本發(fā)明涉及城市軌道交通供電系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種模塊化地鐵再生制動(dòng)超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置的閉環(huán)控制系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著城市規(guī)模的飛速擴(kuò)大，現(xiàn)有的地面交通系統(tǒng)已經(jīng)越來越不能滿足城市生活的交通需求，要實(shí)現(xiàn)高效、有序、省時(shí)的交通效果，地下交通的建設(shè)在近幾年顯得越發(fā)的重要，任何一個(gè)大型城市，其地鐵系統(tǒng)的覆蓋范圍均占城市面積的三分之一以上。

在運(yùn)行過程中，由于地鐵運(yùn)行速度快，且站點(diǎn)設(shè)置較多，因此，相鄰兩站之間的通行時(shí)間一般控制在兩分鐘到三分鐘之間，這就導(dǎo)致了地鐵需要頻繁起動(dòng)和制動(dòng)，在制動(dòng)過程中，會(huì)產(chǎn)生巨大的制動(dòng)能量。對(duì)地鐵制動(dòng)能量進(jìn)行回收利用已成為現(xiàn)有地下交通縮減運(yùn)營(yíng)成本、節(jié)約運(yùn)行能源的重要課題。

隨著電力電子技術(shù)、超級(jí)電容儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展，地鐵再生制動(dòng)超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置逐漸在地鐵里得到了應(yīng)用。該裝置的基本原理是將列車制動(dòng)過程中電機(jī)產(chǎn)生的再生直流電能經(jīng)過雙向dc/dc變流器降壓后儲(chǔ)存進(jìn)入超級(jí)電容器組；在列車牽引加速過程中，超級(jí)電容器組儲(chǔ)存的能量經(jīng)過雙向dc/dc變流器升壓后饋送進(jìn)入直流觸網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了再生制動(dòng)能量的回收再利用，有效地提高了能源的利用效率。

目前對(duì)于再生制動(dòng)超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置的控制方法，現(xiàn)有技術(shù)方案主要有以下幾種：現(xiàn)有技術(shù)方案一：株洲時(shí)代裝備技術(shù)有限責(zé)任公司的發(fā)明專利《基于超級(jí)電容的儲(chǔ)能型再生制動(dòng)能量回收方法及系統(tǒng)》（申請(qǐng)?zhí)枺?01510186565.8），采用雙向dc/dc模塊串、并聯(lián)的方法兼容dc750/1500v兩種地鐵牽引供電制式和各種功率等級(jí)需求，其控制系統(tǒng)采用上位機(jī)和變流模塊下位控制器相結(jié)合的公共直流電壓、獨(dú)立變流模塊電流雙閉環(huán)控制方法。但沒有說明上位機(jī)和下位控制器之間的通信方式和詳細(xì)的功能劃分。現(xiàn)有技術(shù)方案二：2010年南京航空航天大學(xué)馮晶晶碩士學(xué)位論文《基于超級(jí)電容的再生制動(dòng)能量吸收利用技術(shù)研究》，采用了4個(gè)變流模塊高壓側(cè)串聯(lián)、超級(jí)電容側(cè)獨(dú)立組合的模塊化結(jié)構(gòu)，模塊均壓控制復(fù)雜。并且，該方案沒有考慮變流模塊、超級(jí)電容并聯(lián)擴(kuò)容問題，其控制系統(tǒng)采用can總線進(jìn)行上、下位控制器的通信。但單一can總線的通信速率和容量有限，制約了底層模塊數(shù)量，裝置擴(kuò)展性差。因此，現(xiàn)有技術(shù)方案均沒有考慮大量底層模塊的主、從控制問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

所要解決的技術(shù)問題：

本發(fā)明提供一種具有高度可擴(kuò)展性的獨(dú)立串、并聯(lián)模塊化地鐵再生制動(dòng)超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置的閉環(huán)控制系統(tǒng)。

技術(shù)方案：

一種模塊化地鐵再生制動(dòng)超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置的閉環(huán)控制系統(tǒng)，其特征在于：包括獨(dú)立串并聯(lián)模塊化地鐵再生制動(dòng)超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置和閉環(huán)控制系統(tǒng)。

所述獨(dú)立串并聯(lián)模塊化地鐵再生制動(dòng)超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置包括直流觸網(wǎng)、超級(jí)電容組模塊和dc750v雙向dc/dc模塊；一組超級(jí)電容組模塊與一組dc750v雙向dc/dc模塊相連為一組再生制動(dòng)模塊；所述直流觸網(wǎng)兩端串聯(lián)兩組再生制動(dòng)模塊分別為：第一再生制動(dòng)模塊和第二再生制動(dòng)模塊；所述第一再生制動(dòng)模塊與至少一組再生制動(dòng)模塊并聯(lián)；所述第二再生制動(dòng)模塊與至少一組再生制動(dòng)模塊并聯(lián)。

所述閉環(huán)控制系統(tǒng)包括主控制器和底層控制器。所述底層控制器安裝在dc750v雙向dc/dc模塊中，通過與相對(duì)應(yīng)的dc750v雙向dc/dc模塊中的輸出電感相連進(jìn)行采樣超級(jí)電容組的電流進(jìn)行電流閉環(huán)控制。主控制器通過高速的can總線以廣播模式向各底層控制器下發(fā)沖、放電電流指令，各底層控制器通過低速的485總線向主控制器上傳其工作狀態(tài)。

所述主控制器接收上位監(jiān)控機(jī)或者手工輸入的操作命令，并將相應(yīng)的命令傳輸至底層控制器；從而進(jìn)行直流穩(wěn)壓；對(duì)兩組串聯(lián)dc750v雙向dc/dc模塊進(jìn)行均壓閉環(huán)控制，并輸出兩組雙向dc/dc模塊充、放電電流指令信號(hào)，并聯(lián)雙向dc/dc模塊接收相同的電流指令。

所述底層控制器接收主控制器下發(fā)的電流指令，通過輸出電感采樣超級(jí)電容組模塊的電流進(jìn)行電流閉環(huán)控制，并進(jìn)行快速過流保護(hù)：封鎖pwm脈沖、斷開直流開關(guān)k1；底層控制器將對(duì)應(yīng)的超級(jí)電容器組的狀態(tài)信息上傳至主控制器。

進(jìn)一步地，底層控制器檢測(cè)到其對(duì)應(yīng)的雙向dc/dc模塊故障退出運(yùn)行，將該信號(hào)上傳至主控制器，所述主控制器同等幅度減小兩組串聯(lián)雙向dc/dc模塊的功率輸出，儲(chǔ)能裝置降額運(yùn)行。

進(jìn)一步地，所述均壓閉環(huán)控制過程還包括以下步驟：

（1）人工設(shè)置直流觸網(wǎng)電壓上限目標(biāo)值udch-ref和下限目標(biāo)值udcl-ref，并實(shí)時(shí)檢測(cè)兩組雙向dc/dc模塊的直流電壓udc1、udc2，它們的和為直流總電壓udc-t，差為兩組逆變模塊的直流電壓偏差udc-n；直流總穩(wěn)壓控制器將udch-ref和udcl-ref分別與udc-t進(jìn)行比較，當(dāng)udch-ref＜udc-t時(shí)，直流總穩(wěn)壓控制器計(jì)算udch-ref和udc-t之間誤差，將誤差作為輸入信號(hào)輸入pi控制器，通過pi控制器輸出超級(jí)電容充電電流指令id-ref；當(dāng)udcl-ref＞udc-t時(shí)，直流總穩(wěn)壓控制器計(jì)算udcl-ref和udc-t之間誤差，將誤差作為輸入信號(hào)輸入pi控制器，通過pi控制器輸出超級(jí)電容放電電流指令id-ref；直流均壓控制器將指令值0和直流電壓偏差udc-n進(jìn)行比較，得到之間的誤差，將誤差作為輸入信號(hào)輸入pi控制器，得到兩組雙向dc/dc模塊的功率偏差修正量id-n；將id-ref減去id-n，得到第一組雙向dc/dc模塊的充/放電電流指令id1-ref，將id-ref加上id-n，得到第二組雙向dc/dc模塊的充/放電電流指令id2-ref；id1-ref和id2-ref通過can總線分別下發(fā)給串聯(lián)的上、下兩組雙向dc/dc模塊的底層控制器；

（2）上組并聯(lián)的各臺(tái)雙向dc/dc模塊的底層控制器通過can總線接收相同的充/放電電流指令id1-ref；上組各模塊電流控制器比較id1-ref和各自超級(jí)電容電流i的誤差，將誤差作為輸入信號(hào)輸入pi控制器，pi控制器的輸出疊加上各自連接的超級(jí)電容電壓u，得到各斬波器的控制輸出u1-ref；下組并聯(lián)的各臺(tái)雙向dc/dc模塊的底層控制器通過can總線接收相同的充/放電電流指令id2-ref；下組各模塊電流控制器比較id2-ref和各自超級(jí)電容電流i的誤差，將誤差作為輸入信號(hào)輸入pi控制器，pi控制器的輸出疊加上各自連接的超級(jí)電容電壓u，得到各斬波器的控制輸出u2-ref；

（3）各雙向dc/dc模塊的控制輸出u1-ref、u2-ref分別進(jìn)入載波移相調(diào)制模塊進(jìn)行pwm調(diào)制，得到各自的2m路脈沖控制信號(hào)pwm對(duì)斬波器的2m只igbt進(jìn)行開關(guān)控制，其中m是指雙向dc/dc模塊采用載波移相控制的數(shù)目。

有益效果：

（1）本發(fā)明采用can和485雙總線互相配合能有效提高通信容量，保證了裝置底層控制器數(shù)量的可擴(kuò)展性，方便并聯(lián)擴(kuò)容。

（2）在本發(fā)明中底層控制器對(duì)雙向dc/dc模塊進(jìn)行就近電流閉環(huán)控制，與主控制器通過總線交換信息、使系統(tǒng)的互連線少。

（3）本方案中可以支持冗余運(yùn)行、可靠性很高。

附圖說明

圖1是本發(fā)明公開的基于獨(dú)立串并聯(lián)模塊化地鐵再生制動(dòng)超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置的閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明的dc750v雙向dc/dc模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是主控制器控制系統(tǒng)框圖；

圖4是底層控制器控制系統(tǒng)框圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行說明：

如圖1所示，獨(dú)立串并聯(lián)模塊化地鐵再生制動(dòng)超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置包括兩組dc750v雙向dc/dc模塊直流側(cè)串聯(lián)滿足dc1500v應(yīng)用；每組dc750v雙向dc/dc模塊并聯(lián)，滿足不同電流需求。超級(jí)電容器組與各自的雙向dc/dc模塊獨(dú)立連接。tv1、tv2為直流電壓霍爾傳感器，分別采樣兩組串聯(lián)雙向dc/dc模塊的直流母線電壓，進(jìn)行穩(wěn)壓控制。

其中所述獨(dú)立串并聯(lián)模塊化地鐵再生制動(dòng)超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置包括直流觸網(wǎng)、超級(jí)電容組模塊和dc750v雙向dc/dc模塊；一組超級(jí)電容組模塊與一組dc750v雙向dc/dc模塊相連為一組再生制動(dòng)模塊；所述直流觸網(wǎng)兩端串聯(lián)兩組再生制動(dòng)模塊分別為：第一再生制動(dòng)模塊（1-1）和第二再生制動(dòng)模塊（2-1）；所述第一再生制動(dòng)模塊（1-1）與至少一組再生制動(dòng)模塊（1-2）并聯(lián)；所述第二再生制動(dòng)模塊與至少一組再生制動(dòng)模塊（2-2）并聯(lián)；

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(lián)構(gòu)成斬波電路，本實(shí)施例中采用3路并聯(lián)，等效開關(guān)頻率是實(shí)際的3倍。輸出開關(guān)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(gè)igbt半橋橋臂的濾波電感，能夠?qū)崿F(xiàn)抑制載波移相高頻環(huán)流以及l(fā)cl濾波器變流器側(cè)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(cè)超級(jí)電容器組充、放電電流，進(jìn)行電流閉環(huán)控制和快速過流保護(hù)；tv是電壓傳感器，檢測(cè)超級(jí)電容器組電壓，防止出現(xiàn)過充、過放，并且進(jìn)行電流環(huán)的電壓前饋控制；ld和cd分別是直流側(cè)濾波電感、電容，防止igbt斬波電路開關(guān)紋波污染直流觸網(wǎng)；k1是直流斷路器，對(duì)超級(jí)電容器組進(jìn)行過流保護(hù)；f1、f2是直流熔斷器，用于短路保護(hù)。ta是電流霍爾傳感器與底層控制器相連接。

超級(jí)電容器組：是將裝置中的超級(jí)電容器進(jìn)行串、并聯(lián)分組，并與對(duì)應(yīng)的雙向dc/dc模塊獨(dú)立連接。

主控制器負(fù)責(zé)接收上位監(jiān)控機(jī)或者手工輸入的操作命令，進(jìn)行直流穩(wěn)壓、兩組串聯(lián)雙向dc/dc模塊間均壓閉環(huán)控制，并輸出兩組雙向dc/dc模塊充、放電電流指令信號(hào)，并聯(lián)雙向dc/dc模塊接收相同的電流指令。

雙向dc/dc模塊內(nèi)部的底層控制器接收主控制器以can總線下發(fā)的電流指令，然后通過電流霍爾傳感器ta采樣超級(jí)電容電流i進(jìn)行電流閉環(huán)控制，并進(jìn)行快速過流保護(hù)：封鎖pwm脈沖、斷開直流開關(guān)k1。底層控制器將雙向dc/dc模塊和與該模塊連接的超級(jí)電容器組的狀態(tài)信息通過485總線反饋給主控制器。

若某個(gè)雙向dc/dc模塊故障退出運(yùn)行，主控制器同等幅度減小兩組串聯(lián)雙向dc/dc模塊的功率輸出，儲(chǔ)能裝置降額運(yùn)行。

如圖3所示，電壓閉環(huán)控制的過程如下：

1）人工設(shè)置直流觸網(wǎng)電壓上限目標(biāo)值udch-ref和下限目標(biāo)值udcl-ref，并實(shí)時(shí)檢測(cè)兩組雙向dc/dc模塊的直流電壓udc1、udc2，它們的和為直流總電壓udc-t，差為兩組逆變模塊的直流電壓偏差udc-n；直流總穩(wěn)壓控制器將udch-ref和udcl-ref分別與udc-t進(jìn)行比較，當(dāng)udch-ref＜udc-t時(shí)，直流總穩(wěn)壓控制器計(jì)算udch-ref和udc-t之間誤差，將誤差作為輸入信號(hào)輸入pi控制器，通過pi控制器輸出超級(jí)電容充電電流指令id-ref；當(dāng)udcl-ref＞udc-t時(shí)，直流總穩(wěn)壓控制器計(jì)算udcl-ref和udc-t之間誤差，將誤差作為輸入信號(hào)輸入pi控制器，通過pi控制器輸出超級(jí)電容放電電流指令id-ref；直流均壓控制器將指令值0和直流電壓偏差udc-n進(jìn)行比較，得到之間的誤差，將誤差作為輸入信號(hào)輸入pi控制器，得到兩組雙向dc/dc模塊的功率偏差修正量id-n；將id-ref減去id-n，得到第一組雙向dc/dc模塊的充/放電電流指令id1-ref，將id-ref加上id-n，得到第二組雙向dc/dc模塊的充/放電電流指令id2-ref；id1-ref和id2-ref通過can總線分別下發(fā)給串聯(lián)的上、下兩組雙向dc/dc模塊的底層控制器。

如圖4所示，以雙向dc/dc模塊采用3路載波移相為例，其控制電流閉環(huán)控制的過程如下：

1）上組并聯(lián)的各臺(tái)雙向dc/dc模塊的底層控制器通過can總線接收相同的充/放電電流指令id1-ref；上組各模塊電流控制器比較id1-ref和各自超級(jí)電容電流i的誤差，將誤差作為輸入信號(hào)輸入pi控制器，pi控制器的輸出疊加上各自連接的超級(jí)電容電壓u，得到各斬波器的控制輸出u1-ref；下組并聯(lián)的各臺(tái)雙向dc/dc模塊的底層控制器通過can總線接收相同的充/放電電流指令id2-ref；下組各模塊電流控制器比較id2-ref和各自超級(jí)電容電流i的誤差，將誤差作為輸入信號(hào)輸入pi控制器，pi控制器的輸出疊加上各自連接的超級(jí)電容電壓u，得到各斬波器的控制輸出u2-ref；

2）各雙向dc/dc模塊的控制輸出u1-ref、u2-ref分別進(jìn)入載波移相調(diào)制模塊進(jìn)行pwm調(diào)制，得到各自的6路脈沖控制信號(hào)pwm1,2,3,4,5,6對(duì)斬波器的6只igbt進(jìn)行開關(guān)控制。

雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)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(xí)此技藝者，在不脫離本發(fā)明之精神和范圍內(nèi)，自當(dāng)可作各種變化或潤(rùn)飾，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)當(dāng)以本申請(qǐng)的權(quán)利要求保護(hù)范圍所界定的為準(zhǔn)。