[实用新型]电压均衡型超级电容储能装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种电压均衡型超级电容储能装置，适用于直流牵引供电的轨道交通车辆再生制动能量吸收利用场合。

背景技术

超级电容又称双电层电容器（Electric Double Layer Capacitor,EDLC），具有功率密度大、充放电速度快、循环寿命长等优点，在分布式发电系统、电动汽车、制动能量回收等领域得到广泛应用。城市轨道交通的直流供电侧采用置地式或车载式超级电容储能系统，可以回收制动能量而提高整个系统能量利用效率、并可稳定电网电压、增强系统稳定性。

超级电容的单体额定电压很低，受限于超级电容的基本原理以及制造工艺等其他条件，超级电容的电容量、等效串联电阻和等效并联电阻等参数不可能做到很好的一致性，这就使得超级电容在串联应用于高压场合时会出现电压不均衡现象，这对超级电容的寿命、电容组的能量利用率等有着明显的影响。因此需要采用适当的均压措施提升由多个超级电容单体串联组成的超级电容组的容量利用率以及超级电容组的使用寿命。

目前，现有用于超级电容储能系统的均压措施可按能量的处理方式分为两大类：能量消耗型电压均衡电路，以及能量转移型电压均衡电路。

其中，能量消耗型电压均衡电路的结构简单，易于实现，但是多余的能量以热量的形式损耗掉，因此均衡功率不易提高，且均衡速度很慢，比较适合于充放电功率较小或对均衡速度要求不高的应用场合。

能量转移型电压均衡电路的基本原理是将端电压高的超级电容的多余能量设法转移至端电压低的超级电容中，从而实现各串联超级电容电压的均等，该方式因能量利用率高而得到广泛的研究，但目前提出的一些方法仍存在各自的固有缺点而无法推广应用。

具体而言，串联超级电容器均压的实现方式可以分为三种：将端电压高的超级电容的能量转移至端电压低的超级电容；将端电压高的超级电容的能量传递给整个超级电容器组；从整个超级电容器组中汲取能量并转移至端电压低的超级电容器。如何能快速、高效的实现各超级电容模块间的电压均衡是该关键技术的难点。

据申请人所知，轨道交通再生制动能量利用系统的核心环节之一即为大功率双向DC-DC变换器(Bi-direction DC-DC Converter，BDC)，该设备对整个系统的效率、体积及重量等方面起着关键作用。双向DC-DC变换器是双向运行的DC-DC变换器，其输入、输出电压极性不变，输入、输出电流的方向可以改变。BDC可实现能量的双向流动，即实现对储能系统的充/放电控制，是典型的“一机两用”设备。

轨道交通车辆运行速度较高且起动、制动频繁，在车辆起动、制动期间，传输功率峰值较高，因此非隔离型拓扑结构是轨道交通储能系统中能量变换环节的首选。非隔离型拓扑结构中，半桥Buck/Boost双向拓扑结构具有功率器件少、开关器件的电流应力小、且变换器导通损耗小的特点，有助于提高系统的综合效率（例如申请号200810040359.6授权公告号CN101350555B名称为“一种大功率双向DC/DC变换器拓扑结构”的中国实用新型专利）。城市轨道交通超级电容储能系统中所采用的双向DC/DC变换器拓扑结构主要以半桥Buck/Boost为基本结构。

当前，用于750V及以下电压等级接触网的超级电容储能系统已比较成熟，其系统中采用半桥Buck/Boost双向DC-DC变换器来控制能量的双向流动。而我国城市轨道交通直流接触网系统广泛采用的是1500V直流网，用于750V及以下电压等级接触网的超级电容储能技术难以直接用于1500V及以上电压等级接触网，其主要原因为：变换器低压侧超级电容组的串联数目随电压等级的提高而增加，相应的超级电容均压问题严重，系统可靠性大大降低；高电压时采用单个板桥变换器需要用到高耐压的功率，较大的du/dt对系统产生干扰。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是：克服现有技术存在的问题，提供一种电压均衡型超级电容储能装置，能更好地适应轨道车辆工况，解决超级电容串联数量过多带来的均压问题。

本实用新型解决其技术问题的技术方案如下：

电压均衡型超级电容储能装置，包括母线侧与外部直流母线电连接的滤波器，滤波器的电容侧与至少两个首尾串联的模块组电连接；各模块组包括依次连接的半桥模块、超级电容组以及均衡模块，各模块组的首端和尾端均位于半桥模块；各模块组的均衡模块与预充电模块共用同一隔离变压器；预充电模块与外部充电电源电连接。

本实用新型进一步完善的技术方案如下：