阅读说明：本技术 制动能量回收和应急牵引储能系统、供电系统及控制方法 (Braking energy recovery and emergency traction energy storage system, power supply system and control method ) 是由 王通 张亚伟 杨阳 于 2020-06-12 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种制动能量回收和应急牵引储能系统、供电系统及控制方法,所述储能系统包括：变流单元,包括第一变流单元和第二变流单元,所述第一变流单元和第二变流单元均设有与高压电源的HV接口连接的直流输出接口；电池模组,通过第一开关K1与第一变流单元连接；电容模组,通过第二开关K2与第二变流单元连接。本发明能够实现轨道交通车辆制动能量的就近、及时、高效回收利用,同时实现车辆应急自牵引,保证车辆的应急辅助供电,进而通过混合能量管理,实现制动能量回收和应急牵引的优化控制。(The invention relates to a braking energy recovery and emergency traction energy storage system, a power supply system and a control method, wherein the energy storage system comprises: the converter unit comprises a first converter unit and a second converter unit, and the first converter unit and the second converter unit are both provided with a direct current output interface connected with an HV interface of the high-voltage power supply; the battery module is connected with the first current transformation unit through a first switch K1; and the capacitor module is connected with the second current transformation unit through a second switch K2. The invention can realize the nearby, timely and efficient recycling of the braking energy of the rail transit vehicle, realize the emergency self-traction of the vehicle, ensure the emergency auxiliary power supply of the vehicle, and further realize the optimal control of the braking energy recycling and the emergency traction through the hybrid energy management.)

制动能量回收和应急牵引储能系统、供电系统及控制方法

技术领域

本发明属于轨道交通技术领域，涉及轨道交通车辆能量回收技术，具体地说，涉及一种制动能量回收和应急牵引储能系统、供电系统及控制方法。

背景技术

目前，国内地铁车辆普遍采用电阻式再生制动能量吸收装置，列车制动时产生的能量未能被有效利用，而是以发热的形式被车载电阻或地面电阻消耗掉，存在明显能源浪费，并且会引隧道内温度升高和粉尘污染，加重空调和通风设施的负担。

为了提高列车再生制动利用率，减少运营电能消耗，降低运营成本，同时减少大气污染，采用在地面供电系统中配置再生制动能量回收装置的方式回收利用制动能量，主流的再生能量回收装置分为回馈型再生能量回收装置和超级电容储能型再生能量回收装置。其中，回馈型再生能量回收装置将直流牵引网中多余的再生制动能量通过逆变装置逆变成交流电，继而通过变压器升压反馈值10kV或35kV中压网络，供同一中压电网下其他负载应用，达到节能目的。超级电容储能型再生能量回收装置，通过双向DC/DC变换器与变电所牵引网直流母线相连，在列车制动时吸收再生制动能量存储起来，并在列车牵引时放出能量，达到节能目的。

上述回馈型再生能量回收装置和超级电容储能型再生能量回收装置均为地面设备，安装位置固定(安装于牵引所内)，对本站及附近较近距离的再生能量具备一定的回收能力，而对与较远距离的再生能量的有效回收则大打折扣。再生能量由车辆电制动产生回馈到牵引网上，车辆本身是移动的，因此再生能量是随着车辆的移动而不断改变回馈到直流网侧的位置的。这就形成了回馈到直流牵引网上的再生能量的位置分布的不确定性，对于距离地面再生能量回收装置较远的情况，远距离能量传输也存在线路消耗，从而增加了再生能量回收的难度和损耗。另一方面，车辆再生制动过程，往往引起牵引网压升高，车载制动电阻启动消耗，而地面再生能量回收装置与车辆没有直接的接口，导致回收制动能量滞后，效果不佳。

此外，车辆运行过程中不可避免地会因供电系统故障、弓网故障、自然灾害等因素，引起供电短时中断或长时间瘫痪问题，继而造成线路停运、区间疏散，特别是对于隧道运行线路来说，对线路正常运营、人员及时疏散造成较大影响。针对这种问题发生，目前通过派出工程维护拖车前往对故障列车进行救援，救援时间较长，不能及时疏散人员，需要顶起进行救援车辆采购，浪费财力。而现有的针对110V蓄电池箱进行改造的应急牵引方案则存在牵引距离短、牵引功率有限、牵引速度慢的问题，导致救援效果欠佳。

发明内容

本发明针对现有轨道车辆能量回收及车辆应急救援差等上述问题，提供了一种制动能量回收和应急牵引储能系统、供电系统及控制方法，能够实现制动能量的就近、及时、高效回收利用，同时实现车辆应急牵引控制。

为了达到上述目的，本发明提供了一种制动能量回收和应急牵引储能系统，包括：

变流单元，包括第一变流单元和第二变流单元，所述第一变流单元和第二变流单元均设有与高压电源的HV接口连接的直流输出接口；

电池模组，通过第一开关K1与第一变流单元连接；

电容模组，通过第二开关K2与第二变流单元连接。

进一步的，还包括控制单元，所述控制单元与所述第一变流单元和所述第二变流单元进行通信，所述控制单元设有能量分配模块，用于对电池模组与电容模组进行能量分配。

优选的，所述变流单元、电池模组和电容模组均安装于城轨车辆车体底部。

优选的，所述变流单元、电池模组和电容模组均安装于城轨车辆车体顶部。

优选的，电池模组的电池采用钛酸锂电池。

优选的，所述第一变流单元为DC/DC转换器，用于在电池模组的电压低于工作电压时，将高压电源输出的DC1500V电压转换为电池模组的充电电压给电池模组充电，在接触网1500V失电时，给高压电源供电。

优选的，所述第二变流单元为DC/DC转换器，用于在车辆处于制动状态时，将DC1500V电压转换为DC500V-DC800V电压，给电容模组充电，在车辆处于牵引状态时，将电容模组储存的DC500V-DC800V电压转换为DC1500V电压，传输给高压电源。

优选的，所述电容模组为超级电容模组。

为了达到上述目的，本发明还提供了一种供电系统，包括：

高压电源，设有HV接口以及与接触网1500V+、接触网1500V-连接的输入接口；

充电机，设有与接触网1500V+、接触网1500V-连接的输入接口以及与车辆DC110V母线连接的输出接口，将DC1500V转换为DC110V；

辅助逆变器SIV，设有与接触网1500V+、接触网1500V-连接的输入接口以及与车辆AC380V母线连接的输出接口，将DC1500V转换为AC380V；

以及上述轨道车辆用制动能量回收和应急牵引储能系统。

进一步的，还包括DC110V蓄电池组，DC110V蓄电池组的输出接口与车辆DC110V母线连接。

优选的，所述高压电源为车辆牵引供电的开关电源，高压电源的输出接口与牵引逆变器VVVF连接。

为了达到上述目的，本发明还提供了一种混合能量控制方法，采用上述制动能量回收和应急牵引储能系统，所述控制方法含有以下步骤：

车辆运行再生制动过程时，再生制动功率为P3，闭合第二开关K2，第二变流单元工作，若再生制动功率P3≥电容模组充放电额定功率P2，电容模组以电容模组充放电额定功率P2充电，若再生制动功率P3＜电容模组充放电额定功率P2，电容模组以再生制动功率P3充电；同时，若电池模组存储能量E3＜电池模组存储最大能量E1，且再生制动功率P3≥电容模组充放电额定功率P2，则闭合第一开关K1，第一变流单元工作，电池模组以功率P3-P2充电，若电池模组存储能量E3＜电池模组存储最大能量E1，且再生制动功率P3＜电容模组充放电额定功率P2，则断开第一开关K1，第一变流单元及电池模组不工作；

车辆运行在牵引启动过程时，牵引功率为P4，闭合第二开关K2，第二变流单元工作，若牵引功率P4≥电容模组充放电额定功率P2，电容模组以电容模组充放电额定功率P2放电，若牵引功率P4＜电容模组充放电额定功率P2，电容模组以牵引功率P4放电；同时断开第一开关K1，第一变流单元及电池模组不工作；

车辆运行在应急牵引过程时，闭合第一开关K1、第二开关K2，第一变流单元和第二变流单元同时工作，控制单元根据网侧功率状态、电池模组状态、电容模组状态动态分配电池模组的实时放电功率P6、电容模组的实时放电功率P8。

优选的，控制单元动态分配电池模组实时放电功率P6、电容模组实时放电功率P8的方法为：

牵引功率P4＝电池模组实时放电功率P6+电容模组实时放电功率P8，电池模组实时放电功率P6≤电池模组充放电额定功率P1，电容模组实时放电功率P8≤电容模组充放电额定功率P2；

电池模组存储能量E3等于电池模组实时放电功率P6对应急牵引过程的时间T的积分，电容模组存储能量E4等于电容模组实时放电功率P8对应急牵引过程的时间T的积分；

电池模组存储能量E3、电容模组存储能量E4同时放光能量，且应急牵引的距离最远。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

(1)本发明储能系统，与车辆供电系统输入回路直接相连，以最短传输距离、最快响应时间实现制动能量回收，提高了能量回收效率。

(2)本发明储能系统具有制动能量回收功能，在车辆制动时存储能量，在车辆牵引时释放能量，实现了车辆用电节能，提高了能源利用率，具有一定的经济效益。

(3)本发明储能系统具有应急牵引功能，在车辆运行时及时对电池模组进行电量补充，在车辆失电、区间停车时通过电池模组供电，实现及时自我救援，保证人员顺利疏散，具有一定的社会效益。

(4)本发明储能系统通过控制单元对电池模组与电容模组进行混合能量管理，实现制动能量回收和应急牵引的优化控制。

(5)本发明储能系统，与车载制动电阻并联工作，增加了车辆再生制动过程中的制动能量利用途经，有助于分担制动电阻的消耗功率，减少制动电阻的启动工作频率，节省能源，提高制动电阻的使用寿命。

附图说明

图1为本发明所述制动能量回收和应急牵引储能系统及供电系统的结构示意图；

图2为本发明所述制动能量回收和应急牵引储能系统的控制原理图。

图中，1、第一变流单元，2、第二变流单元，3、高压电源，4、电池模组，5、电容模组，6、充电机，7、辅助逆变器SIV，8、DC110V蓄电池组，9、牵引逆变器VVVF，10、牵引电机，11、控制单元，12、能量分配模块。

具体实施方式

下面，通过示例性的实施方式对本发明进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

为了提供列车再生制动利用率，减少运营电能消耗，减低运营成本，同时在轨道交通车辆供电短时终端或长时间瘫痪时，实现车辆应急牵引、辅助供电，及时自我救援，本发明提供了一种轨道车辆用制动能量回收和应急牵引储能系统及供电系统，能够实现轨道交通车辆制动能量的就近、及时、高效回收利用，同时实现车辆应急自牵引，保证车辆的应急辅助供电，从而实现节能减排、列车及时救援。以下结合具体实施例进行详细说明。

实施例1：本实施例中，参见图1，提供了一种制动能量回收和应急牵引储能系统，包括：

变流单元，包括第一变流单元1和第二变流单元2，所述第一变流单元1和第二变流单元2均设有与高压电源3的HV接口连接的直流输入输出接口；

电池模组4，通过第一开关K1与第一变流单元1连接；

电容模组5，通过第二开关K2与第二变流单元2连接。

具体地，继续参见图1，第一变流电源的DC1+、第二变流单元的DC2+均与高压电源的HV+连接，第一变流电源的DC1-、第二变流单元的DC2-均与高压电源的HV-连接。

在一具体实施方式中，上述储能系统还包括控制单元，所述控制单元与所述第一变流单元和所述第二变流单元进行通信，所述控制单元设有能量分配模块，用于对电池模组与电容模组进行能量分配。具体地，控制单元通过以太网与所述第一变流单元和所述第二变流单元进行通信。车辆运行在应急牵引过程时，闭合第一开关K1、第二开关K2，第一变流单元和第二变流单元同时工作，控制单元根据网侧功率状态、电池模组状态、电容模组状态动态分配电池模组的实时放电功率P6、电容模组的实时放电功率P8。控制单元动态分配电池模组实时放电功率P6、电容模组实时放电功率P8的具体分配方法为：

牵引功率P4＝电池模组实时放电功率P6+电容模组实时放电功率P8，电池模组实时放电功率P6≤电池模组充放电额定功率P1，电容模组实时放电功率P8≤电容模组充放电额定功率P2；

电池模组存储能量E3等于电池模组实时放电功率P6对应急牵引过程的时间T的积分，电容模组存储能量E4等于电容模组实时放电功率P8对应急牵引过程的时间T的积分；

电池模组存储能量E3、电容模组存储能量E4同时放光能量，且应急牵引的距离最远制单元实现电池模组与电容模组之间的混合能量管理。

在一具体实施方式中，所述变流单元、电池模组和电容模组均安装于城轨车辆车体底部。

在另一具体实施方式中，所述变流单元、电池模组和电容模组均安装于城轨车辆车体顶部。

具体地，电池模组的电池采用钛酸锂电池。钛酸锂电池相较于现有电池组采用的镍镉电池(循环使用次数500次)，能量密度、功率密度较高，保证应急牵引时电量充足，且其循环使用寿命(循环使用次数20000次)较长，延长了作业维护时间。

具体地，所述第一变流单元为DC/DC转换器，用于在电池模组的电压低于工作电压时，将高压电源输出的DC1500V电压转换为电池模组的充电电压给电池模组充电，在接触网1500V失电时，给高压电源供电。通过第一变流单元实现高压电源电压与电池模组电压之间的双向转换。

具体地，所述第二变流单元为DC/DC转换器，用于在车辆处于制动状态时，将DC1500V电压转换为DC500V-DC800V电压，给电容模组充电，在车辆处于牵引状态时，将电容模组储存的DC500V-DC800V电压转换为DC1500V电压，传输给高压电源。通过第二变流单元实现高压电源电压与电容模组电压之间的双向转换。

具体地，本实施例中，所述电容模组为超级电容模组。

本实施例中，上述储能系统的工作模式分为制动能量回收模式、应急牵引模式，其中：

在制动能量回收模式下，车辆处于正常的牵引、制动运行状态，接触网1500V给车辆实时供电。此时，第一开关K1断开，第二开关K2闭合，当车辆电制动时，接触网侧制动能量通过第二变流单元存储到电容模组，第二变流单元将1500V电压转换为DC500V-DC800V电压，电容模组被充电。当车辆牵引时，电容模组通过第二变流单元将存储的能量通过高压电源释放到接触网1500V上，第二变流电源将DC500V-DC800V电压转换为DC1500V电压，电容模组放电。电容模组和第二变流单元共同实现双向能量转移，从而实现制动能量的回收利用。同时，若电池模组电压较低时，及电压低于工作电压时，第一开关K1闭合，接触网1500V通过高压电源及第一变流单元给电池模组不带充电，充满电后，第一开关K1断开。该模式下，电池模组被充电，电容模组被充电和放电。

在应急牵引模式下，车辆处于自我救援状态，接触网1500V失电，第一开关K1闭合，第二开关K2闭合，电池模组通过第一变流单元、电容模组通过第二变流单元同时通过高压电源给充电机、辅助逆变器SIV、牵引逆变器VVVF供电，实现车辆供电正常工作，实现车辆慢速的自我牵引至就近车站，同时满足车内必要的照明、通风、广播等辅助设备用电。该模式下，电池模组、电容模组均被放电。

本实施例上述储能系统，通过电容模组和第二变流单元共同实现双向能量转移，从而实现制动能量的回收利用；电池模组通过第一变流单元、电容模组通过第二变流单元同时给充电机、辅助逆变器SIV、牵引逆变器VVVF供电，进行车辆的自我牵引救援。不仅实现了轨道交通车辆制动能量的就近、及时、高效回收利用，同时还实现了车辆应急自牵引，保证车辆的应急辅助供电，从而实现节能减排、列车及时救援。

实施例2：继续参见图1，本实施例中，提供了一种轨道交通车辆用牵引、辅助供电系统，包括：

高压电源3，设有HV接口以及与接触网1500V+、接触网1500V-连接的输入接口；

充电机6，设有与接触网1500V+、接触网1500V-连接的输入接口以及与车辆DC110V母线连接的输出接口，将DC1500V转换为DC110V；

辅助逆变器SIV7，设有与接触网1500V+、接触网1500V-连接的输入接口以及与车辆AC380V母线连接的输出接口，将DC1500V转换为AC380V；

以及实施例1所述轨道车辆用制动能量回收和应急牵引储能系统。

具体地，继续参见图1，高压电源的HV+分别与第一变流电源的DC1+、第二变流单元的DC2+连接，高压电源的HV-分别与第一变流电源的DC1-、第二变流单元的DC2-连接。

在一具体实施方式中，继续参见图1，上述供电系统还包括DC110V蓄电池组8，DC110V蓄电池组8的输出接口与车辆DC110V母线连接。当车辆接触网1500V失电时，DC110V蓄电池组对DC110V供电，满足DC110V供电需求。

具体地，继续参加图1，所述高压电源3为车辆牵引供电的开关电源，高压电源3的输出接口与牵引逆变器VVVF9连接。通过高压电源对牵引逆变器VVVF9供电，满足车辆牵引供电需求。

本实施例上述供电系统制动能量回收和应急牵引的原理同实施例1，此处不再赘述。

本实施例上述供电系统，采用具有制动能量回收和应急牵引功能的轨道车辆用制动能量回收和应急牵引储能系统，不仅实现了轨道交通车辆制动能量的就近、及时、高效回收利用，同时还实现了车辆应急自牵引，保证车辆的应急辅助供电，从而实现节能减排、列车及时救援。

实施例3：本实施例提供了一种混合能量控制方法，采用上述实施例1所述制动能量回收和应急牵引储能系统，所述控制方法含有以下步骤：

车辆运行再生制动过程时，再生制动功率为P3，闭合第二开关K2，第二变流单元工作，若再生制动功率P3≥电容模组充放电额定功率P2，电容模组以电容模组充放电额定功率P2充电，若再生制动功率P3＜电容模组充放电额定功率P2，电容模组以再生制动功率P3充电；同时，若电池模组存储能量E3＜电池模组存储最大能量E1，且再生制动功率P3≥电容模组充放电额定功率P2，则闭合第一开关K1，第一变流单元工作，电池模组以功率P3-P2充电，若电池模组存储能量E3＜电池模组存储最大能量E1，且再生制动功率P3＜电容模组充放电额定功率P2，则断开第一开关K1，第一变流单元及电池模组不工作；

车辆运行在牵引启动过程时，牵引功率为P4，闭合第二开关K2，第二变流单元工作，若牵引功率P4≥电容模组充放电额定功率P2，电容模组以电容模组充放电额定功率P2放电，若牵引功率P4＜电容模组充放电额定功率P2，电容模组以牵引功率P4放电；同时断开第一开关K1，第一变流单元及电池模组不工作；

车辆运行在应急牵引过程时，闭合第一开关K1、第二开关K2，第一变流单元和第二变流单元同时工作，控制单元根据网侧功率状态、电池模组状态、电容模组状态动态分配电池模组的实时放电功率P6、电容模组的实时放电功率P8。

具体地，控制单元动态分配电池模组实时放电功率P6、电容模组实时放电功率P8的方法为：

牵引功率P4＝电池模组实时放电功率P6+电容模组实时放电功率P8，电池模组实时放电功率P6≤电池模组充放电额定功率P1，电容模组实时放电功率P8≤电容模组充放电额定功率P2；

电池模组存储能量E3等于电池模组实时放电功率P6对应急牵引过程的时间T的积分，电容模组存储能量E4等于电容模组实时放电功率P8对应急牵引过程的时间T的积分；

电池模组存储能量E3、电容模组存储能量E4同时放光能量，且应急牵引的距离最远。

本实施例上述控制方法实现了制动能量回收和应急牵引的优化控制。

上述实施例用来解释本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。