流电网输出的再生制动能量转换为低压直流电后通过能量吸收 组件吸收。2. 根据权利要求1所述的城轨供电系统混合型再生能量回收方法，其特征在于，所述 在能量回馈模式下将城轨牵引供电系统的直流电网输出的再生制动能量通过能馈变流器 转换为交流电的步骤包括： 1. 1)在能量回馈模式下，检测能馈变流器交流侧各相线路的电流ia、ib、i。及城轨牵引 供电系统的直流母线电压Ud。；分别将检测得到的信号进行滤波处理； 1. 2)通过锁相环检测交流电网的电压相位信息，根据电压相位信息将所述电流ia、ib、 i。从三相静止坐标系转换为dq两相同步旋转坐标系得到电流id和; 1. 3)获取电压Ud。和预设的参考电压Udc; Mf之间的差值，将该差值输入PI控制器后输 出电流参考值i/，设置电流参考值为〇 ; 1. 4)获取电流id、电流参考值i/之间的差值，将该差值输入PI控制器后输出电压参 考值U/ ;获取电流、电流参考值之间的差值，将该差值输入PI控制器后输出电压参考 值U/ ;在电流id的基础上构建耦合项《Lid，其中L表示能馈变流器交流侧的滤波电感，《 = 2Jif，f的值为50Hz，将电网电压的d轴分量ed作为前馈补偿加上d轴耦合项《Lid再 减去电压参考值U/生成d轴控制信号Ud ;在电流的基础上构建耦合项《 Liq，其中L表 示能馈变流器交流侧的滤波电感，《= 2 f，f的值为50Hz，将电压参考值U/加上q轴耦 合项co Liq后再取反生成q轴控制信号Uq ; 1. 5)将d轴控制信号Ud、q轴控制信号Uq从dq两相同步旋转坐标系转换为三相静止 坐标系得到三相控制电压信号，将所述三相控制电压信号输入至空间矢量脉宽调制模块， 通过空间矢量脉宽调制模块输出的脉冲触发信号控制能馈变流器，从而将城轨牵引供电系 统的直流电网输出的再生制动能量通过能馈变流器转换为交流电。3. 根据权利要求1或2所述的城轨供电系统混合型再生能量回收方法，其特征在于： 所述通过能量吸收组件吸收具体是指通过制动电阻吸收。4. 根据权利要求3所述的城轨供电系统混合型再生能量回收方法，其特征在于，所述 将城轨牵引供电系统的直流电网输出的再生制动能量转换为低压直流电后通过能量吸收 组件吸收的步骤包括： 2. 1)在能量吸收模式下，检测能馈变流器靠能馈变压器侧各相线路的电流ia、i b、i。及 城轨牵引供电系统的直流母线电压Ud。；分别将检测得到的信号进行滤波处理； 2. 2)获取电压Ud。和预设的参考电压Udc; Mf之间的差值，将该差值输入PI控制器后输 出电流参考值作为能馈变流器靠能馈变压器侧的每一相共用的外环输出量； 2. 3)针对能馈变流器靠能馈变压器侧的每一相，获取所述能馈变流器靠能馈变压器侧 各相线路的电流ia、ib、i。与作为共用外环输出量的电流参考值之间的差值，分别将该差值 输入PI控制器得到控制信号，将所述控制信号输出至脉宽调制模块； 2. 4)所述能馈变流器包括并联连接的三个IGBT桥臂，每一个IGBT桥臂包括与城轨牵 引供电系统的直流电网的正极母线相连的第一 IGBT器件、与城轨牵引供电系统的直流电 网的负极母线相连的第二IGBT器件，所述第一 IGBT器件、第二IGBT器件之间串联连接且 均并联连接有续流二极管，所述第一 IGBT器件、第二IGBT器件的公共连接端作为能馈变流 器靠能馈变压器侧的一相通过滤波电感器L1输出；保持所述第二IGBT器件处于关断状态， 通过脉宽调制模块输出的脉冲触发信号控制各个IGBT桥臂中第一 IGBT器件交替导通，当 第一 IGBT器件导通时，该个IGBT桥臂输出低压直流电并通过制动电阻吸收；当第一 IGBT 器件关断时，该个IGBT桥臂通过第二IGBT器件并联的续流二极管续流；从而将城轨牵引供 电系统的直流电网输出的再生制动能量转换为低压直流电后通过制动电阻吸收。5. 根据权利要求1或2所述的城轨供电系统混合型再生能量回收方法，其特征在于： 所述通过能量吸收组件吸收具体是指通过超级电容吸收。6. 根据权利要求5所述的城轨供电系统混合型再生能量回收方法，其特征在于，所述 将城轨牵引供电系统的直流电网输出的再生制动能量转换为低压直流电后通过能量吸收 组件吸收的步骤包括： 3. 1)在能量吸收模式下，检测能馈变流器靠能馈变压器侧各相线路的电流ia、i b、i。及 城轨牵引供电系统的直流母线电压Ud。；分别将检测得到的信号进行...

【专利技术属性】
技术研发人员：张铁军，贺文，翁星方，陈雪，陈广赞，刘海涛，袁超，张玉平，谢湘剑，张瑜，周立明，刘钢，陈文姣，
申请(专利权)人：株洲时代装备技术有限责任公司，
类型：发明
国别省市：湖南;43