牵引变电所用超级电容储能装置.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)实用新型专利 (10)授权公告号 (45)授权公告日 (21)申请号 202020606808.5 (22)申请日 2020.04.21 (73)专利权人 武汉轻工大学 地址 430023 湖北省武汉市东西湖区常青 花园学府南路68号 (72)发明人 谢红 (74)专利代理机构 深圳市世纪恒程知识产权代 理事务所 44287 代理人 杨培权 (51)Int.Cl. H02J 3/04(2006.01) H02J 3/32(2006.01) B60M 3/00(2006.01) (ESM)同样的发明创造已同日申请发明专利 (54)实用新型名称 牵引变。

2、电所用超级电容储能装置 (57)摘要 本实用新型涉及铁路工程技术领域， 尤其涉 及一种牵引变电所用超级电容储能装置。 所述装 置包括： 变压模块， 用于接收高压母线输入的高 压交流电能转换为低压交流电能， 并将低压交流 电能输出至低压母线； 单片机， 用于获取高压母 线的电能信号， 在电能信号满足储能条件时， 开 启储能模块与转换模块之间的通路； 转换模块， 用于通过低压母线接收低压交流电能， 并将低压 交流电能转换为直流电能输出至储能模块； 单片 机， 还用于启动储能模块， 以使储能模块接收直 流电能并存储。 本实用新型实现了对电动车组再 生制动能量的充分吸收和利用， 提升了能源利用 率。 。

3、权利要求书1页 说明书5页 附图1页 CN 211530754 U 2020.09.18 CN 211530754 U 1.一种牵引变电所用超级电容储能装置， 其特征在于， 所述牵引变电所用超级电容储 能装置包括： 单片机、 变压模块、 转换模块及储能模块； 其中， 所述变压模块的高压端连接到牵引变电所的高压母线， 所述变压模块的低压端连接到 牵引变电所的低压母线， 所述转换模块的输入端连接到所述低压母线， 所述转换模块的输 出端和所述储能模块的输入端连接， 所述储能模块的受控端和所述单片机的控制端连接， 所述单片机的检测端连接到所述高压母线； 所述变压模块， 用于接收所述高压母线输入的高压交。

4、流电能转换为低压交流电能， 并 将所述低压交流电能输出至所述低压母线； 所述单片机， 用于获取所述高压母线的电能信号， 在所述电能信号满足储能条件时， 开 启所述储能模块与所述转换模块之间的通路； 所述转换模块， 用于通过所述低压母线接收所述低压交流电能， 并将所述低压交流电 能转换为直流电能输出至所述储能模块； 所述单片机， 还用于启动所述储能模块， 以使所述储能模块接收所述直流电能并存储。 2.如权利要求1所述的牵引变电所用超级电容储能装置， 其特征在于， 所述变压模块包 括变压器， 所述变压器的高压端连接到所述高压母线， 所述变压器的低压端连接到所述低 压母线。 3.如权利要求1所述的牵。

5、引变电所用超级电容储能装置， 其特征在于， 所述转换模块包 括DC-DC变换器及整流器； 其中， 所述整流器的输入端连接到所述低压母线， 所述整流器的 输出端和所述DC-DC变换器的输入端连接， 所述DC-DC变换器的输出端和所述储能模块连 接。 4.如权利要求3所述的牵引变电所用超级电容储能装置， 其特征在于， 所述DC-DC变换 器为非隔离型DC-DC变换器。 5.如权利要求1所述的牵引变电所用超级电容储能装置， 其特征在于， 所述转换模块还 包括DC-AC逆变器， 所述DC-AC逆变器的输入端和所述储能模块的输出端连接， 所述DC-AC逆 变器的输出端连接到所述低压母线。 6.如权利要求。

6、1所述的牵引变电所用超级电容储能装置， 其特征在于， 所述单片机还用 于获取所述高压母线的电能信号， 在所述电能信号满足第一预设条件时， 关闭所述储能模 块， 以使所述储能模块停止运行。 7.如权利要求1所述的牵引变电所用超级电容储能装置， 其特征在于， 所述单片机还用 于获取所述高压母线的电能信号， 在所述电能信号满足输出条件时， 启动所述储能模块， 以 使所述储能模块进行电能输出； 所述转换模块， 还用于接收所述储能模块的输出电能， 并将所述输出电能转换为低压 交流电能发送至所述变压模块； 所述变压模块， 用于接收所述低压交流电能并转换为高压交流电能， 并将所述高压交 流电能输出至所述高压。

7、母线。 8.如权利要求1所述的牵引变电所用超级电容储能装置， 其特征在于， 所述单片机还用 于获取所述高压母线的电能信号， 在所述电能信号满足低压条件时， 关闭所述储能模块， 以 使所述储能模块停止运行。 权利要求书 1/1 页 2 CN 211530754 U 2 牵引变电所用超级电容储能装置 技术领域 0001 本实用新型涉及铁路工程技术领域， 尤其涉及一种牵引变电所用超级电容储能装 置。 背景技术 0002 高速铁路采用电动车组牵引， 电动车组有着优良的牵引/制动特性， 在其制动过程 中， 优先采用再生制动。 再生制动的过程为： 将电动机反转为发电机， 从而将动车组的动能 转变为电能， 。

8、反送给牵引网， 供同一供电区间相邻动车组使用。 0003 但在高速铁路开通初期， 运量较小， 投入运营的电动车组列车对数相对较少， 在同 一供电臂内只有一辆电动车组的概率较大， 再生制动产生的能量无法被吸收， 造成能源浪 费。 0004 此外， 由于电动车组运行工况复杂， 牵引与制动模式切换频繁， 在同一供电臂内如 有多辆电动车组同时再生制动， 且处于牵引工况的电动车组数量较少或没有。 此时， 不仅再 生能量无法被吸收， 还会导致牵引网电压升高。 一旦牵引网网压抬升超出允许值， 会导致牵 引变电所继电保护装置动作并跳闸， 影响高速铁路运输组织。 因此， 急需一种有效解决高速 铁路再生能量吸收及。

9、利用的应对方案。 0005 上述内容仅用于辅助理解本实用新型的技术方案， 并不代表承认上述内容是现有 技术。 实用新型内容 0006 本实用新型的主要目的在于提供一种牵引变电所用超级电容储能装置， 旨在解决 高速铁路再生能量吸收及利用不良的技术问题。 0007 为实现上述目的， 本实用新型提供了一种牵引变电所用超级电容储能装置， 所述 牵引变电所用超级电容储能装置包括： 单片机、 变压模块、 转换模块及储能模块； 其中， 0008 所述变压模块的高压端连接到牵引变电所的高压母线， 所述变压模块的低压端连 接到牵引变电所的低压母线， 所述转换模块的输入端连接到所述低压母线， 所述转换模块 的输出。

10、端和所述储能模块的输入端连接， 所述储能模块的受控端和所述单片机的控制端连 接， 所述单片机的检测端连接到所述高压母线； 0009 所述变压模块， 用于接收所述高压母线输入的高压交流电能转换为低压交流电 能， 并将所述低压交流电能输出至所述低压母线； 0010 所述单片机， 用于获取所述高压母线的电能信号， 在所述电能信号满足储能条件 时， 开启所述储能模块与所述转换模块之间的通路； 0011 所述转换模块， 用于通过所述低压母线接收所述低压交流电能， 并将所述低压交 流电能转换为直流电能输出至所述储能模块； 0012 所述单片机， 还用于启动所述储能模块， 以使所述储能模块接收所述直流电能并。

11、 存储。 说明书 1/5 页 3 CN 211530754 U 3 0013 优选地， 所述变压模块包括变压器， 所述变压器的高压端连接到所述高压母线， 所 述变压器的低压端连接到所述低压母线。 0014 优选地， 所述转换模块包括DC-DC变换器及整流器； 其中， 所述整流器的输入端连 接到所述低压母线， 所述整流器的输出端和所述DC-DC变换器的输入端连接， 所述DC-DC变 换器的输出端和所述储能模块连接。 0015 优选地， 所述DC-DC变换器为非隔离型DC-DC变换器。 0016 优选地， 所述转换模块还包括DC-AC逆变器， 所述DC-AC逆变器的输入端和所述储 能模块的输出端连。

12、接， 所述DC-AC逆变器的输出端连接到所述低压母线。 0017 优选地， 所述单片机还用于获取所述高压母线的电能信号， 在所述电能信号满足 第一预设条件时， 关闭所述储能模块， 以使所述储能模块停止运行。 0018 优选地， 所述单片机还用于获取所述高压母线的电能信号， 在所述电能信号满足 输出条件时， 启动所述储能模块， 以使所述储能模块进行电能输出； 0019 所述转换模块， 还用于接收所述储能模块的输出电能， 并将所述输出电能转换为 低压交流电能发送至所述变压模块； 0020 所述变压模块， 用于接收所述低压交流电能并转换为高压交流电能， 并将所述高 压交流电能输出至所述高压母线。 0。

13、021 优选地， 所述单片机还用于获取所述高压母线的电能信号， 在所述电能信号满足 低压条件时， 关闭所述储能模块， 以使所述储能模块停止运行。 0022 本实用新型通过设置一种牵引变电所用超级电容储能装置。 所述装置包括： 所述 变压模块， 用于接收所述高压母线输入的高压交流电能转换为低压交流电能， 并将所述低 压交流电能输出至所述低压母线； 所述单片机， 用于获取所述高压母线的电能信号， 在所述 电能信号满足储能条件时， 开启所述储能模块与所述转换模块之间的通路； 所述转换模块， 用于通过所述低压母线接收所述低压交流电能， 并将所述低压交流电能转换为直流电能输 出至所述储能模块； 所述单片。

14、机， 还用于启动所述储能模块， 以使所述储能模块接收所述直 流电能并存储。 本实用新型实现了对电动车组再生制动能量的充分吸收和利用， 提升了能 源利用率。 附图说明 0023 图1为本实用新型牵引变电所用超级电容储能装置第一实施例的结构框图； 0024 图2为本实用新型牵引变电所用超级电容储能装置第一实施例的结构示意图。 0025 附图标号说明： 0026 标号名称标号名称 EMS单片机101变压器 100变压模块201PWM整流器 200转换模块202DC-DC变换器 300储能模块203DC-AC逆变器 1高压母线 2低压母线 0027 本实用新型目的的实现、 功能特点及优点将结合实施例，。

15、 参照附图做进一步说明。 说明书 2/5 页 4 CN 211530754 U 4 具体实施方式 0028 应当理解， 此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型， 并不用于限定本实 用新型。 0029 参照图1， 图1为本实用新型牵引变电所用超级电容储能装置第一实施例的结构框 图。 参考图2， 图2为本实用新型牵引变电所用超级电容储能装置第一实施例的结构示意图。 0030 一种牵引变电所用超级电容储能装置， 所述牵引变电所用超级电容储能装置包 括： 单片机EMS、 变压模块100、 转换模块200及储能模块300。 0031 所述变压模块100的高压端连接到牵引变电所的高压母线1， 所述变压。

16、模块100的 低压端连接到牵引变电所的低压母线2， 所述转换模块200的输入端连接到所述低压母线2， 所述转换模块200的输出端和所述储能模块300的输入端连接， 所述储能模块300的受控端 和所述单片机EMS的控制端连接， 所述单片机EMS的获取端连接到所述高压母线1。 0032 需要说明的是， 本实施例中， 所述高压母线1为27 .5kV母线， 所述低压母线为 AC380V母线； 具体实施中二者可以为其他型号的母线， 本实施例不对此进行限制； 所述单片 机EMS为能源管理系统， 具体实施中可以使用其他能作为控制单元的器件替代， 如： 微控制 器MCU、 单片机等。 0033 所述变压模块1。

17、00， 用于接收所述高压母线1输入的高压交流电能转换为低压交流 电能， 并将所述低压交流电能输出至所述低压母线2。 0034 需要说明的是， 所述变压模块100包括变压器101， 所述变压器101可以使用27.5/ 0.38kV变压器， 所述变压器101的高压端连接到所述高压母线1， 所述变压器101的低压端连 接到所述低压母线2。 0035 所述单片机EMS， 用于获取所述高压母线1的电能信号， 在所述电能信号满足储能 条件时， 开启所述储能模块300与所述转换模块200之间的通路。 0036 需要说明的是， 所述电能信号包括高压母线1的电流值与电压值， 本实施例中， 所 述储能条件为： 当。

18、27.5kV母线电压高于27.5kV且27.5kV母线电流大于500A。 0037 易于理解的是， 在当27.5kV母线电压高于27.5kV且27.5kV母线电流大于500A时， 意味着， 在供电区间内由一列或多列电动车组同时处于制动工况， 再生能量不能被相邻电 动车组吸收， 此时再生能量过多会存在能量浪费， 可将能量进行存储以避免浪费。 0038 所述转换模块200， 用于通过所述低压母线2接收所述低压交流电能， 并将所述低 压交流电能转换为直流电能输出至所述储能模块300。 0039 需要说明的是， 所述转换模块200包括DC-DC变换器202及整流器201； 其中， 所述整 流器201的。

19、输入端连接到所述低压母线2， 所述整流器201的输出端和所述DC-DC变换器202 的输入端连接， 所述DC-DC变换器202的输出端和所述储能模块300连接。 所述DC-DC变换器 为非隔离型DC-DC变换器。 所述转换模块200还包括DC-AC逆变器203， 所述DC-AC逆变器203 的输入端和所述储能模块300的输出端连接， 所述DC-AC逆变器203的输出端连接到所述低 压母线1。 0040 易于理解的是 ， 本实施例中 ， 参考图2， 整流器201为PWM(Pulse width modulation， 脉冲宽度调制)整流器， 所述储能模块300可以采用超级电容储能装置。 所述 P。

20、WM整流器分为两组， 并联后交流侧连接到所述低压母线2， 直流侧串联DC-DC变换器上， 储 能模块300的输出端和DC-AC逆变器203连接， DC-AC逆变器203还连接到所述低压母线2。 说明书 3/5 页 5 CN 211530754 U 5 0041 应当理解的是， 来自所述高压母线1的高压交流电能进行高低压转换， 交流直流转 换， 直流电压转换， 高压母线1的电能信号满足储能条件时， 电能输出至所述储能模块300。 0042 所述单片机EMS， 还用于启动所述储能模块300， 以使所述储能模块300接收所述直 流电能并存储。 0043 易于理解的是， 所述储能模块300可将电能进行。

21、存储。 具体实施中， 储能模块300的 容量需要根据牵引变电所相关的参数进行设置。 储能模块300的容量计算公式如下： SK*S 车* * 式中， K： 供电区间电动车组同时系数， 取值范围为24； S车： 供电区间运行的电动车 组功率总和； ： 电动车组再生制动能量利用率， 取值范围为0.30.7； ： 效率系数， 取值范 围为0.70.85。 0044 易于理解的是， 所述单片机EMS， 除控制储能模块300进行储能外， 还能控制所述储 能模块300停止储能。 在所述储能模块300的容量即将饱满时， 可控制所述储能模块300停止 储能。 0045 所述单片机EMS还用于获取所述高压母线1的。

22、电能信号， 在所述电能信号满足第一 预设条件时， 关闭所述储能模块300， 以使所述储能模块300停止运行。 0046 需要说明的是， 本实施例中， 所述第一预设条件为： 当27.5kV母线电压介于27.5kV 和24kV之间或者当27.5kV母线电压高于27.5kV且27.5kV母线电流小于等于500A时， 此时工 况以牵引和再生基本相当， 再生能量可得到有效吸收， 无需将所述储能模块300投入运行。 0047 所述单片机EMS还用于获取所述高压母线1的电能信号， 在所述电能信号满足输出 条件时， 启动所述储能模块300， 以使所述储能模块300进行电能输出。 0048 所述转换模块200，。

23、 还用于接收所述储能模块300的输出电能， 并将所述输出电能 转换为低压交流电能发送至所述变压模块100。 0049 所述变压模块100， 用于接收所述低压交流电能并转换为高压交流电能， 并将所述 高压交流电能输出至所述高压母线1。 0050 需要说明的是， 本实施例中， 所述输出条件为： 当27.5kV母线电压介于24kV和20kV 之间时， 此时工况以牵引居多， 储能模块300运行， 并处于能量输出工况， 为电动车组提供能 源。 此时通过单片机EMS控制储能模块300放电， 经DC-AC逆变器203变换为AC380V电压， 再由 27.5/0.38kV变压器升压后， 为处于牵引工况的电动车。

24、组提供能源， 可减少外部电网能源利 用， 起到节能的效果。 0051 所述单片机EMS还用于获取所述高压母线1的电能信号， 在所述电能信号满足低压 条件时， 关闭所述储能模块300， 以使所述储能模块300停止运行。 0052 需要说明的是， 本实施例中， 所述低压条件为： 当27.5kV母线电压介低于20kV时， 此时属于非正常运行工况， 一般出现短路等故障， 所述储能模块300不投入运行。 0053 本实用新型实施例， 通过对牵引变电所的母线电能信号进行获取， 获取牵引变电 所不同工况， 通过单片机进行逻辑判断， 控制储能模块的运行工况， 实现了对电动车组再生 制动能量的充分吸收和利用， 。

25、提升了能源利用率。 0054 应当理解的是， 以上仅为举例说明， 对本实用新型的技术方案并不构成任何限定， 在具体应用中， 本领域的技术人员可以根据需要进行设置， 本实用新型对此不做限制。 0055 需要说明的是， 以上所描述的工作流程仅仅是示意性的， 并不对本实用新型的保 护范围构成限定， 在实际应用中， 本领域的技术人员可以根据实际的需要选择其中的部分 说明书 4/5 页 6 CN 211530754 U 6 或者全部来实现本实施例方案的目的， 此处不做限制。 0056 此外， 需要说明的是， 在本文中， 术语 “包括” 、“包含” 或者其任何其他变体意在涵 盖非排他性的包含， 从而使得包。

26、括一系列要素的过程、 方法、 物品或者系统不仅包括那些要 素， 而且还包括没有明确列出的其他要素， 或者是还包括为这种过程、 方法、 物品或者系统 所固有的要素。 在没有更多限制的情况下， 由语句 “包括一个” 限定的要素， 并不排除在 包括该要素的过程、 方法、 物品或者系统中还存在另外的相同要素。 0057 上述本实用新型实施例序号仅仅为了描述， 不代表实施例的优劣。 0058 通过以上的实施方式的描述， 本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方 法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现， 当然也可以通过硬件， 但很多情况下 前者是更佳的实施方式。 基于这样的理解， 本实用新型的技。

27、术方案本质上或者说对现有技 术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来， 该计算机软件产品存储在一个存储介 质(如只读存储器(Read Only Memory， ROM)/RAM、 磁碟、 光盘)中， 包括若干指令用以使得一 台终端设备(可以是手机， 计算机， 服务器， 或者网络设备等)执行本实用新型各个实施例所 述的方法。 0059 以上仅为本实用新型的优选实施例， 并非因此限制本实用新型的专利范围， 凡是 利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换， 或直接或间接运用在 其他相关的技术领域， 均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。 说明书 5/5 页 7 CN 211530754 U 7 图1 图2 说明书附图 1/1 页 8 CN 211530754 U 8 。