本发明属于电力电子控制，具体涉及一种模块化再生制动能量的电容储能装置及其均压控制方法。
背景技术：
1、本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
2、随着城市轨道交通的日益发展，地铁列车已经成为非常重要的交通工具，车辆运行所需的能耗基本上都超过整个系统能耗的50％，降低车辆运行能耗直接影响着地铁交通行业的可持续发展。地铁在运行中频繁启停，当车辆在运行过程中处于牵引工况时，所需的牵引能量和功率较大，牵引网的电能会通过牵引电机转化为车辆的动能，当车辆在运行过程中处于制动工况时，由于牵引地铁列车惯性大、速度快，所需制动能量非常大，根据能量守恒定律，车辆的动能会通过牵引电机转化为电能，回馈到dc1500v或dc750v的电网，这些能量中的大部分将引起直流电网电压升高或者以热能的形式在电阻上散掉。再生制动能量在地铁车辆中的普遍应用，有助于节约能源和改善环境。
3、再生制动能量的吸收或消耗技术方案一般有电阻消耗型、逆变回馈型和储能吸收型三种类型；其中，电阻消耗型使用制动电阻消耗掉再生电能，浪费能量，制动电阻发热导致温度升高，增加环控系统的负担，造成能源的再度消耗；逆变回馈型采用大功率逆变器将再生电能逆变回馈到交流环网，为地铁供电系统中的其他用电负荷供电，若要完全吸收再生电能，所需设备的容量大、成本高，设备尺寸大，再生功率峰值过大可能会超过地铁中压环网的消纳能力，导致一部分再生电能向电力系统倒流，对电力系统造成冲击和影响，对电网产生大量谐波，电网的供电系统不稳定；储能吸收型通过大功率dc/dc变流器将再生电能存储在超级电容或电池等储能介质中，等列车牵引时释放供给给列车使用，从而实现完全就地消纳再生电能。
4、再生制动能量可采用储能技术，通过储能技术实现需求侧电能管理、削峰填谷、平滑负荷和再生制动能量高效利用的功能，降低系统运行成本，提高经济效益。大容量的电容为储能提供了条件，超级电容自放电水平比较低，可在电压跌落和瞬态干扰期间提高供电水平，储能大，体积小，安装简单，效率高，充放电速度快。但是，储能装置存在着因各模块分担功率不均而造成的部分模块功率开关管的电压应力或电流应力超过其额定值出现故障的问题。
技术实现思路
1、为解决上述问题，本发明提出了一种模块化再生制动能量的电容储能装置及其均压控制方法，采用模块化结构设置的再生制动能量电容储能装置，采用均压控制策略，确保串联各模块高压侧分压电容均压，使得各模块平均分担负载功率和功率损耗，在降低成本的同时，提高了开关频率。
2、根据一些实施例，本发明的第一方案提供了一种模块化再生制动能量的电容储能装置，采用如下技术方案：
3、一种模块化再生制动能量的电容储能装置，包括相互串联的结构设置一致的第一储能模块和第二储能模块，所述第一储能模块和所述第二储能模块均包含双向dc/dc变流器和超级电容组；所述双向dc/dc变流器包括稳压电容、第一绝缘栅双极晶体管、第二绝缘栅双极晶体管、第一二极管和第二二极管；其中，所述第一绝缘栅双极晶体管和所述第二绝缘栅双极晶体管分别与所述第一二极管和所述第二二极管反向并联，所述第一绝缘栅双极晶体管与所述第二绝缘栅双极晶体管相串联后再与所述稳压电容相并联。
4、作为进一步的技术限定，所述双向dc/dc变流器还包括平波电抗器，所述平波电抗器的一端设置在所述第一绝缘栅双极晶体管与所述第二绝缘栅双极晶体管的串联连接处，另一端连接所述超级电容组。
5、进一步的，所述超级电容组的另一端设置在所述稳压电容与所述第二绝缘栅双极晶体管的连接处，所述超级电容组由若干个超级电容单体串并联而成。
6、需要说明的是，超级电容单体的串并联是指将两个或多个超级电容连接在一起，以达到更大的电荷存储能力。
7、超级电容单体的串并联需遵循以下原则：
8、(1)超级电容单体的电压容量必须相等。若电压容量不同，串联时会出现电压不均，并联时会导致电流不均。
9、(2)超级电容单体的电压范围必须相同。若电压范围不同，串联时会出现过电压或欠电压，并联时会导致充电速度不均。
10、(3)超级电容单体的串联电阻必须相等。若串联电阻不同，会导致超级电容单体之间的电流不均，从而影响超级电容单体的性能。
11、(4)超级电容单体的并联电阻必须相等。若并联电阻不同，会导致超级电容单体之间的电压不均，从而影响超级电容单体的性能。
12、作为进一步的技术限定，所述第一储能模块和第二储能模块串联后设置在主流母线电压的两端。
13、根据一些实施例，本发明的第二方案提供了一种模块化再生制动能量的电容储能装置的均压控制方法，采用了第一方案所提供的模块化再生制动能量的电容储能装置，采用如下技术方案：
14、一种模块化再生制动能量的电容储能装置的均压控制方法，通过判断牵引电网直流电压与预设电压之间的大小关系，确定电容储能装置所处的工作状态，控制第一储能模块和第二储能模块中的各个绝缘栅双极晶体管的导通与关断，实现超级电容组的投切，获得接触网直流母线电压；其中，当牵引电网直流电压大于最大预设电压时，产生制动能量，各个超级电容组充电；当牵引电网直流电压小于最小预设电压时，消耗制动能量，各个超级电容组放电；当牵引电网直流电压处于最小预设电压与最大预设电压之间时，各个超级电容组既不充电也不放电时，电容储能装置采用均压控制。
15、作为进一步的技术限定，在所述均压控制的过程中，第一储能模块和第二储能模块中的各个绝缘栅双极晶体管的导通时间一致，即第一储能模块中的电流平均值与第二储能模块中的电流平均值均为零，此时，各个超级电容组既不充电也不放电。
16、进一步的，检测并比较第一储能模块和第二储能模块中的稳压电容上的电压，关断电压值小的稳压电容所属的储能模块上的第一绝缘栅双极晶体管和第二绝缘栅双极晶体管，使得该储能模块上的电压保持不变；控制另一个储能模块上的第一绝缘栅双极晶体管和第二绝缘栅双极晶体管的导通时间，使得该储能模块上的电压降低，以实现两个储能模块上的电压均衡。
17、作为进一步的技术限定，当牵引电网直流电压小于最小预设电压时，车辆处于加速行驶状态，因车辆制动所需能量多使得牵引电网直流电压下降至最小预设电压，此时，第一储能模块与第二储能模块中的双向dc/dc变流器启动boost模式，分别控制第一储能模块与第二储能模块中的各个绝缘栅双极晶体管的导通时间，使得各个超级电容组放电为电网充电，直到各个超级电容器组的电压下降达到电压下限。
18、作为进一步的技术限定，当牵引电网直流电压大于最大预设电压时，车辆处于制动或减速行驶状态，因车辆产生制动能量使得牵引电网直流电压上升至最大预设电压，此时，第一储能模块与第二储能模块中的双向dc/dc变流器均启动buck模式，分别控制第一储能模块与第二储能模块中的各个绝缘栅双极晶体管的导通时间，使得电网为各个超级电容组充电，直到各个超级电容器组的电压上升至电压上限。
19、作为进一步的技术限定，所述预设电压与直流母线电压的标准值相关。
20、与现有技术相比，本发明的有益效果为：
21、本发明采用模块化结构设置的再生制动能量电容储能装置，采用均压控制策略，确保串联各模块高压侧分压电容均压，使得各模块平均分担负载功率和功率损耗，在降低成本的同时，提高了开关频率。
1.一种模块化再生制动能量的电容储能装置，其特征在于，包括相互串联的结构设置一致的第一储能模块和第二储能模块，所述第一储能模块和所述第二储能模块均包含双向dc/dc变流器和超级电容组；所述双向dc/dc变流器包括稳压电容、第一绝缘栅双极晶体管、第二绝缘栅双极晶体管、第一二极管和第二二极管；其中，所述第一绝缘栅双极晶体管和所述第二绝缘栅双极晶体管分别与所述第一二极管和所述第二二极管反向并联，所述第一绝缘栅双极晶体管与所述第二绝缘栅双极晶体管相串联后再与所述稳压电容相并联。
2.如权利要求1中所述的一种模块化再生制动能量的电容储能装置，其特征在于，所述双向dc/dc变流器还包括平波电抗器，所述平波电抗器的一端设置在所述第一绝缘栅双极晶体管与所述第二绝缘栅双极晶体管的串联连接处，另一端连接所述超级电容组。
3.如权利要求2中所述的一种模块化再生制动能量的电容储能装置，其特征在于，所述超级电容组的另一端设置在所述稳压电容与所述第二绝缘栅双极晶体管的连接处，所述超级电容组由若干个超级电容单体串并联而成。
4.如权利要求1中所述的一种模块化再生制动能量的电容储能装置，其特征在于，所述第一储能模块和第二储能模块串联后设置在主流母线电压的两端。
5.一种模块化再生制动能量的电容储能装置的均压控制方法，采用了如权利要求1-4中任一项所述的模块化再生制动能量的电容储能装置，其特征在于，通过判断牵引电网直流电压与预设电压之间的大小关系，确定电容储能装置所处的工作状态，控制第一储能模块和第二储能模块中的各个绝缘栅双极晶体管的导通与关断，实现超级电容组的投切，获得接触网直流母线电压；其中，当牵引电网直流电压大于最大预设电压时，产生制动能量，各个超级电容组充电；当牵引电网直流电压小于最小预设电压时，消耗制动能量，各个超级电容组放电；当牵引电网直流电压处于最小预设电压与最大预设电压之间时，各个超级电容组既不充电也不放电时，电容储能装置采用均压控制。
6.如权利要求5中所述的一种模块化再生制动能量的电容储能装置的均压控制方法，其特征在于，在所述均压控制的过程中，第一储能模块和第二储能模块中的各个绝缘栅双极晶体管的导通时间一致，即第一储能模块中的电流平均值与第二储能模块中的电流平均值均为零，此时，各个超级电容组既不充电也不放电。
7.如权利要求6中所述的一种模块化再生制动能量的电容储能装置的均压控制方法，其特征在于，检测并比较第一储能模块和第二储能模块中的稳压电容上的电压，关断电压值小的稳压电容所属的储能模块上的第一绝缘栅双极晶体管和第二绝缘栅双极晶体管，使得该储能模块上的电压保持不变；控制另一个储能模块上的第一绝缘栅双极晶体管和第二绝缘栅双极晶体管的导通时间，使得该储能模块上的电压降低，以实现两个储能模块上的电压均衡。
8.如权利要求5中所述的一种模块化再生制动能量的电容储能装置的均压控制方法，其特征在于，当牵引电网直流电压小于最小预设电压时，车辆处于加速行驶状态，因车辆制动所需能量多使得牵引电网直流电压下降至最小预设电压，此时，第一储能模块与第二储能模块中的双向dc/dc变流器启动boost模式，分别控制第一储能模块与第二储能模块中的各个绝缘栅双极晶体管的导通时间，使得各个超级电容组放电为电网充电，直到各个超级电容器组的电压下降达到电压下限。
9.如权利要求5中所述的一种模块化再生制动能量的电容储能装置的均压控制方法，其特征在于，当牵引电网直流电压大于最大预设电压时，车辆处于制动或减速行驶状态，因车辆产生制动能量使得牵引电网直流电压上升至最大预设电压，此时，第一储能模块与第二储能模块中的双向dc/dc变流器均启动buck模式，分别控制第一储能模块与第二储能模块中的各个绝缘栅双极晶体管的导通时间，使得电网为各个超级电容组充电，直到各个超级电容器组的电压上升至电压上限。
10.如权利要求5中所述的一种模块化再生制动能量的电容储能装置的均压控制方法，其特征在于，所述预设电压与直流母线电压的标准值相关。
