本實(shí)用新型屬于軌道電力機(jī)車能量領(lǐng)域，特別是涉及一種軌道電力機(jī)車可再生能量吸收與存儲(chǔ)裝置。

背景技術(shù)：

目前，各大城市正在大力發(fā)展軌道交通，地鐵正成為城市中最重要的交通工具，軌道電力機(jī)車直接連接在接觸網(wǎng)上。機(jī)車在運(yùn)行過程中，容易產(chǎn)生過電壓的情況，經(jīng)常出現(xiàn)過電壓會(huì)對(duì)機(jī)車的電力設(shè)備和電力系統(tǒng)造成損壞。因?yàn)楦鱾€(gè)站點(diǎn)之間的距離較短，造成了機(jī)車的頻繁啟停，這帶來的不只是能源消耗，制動(dòng)過程中還會(huì)對(duì)直流母線電壓帶來沖擊，造成連接直流母線電氣設(shè)備的損壞，直接造成了重大的經(jīng)濟(jì)損失。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服上述問題，本發(fā)明提出了一種軌道電力機(jī)車可再生能量吸收與存儲(chǔ)裝置，能夠較好的解決軌道電力機(jī)車頻繁啟停的操作帶來的過電壓的問題，保證了軌道電力機(jī)車設(shè)備和供電系統(tǒng)的安全。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型提出如下技術(shù)方案：

一種軌道電力機(jī)車可再生能量吸收與存儲(chǔ)裝置，所述裝置包括直流電網(wǎng)、吸收直流開關(guān)柜、儲(chǔ)能直流開關(guān)柜、DCDC斬波柜、雙向儲(chǔ)能DCDC、吸收電阻和超級(jí)電容，所述儲(chǔ)能直流開關(guān)柜和吸收直流開關(guān)柜的上口分別通過電纜連接至直流電網(wǎng)，所述DCDC斬波柜和雙向儲(chǔ)能DCDC分別通過電纜連接在吸收直流開關(guān)柜和儲(chǔ)能直流開關(guān)柜的下口，所述吸收電阻和超級(jí)電容分別連接在DCDC斬波柜和雙向儲(chǔ)能DCDC的輸出側(cè)；

所述開關(guān)柜、DCDC斬波柜以及雙向儲(chǔ)能DCDC裝置的控制都由主控制器來完成；

所述主控制器包括I/O開入開出部分、AD模數(shù)轉(zhuǎn)換部分、對(duì)外光纖通信部分和對(duì)外485通信部分；

所述I/O開入開出分別連接至DCDC斬波柜隔離開關(guān)和儲(chǔ)能柜隔離開關(guān)，所述AD轉(zhuǎn)換部分分別采集裝置接入直流電網(wǎng)的電壓電流、DCDC斬波柜的電壓電流以及雙向儲(chǔ)能DCDC的電壓電流，所述光纖接口接至DCDC斬波柜和雙向儲(chǔ)能DCDC，所述對(duì)外485通信接口一個(gè)接至人機(jī)界面，另外一個(gè)作為后備預(yù)留。

進(jìn)一步地，所述吸收電阻部分由第一電阻（R1′）、第二電阻（R2′）與第一刀閘（K1）、第二刀閘（K2）、第三刀閘（K3）組成。閉合第一刀閘（K1），第一電阻（R1′）與第二電阻（R2′）組成串聯(lián)回路；閉合第二刀閘（K2）和第三刀閘（K3），第一電阻（R1′）與第二電阻（R2′）組成并聯(lián)回路；同時(shí)閉合第一刀閘（K1）、第二刀閘（K2）和第三刀閘（K3），只有第二電阻（R2′）接入吸收回路。

進(jìn)一步地，所述雙向儲(chǔ)能DCDC裝置的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括第一母線支撐電容（C1）、第二母線支撐電容（C2）、飛跨電容（C3）、超級(jí)電容模塊（C4）、第一均壓電阻（R1）、第二均壓電阻（R2）、第一IGBT模塊（T1\T2）、第二IGBT模塊（T3\T4）、第一組二極管與電阻（D1\R3）、第二組二極管與電阻（D2\R4）和平波電感（L）；

所述第一組二極管與電阻（D1\R3）包括第一二極管（D1）和第三電阻（R3），第一二極管（D1）和第三電阻（R3）是串聯(lián)；所述第二組二極管與電阻（D2\R4）包括第二二極管（D2）和第四電阻（R4），第二二極管（D2）和第四電阻（R4）之間是串聯(lián)；

所述第一IGBT模塊（T1\T2）包括第一開關(guān)管（T1）和第二開關(guān)管（T2），第一開關(guān)管（T1）和第二開關(guān)管（T2）之間是串聯(lián)；所述第二IGBT模塊（T3\T4）包括第三開關(guān)管（T3）和第四開關(guān)管（T4），第三開關(guān)管（T3）和第四開關(guān)管（T4）之間是串聯(lián)；

所述第一均壓電阻（R1）和第二均壓電阻（R2）分別串聯(lián)在第一母線支撐電容（C1）和第二母線支撐電容（C2）的兩端，所述第一母線支撐電容（C1）和第二母線支撐電容（C2）并聯(lián)；所述第一IGBT模塊（T1\T2）和第二IGBT模塊（T3\T4）是兩個(gè)獨(dú)立的IGBT模塊，分別串聯(lián)接在第一母線支撐電容（C1）和第二母線支撐電容（C2）的兩端；所述飛跨電容（C3）連接在兩個(gè)IGBT模塊的中點(diǎn)之間，飛跨電容（C3）的兩端分別連接第一組二極管與電阻（D1\R3）和第二組二極管與電阻（D2\R4），第一組二極管與電阻（D1\R3）和第二組二極管與電阻（D2\R4）的中點(diǎn)和第一母線支撐電容（C1）和第二母線支撐電容（C2）的中點(diǎn)連接在一起。

進(jìn)一步地，所述DCDC斬波柜和雙向儲(chǔ)能DCDC裝置使用的是同一種電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

本實(shí)用新型的有益效果在于：本實(shí)用新型提供一種軌道電力機(jī)車可再生能量吸收與存儲(chǔ)裝置，將傳統(tǒng)的電阻吸收回路與超級(jí)電容儲(chǔ)能回路結(jié)合起來。當(dāng)設(shè)備通過開關(guān)柜連接直流電網(wǎng)后，在軌道機(jī)車制動(dòng)時(shí)，會(huì)對(duì)直流母線電壓產(chǎn)生沖擊，主控制器檢測(cè)到以后，控制雙向儲(chǔ)能DCDC裝置對(duì)電容進(jìn)行充電，吸收掉過電壓，如果同時(shí)制動(dòng)的機(jī)車過多，造成的電壓沖擊更大，現(xiàn)有的超級(jí)電容吸收裝置不能滿足條件，控制器再控制DCDC斬波柜工作，讓電阻吸收掉剩余的部分，以保證母線電壓的穩(wěn)定和電氣設(shè)備的安全。當(dāng)軌道機(jī)車啟動(dòng)時(shí)，雙向儲(chǔ)能DCDC裝置又將超級(jí)電容儲(chǔ)存的能量釋放到直流電網(wǎng)，以供機(jī)車所需。

這種軌道電力機(jī)車可再生能量吸收與存儲(chǔ)裝置能夠較好的解決軌道電力機(jī)車頻繁啟停的操作帶來的過電壓的問題，既節(jié)約了能源，也保證了軌道電力機(jī)車設(shè)備和供電系統(tǒng)的安全。

附圖說明

圖1是本實(shí)用新型的裝置系統(tǒng)圖。

圖2是本實(shí)用新型的主控制器控制框圖。

圖3是本實(shí)用新型的電阻吸收部分的電路圖。

圖4是本實(shí)用新型的雙向儲(chǔ)能DCDC裝置電路拓?fù)鋱D。

圖5是本實(shí)用新型的雙向儲(chǔ)能DCDC工作在BUCK的占空比D＞0.5或工作在BOOST的占空比D＜0.5的工作狀態(tài)和電流波形。

圖6為本實(shí)用新型的雙向儲(chǔ)能DCDC工作在BUCK的占空比D＜0.5或工作在BOOST的占空比D＞0.5的工作狀態(tài)和電流波形。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，對(duì)本實(shí)用新型的具體實(shí)施方案作詳細(xì)的闡述。

如附圖1中，裝置分為兩部分連接直流電網(wǎng)，左側(cè)為電阻吸收回路，包含吸收電阻和DCDC斬波柜；右側(cè)為能量儲(chǔ)存和釋放回路，包含超級(jí)電容和雙向儲(chǔ)能DCDC裝置。這兩部分分別通過一個(gè)開關(guān)柜連接到直流電網(wǎng)。

當(dāng)設(shè)備通過開關(guān)柜連接直流電網(wǎng)后，在軌道機(jī)車制動(dòng)時(shí)，會(huì)對(duì)直流母線電壓產(chǎn)生沖擊，主控制器檢測(cè)到以后，控制雙向儲(chǔ)能DCDC裝置對(duì)電容進(jìn)行充電，吸收掉過電壓，如果同時(shí)制動(dòng)的機(jī)車過多，造成的電壓沖擊更大，現(xiàn)有的超級(jí)電容吸收裝置不能滿足條件，控制器在控制DCDC斬波柜工作，讓電阻吸收掉剩余的部分，以保證母線電壓的穩(wěn)定和電氣設(shè)備的安全。當(dāng)軌道機(jī)車啟動(dòng)時(shí)，雙向儲(chǔ)能DCDC裝置又將超級(jí)電容儲(chǔ)存的能量釋放到直流電網(wǎng)，以供機(jī)車所需。

所述開關(guān)柜以及DCDC斬波柜和雙向儲(chǔ)能DCDC裝置的控制都有主控制器來完成，主控制器部分如附圖2所示。當(dāng)裝置運(yùn)行后，主控制器控制DCDC斬波柜隔離開關(guān)和儲(chǔ)能柜隔離開關(guān)，將DCDC斬波柜和雙向儲(chǔ)能DCDC分別連接至直流電網(wǎng)；同時(shí)主控制器的AD轉(zhuǎn)換一直采樣直流電網(wǎng)、DCDC斬波柜以及雙向儲(chǔ)能DCDC的電壓和電流，當(dāng)主控制器采集到直流網(wǎng)電壓過高時(shí)，主控制器通過光纖下發(fā)命令控制雙向儲(chǔ)能DCDC對(duì)超級(jí)電容進(jìn)行充電，當(dāng)沖擊電壓過大時(shí)，超級(jí)電容儲(chǔ)能還不能完全吸收掉過電壓，主控制器同時(shí)通過光纖控制DCDC斬波柜，讓電阻吸收過電壓的能量，以維持直流電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，保護(hù)電力設(shè)備的安全。

所述吸收電阻部分的電路圖如附圖3所示，所述吸收電阻部分由第一電阻（R1′）、第二電阻（R2′）與第一刀閘（K1）、第二刀閘（K2）、第三刀閘（K3）組成。閉合第一刀閘（K1），第一電阻（R1′）與第二電阻（R2′）組成串聯(lián)回路；閉合第二刀閘（K2）和第三刀閘（K3），第一電阻（R1′）與第二電阻（R2′）組成并聯(lián)回路；同時(shí)閉合第一刀閘（K1）、第二刀閘（K2）和第三刀閘（K3），只有第二電阻（R2′）接入吸收回路中。這些不同的組合有利于裝置可以適應(yīng)不同的電壓等級(jí)，和連接在直流網(wǎng)上不同的軌道機(jī)車的數(shù)量，不同的阻值組合兼容性更強(qiáng)。

雙向儲(chǔ)能DCDC裝置的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如附圖4所示，是一個(gè)含有飛跨電容的三電平結(jié)構(gòu)，使用飛跨電容替代了傳統(tǒng)三電平的兩個(gè)中點(diǎn)鉗位二極管，不但節(jié)省了兩個(gè)二極管的成本還有了三電平電路的優(yōu)勢(shì)。正常工作時(shí)，第一開關(guān)管（T1）和第二開關(guān)管（T2），第三開關(guān)管（T3）和第四開關(guān)管（T4）交錯(cuò)工作，驅(qū)動(dòng)脈沖相差180°，另外第一開關(guān)管（T1）與第四開關(guān)管（T4）互補(bǔ)，第二開關(guān)管（T2）與第三開關(guān)管（T3）互補(bǔ)。雙向儲(chǔ)能DCDC對(duì)超級(jí)電容進(jìn)行充電和放電時(shí)，由于電流傳輸?shù)姆较虿煌?，可以分為BUCK充電電路和BOOST放電電路。其電路為三電平BUCK 降壓電路時(shí)，工作在充電模式，從直流母線降壓給超級(jí)電容充電，其電路為三電平BOOST 升壓電路，工作在放電模式，超級(jí)電容升壓給母線補(bǔ)充電流。

在上電瞬間，電流通過第一開關(guān)管（T1）、第四開關(guān)管（T4），第一二極管（D1）、第二二極管（D2），第三電阻（R3）、第三電阻（R4）給飛跨電容（C3）充電，充電完成后通過控制第一開關(guān)管（T1）、第四開關(guān)管（T4）的開關(guān)邏輯（此時(shí)T2、T3關(guān)斷）來穩(wěn)定飛跨電容（C3）電壓，使其保持為系統(tǒng)直壓的一半。

根據(jù)開關(guān)管的占空比可以區(qū)分為D＞0.5和D＜0.5兩種模式，當(dāng)雙向儲(chǔ)能DCDC工作充電模式時(shí)，超級(jí)電容（C4）的電壓Vc4/Vdc＞0.5時(shí)，T1和T2的占空比D＞0.5，對(duì)應(yīng)的第三開關(guān)管（T3）和第四開關(guān)管（T4）的占空比D＜0.5，這種模式下雙向儲(chǔ)能DCDC工作在BUCK模式D＞0.5的模式下，此時(shí)雙向儲(chǔ)能DCDC的工作狀態(tài)與其工作在BOOST的占空比D＜0.5時(shí)的工作狀態(tài)一模一樣，只是此時(shí)的輸出電流是相反的，如附圖5中的BUCK電路和BOOST電路的電流。

同理，BUCK的占空比D＜0.5和BOOST的占空比D＞0.5時(shí)，這兩種模式下雙向儲(chǔ)能DCDC的工作狀態(tài)是一樣的，電流反向時(shí)相反的，如附圖6所示。

上述實(shí)例為本實(shí)用新型的實(shí)現(xiàn)方式，需要說明的是，在不背離本實(shí)用新型精神及其實(shí)質(zhì)的情況下，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可據(jù)此作出各種相應(yīng)的改變和變形，但這些改變和變形都應(yīng)屬于本實(shí)用新型所附的權(quán)利要求的保護(hù)范圍。