城市轨道交通储能型再生制动能量回收结构及控制方法

技术领域

本发明涉及能量吸收与回馈技术领域，尤其涉及城市轨道交通储能型再生制动能量回收结构及控制方法。

背景技术

在城轨再生制动能量回收方法中,基于超级电容（或其他储能电池组）的储能型再生制动能量回收方式能够实现全功率范围内的制动能量吸收,且超级电容充电速度快,功率密度高,温度范围宽等优点,最能符合列车制动时间短,制动功率大的特点,是目前城轨再生制动能量回收系统的重要研究方向。但在超级电容储能及释放过程当中，双向DC/DC变换器是必不可少的。当直流牵引网电压升高时，通过双向DC/DC变换器向超级电容充电，将牵引网能量传递给超级电容。当直流牵引网电压降低时，通过双向DC/DC变换器再将超级电容能量输出到牵引网上。在此过程当中，双向DC/DC变换器承担着所有的功率调节。

常规技术处理方式为图1所示。直流牵引网输出经DC/DC变换器后，将其能量传递给储能模组，DC/DC变换器所承担的变换功率是牵引网转移的所有功率（P1=U1*I1），DC/DC变换器一般采用BUCK/BOOST升降压电路结构。由于直流牵引网电压较高（1500V）,且需要吸收的功率达兆瓦级，所以DC/DC变换器变换功率很大。实际应用当中，DC/DC变换器开关频率只能在2kHz左右，体积庞大，价格高。提出新的储能模组能量回收结构，降低DC/DC变换器功率，提高开关频率，提高系统总体效率，是城轨再生制动能量回收方法关键技术之一。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的城市轨道交通储能型再生制动能量回收结构及控制方法。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

城市轨道交通储能型再生制动能量回收结构及控制方法，包括输入开关保险单元，主储能电单元，双向DC/DC变换器1，辅助储能单元，双向DC/DC变换器2，控制单元，滤波电容C1、C2、电感L1。

优选的，所述双向DC/DC变换器1的A+和A-端与所述的主储能电单元串联。

优选的，所述双向DC/DC变换器1的B+和B-端与所述的辅助储能电单元并联。

优选的，所述双向DC/DC变换器1由VT1-VT4和L2组成，VT1集电极接A+端，VT1发射极和VT2集电极相连后，接L2，VT2发射极接参考地（A-端），VT3集电极接B+端，VT3发射极和VT4集电极相连后，接L2另一端，VT4发射极接参考地（B-端）。

优选的，所述双向DC/DC变换器2由VT5、VT6、VT7、VT8、L3及C3构成，VT5、VT6、VT7、VT8四个开关器件串联，VT5集电极接L1,VT6与VT7连接点接L3，L3另一端接C+端，VT5与VT6连接点接电容C3，C3另一端接VT7与VT8连接点接，VT8发射极接参考地。

优选的，所述开关器件VT1-VT8为IGBT或MOSFET，内部带有二极管。

优选的，城市轨道交通储能型再生制动能量回收结构的控制方法，包括以下步骤：

步骤一：双向DC/DC变换器1为BOOST/BUCK升降压变换器结构，即储能系统吸收牵引网能量时，若U2＞U3时，双向DC/DC变换器1工作在BUCK状态下,若U2＜U3时，双向DC/DC变换器1工作在BOOST状态下。

步骤二：储能系统回馈能量时,若U2＜U3时，双向DC/DC变换器1工作在BUCK状态下，若U2＞U3时，双向DC/DC变换器1工作在BOOST状态下。

步骤三：控制单元实现对双向DC/DC变换器1的A+端电流I1控制（调节吸收能量和回馈能量的大小），实现牵引网电压稳定在设定值上。

步骤四：控制单元实现对双向DC/DC变换器2的C+端和C-端电压控制（稳定辅助储能单元端电压）。

步骤五：双向DC/DC变换器1和双向DC/DC变换器2可由n组相同结构的DC/DC变换器并联，实现功率扩展，并联后，各组DC/DC变换器可采用交错并联，主从模式，下垂控制等均流控制方式

本发明的有益效果是：

1、本发明将双向DC/DC变换器1输出与主储能单元串联在一起，通过调节双向DC/DC变换器1输出电流，实现牵引网和储能单元之间的能量流动。牵引网电压与储能单元电压之差在一定的合理范围内（20-30%），双向DC/DC变换器1只需要输出其差值电压即可。所以，双向DC/DC变换器的变换功率较通用的全功率结构方式有极大降低，变换功率是经典结构变换功率的20-30%。实现产品制造成本降低，提高系统总体效率。

2、由于双向DC/DC变换器1功率降低，输出电压降低，因此，功率器件选择范围变宽。变换器开关频率可大幅度增加，达到20kHz以上。减小DC/DC变换器体积。

附图说明

图1为本发明提出的城市轨道交通储能型再生制动能量回收结构及控制方法的能量回收结构示意图；

图2为本发明提出的城市轨道交通储能型再生制动能量回收结构及控制方法的常规经典能量吸收回馈结构示意图；

图3为本发明提出的城市轨道交通储能型再生制动能量回收结构及控制方法的车辆进站刹车时，能量吸收电路模型（BUCK模式）结构示意图；

图4为本发明提出的城市轨道交通储能型再生制动能量回收结构及控制方法的车辆进站刹车时，能量吸收电路模型（BOOST模式）结构示意图；

图5为本发明提出的城市轨道交通储能型再生制动能量回收结构及控制方法的车辆启动时,能量回馈电路模型（BUCK模式）结构示意图；

图6为本发明提出的城市轨道交通储能型再生制动能量回收结构及控制方法的车辆启动时,能量回馈电路模型（BOOST模式）结构示意图；

图7为本发明提出的城市轨道交通储能型再生制动能量回收结构及控制方法的双向DCDC变换器2驱动波形结构示意图；

图8为本发明提出的城市轨道交通储能型再生制动能量回收结构及控制方法的辅助储能单元充电电路模型（VT5开通）结构示意图；

图9为本发明提出的城市轨道交通储能型再生制动能量回收结构及控制方法的辅助储能单元充电电路模型（VT6开通）结构示意图；

图10为本发明提出的城市轨道交通储能型再生制动能量回收结构及控制方法的辅助储能单元放电电路模型（VT8开通）结构示意图；

图11为本发明提出的城市轨道交通储能型再生制动能量回收结构及控制方法的辅助储能单元放电电路模型（VT7开通）结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

参照图1-11，城市轨道交通储能型再生制动能量回收结构及控制方法，包括输入开关保险单元，主储能电单元，双向DC/DC变换器1，辅助储能单元，双向DC/DC变换器2，控制单元，滤波电容C1、C2、电感L1，的输入开关保险单元起过流保护及开关隔离作用。主储能单元和辅助储能单元，可由超级电容或锂电池组成。双向DC/DC变换器1和双向DC/DC变换器2为非隔离BUCK/BOOST结构。控制单元实现对双向DC/DC变换器1和双向DC/DC变换器2的控制,采用PWM控制，牵引网正极（Ubus+）通过输入开关保险单元连接主储能单元正极，主储能单元负极连接双向DC/DC变换器1的A+极，双向DC/DC变换器1的A-极接参考地。滤波电容C2并联到双向DC/DC变换器1的A+极和A-极两端。

双向DC/DC变换器1的B+极接辅助储能单元正极，双向DC/DC变换器1的B-极和辅助储能单元负极接参考地。

双向DC/DC变换器2的C+极接辅助储能单元正极，双向DC/DC变换器2的C-极接参考地。

双向DC/DC变换器2的D+极接电感L1一端，电感L1另一端接主储能单元正极。双向DC/DC变换器2的D-极接参考地。

双向DC/DC变换器1由VT1-VT4和L2组成。VT1集电极接A+端，VT1发射极和VT2集电极相连后，接L2，VT2发射极接参考地（A-端）。VT3集电极接B+端，VT3发射极和VT4集电极相连后，接L2另一端，VT4发射极接参考地（B-端）。

的双向DC/DC变换器2由VT5、VT6、VT7、VT8、L3及C3构成。VT5、VT6、VT7、VT8四个开关器件串联，VT5集电极接L1,VT6与VT7连接点接L3，L3另一端接C+端，VT5与VT6连接点接电容C3，C3另一端接VT7与VT8连接点接，VT6发射极接参考地。

滤波电容C1并联到双向DC/DC变换器2的D+极和D-极两端。

通过控制双向DC/DC变换器1的输出电流来实现牵引网能量与储能单元之间的流动。

当需要吸收牵引网能量时，的牵引网电压Ubus，主储能单元电压U1，双向DC/DC变换器1 A+和A-端电压U2，需满足Ubus≥(U1+U2)。

牵引网电压Ubus升高，达到设定值时，吸收能量开始。

其中，轨道列车进站刹车时，牵引网电压Ubus升高，当Ubus达到设定值时，吸收能量开始。

控制单元采集Ubus,U1,U2及U3电压，控制双向DC/DC变换器1，调节I1电流大小（流出牵引网，按图2标记I1为负值），将牵引网上多余能量吸收存储在主储能单元和辅助储能单元内，以实现牵引网电压Ubus限定在一定最大值上。

其中，当轨道列车离站启动时，牵引网电压降低，当Ubus降到设定值时，回馈能量开始。需要回馈储存能量时，的牵引网电压Ubus，主储能电压U1，双向DC/DC变换器1A+和A-端电压U2，需满足(U1+U2)≥Ubus。

控制单元采集Ubus，U1,U2及U3电压，控制DC/DC变换器1，调节I1电流大小（流向牵引网，按图2标记I1为正值），将牵引网电压Ubus限定在一定最小值上，实现主储能单元和辅助储能单元内的能量回馈给牵引网。

双向DC/DC变换器1端电压U2=Ubus-U1,(忽略牵引网及主储能单元的内阻压降),这样双向DC/DC变换器1的变换功率仅为PDC=I1*(Ubus-U1)，较经典方案变换器功率（PDC=I1*Ubus）大幅降低。

其中，U1与Ubus相近时，PDC很小，即通过较小的功率变换，控制调节很大的功率输出。

控制电路采集Ubus电压，U1及U2电压，通过电压外环（稳定Ubus，Ubusmax≥Ubus≥Ubusmin）,电流内环（I1电流恒定可控）的控制方式实现能量存储和回馈。

吸收能量时，双向DC/DC变换器1变换器输入能量来自牵引网，而输出能量储存在辅助储能单元内。在吸收能量时，主储能单元和辅助储能单元均进行储能工作。

回馈能量时，双向DC/DC变换器1输入能量来自辅助储能单元，而输出能量（I1）经主储能单元回馈到牵引网上，在回馈能量时，主储能单元和辅助储能单元均进行释放能量工作。

双向DC/DC变换器2解决辅助储能单元容量与主储能单元容量匹配问题。

在实际应用当中，牵引网电压升高的能量需要主储能单元和辅助储能单元共同来吸收存储，而储能单元有最大存储能力，因而主储能单元和辅助储能单元存储能力有一个合适的比例关系。为了防止运行过程当中，这个合适比例关系失调，设置了双向DC/DC变换器2。

其中，辅助储能单元容量过低，能量回馈时不能将主储能单元的能量最大限度的回馈到牵引网上，导致再次吸收时吸收的能量不足。此时，双向DC/DC变换器2给辅助储能单元进行充电。

其中，辅助储能单元容量过高，辅助储能吸收能量有限，会导致主储能单元吸收能量不足。此时，双向DC/DC变换器2给辅助储能单元放电（能量送到牵引网上）。

其中，双向DC/DC变换器2只承担着辅助储能单元与主储能单元容量匹配工作，其变换功率较小。约为双向DC/DC变换器1的20%。

双向DC/DC变换器1和双向DC/DC变换器2可由n组相同结构的DC/DC变换器串联或并联，实现功率扩展。串联或并联后，各组DC/DC变换器可采用交错并联，主从模式，下垂控制等均流均压控制方式。

实施例：主储能单元和辅助储能单元，可由超级电容或锂电池组成。双向DC/DC变换器1和双向DC/DC变换器2为非隔离结构BUCK/BOOST结构。控制单元实现对双向DC/DC变换器1和双向DC/DC变换器2的控制,采用PWM控制。

牵引网正极（Ubus+）通过输入开关保险单元连接主储能单元正极，主储能单元负极连接双向DC/DC变换器1的A+极，双向DC/DC变换器1的A-极接参考地。

滤波电容C2并联到双向DC/DC变换器1的A+极和A-极两端。

双向DC/DC变换器1的B+极接辅助储能单元正极，双向DC/DC变换器1的B-极和辅助储能单元负极接参考地。

双向DC/DC变换器2的C+极接辅助储能单元正极，双向DC/DC变换器2的C-极接参考地。

双向DC/DC变换器2的D+极接电感L1一端，电感L1另一端接主储能单元正极。双向DC/DC变换器2的D-极接参考地。

双向DC/DC变换器1由VT1-VT4和L2组成。VT1集电极接A+端，VT1发射极和VT2集电极相连后，接L2，VT2发射极接参考地（A-端）。VT3集电极接B+端，VT3发射极和VT4集电极相连后，接L2另一端，VT4发射极接参考地（B-端）。

的双向DC/DC变换器2由VT5、VT6、VT7、VT8、L3及C3构成。VT5、VT6、VT7、VT8四个开关器件串联，VT5集电极接L1,VT6与VT7连接点接L3，L3另一端接C+端，VT5与VT6连接点接电容C3，C3另一端接VT7与VT8连接点接，VT8发射极接参考地。

滤波电容C1并联到双向DC/DC变换器2的D+极和D-极两端。

通过控制DC/DC变换器1A+端电流I1来实现牵引网与储能单元之间的能量流动。

其中，当轨道列车进站刹车时，牵引网电压升高，Ubus≥(U1+U2)。控制单元采集Ubus,U1,U2及U3电压，控制双向DC/DC变换器1工作在BUCK或BOOST模式，VT1或VT4以PMW控制方式工作，调节I1电流（按图3标记为负值）的大小，将牵引网上多余能量吸收存储在主储能单元和辅助储能单元内，牵引网电压Ubus限定在一定最大值上。

(Ubus-U1)＞U3时，双向DC/DC变换器1工作BUCK模式。VT1工作，电路模型如图3所示。VT1导通，牵引网电流经开关保险单元、主储能单元、VT1、L2、VT3内部二极管、辅助储能单元回到牵引网。VT1关断时，电感L2电流经VT3内部二极管、辅助储能单元、VT2内部二极管续流。

(Ubus-U1)＜U3时，双向DC/DC变换器1工作BOOST模式。VT4工作（VT1长通），电路模型如图4所示。VT4导通，牵引网电流经开关保险单元、主储能单元、VT1、L2、VT4回到牵引网。VT4关断时，牵引网电流经开关保险单元、主储能单元、VT1、L2、VT3内部二极管、辅助储能单元回到牵引网。

其中，当轨道列车启动驶离车站，牵引网电压降低，控制双向DC/DC变换器1工作在BOOST或BUCK模式，VT2或VT3以PMW控制方式工作，调节I1电流（按图3标记为正值）的大小，将主储能单元和辅助储能单元内能量回馈到牵引网上，牵引网电压Ubus限定在一定最小值上。

(Ubus-U1)＜U3时，双向DC/DC变换器1工作BUCK模式。VT3工作，电路模型如图5所示。VT3导通，辅助储能单元电流经VT3、L2、VT1内部二极管、开关保险单元回馈到牵引网。VT3关断时，电感L2电流经VT1内部二极管、主储能单元、开关保险单元、VT4内部二极管续流。

(Ubus-U1)＞U3时，双向DC/DC变换器1工作BOOST模式。VT2工作（VT3长通），电路模型如图6所示。VT2导通，辅助储能单元能量经VT3、L2、VT2

释放，L2储能。VT2关断时，辅助储能单元能量经VT3、L2、VT1内部二极管、主储能单元、开关保险单元回馈到牵引网。

通过双向DC/DC变换器2，形成辅助储能单元与牵引网之间的能量交换。

VT5-VT8构成的双向DC/DC变换器驱动波形入图7所示。因U3＜Ubus/2，驱动占空比＜0.5。

驱动信号规则为：VT5与VT6驱动信号占空比相同，但相差180°，VT5与VT8驱动信号反相，VT6与VT7驱动信号反相。

其中，当辅助储能单元的能量过低时，双向DC/DC变换器2工作在BUCK模式，VT5与VT6以PMW控制方式工作，将牵引网能量传递到辅助储能单元上，以保持U3的稳定。

t0-t1：当VT5开通时，电路模型如图8所示。牵引网电流经开关保险单元、VT5、C3、VT7内部二极管、L3、辅助储能单元回到牵引网地线。给电容C3和辅助储能单元充电。

t1-t2：当VT5关断时，电感L3电流经辅助储能单元、VT7和VT8内部二极管续流。

t2-t3：当VT6开通时，电路模型如图9所示。电容C3电流经VT6、L3、辅助储能单元、VT8内部二极管回到电容C3。电容C3放电。

t3-t4：当VT6关断时，电感L3电流经辅助储能单元、VT7和VT8内部二极管续流。

辅助储能单元充电时电感L3电流如图7所示，为脉动直流。

其中，当辅助储能单元的能量过高时，双向DC/DC变换器2工作在BOOST模式，VT7和VT8以PMW控制方式工作，将辅助储能单元上多余能量回馈到牵引网上，以保持U3的稳定。

t1-t2：当VT7和VT8同时导通，电路模型如图10所示。辅助储能单元经电感L3、VT7和VT8放电，电感L3存储能量。

t2-t3：当VT7关断,VT8导通时，电感L3电流经辅助储能单元、VT6内部二极管、C3电容、VT8续流。给电容C3充电。

t3-t4：当VT7和VT8同时导通，电路模型如图11所示。辅助储能单元经电感L3、VT7和VT8放电，电感L3存储能量。

t4-t0：当VT8关断,VT7导通时，电感L3电流经辅助储能单元、VT7、C3、VT5内部二极管、电感L1、开关保险单元回馈到牵引网。

辅助储能单元和电容C3放电。辅助储能单元放电时电感L3电流如图7所示，为脉动直流。

其中，双向DC/DC变换器1和双向DC/DC变换器2可由n组相同结构的DC/DC变换器并联，实现功率扩展。并联后，各组DC/DC变换器可采用交错并联，主从模式，下垂控制等均流控制方式。

双向DC/DC变换器1的A+及A-间电压U2=Ubus-U1,(忽略牵引网及主储能单元的内阻压降),这样DC/DC变换器1的变换功率仅为PDC=I1*(Ubus-U1)，较经典方案变换器功率（P=I1*Ubus）大幅降低。即通过较小的功率变换，控制调节很大的功率输出。

对于1500V轨道交通牵引网系统，设定Ubusmax=1800V，Ubusmin=1350V。控制电压上限为1700V。为此，主储能单元电压1300V，辅助储能单元电压500V。双向DC/DC变换器1功率Pdc=（1700-1300）*I1=400* I1。而经典技术方案Pdc1=1700* I1。双向DC/DC变换器1功率只为经典技术方案变换器功率的24%。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。