本發(fā)明屬于軌道車輛電氣技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種用于軌道車輛的牽引逆變器，具體的說，涉及一種集成儲能裝置充放電控制的軌道車輛牽引逆變系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：
目前軌道交通牽引傳動系統(tǒng)所用的儲能裝置充放電控制器一般為一臺儲能裝置為2臺逆變單元提供能量，如果單臺故障將導(dǎo)致兩臺牽引逆變單元無法通過儲能裝置進(jìn)行能量的釋放和吸收，導(dǎo)致系統(tǒng)的冗余性較差。目前為車載儲能裝置進(jìn)行充放電的DCDC控制器與牽引逆變器是獨(dú)立的兩個(gè)不同的設(shè)備，因此DCDC控制器也需要一套單獨(dú)的預(yù)充電單元、線路濾波器和控制器，同時(shí)也需要單獨(dú)的功率模塊和散熱系統(tǒng)。系統(tǒng)相對復(fù)雜，設(shè)備的綜合成本較高。另一方面，車載儲能裝置DCDC控制器需要單獨(dú)的控制器進(jìn)行充放電控制，若要實(shí)現(xiàn)牽引和制動工況下與牽引逆變器能量管理進(jìn)行優(yōu)化，則需要與牽引逆變器進(jìn)行大量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互，需要額外增加DCDC控制器與牽引控制器之間的通信線纜，控制的實(shí)時(shí)性和可靠性相對較低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于提供一種集成儲能裝置充放電控制的軌道車輛牽引逆變系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)列車牽引和制動工況下能量高效的管理。本發(fā)明的技術(shù)方案是：集成儲能裝置充放電控制的軌道車輛牽引逆變系統(tǒng)，包括預(yù)充電單元、線路濾波單元、電流電壓檢測單元、兩組牽引逆變單元及牽引控制單元，電流電壓檢測單元采集系統(tǒng)內(nèi)的電流電壓信號，進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換并傳遞到牽引控制單元，預(yù)充電單元為兩組，線路濾波單元為一組；直流線網(wǎng)側(cè)分別經(jīng)兩組預(yù)充電單元連接到一組線路濾波單元的輸入端；每組牽引逆變單元均包括集成為一體的斬波模塊和逆變模塊，斬波模塊包括制動斬波單元和DCDC斬波單元，制動斬波單元分別與線路濾波單元的輸出端、制動電阻相連和DCDC斬波單元相連；DCDC斬波單元分別與儲能裝置和逆變單元相連；兩組逆變單元分別與兩側(cè)不同的牽引電機(jī)相連；DCDC斬波單元包括DCDC雙向變流橋臂，能量可在儲能單元、DCDC斬波單元和逆變單元之間雙向流動；牽引控制單元控制制動斬波單元、DCDC斬波單元和逆變單元的工作。優(yōu)選的是：牽引逆變單元包括并聯(lián)的五個(gè)橋臂，分別為一個(gè)制動斬波橋臂，一個(gè)DCDC斬波橋臂和三個(gè)逆變橋臂，每個(gè)橋臂的結(jié)構(gòu)相同，均包括串聯(lián)連接的上橋臂和下橋臂，上橋臂和下橋臂均包括同向并聯(lián)連接的IGBT和二極管，IGBT的集電極與二極管的陰極相連，IGBT的發(fā)射極與二極管的陽極相連；五個(gè)橋臂中，每個(gè)上橋臂的輸出端，均經(jīng)制動電阻與儲能裝置的第一端相接，每個(gè)下橋臂的輸入端均與儲能裝置的第一端相連；制動斬波橋臂下橋臂的輸出端與儲能裝置的第一端相連；DCDC斬波橋臂下橋臂的輸出端經(jīng)電感與儲能裝置的第二端相連；三個(gè)逆變橋臂中，每個(gè)下橋臂的輸出端均接牽引電機(jī)。更進(jìn)一步的：儲能裝置包括多個(gè)串聯(lián)連接的電容模塊。列車儲能裝置充放電控制的方法，包括架空線運(yùn)行控制和非架空線運(yùn)行控制；架空線運(yùn)行控制方法如下：檢測儲能裝置的電壓及列車運(yùn)行速度；為儲能裝置設(shè)定充電極限和放電極限，充電極限分為主動充電極限UCMAXACT和被動充電極限UCMAXPASS，分別對應(yīng)主動充電速度極限VMAXACT和被動充電速度極限VMAXPASS，且UCMAXACT＞UCMAXPAS，VMAXACT＞VMAXPASS；放電極限分為主動放電極限UCMINACT和被動放電極限UCMINPASS，分別對應(yīng)主動放電速度極限VMINACT和被動放電速度極限VMINACT，且UCINXACT＜UCINPASS，VMINACT＜VMINPASS；當(dāng)儲能裝置的電壓U≥UCMAXACT，則強(qiáng)制對儲能裝置放電；當(dāng)儲能裝置的電壓U≥UCMAPASS，則停止對儲能裝置充電；當(dāng)列車運(yùn)行速度V＞VMAXPASS，VMAXPASS線性下降；當(dāng)列車運(yùn)行速度V＞VMAXACT，VMAXACT線性下降；當(dāng)儲能裝置的電壓U≤UCINPASS，則強(qiáng)制禁止儲能裝置放電；當(dāng)儲能裝置的電壓U≤UCINXACT，則強(qiáng)制對儲能裝置充電；當(dāng)列車運(yùn)行速度V＜VMINPASS，VMINPASS線性提高；當(dāng)列車運(yùn)行速度V＜VMINACT，VMINACT線性提高。本發(fā)明的有益效果是：(1)該裝置的牽引逆變單元為集成一體化結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了DCDC斬波單元的集成，簡化硬件電路并降低成本，控制單元可實(shí)現(xiàn)對整個(gè)逆變器的集中控制，不需要為每個(gè)功能模塊設(shè)計(jì)單獨(dú)的控制器，實(shí)現(xiàn)牽引電機(jī)、制動電阻和儲能裝置集中控制，提高了控制實(shí)時(shí)性和可靠性。(2)列車在有網(wǎng)區(qū)間運(yùn)行時(shí)，直流電由接觸網(wǎng)獲得并經(jīng)由逆變模塊變換成頻率、電壓均可調(diào)的三相交流電，向異步牽引電動機(jī)供電。無網(wǎng)區(qū)間運(yùn)行時(shí)，儲能裝置電壓經(jīng)變換電路作用使支撐電容電壓在一定范圍之間變化，牽引逆變單元主電路能正常工作，儲能裝置提供所需能量并方便地實(shí)現(xiàn)牽引-制動的轉(zhuǎn)換。列車再生制動時(shí)，再生制動能量優(yōu)先回饋至儲能裝置中進(jìn)行存儲。列車處于牽引模式時(shí)，儲能裝置中存儲的能量可為列車提供牽引動力。控制系統(tǒng)對儲能裝置進(jìn)行能量管理，對儲能裝置的充放電電壓及電流進(jìn)行限制，合理高效的利用整車在制動過程中的再生制動能量，大大提高了能量的利用率。附圖說明圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為充電曲線原理圖。圖4為放電曲線原理圖。其中：Q1-制動斬波橋臂，Q2-DCDC斬波橋臂，Q3-逆變橋臂U，Q4-逆變橋臂V，Q5-逆變橋臂W，Rz-制動電阻具體實(shí)施方式以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行進(jìn)一步的描述。如圖1所示，集成儲能裝置充放電控制的軌道車輛牽引逆變系統(tǒng)，包括預(yù)充電單元、線路濾波單元、電流電壓檢測單元、兩組牽引逆變單元及控制單元。預(yù)充電單元為兩組，線路濾波單元為一組；直流線網(wǎng)側(cè)分別經(jīng)兩組預(yù)充電單元連接到一組線路濾波單元的輸入端；每組牽引逆變單元均包括集成為一體的斬波模塊和逆變模塊，所述斬波模塊包括制動斬波單元和DCDC斬波單元，制動斬波單元分別與線路濾波單元的輸出端、制動電阻相連和DCDC斬波單元相連；DCDC斬波單元分別與儲能裝置和逆變單元相連；兩組逆變單元分別與兩側(cè)不同的牽引電機(jī)相連。線路濾波單元由直流濾波電感和直流支撐電容構(gòu)成，用于限制直流線網(wǎng)側(cè)的電壓波動，并減少高次諧波對電網(wǎng)和信號的影響。同時(shí)，當(dāng)逆變單元出現(xiàn)故障時(shí)，直流濾波電感限制直流電流的上升斜率，避免逆變器短路時(shí)對電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊。本發(fā)明具體的結(jié)構(gòu)如圖2所示。牽引逆變單元包括并聯(lián)的五個(gè)橋臂，分別為一個(gè)制動斬波橋臂Q1，一個(gè)DCDC斬波橋臂Q2和三個(gè)逆變橋臂，三個(gè)逆變橋臂分別為逆變橋臂UQ3，逆變橋臂VQ4和逆變橋臂WQ5，每個(gè)橋臂的結(jié)構(gòu)相同，均包括串聯(lián)連接的上橋臂和下橋臂，上橋臂和下橋臂均包括同向并聯(lián)連接的IGBT和二極管，IGBT的集電極與二極管的陰極相連，IGBT的發(fā)射極與二極管的陽極相連；儲能裝置由四個(gè)儲能裝置串聯(lián)連接而成，儲能裝置連接有一儲能裝置控制箱，儲能裝置控制箱內(nèi)集成了電感、熔斷器等部件。以一個(gè)牽引逆變單元為例，五個(gè)橋臂中，每個(gè)上橋臂的輸出端A1、A2、A3、A4、A5，均經(jīng)制動電阻Rz與儲能裝置的第一端相接，每個(gè)下橋臂的輸入端B1，B2，B3，B4，B5均與儲能裝置的第一端相連；制動斬波橋臂下橋臂的輸出端C1對應(yīng)為下橋臂和上橋臂的連接端，與儲能裝置的第一端相連。DCDC斬波橋臂下橋臂的輸出端C2經(jīng)儲能裝置控制箱與儲能裝置的第二端相連。其上橋臂和下橋臂構(gòu)成雙向變流橋臂，使列車制動和牽引工況下，能量可在儲能單元、DCDC斬波單元和逆變單元之間雙向流動。逆變橋臂UQ3，逆變橋臂VQ4和逆變橋臂WQ5，每個(gè)下橋臂的輸出端C3，C4，C5均接牽引電機(jī)，制動斬波橋臂Q1、DCDC斬波橋臂Q2和三個(gè)逆變橋臂，結(jié)合儲能裝置控制箱內(nèi)的一路電感和四個(gè)儲能裝置共同配合驅(qū)動一臺交流牽引電機(jī)工作。工作時(shí)，電流電壓檢測單元采集系統(tǒng)內(nèi)輸入輸出的電流電壓信號，將高壓大電流信號轉(zhuǎn)換成控制器可采集的電壓電流信號，并傳遞到控制單元?？刂茊卧糜诳刂浦苿訑夭虮跶1、DCDC斬波橋臂Q2和三個(gè)逆變橋臂的工作。當(dāng)列車有架空線運(yùn)行時(shí)，通過對儲能裝置的電壓及列車運(yùn)行速度的極限值實(shí)現(xiàn)對儲能裝置能量的控制。限制儲能裝置的運(yùn)行電流和電壓極限，限制儲能裝置的戶能極限以及可以提供的牽引功率，從而使加速情況下，儲能裝置僅可以提供一部分牽引功率，其余的能量必須從線路上獲得，而在制動情況下，一部分能量反饋到儲能裝置中，而多余的能量消耗在制動電阻上。列車處于制動工況時(shí)，控制DCDC斬波單元降壓，將牽引逆變單元回饋的制動能量反充給儲能裝置。此時(shí)，控制DCDC斬波橋臂Q2的上橋臂半導(dǎo)體開關(guān)器件IGBT導(dǎo)通下橋臂半導(dǎo)體開關(guān)器件IGBT關(guān)斷，與下橋臂半導(dǎo)體開關(guān)器件IGBT反并聯(lián)的二極管進(jìn)行續(xù)流，直流網(wǎng)壓側(cè)能量經(jīng)電抗器流向儲能裝置，對儲能裝置進(jìn)行充電，能量回饋過程中，優(yōu)先將能量回饋到儲能裝置儲存起來，若能量達(dá)到儲能裝置的儲能上限，當(dāng)儲能裝置無法吸收全部的制動功率時(shí)，制動斬波橋臂Q1被激活，多余的能量將經(jīng)制動斬波單元傳遞到制動電阻Rz，以熱能的形式消耗，此時(shí)可以等效為降壓工作電路。列車處于牽引工況時(shí)，控制DCDC斬波橋臂Q2升壓，將儲能裝置中的電能提供給牽引逆變單元?？刂粕蠘虮郯雽?dǎo)體開關(guān)器件IGBT關(guān)斷下橋臂半導(dǎo)體開關(guān)器件IGBT導(dǎo)通，與上橋臂半導(dǎo)體開關(guān)器件IGBT反并聯(lián)的二極管進(jìn)行續(xù)流，能量從儲能裝置側(cè)經(jīng)FL流向直流網(wǎng)壓側(cè)。此時(shí)可以等效為升壓工作電路。儲能裝置的最大電壓極限稱為充電極限。充電極限分為被動充電極限UCMAXPASS和主動充電極限UCMAXACT，分別對應(yīng)主動充電速度極限VMAXACT和被動充電速度極限VMAXPASS，且UCMAXACT＞UCMAXPAS，VMAXACT＞VMAXPASS當(dāng)儲能裝置的電壓U≥UCMAXACT，則強(qiáng)制對儲能裝置放電，使儲能裝置電壓降到主動充電極限，因此不允許儲能裝置電壓超過主動充電極限，但瞬態(tài)過程除外。當(dāng)儲能裝置的電壓U≥UCMAPASS，則停止對儲能裝置充電，只允許放電。當(dāng)列車啟動并加速的過程中，動能逐漸變大，列車動能一部分來自于線網(wǎng)，同時(shí)需要對儲能裝置放電，以便在下次制動過程中，儲能裝置仍然有能力吸收智能能。例如，列車速度V＜VMAXPASS時(shí)，其需要的動能來自于電網(wǎng)，而當(dāng)V＞VMAXPASS時(shí)，需要儲能裝置強(qiáng)制放電，因此當(dāng)列車運(yùn)行速度V＞VMAXPASS，VMAXPASS線性下降，當(dāng)列車運(yùn)行速度V＞VMAXACT，VMAXACT線性下降。儲能裝置的最小電壓極限稱為放電極限。根據(jù)動作的不同，放電極限分為被動放電極限UCMINPASS和主動放電極限UCMINACT，分別對應(yīng)主動放電速度極限VMINACT和被動放電速度極限VMINACT，且UCINXACT＜UCINPASS，VMINACT＜VMINPASS。當(dāng)儲能裝置的電壓U≤UCINPASS，則強(qiáng)制禁止儲能裝置放電。當(dāng)儲能裝置的電壓U≤UCINXACT，則強(qiáng)制對儲能裝置充電，因此不允許儲能裝置的電壓小于主動放電極限。當(dāng)列車減速運(yùn)行過程中，制動能量一部分反饋到儲能裝置儲存，一部分消耗在制動電阻上。而為了為列車下次啟動或無網(wǎng)運(yùn)行時(shí)儲備足夠的能量，當(dāng)V＜VMINPASS，強(qiáng)制對儲能裝置儲能，因此當(dāng)列車運(yùn)行速度V＜VMINPASS，VMINPASS線性提高，當(dāng)列車運(yùn)行速度V＜VMINACT，VMINACT線性提高。當(dāng)列車處于無架空線運(yùn)行時(shí)，需要有效利用儲能模塊的能量。保證進(jìn)入無架空線區(qū)域前，儲能裝置充滿電，設(shè)定儲能模塊的極限低壓，保證儲能模塊的電壓不低于極限低壓，因此可以保證存儲的能量保證常規(guī)的無架空線運(yùn)行。當(dāng)儲能裝置無法吸收全部的制動功率時(shí)，制動斬波橋臂Q1被激活，多余的能量消耗在制動電阻Rz上。綜上，該牽引逆變器在有網(wǎng)區(qū)通過受電弓從接觸網(wǎng)供電，實(shí)現(xiàn)整車的牽引、制動運(yùn)行。在無網(wǎng)區(qū)運(yùn)行時(shí)，通過DCDC斬波單元的變換作用，由儲能裝置提供能量實(shí)現(xiàn)整車的供電運(yùn)行。整車在制動過程中，能量優(yōu)先回饋到儲能裝置中存儲，當(dāng)列車處于牽引工況時(shí)，儲能裝置中存儲的能量釋放出來供列車使用。