CN112510804A - 基于电压变化率的超级电容储能装置控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于电压变化率的超级电容储能装置控制系统，超级电容器组与DC/DC变换器连接，DC/DC变换器通过连接单元接入牵引网，控制单元与DC/DC变换器和连接单元连接；超级电容器组用于存储和释放机车再生能量；DC/DC变换器用于实现升压和降压；连接单元用于实现储能装置的投切与保护；控制单元用于控制DC/DC变换器和连接单元的开关状态，实现储能装置的充电、放电和空闲工作。本发明的技术方案采用电压变化率投切控制策略，能降低超级电容储能装置的充电频率，尽量多的使相邻列车吸收，超级电容储能装置尽可能多的时间处于低储能状态，可降低额定容量，并且因降低投切频率而提高超级电容储能装置寿命。
Description
技术领域
本发明属于城市轨道交通电气技术领域，具体涉及一种基于电压变化率的超级电容储能装置控制系统。
背景技术
城市轨道交通车辆的制动方式一般采用电制动(再生制动)与空气制动(磨擦制动)相结合的模式，运行中以电制动为主，空气制动为辅。一般情况下，当处于再生制动状况的列车回馈出去的电能完全被其他车辆和本车的用电设备所吸收时，吸收装置不投入工作。然而，由于线路的行车密度等多种因素，列车的再生制动能量并不一定能被完全吸收，此时巨大的能量得不到释放，将会使供电网的电压急剧上升。因此，就需要通过再生制动能量吸收装置吸收这部分制动能量。使直流电压保持在某一设定范围内。
超级电容储能装置从牵引网吸收多余的再生能量，并向牵引网释放电能给牵引列车供电，能量只在牵引网内循环，超级电容储能装置节能效果好，不对交流系统产生影响，避免逆变回馈方案的谐波及有功发送电网的影响可稳定牵引网网压及钢轨电位。
常规的再生能量利用装置投切的方法是达到某个电压值时进行装置的投切，这种方案简单，但是对电压的稳定比较困难。如果把投切电压设置的比较高，系统电压可能控制不住，导致列车机械制动。如果把投切电压设置的比较低，可能被相邻列车吸收的再生能量被再生能量利用装置吸收，这导致装置投切特别频繁，减短装置寿命，增加装置损耗。而采用电压变化率投切控制策略，能降低充电频率，尽量多的使相邻列车吸收，超级电容储能装置尽可能多的时间处于低储能状态，可降低额定容量，并且因降低投切频率而提高超级电容储能装置寿命。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于电压变化率的超级电容储能装置控制系统，解决现有超级电容直接电压控制策略导致装置投切特别频繁，减短装置寿命，增加装置损耗的问题。
本发明所采用的技术方案为：
基于电压变化率的超级电容储能装置控制系统，其特征在于：
所述系统包括超级电容器组、DC/DC变换器、连接单元和控制单元；
超级电容器组与DC/DC变换器连接，DC/DC变换器通过连接单元接入牵引网，控制单元与DC/DC变换器和连接单元连接；
所述超级电容器组用于存储和释放机车再生能量；
所述DC/DC变换器用于实现升压和降压；
所述连接单元用于实现储能装置的投切与保护；
所述控制单元用于控制DC/DC变换器和连接单元的开关状态，实现储能装置的充电、放电和空闲工作。
所述超级电容器组由多个电容器串联再并联组成。
所述DC/DC变换器包括Buck电路和Boost电路；
Buck电路用于直流/直流降压变换，实现机车再生制动时将再生能量存储到超级电容器组；
Boost电路用于直流/直流升压变换，实现列车牵引时将超级电容器组能量反馈给列车。
所述连接单元包括直流断路器和隔离开关；
直流断路器用于隔离电压和倒闸操作；
隔离开关用于开断、保护线路。
控制单元经数据采集、处理模块生成开关触发信号，用以控制 DC/DC变换器和连接单元的工作状态。
控制单元对DC/DC变换器的控制采用电压电流双闭环控制，外环为电压环，内环为电流环。
电压外环控制将直流母线实际电压与参考电压比较，进行PI调节，经电流动态限幅环节产生电流内环参考值。
电流内环控制将电流内环参考值与实际电流比较，经PI调节后进入PWM调制环节产生开关触发脉冲信号。
超级电容器组充电时，当牵引网网压达到du/dt+u控制电压时，储能装置投入进行充电，当储能装置未达到最大功率时，储能装置进行恒压充电，当储能装置达到最大功率时，储能装置进行恒流充电，直至储能装置充电充满；
超级电容器组放电时，当牵引网网压达到放电启动电压时，储能装置投入进行放电，当储能装置未达到最大功率时，储能装置进行恒压放电，当储能装置达到最大功率时，储能装置进行恒流放电，直至储能装置放电至最低电量为止。
控制单元通过基于电压变化率投切策略和电压电流双闭环控制产生开关触发信号用以控制DC/DC变换器和连接单元的开断状态，来调节超级电容储能装置的运行状态。
本发明具有以下优点：
本发明的技术方案采用电压变化率投切控制策略，能降低超级电容储能装置的充电频率，尽量多的使相邻列车吸收，超级电容储能装置尽可能多的时间处于低储能状态，可降低额定容量，并且因降低投切频率而提高超级电容储能装置寿命。
附图说明
图1为本发明控制系统的结构示意图；
图2为本发明控制方法的流程图。
图中标识为：超级电容器组（1）、DC/DC变换器（2）、连接单元（3）、控制单元（4）、直流断路器（5）、隔离开关（6）。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细的说明。
本发明涉及一种基于电压变化率的超级电容储能装置控制系统，所述系统包括超级电容器组1、DC/DC变换器2、连接单元3和控制单元4；超级电容器组1与DC/DC变换器2连接，DC/DC变换器2通过连接单元3接入牵引网，控制单元4与DC/DC变换器2和连接单元3连接；
所述超级电容器组1用于存储和释放机车再生能量；所述DC/DC变换器2用于实现升压和降压；所述连接单元3用于实现储能装置的投切与保护；所述控制单元4用于控制DC/DC变换器2和连接单元3的开关状态，实现储能装置的充电、放电和空闲工作。
所述超级电容器组1由多个电容器串联再并联组成。
所述DC/DC变换器2包括Buck电路和Boost电路；Buck电路用于用于直流/直流降压变换，实现机车再生制动时将再生能量存储到超级电容器组；Boost电路用于直流/直流升压变换，实现列车牵引时将超级电容器组能量反馈给列车。Buck电路和Boost电路的具体结构为现有技术，可选取能完成上述功能的现有电路产品。
所述连接单元3包括直流断路器5和隔离开关6；直流断路器5用于隔离电压和倒闸操作；隔离开关6用于开断、保护线路。
控制单元4经数据采集、处理模块生成开关触发信号，用以控制DC/DC变换器2和连接单元3的工作状态。控制单元4对DC/DC变换器2的控制采用电压电流双闭环控制，外环为电压环，内环为电流环。电压外环控制将直流母线实际电压与参考电压比较，进行PI调节，经电流动态限幅环节产生电流内环参考值。电流内环控制将电流内环参考值与实际电流比较，经PI调节后进入PWM调制环节产生开关触发脉冲信号。
超级电容器组1充电时，当牵引网网压达到du/dt+u控制电压时，储能装置投入进行充电，当储能装置未达到最大功率时，储能装置进行恒压充电，当储能装置达到最大功率时，储能装置进行恒流充电，直至储能装置充电充满；超级电容器组（1）放电时，当牵引网网压达到放电启动电压时，储能装置投入进行放电，当储能装置未达到最大功率时，储能装置进行恒压放电，当储能装置达到最大功率时，储能装置进行恒流放电，直至储能装置放电至最低电量为止。
控制单元4通过基于电压变化率投切策略和电压电流双闭环控制产生开关触发信号用以控制DC/DC变换器2和连接单元3的开断状态，来调节超级电容储能装置的运行状态。
本发明涉及的控制系统，DC/DC变换器2控制策略采用电压电流双闭环控制，其中：外环为电压环，内环为电流环。所述电压环控制通过充放电稳定系统电压，外环控制电压，当装置投入时储能装置恒压控制，当装置电流超过额定电流时，内环电流环进行限幅控制。所述电流环采用了动态限幅的控制策略，既加快了系统的动态响应,实现了恒压与恒流充电,同时也限制住了超级电容的最大充电电压和最小放电电压,起到了对超级电容的保护作用。在电流环中为实现每相之间均流的目的，对每相的DC/DC变换器中又引进了独立的电流环，使系统的稳定性进一步增强。
控制单元4采用电压变化率（du/dt+u）投切控制策略，降低充电频率，尽量多的使相邻列车吸收，超级电容储能装置尽可能多的时间处于低储能状态，可降低额定容量，并且因降低投切频率而提高超级电容储能装置寿命。超级电容储能装置投切控制策略，采用du/dt+u，u一般设定大于1760~1800V之间，du/dt设定大于0.1~1kA/s，延时0.1s，电压尽快能高，尽量让再生能量被相邻列车吸收，当再生能量不能被相邻列车吸收完时，du/dt动作，启动再生能量利用装置。当试运营期间行车对数特别少时，再生列车离牵引列车太远，再生列车附近牵引变电所电压大于1800V时，u动作。
本发明的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.基于电压变化率的超级电容储能装置控制系统，其特征在于：
所述系统包括超级电容器组（1）、DC/DC变换器（2）、连接单元（3）和控制单元（4）；
超级电容器组（1）与DC/DC变换器（2）连接，DC/DC变换器（2）通过连接单元（3）接入牵引网，控制单元（4）与DC/DC变换器（2）和连接单元（3）连接；
所述超级电容器组（1）用于存储和释放机车再生能量；
所述DC/DC变换器（2）用于实现升压和降压；
所述连接单元（3）用于实现储能装置的投切与保护；
所述控制单元（4）用于控制DC/DC变换器（2）和连接单元（3）的开关状态，实现储能装置的充电、放电和空闲工作。
2.根据权利要求1所述的基于电压变化率的超级电容储能装置控制系统，其特征在于：
所述超级电容器组（1）由多个电容器串联再并联组成。
3.根据权利要求2所述的基于电压变化率的超级电容储能装置控制系统，其特征在于：
所述DC/DC变换器（2）包括Buck电路和Boost电路；
Buck电路用于直流/直流降压变换，实现机车再生制动时将再生能量存储到超级电容器组；
Boost电路用于直流/直流升压变换，实现列车牵引时将超级电容器组能量反馈给列车。
4.根据权利要求3所述的基于电压变化率的超级电容储能装置控制系统，其特征在于：
所述连接单元（3）包括直流断路器（5）和隔离开关（6）；
直流断路器（5）用于隔离电压和倒闸操作；
隔离开关（6）用于开断、保护线路。
5.根据权利要求4所述的基于电压变化率的超级电容储能装置控制系统，其特征在于：
控制单元（4）经数据采集、处理模块生成开关触发信号，用以控制 DC/DC变换器（2）和连接单元（3）的工作状态。
6.根据权利要求5所述的基于电压变化率的超级电容储能装置控制系统，其特征在于：
控制单元（4）对DC/DC变换器（2）的控制采用电压电流双闭环控制，外环为电压环，内环为电流环。
7.根据权利要求6所述的基于电压变化率的超级电容储能装置控制系统，其特征在于：
电压外环控制将直流母线实际电压与参考电压比较，进行PI调节，经电流动态限幅环节产生电流内环参考值。
8.根据权利要求7所述的基于电压变化率的超级电容储能装置控制系统，其特征在于：
电流内环控制将电流内环参考值与实际电流比较，经PI调节后进入PWM调制环节产生开关触发脉冲信号。
9.根据权利要求8所述的基于电压变化率的超级电容储能装置控制系统，其特征在于：
超级电容器组（1）充电时，当牵引网网压达到du/dt+u控制电压时，储能装置投入进行充电，当储能装置未达到最大功率时，储能装置进行恒压充电，当储能装置达到最大功率时，储能装置进行恒流充电，直至储能装置充电充满；
超级电容器组（1）放电时，当牵引网网压达到放电启动电压时，储能装置投入进行放电，当储能装置未达到最大功率时，储能装置进行恒压放电，当储能装置达到最大功率时，储能装置进行恒流放电，直至储能装置放电至最低电量为止。
10.根据权利要求9所述的基于电压变化率的超级电容储能装置控制系统，其特征在于：
控制单元（4）通过基于电压变化率投切策略和电压电流双闭环控制产生开关触发信号用以控制DC/DC变换器（2）和连接单元（3）的开断状态，来调节超级电容储能装置的运行状态。
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