集成儲能裝置充放電控制的軌道車輛牽引逆變系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】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，進行信號轉(zhuǎn)換并傳遞到牽引控制單元，直流線網(wǎng)側(cè)分別經(jīng)兩組預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。該裝置的牽引逆變單元為集成一體化結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了DCDC斬波單元的集成，簡化硬件電路并降低成本。
【專利說明】
集成儲能裝置充放電控制的軌道車輛牽引逆變系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實用新型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)。
【背景技術(shù)】
[0002]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，如果單臺故障將導致兩臺牽引逆變單元無法通過儲能裝置進行能量的釋放和吸收，導致系統(tǒng)的冗余性較差。
[0003]目前為車載儲能裝置進行充放電的DCDC控制器與牽引逆變器是獨立的兩個不同的設(shè)備，因此DCDC控制器也需要一套單獨的預充電單元、線路濾波器和控制器，同時也需要單獨的功率模塊和散熱系統(tǒng)。系統(tǒng)相對復雜，設(shè)備的綜合成本較高。
[0004]另一方面，車載儲能裝置DCDC控制器需要單獨的控制器進行充放電控制，若要實現(xiàn)牽引和制動工況下與牽引逆變器能量管理進行優(yōu)化，則需要與牽引逆變器進行大量的實時數(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，控制的實時性和可靠性相對較低。
【實用新型內(nèi)容】
[0005]本實用新型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)，可實現(xiàn)列車牽引和制動工況下能量高效的管理。
[0006]本實用新型的技術(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，進行信號轉(zhuǎn)換并傳遞到牽引控制單元，預充電單元為兩組，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)不同的牽引電機相連；
[0007]DCDC斬波單元包括DCDC雙向變流橋臂，能量可在儲能單元、D⑶C斬波單元和逆變單元之間雙向流動；
[0008]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。
[0009]優(yōu)選的是:牽引逆變單元包括并聯(lián)的五個橋臂，分別為一個制動斬波橋臂，一個DCDC斬波橋臂和三個逆變橋臂，每個橋臂的結(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；
[0010]五個橋臂中，每個上橋臂的輸出端，均經(jīng)制動電阻與儲能裝置的第一端相接，每個下橋臂的輸入端均與儲能裝置的第一端相連；
[0011]制動斬波橋臂下橋臂的輸出端與儲能裝置的第一端相連；
[0012]D⑶C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；
[0013]三個逆變橋臂中，每個下橋臂的輸出端均接牽引電機。
[0014]更進一步的:儲能裝置包括多個串聯(lián)連接的電容模塊。
[0015]本實用新型的有益效果是:
[0016](I)該裝置的牽引逆變單元為集成一體化結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了 DCDC斬波單元的集成，簡化硬件電路并降低成本，控制單元可實現(xiàn)對整個逆變器的集中控制，不需要為每個功能模塊設(shè)計單獨的控制器，實現(xiàn)牽引電機、制動電阻和儲能裝置集中控制，提高了控制實時性和可靠性。
[0017](2)列車在有網(wǎng)區(qū)間運行時，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，向異步牽引電動機供電。無網(wǎng)區(qū)間運行時，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現(xiàn)牽引-制動的轉(zhuǎn)換。列車再生制動時，再生制動能量優(yōu)先回饋至儲能裝置中進行存儲。列車處于牽引模式時，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)對儲能裝置進行能量管理，對儲能裝置的充放電電壓及電流進行限制，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】
[0018]圖1為本實用新型結(jié)構(gòu)不意圖。
[0019]圖2為本實用新型結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖3為充電曲線原理圖。
[0021]圖4為放電曲線原理圖。
[0022]其中:Q1-制動斬波橋臂，Q2-D⑶C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
【具體實施方式】
[0023]以下結(jié)合附圖對本實用新型的【具體實施方式】進行進一步的描述。
[0024]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。
[0025]預充電單元為兩組，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)不同的牽引電機相連。
[0026]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，當逆變單元出現(xiàn)故障時，直流濾波電感限制直流電流的上升斜率，避免逆變器短路時對電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊。
[0027]本實用新型具體的結(jié)構(gòu)如圖2所示。
[0028]牽引逆變單元包括并聯(lián)的五個橋臂，分別為一個制動斬波橋臂Q1，一個DCDC斬波橋臂Q2和三個逆變橋臂，三個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。
[0029]以一個牽弓丨逆變單元為例，五個橋臂中，每個上橋臂的輸出端Al、A2、A3、A4、A5，均經(jīng)制動電阻Rz與儲能裝置的第一端相接，每個下橋臂的輸入端BI，B2，B3，B4，B5均與儲能裝置的第一端相連；
[0030]制動斬波橋臂下橋臂的輸出端Cl對應為下橋臂和上橋臂的連接端，與儲能裝置的第一端相連。
[0031]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。
[0032]逆變橋臂UQ3，逆變橋臂VQ4和逆變橋臂WQ5，每個下橋臂的輸出端C3，C4，C5均接牽引電機，制動斬波橋臂Q1、DCDC斬波橋臂出和三個逆變橋臂，結(jié)合儲能裝置控制箱內(nèi)的一路電感和四個儲能裝置共同配合驅(qū)動一臺交流牽引電機工作。
[0033]工作時，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。控制單元用于控制制動斬波橋臂Q1、D⑶C斬波橋臂出和三個逆變橋臂的工作。
[0034]當列車有架空線運行時，通過對儲能裝置的電壓及列車運行速度的極限值實現(xiàn)對儲能裝置能量的控制。限制儲能裝置的運行電流和電壓極限，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。
[0035]列車處于制動工況時，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，控制DCDC斬波橋臂出的上橋臂半導體開關(guān)器件IGBT導通下橋臂半導體開關(guān)器件IGBT關(guān)斷，與下橋臂半導體開關(guān)器件IGBT反并聯(lián)的二極管進行續(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，若能量達到儲能裝置的儲能上限，當儲能裝置無法吸收全部的制動功率時，制動斬波橋臂Qi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，此時可以等效為降壓工作電路。列車處于牽引工況時，控制DCDC斬波橋臂出升壓，將儲能裝置中的電能提供給牽引逆變單元?？刂粕蠘虮郯雽w開關(guān)器件IGBT關(guān)斷下橋臂半導體開關(guān)器件IGBT導通，與上橋臂半導體開關(guān)器件IGBT反并聯(lián)的二極管進行續(xù)流，能量從儲能裝置側(cè)經(jīng)FL流向直流網(wǎng)壓側(cè)。此時可以等效為升壓工作電路。
[0036]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，分別對應主動充電速度極限Vmaxact和被動充電速度極限Vmaxpass，且Ucmaxact > Ucmaxpas，Vmaxact > Vmaxpass 0
[0037]當儲能裝置的電壓U^UCMAXACT，則強制對儲能裝置放電，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。
[0038]當儲能裝置的電壓Ucmapass，則停止對儲能裝置充電，只允許放電。
[0039]當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，其需要的動能來自于電網(wǎng)，而當V>Vmaxpass時，需要儲能裝置強制放電，因此當列車運行速度V> Vmaxpass，Vmaxpass線性下降，當列車運行速度V>Vmaxact ,Vmaxact線性下降。
[0040]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，分別對應主動放電速度極限Vminact和被動放電速度極限 Vminact，且 Ucinxact < Ucinpass，Vminact < Vminpass。
[0041 ]當儲能裝置的電壓U < Ucinpass，則強制禁止儲能裝置放電。
[0042]當儲能裝置的電壓Ucinxact，則強制對儲能裝置充電，因此不允許儲能裝置的電壓小于主動放電極限。
[0043]當列車減速運行過程中，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)運行時儲備足夠的能量，當V<VMINPASS，強制對儲能裝置儲能，因此當列車運行速度V<VminpASS，Vminpass線性提高，當列車運行速度￥<￥(?艦0丁，Vminact線性提尚。
[0044]當列車處于無架空線運行時，需要有效利用儲能模塊的能量。保證進入無架空線區(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)的無架空線運行。當儲能裝置無法吸收全部的制動功率時，制動斬波橋臂Q1被激活，多余的能量消耗在制動電阻Rz上。
[0045]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，實現(xiàn)整車的牽引、制動運行。在無網(wǎng)區(qū)運行時，通過DCDC斬波單元的變換作用，由儲能裝置提供能量實現(xiàn)整車的供電運行。整車在制動過程中，能量優(yōu)先回饋到儲能裝置中存儲，當列車處于牽引工況時，儲能裝置中存儲的能量釋放出來供列車使用。
【主權(quán)項】
1.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，進行信號轉(zhuǎn)換并傳遞到牽引控制單元，其特征在于:預充電單元為兩組，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)不同的牽引電機相連； 所述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。2.如權(quán)利要求1所述的集成儲能裝置充放電控制的軌道車輛牽引逆變系統(tǒng)，其特征在于:所述牽引逆變單元包括并聯(lián)的五個橋臂，分別為一個制動斬波橋臂，一個DCDC斬波橋臂和三個逆變橋臂，每個橋臂的結(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； 五個橋臂中，每個上橋臂的輸出端，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； 三個逆變橋臂中，每個下橋臂的輸出端均接牽引電機。3.如權(quán)利要求1或2所述的集成儲能裝置充放電控制的軌道車輛牽引逆變系統(tǒng)，其特征在于:所述儲能裝置包括多個串聯(lián)連接的電容模塊。
【文檔編號】B61C9/38GK205468595SQ201620184950
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年3月11日
【發(fā)明人】夏猛, 張德雨, 郝玉福, 畢京斌, 田以濤, 蓋猛, 朱孟祥
【申請人】中車青島四方車輛研究所有限公司