本實用新型涉及電容儲能裝置，尤其涉及一種城市軌道交通地面式超級電容儲能裝置。

背景技術：

城市軌道交通是城市公共交通體系中的重要組成部分，具有運量大、安全舒適、方便快捷等優點，常見的種類主要包括地鐵、輕軌、有軌電車等。地鐵作為城市軌道交通的典型代表，具有廣泛的應用空間。

目前，我國的地鐵采用牽引供電的方式為車輛供能，而地鐵系統本身的特點是站間距短、車輛運行密度大、整個運行過程中頻繁啟動和制動。

地鐵車輛的制動通常釆用再生制動為主，空氣制動(摩擦制動)為輔的電空聯合制動方式。所謂再生制動，就是車輛在制動時，電機工作在發電機狀態，產生的電能返回電網，供鄰近處于牽引狀態的列車使用；在制動的過程中，車輛能夠產生的電能十分可觀，一般來說制動能量能達到牽引能量的，如果能將這部分能量加以合理的利用，將對能量的節約產生很好的正面效果。但是由于地鐵牽引整流器通常采用二級管不控整流的方式，制動能量除了一部分被牽引工況的鄰車吸收之外，大部分剩余能量無法釋放而造成牽引網壓抬升，達到上限值后，發生再生失效。

在再生制動能量處理裝置的選擇上，電阻耗能型是一次性投資成本最低，運行最為可靠的方式，但由于其電能浪費和熱污染的問題，應在未來的發展中被逐步淘汰；逆變回饋型的優勢在于可以將制動能量及時、有效的加以利用，但逆變電能的處理需要同電網部門協調處理，產生了很多附加問題；蓄電池儲能系統有最為廣泛的應用市場，但蓄電池本身能量密度高、功率密度低，與城市軌道交通脈沖型牽引、制動能量特性不相符合。

車載式超級電容儲能系統在城市軌道交通中具有體積較小、靈活方便，補充的能量能夠由本車隨時吸收的優點，但是這種方式的儲能裝置增加了車輛自身的重量，而車輛每增加1噸，全年耗電量槳增加1萬kWh，這樣會大大削弱儲能裝置的節能效果。

技術實現要素：

為了解決城市軌道交通中存在的再生制動能量浪費問題，本實用新型提供一種城市軌道交通地面式超級電容儲能裝置，可安裝在變電站內，也可以安裝在線路中，它有效解決了增加車重和占用車輛空間的問題，與此同時，由于超級電容儲能裝置和運行車輛是完全兩個系統，方便檢修和維護。

本實用新型解決其技術問題所采用的技術方案是：城市軌道交通地面式超級電容儲能裝置，包括雙向DC-DC變換器和超級電容器組；雙向DC-DC變換器中設有放電電阻、隔離開關、斷路器、直流斬波電感二、濾波電感；雙向DC-DC變換器分為上、下兩部，上部內設有放電電阻，下部分為左側柜和右側柜，左側柜又分為兩層，第一層內設有隔離開關和斷路器，第二層內設有上位機和放電、急停按鈕；右側柜分為三層，底層內為預充電回路，中間層內設有濾波電感和直流斬波電感三，上層內設有垂直排布的直流斬波電感一和直流斬波電感二；作為儲能媒介的超級電容器組是由超級電容單體通過串并聯組成的。

優選的，所述超級電容單體包括集流器、電極、電解液和隔離層，電解液中設有隔離層，兩個電極插入到電解液中的隔離層的兩側，并在兩個電極表面形成緊密的電荷層，即雙電層。

超級電容單體的充電過程是在電解液中插入兩個電極，并在其間施加一個小于電解質溶液分解電壓的充電電壓，則電解液中的正、負離子在場的作用下會迅速向兩極運動，正極板吸引電解質中的負離子，負極板吸引正離子，并分別在電極的表面形成緊密的電荷層，即雙電層。超級電容單體是一種電化學元件，但其儲能的過程并不發生化學反應，這種儲能過程是可逆的，可以反復被充放電數十萬次。

優選的，單體內阻和單體件內阻共同組成了超級電容器組的內阻，在超級電容單體串并聯過程中，單體間內阻由單體間的連接電纜內阻和接觸電阻構成，單體內阻由集流器、電極、電解液及隔離層組成。

優選的，所述電極采用多孔活性炭電極。超級電容在外加電壓的作用下形成雙電層和傳統電容器中的電解質在電場作用下產生的極化電荷相似，但是，由于緊密的雙電荷層間距比普通電容器電荷層間的距離小得多，且多孔電極的機構極大地增加了電極表面積，所以超級電容遠遠超過普通電容器的容量。

本實用新型城市軌道交通地面式超級電容儲能裝置的有益效果：

1)將該城市軌道交通地面式超級電容儲能裝置應用于城市軌道交通中，當有剩余再生制動能量時，城市軌道交通相當于整個超級電容儲能系統的電源，而當需要牽引能量時，它又充當著超級電容儲能系統負載的角色。

2)城市軌道交通的典型特點是站間距短，發車密度大，車輛頻繁牽引、制動，且牽引和制動能量呈脈沖型；將儲能系統應用于城市軌道交通，本實用新型的城市軌道交通地面式超級電容儲能裝置和城市軌道交通特性相符合；既可以解決城市軌道交通中存在的網壓波動大、再生失效的問題，又能充分發揮儲能器件的性能，一舉兩得；超級電容儲能特性與城市軌道交通典型工況有著良好的匹配性。

3)本實用新型尤其適用于長期工作于秒級的快速充放電狀態的城市軌道交通的過程中。

附圖說明

下面結合附圖和實施例對本實用新型進一步說明。

圖1是本實用新型城市軌道交通地面式超級電容儲能裝置的結構示意圖。

圖2是雙向DC-DC變換器的結構示意圖。

圖3是超級電容單體的結構示意圖。

圖4是超級電容器組的內阻結構示意圖。

圖中，1、公共電網，2、降壓變壓器，3、整流單元，4、雙向DC-DC變換器，5、超級電容器組，6、直流母線，7、負極回流母線，41、放電電阻，42、上位機，43、放電、急停按鈕，44、隔離開關和斷路器，441、隔離開關，442、斷路器，45、直流斬波電感一，46、直流斬波電感二，47、濾波電感，48、直流斬波電感三，49、預充電回路，50、超級電容單體，51、集流器，52、電極，53、隔離層，54、電解液，55、雙電層，56、單體間內阻，R1、R5為集流器電阻；R2、R4為電極電阻；R3為電解液/隔離層電阻；C1、C2為電極電容；R6、R8為連接電纜接觸電阻；R7為連接電纜內阻。

具體實施方式

請參照圖1和圖2，本具體實施例的城市軌道交通地面式超級電容儲能裝置安裝于公共電網線路或變電站中，雙向DC-DC變換器、超級電容器組與公共電網、降壓變壓器、整流單元組成城市軌道交通地面式超級電容儲能系統。本具體實施例，城市軌道交通地面式超級電容儲能裝置，包括雙向DC-DC變換器和超級電容器組；雙向DC-DC變換器中設有放電電阻、隔離開關、斷路器、直流斬波電感二、濾波電感；雙向DC-DC變換器分為上、下兩部，上部內設有放電電阻，下部分為左側柜和右側柜，左側柜又分為兩層，第一層內設有隔離開關和斷路器，第二層內設有上位機和放電、急停按鈕；右側柜分為三層，底層內為預充電回路，中間層內設有濾波電感和直流斬波電感三，上層內設有垂直排布的直流斬波電感一和直流斬波電感二；作為儲能媒介的超級電容器組是由超級電容單體通過串并聯組成的。

請參照圖3，所述超級電容單體包括集流器、電極、電解液和隔離層，電解液中設有隔離層，兩個電極插入到電解液中的隔離層的兩側，并在兩個電極表面形成緊密的電荷層，即雙電層。

超級電容單體的充電過程是在電解液中插入兩個電極，并在其間施加一個小于電解質溶液分解電壓的充電電壓，則電解液中的正、負離子在場的作用下會迅速向兩極運動，正極板吸引電解質中的負離子，負極板吸引正離子，并分別在電極的表面形成緊密的電荷層，即雙電層。超級電容單體是一種電化學元件，但其儲能的過程并不發生化學反應，這種儲能過程是可逆的，可以反復被充放電數十萬次。

請參照圖4，單體內阻和單體件內阻共同組成了超級電容器組的內阻，在超級電容單體串并聯過程中，單體間內阻由單體間的連接電纜內阻和接觸電阻構成，單體內阻由集流器、電極、電解液及隔離層組成。R1、R5為集流器電阻；R2、R4為電極電阻；R3為電解液/隔離層電阻；C1、C2為電極電容；R6、R8為連接電纜接觸電阻；R7為連接電纜內阻。

作為本實用新型的進一步改進，所述電極采用多孔活性炭電極。超級電容在外加電壓的作用下形成雙電層和傳統電容器中的電解質在電場作用下產生的極化電荷相似，但是，由于緊密的雙電荷層間距比普通電容器電荷層間的距離小得多，且多孔電極的機構極大地增加了電極表面積，所以超級電容遠遠超過普通電容器的容量。

上面結合附圖對本實用新型進行了示例性的描述，顯然本實用新型的實現并不受上述方式的限制，只要采用了本實用新型技術方案進行的各種改進，或未經改進講本實用新型的構思和技術方案應用于其他場合的，均在本實用新型的保護范內。