本發(fā)明涉及城市軌道交通供電系統(tǒng)技術領域，具體涉及一種模塊化地鐵再生制動超級電容儲能裝置。

背景技術：

近幾年來我國城市軌道交通發(fā)展非常迅速，現有的地鐵牽引供電方式采用二極管整流機組將35/33kv中壓交流電整流成1500v直流，通過直流觸網對地鐵列車上的牽引電機供電。但是這種供電方式只能實現電能從電網到電機的單向功率流動，而電機在制動過程中工作在發(fā)電機狀態(tài)，列車的機械能轉換成電能。為了保證直流觸網電壓在安全范圍內，現在基本采用電阻耗電方式吸收列車制動產生的電能，造成了電能的極大浪費，電阻產生的熱量還增加了空調制冷負擔，這違背了國家節(jié)能減排方針。

隨著電力電子技術、超級電容儲能技術的發(fā)展，超級電容儲能裝置逐漸在地鐵里得到了應用。超級電容儲能裝置的基本原理是將制動過程中電機發(fā)出的直流電能存儲到超級電容，牽引過程中則釋放能量，這樣電能就得到了再生利用，有效地提高了能源的利用效率。

目前對于再生制動超級電容儲能裝置，現有技術方案主要有以下幾種：

現有技術方案一：株洲時代裝備技術有限責任公司的發(fā)明專利《基于超級電容的儲能型再生制動能量回收方法及系統(tǒng)》（申請?zhí)枺?01510186565.8），采用雙向dc/dc模塊串、并聯的方法兼容dc750/1500v兩種地鐵牽引供電制式和各種功率等級需求。但其超級電容器只進行了串聯分組，并沒有進行并聯分組，需要采用大量單體進行直接并聯，存在單體間分流不均導致的可靠性風險。并且，該方案的雙向dc/dc模塊并沒有集成直流濾波電感和高頻濾波電容，其參數并不能很好地匹配不同的雙向dc/dc模塊并聯數量，影響紋波濾除效果。

現有技術方案二：2010年南京航空航天大學馮晶晶碩士學位論文《基于超級電容的再生制動能量吸收利用技術研究》，采用了4個變流模塊高壓側串聯、超級電容側獨立組合的模塊化結構，模塊均壓控制復雜。并且，該方案沒有考慮變流模塊、超級電容并聯擴容問題。

綜上所述，現有技術方案均沒有考慮大量超級電容并聯帶來的均流一致性問題，存在可靠性隱患。

技術實現要素：

所要解決的技術問題：

本發(fā)明提供一種獨立串并聯模塊化地鐵再生制動超級電容儲能裝置，該裝置通過獨立連接超級電容組，從而減少了超級電容單體直接串、并聯的數量；降低了單體間串聯均壓、并聯均流的風險；并且能夠靈活覆蓋dc750/1500v、以及不同電流等級需求；能夠提高本發(fā)明的可靠性。

技術方案：

一種獨立串并聯模塊化地鐵再生制動超級電容儲能裝置，包括直流觸網、超級電容組模塊和dc750v雙向dc/dc模塊；其特征在于：一組超級電容組模塊與一組dc750v雙向dc/dc模塊相連為一組再生制動模塊；所述直流觸網兩端串聯兩組再生制動模塊分別為：第一再生制動模塊和第二再生制動模塊；所述第一再生制動模塊與至少一組再生制動模塊并聯；所述第二再生制動模塊與至少一組再生制動模塊并聯。本發(fā)明中與每臺雙向dc/dc模塊獨立連接的若干超級電容器組減少了超級電容單體直接串、并聯數量。dc750v雙向dc/dc模塊通過直流側2組模塊串聯實現dc1500v場合應用，通過直流側并聯多組dc750v雙向dc/dc模塊滿足不同的電流要求。

進一步地，所述dc750v雙向dc/dc模塊包括至少兩組并聯的igbt半橋電路，所述直流觸網與并聯的igbt半橋電路相連進行斬波降壓。

進一步地，所述dc750v雙向dc/dc模塊還包括直流熔斷器、直流濾波電感、直流母線電容；所述直流觸網依次經過直流熔斷器、直流濾波電感和直流母線電容，再與并聯的igbt半橋電路相連。

進一步地，所述dc750v雙向dc/dc模塊還包括lcl濾波電路；所述lcl濾波器包括igbt半橋電路輸出電感、高頻濾波電容和輸出濾波電感；所述并聯的igbt半橋電路與lcl濾波電路相連。

進一步地，還包括直流斷路器和電壓傳感器；所述lcl濾波電路通過直流斷路器和電壓傳給器與對應的超級電容組相連。

上述電路中，地鐵直流觸網通過igbt載波移相控制的雙向dc/dc電路斬波，得到的等效開關頻率是實際開關頻率n倍（n是并聯半橋橋臂數量）的脈沖直流電經過lcl濾波器平滑濾波后與超級電容器組相連接，實現列車制動再生能量存儲、牽引加速能量釋放。

當列車制動時，列車上的牽引電機工作在發(fā)電機狀態(tài)，制動機械能轉換成電能饋入直流觸網，直流觸網連接到dc750v雙向dc/dc模塊，直流電經直流濾波電感濾波，輸入至少兩組igbt半橋橋臂并聯構成的斬波電路，該斬波電路采用載波移相控制得到等效開關頻率是實際開關頻率n倍（n是并聯半橋橋臂數量）的脈沖直流電，該脈沖直流電經過變流器側濾波電感、高頻濾波電容、輸出濾波電感構成的lcl濾波器平滑濾波后得到電壓相對較低的直流電，送入超級電容器組進行儲存。dc750v雙向dc/dc模塊內部的霍爾電流傳感器檢測輸出電流，進行電流閉環(huán)控制和快速過流保護。超級電容器組兩端的電壓傳感器檢測超級電容電壓，進行充、放電保護，并且給電流環(huán)提供電壓前饋量，提高電流環(huán)穩(wěn)定性。

當列車牽引、加速時，超級電容器組儲存的能量通過lcl濾波器、igbt半橋斬波電路升壓、經過直流濾波電感饋入直流觸網。這就實現了制動再生能量的再利用，提高了地鐵牽引系統(tǒng)的能效。

當直流觸網的電壓為750v時，連接入電路的是并聯的若干組再生制動模塊，此時再生制動模塊的額定電壓為750v，根據電路的電流的大小調節(jié)連接入再生制動模塊的多少。當直流觸網的電壓為1500v時，連接入電路的不僅是并聯的若干組再生制動模塊，還有兩組串聯的再生制動模塊，并且并聯的再生制動模塊的數目由電路的電流決定。

3、有益效果：

（1）可靠性高：本發(fā)明中每組超級電容器組進行獨立連接，減少了單體串、并聯數量，提高了壽命和可靠性；雙向dc/dc模塊具有冗余運行能力。

（2）徹底的模塊化設計：每臺雙向dc/dc模塊集成直流濾波電感、完整的lcl濾波器，解決了傳統(tǒng)設計變流模塊并聯數量不同導致的濾波參數不匹配問題。

（3）效率高、體積小：igbt斬波器的載波移相控制只需較低的實際開關頻率就能得到較高的等效開關頻率，并且采用的lcl濾波器有較強的開關紋波濾除能力，對開關頻率要求較低，因此能夠有效減小開關損耗和濾波器電感、電容量，提高裝置效率并減小體積、成本。

（4）靈活覆蓋不同功率需求：采用并聯的再生制動模塊可以應用于dc750v地鐵系統(tǒng)，2組串聯的若干組再生制動模塊可以應用于dc1500地鐵系統(tǒng)；同時，并聯的再生制動模塊的數目可以滿足不同的電流需求。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結構示意圖；

圖2為本發(fā)明中額定直流輸入dc750v雙向dc/dc模塊的電流拓撲圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明進行說明：

一種獨立串并聯模塊化地鐵再生制動超級電容儲能裝置，包括直流觸網、超級電容組模塊和額定直流輸入dc750v雙向dc/dc模塊。所述一組超級電容組模塊與一組額定直流輸入dc750v雙向dc/dc模塊相連為一組再生制動模塊；所述直流觸網兩端并聯兩組再生制動模塊分別為：第一再生制動模塊和第二再生制動模塊；所述第一再生制動模塊與至少一組再生制動模塊串聯；所述第二再生制動模塊與至少一組再生制動模塊串聯。dc750v雙向dc/dc模塊包括直流熔斷器、直流濾波電感、直流母線電容、若干并聯的igbt半橋、變流器側濾波電感、高頻濾波電容、輸出濾波電感、直流斷路器，直流輸出端和對應的超級電容器組相連。地鐵直流觸網通過igbt載波移相控制的雙向dc/dc電路斬波降壓，經過lcl濾波器平滑濾波后與超級電容器組相連接，實現列車制動再生能量存儲、牽引加速能量釋放。

當列車制動時，列車上的牽引電機工作在發(fā)電機狀態(tài)，制動機械能轉換成電能饋入直流觸網，然后進入dc750v雙向dc/dc模塊斬波降壓后，送入超級電容器組進行儲存。當列車牽引、加速時，超級電容器組儲存的能量通過雙向dc/dc模塊升壓后饋入直流觸網，這就實現了制動再生能量的再利用。

如圖1所示，一種獨立串并聯模塊化地鐵再生制動超級電容儲能裝置：兩組dc750v雙向dc/dc模塊直流側串聯滿足dc1500v應用；每組n個dc750v雙向dc/dc模塊并聯，滿足不同電流需求。多個超級電容器組與各自的雙向dc/dc模塊獨立連接。tv1、tv2為直流電壓霍爾傳感器，分別采樣兩組串聯雙向dc/dc模塊的直流母線電壓，進行穩(wěn)壓控制。

如圖2所示，dc750v雙向dc/dc模塊：采用載波移相控制的若干igbt半橋橋臂并聯構成斬波電路，本實施例中采用3路并聯，等效開關頻率是實際的3倍。輸出開關紋波頻率高，能夠減小輸出lcl濾波器尺寸、降低成本。l1、l2、l3是3個igbt半橋橋臂的濾波電感，能夠實現抑制載波移相高頻環(huán)流以及l(fā)cl濾波器變流器側濾波電感的雙重作用。cf和l4分別是lcl濾波器的高頻濾波電容、輸出濾波電感；ta是電流霍爾傳感器，檢測超級電容器組充、放電電流，進行電流閉環(huán)控制和快速過流保護；tv是電壓傳感器，檢測超級電容器組電壓，防止出現過充、過放，并且進行電流環(huán)的電壓前饋控制；ld和cd分別是直流側濾波電感、電容，防止igbt斬波電路開關紋波污染直流觸網；k1是直流斷路器，對超級電容器組進行過流保護；f1、f2是直流熔斷器，用于短路保護。

超級電容器組：裝置中的超級電容器進行串、并聯分組，并與對應的雙向dc/dc模塊獨立連接。

雖然本發(fā)明已以較佳實施例公開如上，但它們并不是用來限定本發(fā)明的，任何熟習此技藝者，在不脫離本發(fā)明之精神和范圍內，自當可作各種變化或潤飾，因此本發(fā)明的保護范圍應當以本申請的權利要求保護范圍所界定的為準。