CN103151806A - 一种牵引供电系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种牵引供电系统及方法，所述系统包括以下：PWM变流模块，用于将交流电网中的交流电转换为直流电，并将转换后的直流电导入直流牵引网；储能模块，用于从直流牵引网中接收直流电并储存，或将储存的电能以直流电的形式导入直流牵引网；所述方法包括以下步骤：PWM变流模块将交流电网中的交流电转换为直流电，并将转换后的直流电导入直流牵引网；储能模块在系统启动之初或直流牵引网中电能过剩时，从直流牵引网中接收直流电并储存；并在直流牵引网中的电流需求大于PWM的额定范围时，将储存的电能以直流电的形式导入直流牵引网。

Description

一种牵引供电系统及方法

技术领域

本发明涉及城轨车辆技术领域，特别涉及一种牵引供电的系统及方法。

背景技术

城市轨道交通简称为城轨，在很多大型城市当中一直起到城市客运输送骨干的作用。城市轨道交通这一名词涵盖范围非常广泛，种类繁多；包括城市铁路、市郊铁路、地下铁道、轻轨交通、城市有轨电车、独轨交通、磁悬浮线路、机场联络铁路、新交通系统等。多数城轨交通以电力作为能源，因此城轨交通有着节能、省地、运量大、全天候、无污染（或少污染）又安全等优点，属绿色环保交通体系，符合可持续发展的原则。而且顾名思义，城轨交通即是车辆与轨道上运行的交通方式，所以基本上不会受到交通拥堵的影响，所以在交通压力繁重的大城市里，其相比汽车运输更加高效快速。而随着各方面技术的进步，城轨交通也在向更安全、更快速的方向不断的完善，尽可能的为市民的出行带来更大的方便。

城轨车辆的能源一般为电力。目前世界上绝大多数以电力为能源的城轨车辆的供电系统，都必须实现将电力网络中的交流电源转换为车辆能够直接利用的直流牵引电源。现阶段往往利用二极管整流技术来实现上述的电能转换。二极管整流器过载能力较强，可靠性高，能适应车辆在启动过程中的大电流取流需求，所以得到了普遍的应用。

但由于二极管能量单向流动的特点，利用二极管实现电能转换存在着如下的缺陷：由于二极管能量的单向流动，所以当列车处于再生制动状态时，大部分能量无法回收，只能被地面或者车载的制动电阻以热能的方式消耗掉。这种能量消耗的方式不仅造成了极大的能源浪费，还会引起站台，地下隧道热量积累，温度上升，为散热系统带来了很大的压力。在某些特殊位置上甚至不得不为了散热的考虑加大隧道通风，造成了进一步的能源消耗。另外，由于制动电阻本身重量较大，也为车辆带来了额外的荷载负担。总之，基于二极管整流技术的电能转换往往伴随着大量能源的浪费，能源利用效率较低。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种牵引供电的系统及方法，通过储能模块来收集制动过程中过剩的电能，并在系统过载时将储存的电能释放，避免了利用制动电阻消耗电能而造成的能源浪费。

为实现上述目的，本发明有以下技术方案：

一种牵引供电系统，所述系统包括以下：

PWM变流模块，用于将交流电网中的交流电转换为直流电，并将转换后的直流电导入直流牵引网；

储能模块，用于从直流牵引网中接收直流电并储存，或将储存的电能以直流电的形式导入直流牵引网。

所述PWM变流模块中包括多个相互并联的变流单元，所述变流单元具体为包括：

第一隔离开关，用于在系统检修时将变流单元隔离；

IGBT变流器，用于将交流电转换为直流电；所述IGBT变流器中包括第一支撑电容；

第一充电回路，用于对IGBT变流器中的第一支撑电容充电；

第一放电回路，用于对IGBT变流器中的第一支撑电容放电；

第一断路器，用于对IGBT变流器进行保护。

所述储能模块包括多个并联的直流转换单元与一个储能装置，具体为：

直流转换单元，用于将直流牵引网中直流电的电压转换至储能装置的额定范围内；并将储能装置中储存的电能转换为符合直流牵引网标准的直流电；

储能装置，用于接收直流电并储存，或将储存的电能导入直流牵引网。

所述直流转换单元具体包括：

第二隔离开关，用于在系统检修时将直流转换单元隔离；

直流-直流转换器，用于将直流牵引网中直流电的电压转换至储能装置的额定范围内，或将储能装置中储存的电能转换为符合直流牵引网标准的直流电；所述直流-直流转换器中包括第二支撑电容；

第二充电回路，用于对直流-直流转换器中的第二支撑电容充电；

第二断路器，用于对直流-直流转换器进行保护。

所述储能装置具体为：超级电容组或飞轮储能装置。

所述系统还包括：

变压器模块，用于将交流电网中交流电的电压调整到所述PWM变流模块的额定范围内；

第三断路器，用于连接变压器模块与交流电网，对变压器模块进行保护。

所述系统还包括：

直流侧电感，连接PWM变流模块与直流牵引网，用于抑制PWM变流模块短路引起的电流上升。

所述系统还包括：

第四隔离开关，用于在系统检修时将PWM变流模块隔离；

第四断路器，用于对PWM变流模块进行保护。

所述系统还包括：

调节模块，用于监测PWM变流模块及储能模块的输出负载情况，并在PWM变流模块或储能模块的输出负载超过正常工作范围时进行输出限制。

一种牵引供电方法，所述方法包括以下步骤：

PWM变流模块将交流电网中的交流电转换为直流电，并将转换后的直流电导入直流牵引网；

储能模块在系统启动之初或直流牵引网中电能过剩时，从直流牵引网中接收直流电并储存；并在直流牵引网中的电流需求大于PWM的额定范围时，将储存的电能以直流电的形式导入直流牵引网。

根据以上技术方案可知，本发明存在的有益效果是：本发明通过PWM变流器的回馈功能以及储能模块存储电能的功能，高效的实现过剩能量的重新利用，避免了电能的以热能的形式消耗，既节约能源又避免了为散热系统提供额外的压力；另外通过在过载时利用储能模块释放能量对直流牵引网进行补偿，避免了增加PWM变流模块的输出负载；通过调节模块实现了功率的分配，避免了PWM变流模块或储能模块因输出负载过大而损坏。

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为本发明实施例所述系统结构示意图；

图2为本发明另一实施例所述系统结构示意图；

图3为本发明实施例所述方法流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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做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。

参见图1所示，为本发明所述牵引供电系统的一个具体实施例。本实施例中所述牵引供电系统用于城轨车辆的供电，并在列车制动等可能出现电能过剩的情况下实现过剩能源的存储。

本发明所述系统具体如下：

PWM变流模块，用于将交流电网中的交流电转换为直流电，并将转换后的直流电导入直流牵引网。

本实施例中，采用PWM变流模块替代现有技术中的二极管整流器来实现将交流电网中的交流电转换成为城轨车辆提供牵引动力的直流电。PWM变流模块将转换后的直流电汇入直流牵引网中。

在城轨车辆制动的过程中，城轨车辆的电动机处于再生制动状态，电能将逆向的从电机流向直流牵引网，从而造成能量的过剩。与二极管中能量单项流通的特点不同，本实施例中，所采用的PWM变流模块存在能量双向流通的特点，所以一部分过剩的能量可以通过PWM变流模块回流到交流电网。

储能模块，用于从直流牵引网中接收电能并储存，或将储存的电能以导入直流牵引网。

单纯的靠PWM变流模块使过剩的能量回流，并不足以从根本上解决能量过剩的问题。所以本实施例中设置了储能模块用来将过程的能量存储，并且在某些特定情况下释放所存储的能量。

本实施例中所述系统的工作原理如下：

在所述牵引供电系统启动之初，PWM变流模块首先启动，将交流电网中的交流电转换为直流电输入到直流牵引网中，使直流牵引网中电压电流值达到稳定。则储能模块从直流牵引网中获取电能充电。

当城轨车辆启动时，特别是分别处于上行和下行线的两台车辆同时启动时，电动机需要从直流牵引网中获取的电流强度大于正常工作电流。若该过程中仅依靠PWM变流模块对直流牵引网供电，则必然造成PWM变流模块的输出过载，或者不得不因此设置一个输出负载能力更强的PWM变流模块。所以单纯的依靠PWM变流模块供电将造成成本的增加及安全性的下降。

在本实施例中，当出现城轨列车启动或其他原因造成的过载时，则储能模块释放其存储的电能对直流牵引网进行补偿，即可保证不额外的增加PWM变流模块的输出负载。所本实施例中PWM变流模块的负载能力只需匹配城轨车辆正常行驶时的电流需求，即可使得所述系统正常的工作。

当城轨车辆处于正常行驶状态时，直流牵引网中电流的需求始终稳定。所以仅靠PWM变流模块向直流牵引网中输出电流，储能模块不再向直流牵引网中释放电能。

当城轨车辆再生制动时，电动机将动能转化为再生制动电能流回直流牵引网，则造成直流牵引网中电能过剩的情况。本实施例中，一部分再生制动电能将通过PWM变流模块回馈到交流电网，另一部分能量将流向储能模块，对储能模块进行充电。

本实施例为所述系统的一个基础实施例，本实施例存在的有益效果是：所述系统通过储能模块存储电能，高效的实现再生能量的重新利用，避免了电能以热能的形式消耗，既节约能源又避免了为散热系统提供额外的压力；另外通过在过载时利用储能模块释放能量对直流牵引网进行补偿，避免了增加PWM变流模块的输出负载。

参见图2所示，为本发明所述牵引供电系统的另一个具体的实施例。本实施例在图1所示实施例的基础之上，增加了若干优化的设计，并对图1所示实施例中各组成部分进行了更加具体的公开。本实施例中所述系统的基本工作原理与图1所示系统一致，在此不再重复叙述。

本实施例中，所述系统具体包括：

PWM变流模块，用于将交流电网中的交流电转换为直流电，并将转换后的直流电导入直流牵引网；

本实施例中，所述PWM变流模块中包括多个相互并联的变流单元，每个变流单元的结构一致，根据并联结构分流的原理，所有的变流单元共同的完成交直流转换。

所述变流单元具体包括：

第一隔离开关，用于在系统检修时将变流单元隔离；

IGBT变流器，用于将交流电转换为直流电；所述IGBT变流器中包括第一支撑电容；

第一充电回路，用于对IGBT变流器中的第一支撑电容充电；

第一放电回路，用于对IGBT变流器中的第一支撑电容放电；

第一断路器，用于对IGBT变流器进行保护。

在一个变流单元中，所述IGBT变流器为变流单元的核心部分，用于实际的完成交直流的转换。其余部分均属于本领域常规部件，用于辅助IGBT变流器工作，提高整个变流单元的安全性和稳定性。

储能模块，用于从直流牵引网中接收直流电并储存，或将储存的电能以直流电的形式导入直流牵引网。

本实施例中，所述储能模块包括多个并联的直流转换单元与一个储能装置。具体的：

直流转换单元，用于将直流牵引网中直流电的电压转换至储能装置的额定范围内；并将储能装置中储存的电能转换为符合直流牵引网中电压标准的直流电。与变流电源的并联设置相同，所述直流转换单元同样根据并联结构分流的原理，所有的直流转换单元共同的完成直流-直流转换。

所述直流转换单元的具体结构包括：

第二隔离开关，用于在系统检修时将直流转换单元隔离；

直流-直流转换器，用于将直流牵引网中电流转换为电压在储能装置的额定范围内的直流电，或将储能装置中储存的电能转换为符合直流牵引网标准的直流电；所述直流-直流转换器中包括第二支撑电容；

第二充电回路，用于对直流-直流转换器中的第二支撑电容充电；

第二断路器，用于对直流-直流转换器进行保护。

所述直流-直流转换器为直流转换单元的核心部分，用于实际的完成直流-直流的转换。其余部分均属于本领域常规部件，用于辅助直流-直流转换器工作，提高整个直流转换单元的安全性和稳定性。

储能装置，用于接收直流电能并储存，或将储存的电能导入直流牵引网。

本实施例中所述储能装置具体可采用超级电容组；在另一些实施例中，所述储能装置也可以采用飞轮储能装置，相应的为适应飞轮储能装置的工作原理，还需将所述直流-直流转换器替换为匹配的交直流转换器。

本实施例中，除了PWM变流模块与储能模块两个核心部件之外，为对上述两个部件进行管理和调节，保障其在工作过程中的稳定性和安全性，本实施例中进一步设置了调节模块，具体如下：

调节模块，用于监测PWM变流模块及储能模块的输出负载情况，并在PWM变流模块或储能模块的输出负载超过正常工作范围时进行输出限制。

一般而言，调节模块仅需要在产生过载的情况下使用。在城轨车辆启动过程中，用来提供牵引力的电流需求往往大于正常工作，从而产生过载。在过载情况下，储能模块释放其存储的电能，与PWM变流模块同时为直流牵引网供电。在这种状态下，调节模块同时对二者进行监控，了解二者的输出负载情况。

具体的，本实施例中调节模块通过监控温度信号来监控二者的输出负载情况。当PWM变流模块或储能模块的温度急剧升高，则表示该模块的输出负载较大，已经超出了其正常工作范围。此时调节模块对超标的模块进行输出限制，控制二者的输出功率分配，从而避免了任何一方由于输出负载过大而导致损坏。

此外，本实施例中还优选的加入了下列组成部分：

变压器模块，用于将交流电网中交流电的电压调整到所述PWM变流模块的额定范围内。

第三断路器，用于连接变压器模块与交流电网，对变压器模块进行保护。

直流侧电感，连接PWM变流模块与直流牵引网，用于抑制PWM变流模块短路引起的电流上升。

第四隔离开关，用于在系统检修时将PWM变流模块隔离。

第四断路器，用于对PWM变流模块进行保护。

以上部件均属于本领域电路装置中常规的组成部分。在此不对其原理做出详细描述。

本实施例在图1所示实施例的基础之上，进一步存在的有益效果是：本实施例中，通过多个隔离开关、断路器、充电回路、放电回路及直流侧电感的设置，有效的实现了对于系统电路的保护；通过所述调节模块实现了功率的分配，避免了PWM变流模块或储能模块因输出负载过大而损坏；本实施例中所述系统的安全性和稳定性更高，技术方案更加完整，公开更加充分。

参见图3所示，为本实施例中所述牵引供电方法的一个具体实施例。本实施例所述方法主要在于表述图1所示实施例中所述系统的工作原理。二者技术方案在本质上一致。所述方法包括以下步骤：

步骤301、PWM变流模块将交流电网中的交流电转换为直流电，并将转换后的直流电导入直流牵引网。

步骤302、储能模块在系统启动之初或直流牵引网中电能过剩时，从直流牵引网中接收直流电并储存。

步骤303、储能模块在直流牵引网中的电流需求大于PWM的额定范围时，将储存的电能以直流电的形式导入直流牵引网。

本实施例中存在的有益效果是：所述方法通过储能模块存储电能，高效的实现过剩能量的重新利用，避免了电能的以热能的形式消耗，既节约能源又避免了为散热系统提供额外的压力；另外通过在过载时利用储能模块释放能量对直流牵引网进行补偿，避免了增加PWM变流模块的输出负载。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种牵引供电系统，其特征在于，所述系统包括以下：

PWM变流模块，用于将交流电网中的交流电转换为直流电，并将转换后的直流电导入直流牵引网；

储能模块，用于从直流牵引网中接收直流电并储存，或将储存的电能以直流电的形式导入直流牵引网。

2.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述PWM变流模块中包括多个相互并联的变流单元，所述变流单元具体为包括：

第一隔离开关，用于在系统检修时将变流单元隔离；

IGBT变流器，用于将交流电转换为直流电；所述IGBT变流器中包括第一支撑电容；

第一充电回路，用于对IGBT变流器中的第一支撑电容充电；

第一放电回路，用于对IGBT变流器中的第一支撑电容放电；

第一断路器，用于对IGBT变流器进行保护。

3.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述储能模块包括多个并联的直流转换单元与一个储能装置，具体为：

直流转换单元，用于将直流牵引网中直流电的电压转换至储能装置的额定范围内；并将储能装置中储存的电能转换为符合直流牵引网标准的直流电；

储能装置，用于接收直流电并储存，或将储存的电能导入直流牵引网。

4.根据权利要求3所述系统，其特征在于，所述直流转换单元具体包括：

第二隔离开关，用于在系统检修时将直流转换单元隔离；

直流-直流转换器，用于将直流牵引网中直流电的电压转换至储能装置的额定范围内，或将储能装置中储存的电能转换为符合直流牵引网标准的直流电；所述直流-直流转换器中包括第二支撑电容；

第二充电回路，用于对直流-直流转换器中的第二支撑电容充电；

第二断路器，用于对直流-直流转换器进行保护。

5.根据权利要求3所述系统，其特征在于，所述储能装置具体为：超级电容组或飞轮储能装置。

6.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述系统还包括：

变压器模块，用于将交流电网中交流电的电压调整到所述PWM变流模块的额定范围内；

第三断路器，用于连接变压器模块与交流电网，对变压器模块进行保护。

7.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述系统还包括：

直流侧电感，连接PWM变流模块与直流牵引网，用于抑制PWM变流模块短路引起的电流上升。

8.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述系统还包括：

第四隔离开关，用于在系统检修时将PWM变流模块隔离；

第四断路器，用于对PWM变流模块进行保护。

9.根据权利要求1-8任意一项所述系统，其特征在于，所述系统还包括：

调节模块，用于监测PWM变流模块及储能模块的输出负载情况，并在PWM变流模块或储能模块的输出负载超过正常工作范围时进行输出限制。

10.一种牵引供电方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

PWM变流模块将交流电网中的交流电转换为直流电，并将转换后的直流电导入直流牵引网；

储能模块在系统启动之初或直流牵引网中电能过剩时，从直流牵引网中接收直流电并储存；并在直流牵引网中的电流需求大于PWM的额定范围时，将储存的电能以直流电的形式导入直流牵引网。

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