技术领域
[0001] 本
发明涉及一种轨道交通储能系统，更具体地说，它涉及一种轨道交通制
动能量储能系统。
背景技术
[0002] 在城市轨道交通中，直-交变压变频的传动方式已经普遍采用，城市轨道交通的制动一般为
电制动（即
再生制动、
电阻制动）和空气制动两级，在车辆高速运行时，使用再生制动和电阻制动，当减速到电制动不起作用时，使用空气制动。在实际应用中，再生制动成为列车常用制动时的主要制动方式，制动时可以实现将机械能转化为
电能，使得一部分能量能够回馈给
电网，而列车在运行过程中，由于站间距较短，列车启动、制动频繁，从能量互换的
角度看，制动能量相当可观。由于轨道交通存在线路阻抗，列车
加速，启动
电流较大，导致牵引网
电压下降；制动时，再生制动能量会反馈牵引网，使电压抬升，造成直流
母线电压
波动，为防止再生制动失效，这些再生能量除了按一定比例被其他相邻车吸收利用外，剩余部分主要被列车或者线路上的吸收电阻以发热的方式消耗吸收掉，这必将带来隧道和站台内的温升问题，同时也会增大站内
环境控制装置的负担，造成大量的
能源浪费，并使地
铁的建设
费用和运行费用增加。
发明内容
[0003] 本发明技术方案所解决的技术问题为，如何有效吸收制动能量，降低再生制动能量对反馈牵引网的影响，提高再生制动能量的利用率。
[0004] 为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
[0005] 一种轨道交通制动能量储能系统，包括：
[0006]
直流母线单元，用于对轨道列车提供驱动功率；
[0007] 轨道列车单元，与所述直流母线单元电连接，用于在运行时产生制动能量或者吸收储存的所述制动能量；
[0008] 第一双向直流变换单元，与所述直流母线单元电连接，用于传送所述制动能量；
[0009] 第一储能单元，与所述第一双向直流变换单元电连接，用于储存所述制动能量；
[0010] 当所述轨道列车单元制动时，所述直流母线单元电压上升，所述第一双向直流变换单元向所述第一储能单元充电，所述第一储能单元吸收所述制动能量；
[0011] 当所述轨道列车单元启动时，所述直流母线单元电压下降，所述第一储能单元通过所述第一双向直流变换单元向所述轨道列车单元释放所述制动能量。
[0012] 通过上述技术方案，直流母线单元对轨道列车单元提供驱动功率，使其行驶，当轨道列车单元驶入站台时，制动至停止，产生制动能量并输入直流母线单元，制动能量在直流母线单元上通过第一双向直流变换单元充入第一储能单元，从而降低直流母线单元上的电压被拉高的幅度；当轨道列车单元驶出站台时，从停止状态启动，由于轨道列车单元的启动电流大，会将直流母线单元的电压拉低，而第一储能单元通过第一双向直流变换单元将其内部存储的制动能量充入所述直流母线单元，继而输入轨道列车单元，从而降低直流母线单元上的电压被拉低的幅度，降低轨道列车单元制动与启动对直流母线单元的影响。本系统还能提高制动能量的利用率，避免造成大量的能源浪费，降低轨道列车单元的发热量，降低站台的温升，减小了站内环境控制装置的负担，并降低了地铁的建设费用与运行费用。
[0013] 进一步的，所述系统还包括：
[0014] 第二双向直流变换单元，与所述轨道列车单元电连接，用于传送制动能量；
[0015] 第二储能单元，与所述第二双向直流变换单元电连接，用于储存制动能量；
[0016] 转接单元，
串联在所述第二双向直流变换单元与所述直流母线单元之间，用于传输所述制动能量。
[0017] 通过上述技术方案，第二双向直流变换单元以及第二储能单元与轨道列车单元直接电连接，当轨道列车单元在站台之间行驶时，若接收到轨道控制中心的调度信息而需要减速时，轨道列车单元通过第二双向直流变换单元将制动能量充入第二储能单元；轨道列车单元制动后再加速行驶时，第二储能单元中的制动能量通过第二双向直流变换单元输入轨道列车单元，从而降低直流母线单元上的电压降低幅度，此时轨道列车单元与站台之间的直流母线单元长度长，若长距离的直流母线单元上出现大幅度的压降，会大幅度提高直流母线单元上的能源消耗；在轨道列车单元上直接设置第二双向直流交换单元以及第二储能单元后，无需经过长距离的直流母线单元，直接将制动能量充入第二储能单元，从而降低了直流母线单元上电流增大的幅度与电压下降的幅度，极大地减小了直流母线单元上的损耗，提高轨道列车单元在运行时的能量利用率。
[0018] 进一步的，所述转接单元包括：
[0019] 第一检测模
块，与所述第一储能单元电连接，用于检测所述第一储能单元的储备能量，发送第一能量
信号；
[0020] 第二检测模块，与所述第二储能单元电连接，用于检测所述第二储能单元的储备能量，发送第二能量信号；
[0021] 控制
开关模块，串联在所述第二双向直流变换单元与所述直流母线单元之间，且与所述第一检测模块以及所述第二检测模块均信号连接，接收所述第一能量信号以及所述第二能量信号，用于控制所述第二双向直流变换单元与所述直流母线单元之间的通断；
[0022] 当所述第二能量信号低于所述第一能量信号时，所述控制开关模块导通所述第二双向直流变换单元与所述直流母线单元，所述第一储能单元依次经过所述第一双向直流变换单元与所述直流母线单元以及所述第二双向直流变换单元向所述第二储能单元中输送制动能量。
[0023] 通过上述技术方案，当轨道列车单元驶入站台后，第一储能单元与第二储能单元之间的直流母线单元的长度较短。当控制开关模块可控制第二双向直流交换单元与直流母线单元之间的通断，当第二储能单元内的制动能量不满时，可将第一储能单元中的制动能量充入第二储能单元，因为第二储能单元通过第二双向直流交换单元与轨道列车单元直接电连接，轨道列车单元启动时，第二储能单元中的制动能量无需经过直流母线单元而产生损耗，利于提高制动能量的利用率。
[0024] 进一步的，所述第一双向直流变换单元为非隔离式双向直流变换器，所述第二双向直流变换单元为隔离式双向直流变换器；
[0025] 所述第一双向直流变换单元与所述第二双向直流变换单元均为双向BUCK-BOOST升压拓扑结构。
[0026] 通过上述技术方案，第一双向直流变换单元采用非隔离式双向直流变换器，非隔离式的变换器具有转换效率高、体积小、成本低且容易设计的优点，因此适合安装固定站台上；而隔离式变换器具有抗干扰能
力强、容易实现升降压转换、安全性高且容易实现很宽的输入电压范围，因此适合安装在轨道列车单元上。但是，若第一双向直流变换单元与第二双向直流变换单元均采用非隔离式的变换器，则会在第一储能单元与第二储能单元之间形成
短路，从而引发
电路故障，使系统无法运行。
[0027] 进一步的，当所述轨道列车单元制动时，所述第一双向直流变换单元和/或所述第二双向直流变换单元等效为降压斩波器，第一储能单元和/或第二储能单元从所述轨道列车上吸收制动能量；
[0028] 当所述轨道列车单元启动时，所述第一双向直流变换单元和/或所述第二双向直流变换单元等效为升压斩波器，第一储能单元和/或第二储能单元向所述轨道列车单元输入制动能量。
[0029] 进一步的，当所述轨道列车单元制动至停止时，所述轨道列车单元先通过所述第二双向直流变换单元向所述第二储能单元充入制动能量，待所述第二储能单元充满后，再依次通过所述直流母线单元与所述第一双向直流变换单元向所述第一储能单元内充入制动能量；
[0030] 当所述轨道列车单元由静止启动时，先将所述第一储能单元通过所述第一双向直流变换单元以及所述直流母线单元接入所述轨道列车单元输入制动能量，待所述第一储能单元传输完制动能量后，再将所述第二储能单元通过第二双向直流变换单元接入所述轨道列车单元输入制动能量，在所述轨道列车单元制动至停止以及由静止启动的过程中，所述直流母线单元始终对所述轨道列车单元提供驱动功率。
[0031] 进一步的，当所述轨道列车单元在运行中制动减速时，所述轨道列车单元通过所述第二双向直流变换单元向所述第二储能单元充入制动能量；
[0032] 当所述轨道列车单元在行进中加速时，将所述第二储能单元通过所述第二双向直流变换单元接入所述轨道列车单元以输入制动能量，待所述第二储能单元中的制动能量传输完后断开所述第二双向直流变换单元，在上述过程中，所述直流母线单元始终对所述轨道列车单元提供驱动功率。
[0033] 通过上述技术方案，当轨道列车单元在站台之间行进的工程中制动减速时，在轨道列车单元内的第二储能单元会储存制动能量，然后在轨道列车单元加速时释放储存的制动能量，从而提高能源的利用率，继而降低直流母线单元上的电压波动幅度，降低损耗。
[0034] 进一步的，所述第一双向直流变换单元与所述第一储能单元采用强制
风冷；
[0035] 所述第二双向直流变换单元与所述第二储能单元采用自然风冷。
[0036] 通过上述技术方案，站台内的第一双向直流交换单元与第一储能单元可采用额外的风冷设备进行强制风冷，而轨道列车单元上的第二双向直流交换单元与第二储能单元可在快速行驶的轨道列车单元上进行自然风冷，无需额外的风冷设备。
[0037] 进一步的，所述第一储能单元与所述第二储能单元均采用超级电容器组，所述第一储能单元与所述第二储能单元采用限流短路保护，并串联有直流
断路器与分励脱扣器。
[0038] 通过上述技术方案，超级电容器组的充放电速度快、功率
密度高且能量转换效率高，同时，超级电容器组的充放电过程始终是物理过程，性能十分稳定，故而安全系数高、低温性能好、寿命长且免维护。
[0039] 进一步的，所述第一储能单元与所述第二储能单元中设置有
单体超级电容过压保护装置。
[0040] 通过上述技术方案，第一储能单元与第二储能单元均由多个单体超级电容器组合而成，单体超级电容器中储能满能量后其电压会保持不变，若过充，电压会异常升高，因此在第一储能单元与第二储能单元中设置单体超级电容器过压保护装置可保护单体超级电容器不会过充，提高其使用寿命，也能提高第一储能单元与第二储能单元的工作
稳定性。
[0041] 与
现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0042] (1)直流母线单元对轨道列车单元提供驱动功率，使其行驶，当轨道列车单元驶入站台时，制动至停止，产生制动能量并输入直流母线单元，制动能量在直流母线单元上通过第一双向直流变换单元充入第一储能单元，从而降低直流母线单元上的电压被拉高的幅度；当轨道列车单元驶出站台时，从停止状态启动，由于轨道列车单元的启动电流大，会将直流母线单元的电压拉低，而第一储能单元通过第一双向直流变换单元将其内部存储的制动能量充入所述直流母线单元，继而输入轨道列车单元，从而降低直流母线单元上的电压被拉低的幅度，降低轨道列车单元制动与启动对直流母线单元的影响。本系统还能提高制动能量的利用率，避免造成大量的能源浪费，降低轨道列车单元的发热量，降低站台的温升，减小了站内环境控制装置的负担，并降低了地铁的建设费用与运行费用；
[0043] (2)通过在轨道列车单元上设置第二双向直流变换单元以及第二储能单元，第二双向直流变换单元以及第二储能单元与轨道列车单元直接电连接，当轨道列车单元在站台之间行驶时，若接收到轨道控制中心的调度信息而需要减速时，轨道列车单元通过第二双向直流变换单元将制动能量充入第二储能单元；轨道列车单元制动后再加速行驶时，第二储能单元中的制动能量通过第二双向直流变换单元输入轨道列车单元，从而降低直流母线单元上的电压降低幅度，此时轨道列车单元与站台上的电源之间的直流母线单元长度长，若长距离的直流母线单元上出现大幅度的压降，会大幅度提高直流母线单元上的能源消耗率；在轨道列车单元上直接设置第二双向直流交换单元以及第二储能单元后，无需经过长距离的直流母线单元，而将先制动能量充入第一储能单元，从而降低了直流母线单元上电流增大的幅度与电压下降的幅度，极大地减小了直流母线单元上的损耗，提高轨道列车单元在运行时的能量利用率。
附图说明
[0044] 图1为本发明
实施例一的整体结构
框图；
[0045] 图2为本发明实施例一中第一储能单元的限流短路保护的框图；
[0046] 图3为本发明实施例二的整体结构框图；
[0047] 图4为本发明实施例二中第二储能单元的限流短路保护的框图。
[0048] 附图标记：1、直流母线单元；2、轨道列车单元；3、第一双向直流变换单元；4、第一储能单元；5、第二双向直流变换单元；6、第二储能单元；7、转接单元；8、第一检测模块；9、第二检测模块；10、控制开关模块；11、直流断路器；12、分励脱扣器；13、单体超级电容过压保护装置。
具体实施方式
[0049] 下面结合附图和实施例，对本发明进行详细描述。
[0050] 实施例一
[0051] 一种轨道交通制动能量储能系统，如图1所示，包括沿轨道交通线路设置的直流母线单元1以及在轨道交通线路上的站台之间运行的轨道列车单元2，直流母线单元1沿线路对轨道交通单元提供直流驱动功率。站台内设置有交流供电所，直流母线单元1上的直流电由交流供电所整流输出而得。轨道列车单元2进入站台后需要制动至停止供乘客上、下车，在现有技术中，轨道列车上设置有电阻制动装置，从而将轨道列车单元2的制动能量转化为
热能，热能散发到环境中会引起站台
温度的上升，从而增加站内环境控制装置的负担。本发明的技术方案中，站台设置有第一双向直流变换单元3与第一储能单元4。
[0052] 第一双向直流变换单元3与直流母线单元1电连接，第一储能单元4则与第一双向直流变换单元3电连接。第一双向直流变换单元3用于传送制动能量，为非隔离式双向直流变换器，且使用双向BUCK-BOOST升压拓扑结构。非隔离式的变换器具有转换效率高、体积小、成本低且容易设计的优点，因此适合安装固定站台上。如图2所示，第一储能单元4使用超级电容器组，超级电容器组由多个单体超级电容器组合而成，单体超级电容器中储能满能量后其电压会保持不变，若过充，电压会异常升高，因此第一储能单元4中设置有单体超级电容过压保护装置13，单体超级电容过压保护装置13可保护单体超级电容器不会过充，提高其使用寿命，也能提高第一储能单元4的工作稳定性。第一储能单元4采用限流短路保护，并串联有直流断路器11与分励脱扣器12。超级电容器组的充放电速度快、功率密度高且能量转换效率高，同时，超级电容器组的充放电过程始终是物理过程，性能十分稳定，故而安全系数高、低温性能好、寿命长且免维护。在站台中，第一双向直流交换单元与第一储能单元4采用强制风冷。
[0053] 当所述轨道列车单元2制动时，直流母线单元1电压上升，第一双向直流变换单元3等效为降压斩波器，轨道列车上产生制动能量，第一双向直流变换单元3向第一储能单元4充电，让第一储能单元4吸收制动能量。当轨道列车单元2启动时，直流母线单元1电压下降，第一双向直流变换单元3等效为升压斩波器，第一储能单元4通过第一双向直流变换单元3向轨道列车单元2释放制动能量。
[0054] 直流母线单元1对轨道列车单元2提供驱动功率，使其行驶，当轨道列车单元2驶入站台时，制动至停止，产生制动能量并输入直流母线单元1，制动能量在直流母线单元1上通过第一双向直流变换单元3充入第一储能单元4，从而降低直流母线单元1上的电压被拉高的幅度；当轨道列车单元2驶出站台时，从停止状态启动，由于轨道列车单元2的启动电流大，会将直流母线单元1的电压拉低，而第一储能单元4通过第一双向直流变换单元3将其内部存储的制动能量充入所述直流母线单元1，继而输入轨道列车单元2，从而降低直流母线单元1上的电压被拉低的幅度，降低轨道列车单元2制动与启动对直流母线单元1的影响。本系统还能提高制动能量的利用率，避免造成大量的能源浪费，降低轨道列车单元2的发热量，降低站台的温升，减小了站内环境控制装置的负担，并降低了地铁的建设费用与运行费用。
[0055] 实施例二
[0056] 一种轨道交通制动能量储能系统，如图3所示，与实施例一的区别在于，系统还包括第二双向直流变换单元5、第二储能单元6以及转接单元7。第二双向直流变换单元5与第二储能单元6均设置在轨道列车单元2上，它们在快速行驶的轨道列车单元2上进行自然风冷，无需额外的风冷设备。
[0057] 第二双向直流变换单元5用于传送制动能量，与轨道列车单元2电连接，且为隔离式双向直流变换器，隔离式变换器具有抗干扰能力强、容易实现升降压转换、安全性高且容易实现很宽的输入电压范围，因此适合安装在轨道列车单元2上。如图4所示，第二储能单元6采用超级电容器组，也采用限流短路保护，与第二双向直流变换单元5电连接以用于储存制动能量。
[0058] 转接单元7串联在第二双向直流变换单元5与直流母线单元1之间，用于传输制动能量。转接单元7包括设置在站台上的第一检测模块8以及共同设置在轨道列车单元2上的第二检测模块9与控制开关模块10。第一检测模块8与第一储能单元4电连接，用于检测第一储能单元4的储备能量，并向外发送第一能量信号。第二检测模块9与第二储能单元6电连接，用于检测第二储能单元6的储备能量，并向外发送第二能量信号。控制开关模块10串联在第二双向直流变换单元5与直流母线单元1之间，且与第一检测模块8与第二检测模块9均信号连接，优选地，它们之间通过无线互联，控制开关模块10接收第一能量信号以及第二能量信号，并用于控制第二双向直流变换单元5与直流母线单元1之间的通断。
[0059] 当第二能量信号低于第一能量信号时，控制开关模块10导通第二双向直流变换单元5与直流母线单元1，第一储能单元4依次经过第一双向直流变换单元3与直流母线单元1以及第二双向直流变换单元5向第二储能单元6中输送制动能量。值得注意的是，本发明技术方案中的第一双向直流变换单元3采用非隔离式的变换器，第二双向直流变换单元5采用隔离式的变换器，若第一双向直流变换单元3与第二双向直流变换单元5均采用非隔离式的变换器，则会在第一储能单元4与第二储能单元6之间形成短路，从而引发电路故障，使系统无法运行。
[0060] 当轨道列车单元2在站台之间行驶时，若接收到轨道控制中心的调度信息而需要减速时，轨道列车单元2通过第二双向直流变换单元5将制动能量充入第二储能单元6；轨道列车单元2制动后再加速行驶时，第二储能单元6中的制动能量通过第二双向直流变换单元5输入轨道列车单元2，从而降低直流母线单元1上的电压降低幅度，此时轨道列车单元2与站台之间的直流母线单元1长度长，若长距离的直流母线单元1上出现大幅度的压降，会大幅度提高直流母线单元1上的能源消耗；在轨道列车单元2上直接设置第二双向直流交换单元以及第二储能单元6后，无需经过长距离的直流母线单元1，直接将制动能量充入第二储能单元6，从而降低了直流母线单元1上电流增大的幅度与电压下降的幅度，极大地减小了直流母线单元1上的损耗，提高轨道列车单元2在运行时的能量利用率。待第二储能单元6中的制动能量传输完后断开第二双向直流变换单元5，在上述过程中，直流母线单元1始终对轨道列车单元2提供驱动功率。
[0061] 当轨道列车单元2制动至停止时，轨道列车单元2先通过第二双向直流变换单元5向第二储能单元6充入制动能量，待第二储能单元6充满后，再依次通过直流母线单元1与第一双向直流变换单元3向第一储能单元4内充入制动能量；当轨道列车单元2由静止启动时，先将第一储能单元4通过第一双向直流变换单元3以及直流母线单元1接入轨道列车单元2输入制动能量，待第一储能单元4传输完制动能量后，再将第二储能单元6通过第二双向直流变换单元5接入轨道列车单元2输入制动能量，在轨道列车单元2制动至停止以及由静止启动的过程中，直流母线单元1始终对轨道列车单元2提供驱动功率。轨道列车单元2驶入站台而制动停止后，第一储能单元4与第二储能单元6之间的直流母线单元1的长度较短。控制开关模块10可控制第二双向直流交换单元与直流母线单元1之间的通断。若第二储能单元6内的制动能量不满时，控制开关模块10导通，可将第一储能单元4中的制动能量充入第二储能单元6，因为第二储能单元6通过第二双向直流交换单元与轨道列车单元2直接电连接，轨道列车单元2启动时，第二储能单元6中的制动能量无需经过直流母线单元1而产生损耗，利于提高制动能量的利用率。在列车运行的其它时间内，控制开关模块10关断。
[0062] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
