CN102170169A - 一种车载辅助逆变电源供电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种车载辅助逆变电源供电系统，包括一组以上的逆变电源和交流负载，逆变电源将输入直流电压转换为三相交流电压输出供给交流负载，还进一步包括保护开关一和保护开关二，保护开关一连接在逆变电源和交流负载之间，保护开关二连接在保护开关一和三相交流母线之间，当保护开关一闭合，保护开关二断开时，交流负载由本车的逆变电源供电；当保护开关一断开，保护开关二闭合时，交流负载由三相交流母线供电；当保护开关一和保护开关二均闭合时，全列车的逆变电源对交流负载进行并联供电。本发明能够实现各逆变电源独立运行，在不能并联供电时，逆变电源可继续为本车负载供电，可避免部分逆变电源或交流母线故障导致并联供电系统整体瘫痪。

Description

一种车载辅助逆变电源供电系统

技术领域

本发明涉及一种机车车辆交流负载供电系统，尤其是涉及一种应用于机车车辆和城市轨道交通车辆的车载辅助逆变电源供电系统，广泛应用于包括电力机车、动车组、客车及地铁在内的机车车辆和城市轨道交通车辆领域。

背景技术

随着电力电子技术的发展，辅助逆变电源在电力机车、动车组、客车及地铁等领域的应用越来越广泛。辅助逆变电源在机车车辆中主要为交流负载供电，其可靠性必须得到有效保证。目前，对于车辆中辅助逆变电源故障导向处理，主要采取全冗余配置电源或部分冗余配置电源方式。每路电源的输出是独立的，正常时，各路电源分别供给各自的负载；当一路电源故障时，此电源所负责的全部负载或部分重要负载将通过故障转换电路转由其它工作正常的电源负责供给。这种依赖增大单台逆变电源的容量和故障切换方法，在一定的程度上提高了系统的冗余性，但也存在单台电源容量增大带来的成本提高和切换电路逻辑复杂的局限性。另外，在故障切换处理过程中，故障电源所带负载会出现短时间断电现象。如图1现有技术1所示的辅助逆变电源供电系统，在当某台逆变电源故障时，正常逆变电源不仅要为本车交流负载供电，同时也要为了故障逆变电源车辆的交流负载供电，这样必须加大逆变电源的容量才能满足要求。逆变电源容量的增大势必增加成本，甚至增加车辆总重量。

为了缓解这种矛盾，提高辅助逆变电源的可扩展性和冗余性，逆变电源可采用并联供电方式。逆变电源的并联运行控制方式一般分为集中控制、主从控制和无联信号线独立控制方案。现有的集中控制方式需要检测总的负载电流，并通过较高带宽的信号线把负载电流的的信息传递给所有的逆变电源，这严重影响了系统的扩容；系统中存在相互连接的信号线，使得系统的可靠性降低；系统不是冗余的，要在电流分配单元的控制下才能实现并联运行，一旦电流分配单元损坏，系统将崩溃。采用主从并联控制方式，主逆变电源的存在使得它不是一个冗余系统，一旦主逆变电源出现故障，整个系统将会瘫痪；另外，主从逆变电源之间存在电流指令信号线，不宜长距离铺设，抗干扰能力差。

如图2所示的现有技术2为一篇德国西门子公司于2005年05月13日申请，并于2007年05月30日公开，公开号为CN1973425A的中国发明专利申请文献，电气机车上并联的脉冲宽度调制整流器的独立同步涉及一种电气机车上的三相脉冲宽度调制整流器的电路,该电路从DC输入电压中产生三相输出电压用于3AC负载的供电,该电路并联多个脉冲宽度调制整流器,其中,通过以硬件或者软件方式实现的调节或控制结构来实施脉冲宽度调制整流器与所述输出电压和对负载的按比例供电的独立同步。该供电系统负载直接连接于交流母线上，当交流母线出现接地、短路或其它故障时，因母线故障无法切除，可能导致整个逆变电源并联供电系统瘫痪。

发明内容

本发明的目的是提供一种车载辅助逆变电源供电系统，该系统能够实现各逆变电源独立运行，在逆变电源系统不能并联供电的情况下，逆变电源可继续为本车辆负载供电，可避免因部分逆变电源故障或交流母线故障而导致并联供电系统整体故障。

本发明具体提供了一种车载辅助逆变电源供电系统的具体实施方式，一种车载辅助逆变电源供电系统，包括一组以上的逆变电源和交流负载，逆变电源将输入直流电压转换为三相交流电压输出供给三相交流负载，车载辅助逆变电源供电系统进一步包括保护开关一和保护开关二，保护开关一连接在逆变电源和交流负载之间，保护开关二连接在保护开关一和三相交流母线之间，当保护开关一闭合，保护开关二断开时，交流负载由本车的逆变电源供电；当保护开关一断开，保护开关二闭合时，交流负载由三相交流母线供电；当保护开关一和保护开关二均闭合时，全列车的逆变电源对交流负载进行并联供电。

作为本发明一种车载辅助逆变电源供电系统进一步的实施方式，车载辅助逆变电源供电系统包括车载网络模块，所述每组的逆变电源均包括逆变电源控制模块，逆变电源控制模块具有通信装置，每组逆变电源的逆变电源控制模块均与车载网络模块相连，从而通过车载网络进行信息交换，所述车载网络模块控制各组逆变电源的起动和负载投切。

作为本发明一种车载辅助逆变电源供电系统进一步的实施方式，当逆变电源满足工作条件时，车载网络模块指定一台逆变电源先起动，该逆变电源出现故障时，指定另一台逆变电源起动，依次类推，先起动的逆变电源输出电压并在三相交流母线建立交流电网，各逆变电源检测到三相交流母线电压后，通过三相软件锁相控制模块，自动实现各组逆变电源与三相交流母线的同步输出。

作为本发明一种车载辅助逆变电源供电系统进一步的实施方式，逆变电源的台数为N+X台，N为能够满足交流负载用总电量的逆变电源台数，X为冗余备份逆变电源的台数，在逆变电源起动并联运行后，车载网络模块投入相应容量的交流负载；在部分逆变电源出现故障时，车载网络模块切除部分负载，重新对各车辆的交流负载进行配置。

作为本发明一种车载辅助逆变电源供电系统进一步的实施方式，当车载辅助逆变电源供电系统进入并联工作模式时，全列车的逆变电源对交流负载进行并联供电，逆变电源控制模块进行并联控制，通过并联控制使多个逆变电源并联工作时在任何交流负载条件下和工作过程中，保证并联系统中的各个逆变电源均分负载，即各逆变电源的输出电流尽可能相同。

作为本发明一种车载辅助逆变电源供电系统进一步的实施方式，逆变电源控制模块通过对逆变电源输出电压频率和幅值下垂进行控制来实现交流负载有功功率以及无功功率的均分，从而实现交流负载电流的均分。

通过实施本发明一种车载辅助逆变电源供电系统具体实施方式所描述的技术方案，采用无互连信号线并联控制技术，各控制系统同步控制独立，抗干扰性强，系统稳定性好。辅助逆变电源输出并联运行，可集中各逆变电源的多余容量，为故障电源的带负载供电，降低总体装车逆变电源容量。可解决因交流并联母线故障带来的辅助逆变电源系统整体故障。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有技术1所描述的车载辅助逆变电源供电系统的结构原理示意图；

图2是现有技术2所描述的车载辅助逆变电源供电系统的结构原理示意图；

图3是本发明车载辅助逆变电源供电系统一种具体实施方式处于并联工作模式时的结构原理示意图；

图4是本发明车载辅助逆变电源供电系统一种具体实施方式处于独立工作模式时的结构原理示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

作为本发明一种车载辅助逆变电源供电系统的具体实施方式，如图3和图4所示，辅助逆变电源供电系统包括若干台逆变电源、车载网络，以及并联三相交流母线。图3和图4所描述的具体实施方式示出了三台逆变电源对三台交流负载进行供电的技术方案。其中，三台逆变电源分别是逆变电源101，102和103，三台交流负载分别是交流负载301，302和303。车载网络包括车载网络模块200和相应的通信线路。其中，图中的标号3代表接触器。逆变电源是将输入直流电压转换为三相交流电压输出的装置。各逆变电源容量和主电路拓扑结构相同。其中，每台逆变电源均包括逆变电源控制模块，各控制模块相互独立。逆变电源控制模块具有通信装置，每组逆变电源的逆变电源控制模块均与车载网络模块相连，从而通过车载网络进行信息交换，车载网络模块控制各组逆变电源的起动和负载投切。逆变电源具有通信功能，车载网络由通信口对辅助供电系统进行协调管理，控制逆变电源的起动时序及工作方式。逆变电源的台数可设置为N+X台，N为能够满足交流负载用总电量的逆变电源台数，X为冗余备份逆变电源的台数，在逆变电源起动并联运行后，车载网络模块投入相应容量的交流负载；在部分逆变电源出现故障时，车载网络模块切除部分负载，重新对各车辆的交流负载进行配置。多台逆变电源并联输出向负载供电，可以带来很多好处，如提高系统的可靠性。具体而言，当N台逆变电源的容量之和可以满足负载用电量时，实际使用N+1台逆变电源并联工作，那么其中一台逆变电源发生故障、被切除过程中和切除后，其余的N台仍能保证向负载不间断地可靠供电。

为了实现多台逆变电源并联工作，逆变电源控制模块除了逆变控制功能之外，还必须具有并联控制功能。并联控制的目的是使多个逆变电源并联工作时在任何负载条件下和工作过程中保证并联系统中的各个逆变电源均分负载，即各逆变电源的输出电流尽可能相同。各逆变电源均流控制由各逆变电源内部的逆变电源控制模块实现，无需外部网络的干预。

各逆变电源控制模块具有通信功能，与车载网络系统进行信息交换。车载网络控制各逆变电源的起动和负载投切，不参与逆变电源的并联控制及各逆变电源之间的数据交换。当辅助逆变电源满足工作条件时，车载网络可指定一台逆变电源先起动（该电源故障时，可指定另一台，依次类推），先起动的电源输出电压并在母线建立三相交流电网，各逆变电源的同步控制信号经过采样检测到三相交流母线电压后，利用三相软件锁相控制，自动实现各逆变电源与交流母线的同步输出。各逆变电源的控制模块独立，各电源之间不需互联的控制信号线，通过输出电压的频率、幅值下垂控制来实现负载有功功率及无功功率的均分，从而实现负载电流的均分。待逆变电源起动并联运行后，车载网络投入相应容量的负载；在部分逆变电源故障的情况下，网络可切除部分负载，重新对各车辆负载进行配置。本发明具体实施方式所描述的技术方案通过采用无互连信号线并联控制技术，各控制系统同步控制独立，抗干扰性强，系统稳定性好。

在具体实施方式当中，逆变电源的工作模式有两种，独立工作模式和并联工作模式。逆变电源工作方式可由人工或车载网络控制保护开关一和保护开关二的通断进行选择，逆变电源既可输出独立运行，又可输出并联运行。辅助逆变电源输出并联运行，可集中各逆变电源的多余容量，为故障电源的带负载供电，降低总体装车逆变电源容量。图中，辅助逆变电源供电系统共包括三组保护开关一和保护开关二，逆变电源输出通过保护开关一接交流负载，再经过保护开关二后连接于交流母线。

其中，对应于逆变电源101和交流负载301的是保护开关一S11和保护开关二S21；对应于逆变电源102和交流负载302的是保护开关一S12和保护开关二S22；对应于逆变电源103和交流负载303的是保护开关一S13和保护开关二S23。

保护开关一连接在逆变电源和交流负载之间，保护开关二连接在保护开关一和三相交流母线之间，当保护开关一闭合，保护开关二断开时，交流负载由本车的逆变电源供电；当保护开关一断开，保护开关二闭合时，交流负载由三相交流母线供电；当保护开关一和保护开关二均闭合时，全列车的逆变电源对交流负载进行并联供电。逆变电源输出经保护开关一后，直接为本车的交流负载供电；同时，逆变电源输出经保护开关二后，并联于三相交流母线，可通过交流母线为其它逆变电源故障车辆的交流负载供电。因为保护开关二的设置，可解决因交流并联母线故障带来的辅助逆变电源系统整体故障。

采用本方案的辅助逆变电源供电系统具有以下优点：

（1）逆变电源结构相同，互换性好；

（2）逆变电源起动命令由车载网络控制，避免了无主从逆变电源并联的起动竞争问题；同时，车辆网络对负载的投切进行有效管理，可减小负载突投对辅助逆变电源供电系统的冲击；

（3）各逆变电源输出并联于交流母线，相当于构成一个大容量的逆变电源，辅助逆变电源供电系统的抗负载突投冲击能力得到提高；

（4）能减小辅助逆变电源系统的总体装车容量，以图1和图3系统为例，总体装车容量由240kVA下降为180kVA；

（5）可取消各并联逆变电源之间的信息交换连线，避免信息交换线的干扰；

（6）可以构成N+X冗余辅助逆变电源供电系统；

（7）并联控制无需网络交换信息，系统控制实时性好，动态均流性能好；

（8）通过方式选择，保护开关1闭合，保护开关2断开，逆变电源单台独立输出；保护开关1、2均闭合，可实现各逆变电源输出并联运行；

（9）保护开关2的断开，逆变电源可实现独立运行，可防止因部分逆变电源故障无法并联运行或交流母线故障而导致系统的瘫痪。

本发明具体实施方式所描述的车载辅助逆变电源供电系统不但能应用于机车车辆车载辅助逆变电源供电，还能应用于地铁、城轨、轻轨和磁悬浮列车等城市轨道交通列车系统以及其他类似的电力系统。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (6)

1.一种车载辅助逆变电源供电系统，包括一组以上的逆变电源和交流负载，逆变电源将输入直流电压转换为三相交流电压输出供给三相交流负载，其特征在于：进一步包括保护开关一和保护开关二，保护开关一连接在逆变电源和交流负载之间，保护开关二连接在保护开关一和三相交流母线之间，当保护开关一闭合，保护开关二断开时，交流负载由本车的逆变电源供电；当保护开关一断开，保护开关二闭合时，交流负载由三相交流母线供电；当保护开关一和保护开关二均闭合时，全列车的逆变电源对交流负载进行并联供电。

2.根据权利要求1所述的一种车载辅助逆变电源供电系统，其特征在于：所述车载辅助逆变电源供电系统包括车载网络模块，所述每组的逆变电源均包括逆变电源控制模块，逆变电源控制模块具有通信装置，每组逆变电源的逆变电源控制模块均与车载网络模块相连，从而通过车载网络进行信息交换，所述车载网络模块控制各组逆变电源的起动和负载投切。

3.根据权利要求2所述的一种车载辅助逆变电源供电系统，其特征在于：当逆变电源满足工作条件时，车载网络模块指定一台逆变电源先起动，该逆变电源出现故障时，指定另一台逆变电源起动，依次类推，先起动的逆变电源输出电压并在三相交流母线建立交流电网，各逆变电源检测到三相交流母线电压后，通过三相软件锁相控制模块，自动实现各组逆变电源与三相交流母线的同步输出。

4.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的一种车载辅助逆变电源供电系统，其特征在于：所述逆变电源的台数为N+X台，N为能够满足交流负载用总电量的逆变电源台数，X为冗余备份逆变电源的台数，在逆变电源起动并联运行后，车载网络模块投入相应容量的交流负载；在部分逆变电源出现故障时，车载网络模块切除部分负载，重新对各车辆的交流负载进行配置。

5.根据权利要求4所述的一种车载辅助逆变电源供电系统，其特征在于：当车载辅助逆变电源供电系统进入并联工作模式时，全列车的逆变电源对交流负载进行并联供电，所述逆变电源控制模块进行并联控制，通过并联控制使多个逆变电源并联工作时在任何交流负载条件下和工作过程中，保证并联系统中的各个逆变电源均分负载，即各逆变电源的输出电流尽可能相同。

6.根据权利要求5所述的一种车载辅助逆变电源供电系统，其特征在于：所述逆变电源控制模块通过对逆变电源输出电压频率和幅值下垂进行控制来实现交流负载有功功率以及无功功率的均分，从而实现交流负载电流的均分。

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