一種線路儲能裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種線路儲能裝置，通過變流單元與存儲單元相連，變流單元與存儲單元共同作用，實現(xiàn)對地鐵制動再生能源的存儲，并利用第二電容與第三電容組成的超級電容器充放電速度快的特點，實現(xiàn)了在地鐵車輛啟動、加速時，將存儲單元儲存的能量優(yōu)先補償電網(wǎng)，在車輛減速、制動時，通過存儲單元將饋電存儲起來，從而實現(xiàn)能量的循環(huán)利用，并且，本方案采用的方式，采用電網(wǎng)能量的最優(yōu)分配，對電網(wǎng)波動有很好的改善效果，提高了工業(yè)網(wǎng)電能的質量。
【專利說明】一種線路儲能裝置及方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及能量節(jié)約領域，尤其涉及一種線路儲能裝置及方法。

【背景技術】
[0002] 目前，國內(nèi)對于城市軌道交通線路上再生能量利用的研究方向主要是：通過雙向 的三相全橋相控整流將多余的再生電能反饋至交流工業(yè)供電網(wǎng)中去。目前，國內(nèi)北京交通 大學研究的饋能系統(tǒng)正在廣州五號線進行試驗，具體效果有待驗證。
[0003] 然而，采用饋能系統(tǒng)存在著一下缺陷：交流端存在高次諧波，不易屏蔽和消除，影 響著工業(yè)網(wǎng)的電能質量。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 有鑒于此，本發(fā)明提供一種線路儲能裝置，以解決現(xiàn)有技術中采用饋能系統(tǒng)影響 工業(yè)網(wǎng)電能質量的問題，其具體方案如下：
[0005] -種線路儲能裝置，與電網(wǎng)相連，包括：
[0006] 變流單元，與所述變流單元相連的存儲單元，
[0007] 所述變流單元包括：第一二極管、第二二極管、第一絕緣柵雙極型晶體管IGBT，第 二IGBT，第一電容，第二電感，
[0008] 所述第一 IGBT的發(fā)射極與所述第一二極管的輸入端相連，第一 IGBT的集電極與 所述第一二極管的輸出端相連，所述第二IGBT的發(fā)射極與所述第二二極管的輸入端相連， 第二IGBT的集電極與所述第二二極管的輸出端相連，所述第一電容的兩端分別于第一二 極管的輸出端以及第二二極管的輸入端相連，所述第一二極管的輸入端與第二二極管的輸 出端相連的同時，與第二電感相連；
[0009] 所述存儲單元包括：第二電容、第三電容、第二電阻、隔離開關，
[0010] 所述第二電容與第三電容串聯(lián)，同時與第二電阻、隔離開關的串聯(lián)相并聯(lián)。
[0011] 進一步的，還包括：配電保護單元，
[0012] 所述配電保護單元分別于所述電網(wǎng)及第一電容相連，對所述第一電容進行預充 電。
[0013] 進一步的，還包括：能量監(jiān)控單元，
[0014] 所述能量監(jiān)控單元與所述配電保護單元相連，對所述配電保護單元傳輸?shù)碾娏骷?電壓進行檢測。
[0015] 進一步的，所述配電保護單元包括：
[0016] 熔斷器，第一電阻，第一接觸器，第二接觸器，第一電感，
[0017] 所述熔斷器通過所述第二接觸器與所述第一電感相連，所述第一電阻與第一接觸 器串聯(lián)后，同時與所述第二接觸器并聯(lián)。
[0018] 進一步的，所述配電保護單元還包括：雙刀隔離開關，
[0019] 所述雙刀隔離開關的動觸點與電網(wǎng)相連的同時，兩個靜觸點分別與所述熔斷器的 一端及第一電容的一端相連。
[0020] 進一步的，所述能量監(jiān)控單元包括：電流傳感器、電壓傳感器、雙向能量檢測表，
[0021] 所述電流傳感器的電流采樣電纜一端與所述雙刀隔離開關輸出端的正極相連，所 述電流傳感器的電流采樣電纜另一端與所述配電保護單元相連，所述電壓傳感器的電壓采 樣電纜兩端分別與所述雙刀隔離開關輸出端的正負極相連，所述電流傳感器的信號輸出接 口與所述電壓傳感器的信號輸出接口與所述雙向能量檢測表的信號采集接口相連。
[0022] 進一步的，所述存儲單元還包括：第三開關，
[0023] 所述第三開關的一端與所述第二電感相連，另一端與所述第二電容及隔離開關相 連。
[0024] -種線路儲能方法，應用線路儲能裝置，包括：
[0025] 判斷電網(wǎng)電壓是否超過充電標準電壓；
[0026] 若是，第一電容兩端的電壓向第二電感、第二電容、第三電容充電，進行能量的存 儲；
[0027] 否則，判斷所述電網(wǎng)電壓是否低于饋電標準電壓；
[0028] 若是，將第二電容、第三電容、第二電感內(nèi)存儲的能量注入電網(wǎng)。
[0029] 進一步的，在判斷電網(wǎng)電壓是否超過標準電壓之前，還包括：
[0030] 電網(wǎng)通過第一接觸器、第一電感對第一電容進行預充電。
[0031] 進一步的，還包括：
[0032] 對所述電網(wǎng)輸入至第一電感的電流及電壓進行檢測。
[0033] 從上述技術方案可以看出，本發(fā)明公開的線路儲能裝置及方法，通過變流單元與 存儲單元相連，變流單元與存儲單元共同作用，實現(xiàn)對地鐵制動再生能源的存儲，并利用第 二電容與第三電容組成的超級電容器充放電速度快的特點，實現(xiàn)了在地鐵車輛啟動、加速 時，將存儲單元儲存的能量優(yōu)先補償電網(wǎng)，在車輛減速、制動時，通過存儲單元將饋電存儲 起來，從而實現(xiàn)能量的循環(huán)利用，并且，本方案采用的方式，采用電網(wǎng)能量的最優(yōu)分配，對電 網(wǎng)波動有很好的改善效果，提高了工業(yè)網(wǎng)電能的質量。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0034] 為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對實施例或現(xiàn) 有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本 發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以 根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0035] 圖1為本發(fā)明實施例公開的一種線路儲能裝置的結構示意圖；
[0036] 圖2為本發(fā)明實施例公開的一種變流單元的電路結構圖；
[0037] 圖3為本發(fā)明實施例公開的一種存儲單元的電路結構圖；
[0038] 圖4為本發(fā)明實施例公開的一種線路儲能裝置的結構示意圖；
[0039] 圖5為本發(fā)明實施例公開的一種配電保護單元的電路結構圖；
[0040] 圖6為本發(fā)明實施例公開的一種線路儲能裝置的電路結構圖；
[0041] 圖7為本發(fā)明實施例公開的一種線路儲能方法的流程圖。

【具體實施方式】
[0042] 下面將結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完 整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；?本發(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他 實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
[0043] 本實施例公開了一種線路儲能裝置，其結構示意圖如圖1所示，包括：
[0044] 變流單元11，與變流單元11相連的存儲單元12。
[0045] 其中，變流單元11的具體電路結構如圖2所示，包括：第一二極管Q1、第二二極管 Q2、第一絕緣柵雙極型晶體管（insulated gate bipolar transistor, IGBT) IGBT1，第二絕 緣柵雙極型晶體管IGBT2、第一電容Cl、第二電感L2。
[0046] 第一 IGBT的發(fā)射極與第一二極管Q1的輸入端相連，第一 IGBT的集電極與第一二 極管Q1的輸出端相連，第二IGBT的發(fā)射極與第二二極管Q2的輸入端相連，第二IGBT的集 電極與第二二極管Q2的輸出端相連，第一電容C1的兩端分別與第一二極管Q1的輸出端以 及第二二極管Q2的輸入端相連，第一二極管Q1的輸入端與第二二極管Q2的輸出端相連的 同時，與第二電感L2相連。
[0047] 存儲單元12的具體電路結構如圖3所示，包括：第二電容C2,第三電容C3,第二電 阻R2，隔尚開關K2。
[0048] 第二電容C2與第三電容C3串聯(lián)，同時與第二電阻R2、隔離開關K2的串聯(lián)相并聯(lián)。 即第二電阻R2與隔離開關K2串聯(lián)，串聯(lián)之后與同樣串聯(lián)連接的第二電容C2及第三電容C3 相并聯(lián)。
[0049] 當電網(wǎng)電壓超過標準電壓時，即地鐵車輛減速、制動時，為了使線路儲能裝置能夠 正常儲能，避免由于過大的電壓造成儲能裝置的損壞，首先，需要在第一二極管Q1導通的 情況下，第一電容C1兩端的電能通過第一二極管Q1向第二電感L2、第二電容C2、第三電容 C3充電，并以磁場的形式在第二電感L2內(nèi)部存儲能量；進一步的，第一二極管Q1關斷，第 二二極管Q2作為續(xù)流二極管，提供續(xù)流回路，使第二電感L2中存儲的電能能夠向第二電容 C2、第三電容C3組成的超級電容器轉移，實現(xiàn)第二電容C2、第三電容C3對電網(wǎng)電壓高于標 準電壓范圍的電能的儲存。
[0050] 當電網(wǎng)電壓低于標準電壓時，即地鐵車輛啟動、加速時，為了使線路儲能裝置能夠 正常儲能，避免由于過大的電壓造成儲能裝置的損壞，首先，第二二極管Q2導通，第二電容 C2、第三電容C3上的電能向第二電感L2釋放，將第二電容C2、第三電容C3內(nèi)存儲的電能轉 移到第二電感L2內(nèi)；進一步的，第二二極管Q2關斷，第一二極管Q1作為續(xù)流二極管，提供 續(xù)流回路，使第二電感L2、第二電容C2、第三電容C3內(nèi)存儲的能量注入電網(wǎng)內(nèi)，以供車輛的 啟動、加速。
[0051] 本實施例公開的線路儲能裝置，通過變流單元與存儲單元相連，變流單元與存儲 單元共同作用，實現(xiàn)對地鐵制動再生能源的存儲，并利用第二電容與第三電容組成的超級 電容器充放電速度快的特點，實現(xiàn)了在地鐵車輛啟動、加速時，將存儲單元儲存的能量優(yōu)先 補償電網(wǎng)，在車輛減速、制動時，通過存儲單元將饋電存儲起來，從而實現(xiàn)能量的循環(huán)利用， 并且，本方案采用的方式，采用電網(wǎng)能量的最優(yōu)分配，對電網(wǎng)波動有很好的改善效果，提高 了工業(yè)網(wǎng)電能的質量。
[0052] 進一步的，本實施例公開的線路儲能裝置中，存儲單元12還可以包括：第三開關 K3〇
[0053] 其中，第三開關Κ3的一端與第二電感L2相連，另一端同時與第二電容C2及隔離 開關Κ2相連。
[0054] 在整個線路儲能裝置連接到電網(wǎng)時，第三開關Κ3閉合，當對存儲單元進行檢修 時，第三開關Κ3打開。
[0055] 在線路儲能裝置中的存儲單元內(nèi)設置第三開關，方便了檢修時對存儲單元的斷 開，避免第二電容、第三電容內(nèi)存儲的電能的丟失。
[0056] 本實施例公開了一種線路儲能裝置，其結構示意圖如圖4所示，包括：
[0057] 變流單元41，存儲單元42,配電保護單元43。
[0058] 配電保護單元43與電網(wǎng)相連，同時與變流單元41相連，變流單元41與存儲單元 相連。
[0059] 除與上一實施例相同的結構外，本實施例還增加了配電保護單元43,其中，配電 保護單元43用于對第一電容進行預充電，當預充電完成后，第一電容兩端的電壓達到預定 值，實現(xiàn)對變流單元的初始供電，以便變流單元及存儲單元能夠正常運行。
[0060] 本實施例公開的線路儲能裝置，較上一實施例增加了配電保護單元，實現(xiàn)了對變 流單元的初始供電，以便變流單元及存儲單元能夠正常運行。
[0061] 優(yōu)選的，本實施例公開的線路儲能裝置還可以包括：能量監(jiān)控單元44。
[0062] 能量監(jiān)控單元44與配電保護單元相連，用于對配電保護單元傳輸?shù)碾娏骷半妷?進行檢測。
[0063] 進一步的，本實施例公開的線路儲能裝置中的配電保護單元的具體電路結構如圖 5所示，包括：
[0064] 熔斷器FU，第一電阻R1，第一接觸器ΚΜ1，第二接觸器ΚΜ2,第一電感L1。
[0065] 熔斷器FU通過第二接觸器ΚΜ2與第一電感L1相連，第一電阻R1與第一接觸器 ΚΜ1串聯(lián)，串聯(lián)后的電路與第二接觸器ΚΜ2并聯(lián)。
[0066] 優(yōu)選的，本實施例公開的配電保護單元還可以包括：雙刀隔離開關Κ1。
[0067] 雙刀隔離開關Κ1的動觸點與電網(wǎng)相連的同時，兩個靜觸點分別與熔斷器FU的一 端以及第一電容C1的一端相連。
[0068] 在線路儲能裝置接入到電網(wǎng)時，配電保護單元內(nèi)的雙刀隔離開關Κ1即閉合。
[0069] 本實施例公開的線路儲能裝置中的能量監(jiān)控單元具體包括：
[0070] 電流傳感器61，電壓傳感器62,雙向能量檢測表63。
[0071] 其中，電流傳感器61的電流采樣電纜一端與雙刀隔離開關輸出端的正極相連，電 流傳感器61的電流采樣電纜另一端與配電保護單元相連，即與上一實施例中的熔斷器FU 相連，電壓傳感器62的電壓采樣電纜兩端分別與雙刀隔離開關輸出端的正負極相連，電流 傳感器61的信號輸出接口和電壓傳感器62的信號輸出接口同時與雙向能量檢測表63的 信號采集接口相連。
[0072] 電流傳感器61輸出的電流信號以及電壓傳感器62輸出的電壓信號傳輸至雙向能 量檢測表63進行能量監(jiān)控。
[0073] 綜合上述實施例，可以知道，本申請公開的線路儲能裝置的具體的電路結構如圖6 所示。
[0074] 本實施例公開了一種線路儲能方法，應用上述實施例公開的線路儲能裝置，其流 程圖如圖7所示，包括：
[0075] 步驟S71、判斷電網(wǎng)電壓是否超過充電標準電壓；
[0076] 若充電標準電壓正常的浮動范圍為標準值增加10%及降低10%，當電網(wǎng)電壓大 于標準值的1. 1倍，則電網(wǎng)電壓超過充電標準電壓，此時為軌道車輛減速或制動時，需要對 超出充電標準電壓范圍的電能進行儲存。當電網(wǎng)電壓低于充電標準值的〇. 9倍時，則電網(wǎng) 電壓低于充電標準電壓，此時為軌道車輛加速或啟動的情況，需要將線路儲能裝置內(nèi)存儲 的電能進行釋放，以供軌道車輛的啟動或加速，提高電能的利用率。
[0077] 步驟S72、若是，則第一電容兩端的電壓向第二電感、第二電容、第三電容充電，進 行能量的存儲；
[0078] 第一二極管導通，第一電容兩端的電壓向第二電感、第二電容、第三電容充電，并 以磁場的形式在第二電感內(nèi)部進行能量的存儲；第一二極管關斷，第二二極管作為續(xù)流二 極管，提供續(xù)流回路，使第二電感內(nèi)部存儲的能量向第二電容、第三電容轉移。
[0079] 步驟S73、否則，判斷電網(wǎng)電壓是否低于饋電標準電壓；
[0080] 步驟S74、若是，將第二電容、第三電容、第二電感內(nèi)存儲的能量注入電網(wǎng)。
[0081] 第二二極管導通，第二電容、第三電容上的電能向第二電感釋放，將第二電容、第 三電容內(nèi)存儲的電能轉移到第二電感內(nèi)；進一步的，第二二極管關斷，第一二極管作為續(xù)流 二極管，提供續(xù)流回路，使第二電感、第二電容、第三電容內(nèi)存儲的能量注入電網(wǎng)內(nèi)，以供車 輛的啟動、加速。
[0082] 本實施例公開的線路儲能方法，通過變流單元與存儲單元相連，變流單元與存儲 單元共同作用，實現(xiàn)對地鐵制動再生能源的存儲，并利用第二電容與第三電容組成的超級 電容器充放電速度快的特點，實現(xiàn)了在地鐵車輛啟動、加速時，將存儲單元儲存的能量優(yōu)先 補償電網(wǎng)，在車輛減速、制動時，通過存儲單元將饋電存儲起來，從而實現(xiàn)能量的循環(huán)利用， 并且，本方案采用的方式，采用電網(wǎng)能量的最優(yōu)分配，對電網(wǎng)波動有很好的改善效果，提高 了工業(yè)網(wǎng)電能的質量。
[0083] 優(yōu)選的，本實施例公開的線路儲能方法，在步驟S71之前，還可以包括：
[0084] 步驟S75、電網(wǎng)通過第一接觸器、第一電感對第一電容進行預充電。
[0085] 當預充電完成后，第一電容兩端的電壓達到預定值，實現(xiàn)對變流單元的初始供電， 以便變流單元及存儲單元能夠正常運行。
[0086] 進一步的，本實施例公開的線路儲能裝置，在步驟S75之后，還可以包括：
[0087] 步驟S76、對電網(wǎng)輸入值第一電感的電流及電壓進行檢測。
[0088] 用于對配電保護單元傳輸?shù)碾娏骷半妷哼M行檢測。
[0089] 本說明書中各個實施例采用遞進的方式描述，每個實施例重點說明的都是與其他 實施例的不同之處，各個實施例之間相同相似部分互相參見即可。對于實施例公開的裝置 而言，由于其與實施例公開的方法相對應，所以描述的比較簡單，相關之處參見方法部分說 明即可。
[0090] 專業(yè)人員還可以進一步意識到，結合本文中所公開的實施例描述的各示例的單元 及算法步驟，能夠以電子硬件、計算機軟件或者二者的結合來實現(xiàn)，為了清楚地說明硬件和 軟件的可互換性，在上述說明中已經(jīng)按照功能一般性地描述了各示例的組成及步驟。這些 功能究竟以硬件還是軟件方式來執(zhí)行，取決于技術方案的特定應用和設計約束條件。專業(yè) 技術人員可以對每個特定的應用來使用不同方法來實現(xiàn)所描述的功能，但是這種實現(xiàn)不應 認為超出本發(fā)明的范圍。
[0091] 結合本文中所公開的實施例描述的方法或算法的步驟可以直接用硬件、處理器執(zhí) 行的軟件模塊，或者二者的結合來實施。軟件模塊可以置于隨機存儲器（RAM)、內(nèi)存、只讀存 儲器（ROM)、電可編程ROM、電可擦除可編程ROM、寄存器、硬盤、可移動磁盤、CD-ROM、或技術 領域內(nèi)所公知的任意其它形式的存儲介質中。
[〇〇92] 對所公開的實施例的上述說明，使本領域專業(yè)技術人員能夠實現(xiàn)或使用本發(fā)明。 對這些實施例的多種修改對本領域的專業(yè)技術人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的 一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其它實施例中實現(xiàn)。因此，本發(fā)明 將不會被限制于本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一 致的最寬的范圍。
【權利要求】
1. 一種線路儲能裝置，與電網(wǎng)相連，其特征在于，包括： 變流單元，與所述變流單元相連的存儲單元， 所述變流單元包括：第一二極管、第二二極管、第一絕緣柵雙極型晶體管IGBT，第二 IGBT，第一電容，第二電感， 所述第一 IGBT的發(fā)射極與所述第一二極管的輸入端相連，第一 IGBT的集電極與所述 第一二極管的輸出端相連，所述第二IGBT的發(fā)射極與所述第二二極管的輸入端相連，第二 IGBT的集電極與所述第二二極管的輸出端相連，所述第一電容的兩端分別與第一二極管的 輸出端以及第二二極管的輸入端相連，所述第一二極管的輸入端與第二二極管的輸出端相 連的同時，與第二電感相連； 所述存儲單元包括：第二電容、第三電容、第二電阻、隔離開關， 所述第二電容與第三電容串聯(lián)，同時與第二電阻、隔離開關的串聯(lián)相并聯(lián)。
2. 根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征在于，還包括：配電保護單元， 所述配電保護單元分別于所述電網(wǎng)及第一電容相連，對所述第一電容進行預充電。
3. 根據(jù)權利要求2所述的裝置，其特征在于，還包括：能量監(jiān)控單元， 所述能量監(jiān)控單元與所述配電保護單元相連，對所述配電保護單元傳輸?shù)碾娏骷半妷?進行檢測。
4. 根據(jù)權利要求2所述的裝置，其特征在于，所述配電保護單元包括： 熔斷器，第一電阻，第一接觸器，第二接觸器，第一電感， 所述熔斷器通過所述第二接觸器與所述第一電感相連，所述第一電阻與第一接觸器串 聯(lián)后，同時與所述第二接觸器并聯(lián)。
5. 根據(jù)權利要求4所述的裝置，其特征在于，所述配電保護單元還包括：雙刀隔離開 關， 所述雙刀隔離開關的動觸點與電網(wǎng)相連的同時，兩個靜觸點分別與所述熔斷器的一端 及第一電容的一端相連。
6. 根據(jù)權利要求3所述的裝置，其特征在于，所述能量監(jiān)控單元包括：電流傳感器、電 壓傳感器、雙向能量檢測表， 所述電流傳感器的電流采樣電纜一端與所述雙刀隔離開關輸出端的正極相連，所述電 流傳感器的電流采樣電纜另一端與所述配電保護單元相連，所述電壓傳感器的電壓采樣電 纜兩端分別與所述雙刀隔離開關輸出端的正負極相連，所述電流傳感器的信號輸出接口和 所述電壓傳感器的信號輸出接口同時與所述雙向能量檢測表的信號采集接口相連。
7. 根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述存儲單元還包括：第三開關， 所述第三開關的一端與所述第二電感相連，另一端與所述第二電容及隔離開關相連。
8. -種線路儲能方法，應用線路儲能裝置，其特征在于，包括： 判斷電網(wǎng)電壓是否超過充電標準電壓； 若是，第一電容兩端的電壓向第二電感、第二電容、第三電容充電，進行能量的存儲； 否則，判斷所述電網(wǎng)電壓是否低于饋電標準電壓； 若是，將第二電容、第三電容、第二電感內(nèi)存儲的能量注入電網(wǎng)。
9. 根據(jù)權利要求8所述的方法，其特征在于，在判斷電網(wǎng)電壓是否超過充電標準電壓 之前，還包括： 電網(wǎng)通過第一接觸器、第一電感對第一電容進行預充電。
10.根據(jù)權利要求8所述的方法，其特征在于，還包括： 對所述電網(wǎng)輸入至第一電感的電流及電壓進行檢測。
【文檔編號】H02J3/28GK104104100SQ201410392198
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2014年8月11日 優(yōu)先權日:2014年8月11日
【發(fā)明者】柯建明, 張彥林, 張偉先, 趙穎, 胡潤文, 李玉梅, 陳朝暉, 黃鈺強, 付亞娥, 沈朝喜, 文午, 王雪蓮, 汪俊, 董凱文 申請人:南車株洲電力機車有限公司