CN103915857B

CN103915857B - 一种高压交流动车组再生制动能量回馈吸收利用装置

Info

Publication number: CN103915857B
Application number: CN201410164324.9A
Authority: CN
Inventors: 武华军; 蓝信章; 安刚虎
Original assignee: QINGDAO HAINENG ALPINE RAIL POWER EQUIPMENT ENGINEERING TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: QINGDAO HAINENG ALPINE RAIL POWER EQUIPMENT ENGINEERING TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2014-04-23
Filing date: 2014-04-23
Publication date: 2016-04-13
Anticipated expiration: 2034-04-23
Also published as: CN103915857A

Abstract

本发明属于高压电气化铁路节能设备技术领域，涉及一种高压交流动车组再生制动能量回馈吸收利用装置，变电站分别与第一降压变压器和第二降压变压器的输入端电连接，动车组分别与变电站输出端和第一降压变压器输入端电连接；第一降压变压器的输出端分别连接有电阻卸载单元和可控整流单元；可控整流单元与滤波单元电连通；逆变单元的一端与滤波单元电连通，另一端与逆变输出滤波单元电连通换；隔离变压器的两端分别与逆变输出滤波单元和400V低压网络电连接，其总体结构设计简单，原理可靠，控制能力好，能量吸收效率高，转化效率高，电学原理简单，制备成本低，能耗小，环境友好。

Description

一种高压交流动车组再生制动能量回馈吸收利用装置

技术领域：

本发明属于高压电气化铁路节能设备技术领域，涉及一种再生制动能量回馈吸收利用装置，特别是一种城际铁路高压交流动车组再生制动能量回馈吸收利用装置。

背景技术：

在城际铁路交通中，交流传动方式已经普遍采用，城际铁路高压交流动车组在运行过程中，由于两站之间的距离较短，动车组需要频繁起动和制动，因此要求动车组的起动加速度大，制动减速快，制动平稳，在制动过程中，动车组产生巨大的制动能量，对产生的制动能量进行回收利用已成为现有城际铁路运营成本的重要课题。在现有技术中，制动能量吸收方式主要包括电阻耗能、逆变回馈、电容储能和飞轮储能等几种，但是这几种吸收方式都存在各自的优缺点，电阻耗能只能将电能转换为热能排掉，能源浪费严重；电容储能需要设置体积庞大的电容器组，占用城际铁路宝贵的地下空间；飞轮储能对飞轮的制作工艺要求高，而且飞轮储能制作成本很高，使用寿命不理想；对于逆变回馈，近几年国内外已开始采用，但大都是针对低压直流(DC1500V，DC750V)供电系统，目前尚未见有对高压交流供电系统的制动能量地面吸收回馈的相关报道和公开使用。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计提供一种城际铁路高压交流动车组用的再生制动能量回馈吸收利用装置，把动车组电制动过程中产生的再生制动能量回馈至低压电网重新利用，吸收再生制动引起的交流母线泵升高压，达到节能环保和制动安全的目的。

为了实现上述目的，本发明的主体结构包括变电站、第一降压变压器、电阻卸载单元、可控整流单元、滤波单元、逆变单元、逆变输出滤波单元、隔离变压器、400V低压网络、变电站牵引变压器、第一高压侧电流传感器、第二高压侧电流传感器、第一信号变送器、动车组、第二信号变送器、第三信号变送器、第四信号变送器、监控软件、上位机、显示系统、下位单片机总成、信号采集模块、整流控制模块、逆变控制模板、电阻卸载控制模块、高压真空断路器、预投电阻、第二降压变压器和调功电阻模块；变电站分别与第一降压变压器和第二降压变压器的输入端电连接，动车组分别与变电站输出端和第一降压变压器输入端电连接；变电站电压变换后为动车组提供单相27.5kV电力能源；第一降压变压器将27.5kV降压为适用于本装置的电压等级，范围为AC590V或AC1180V；第一降压变压器的输出端分别连接有电阻卸载单元和可控整流单元，电阻卸载单元由电阻卸载控制模块和预投电阻负载组成，当逆变单元满功率或故障时作为后备使用；可控整流单元将降压后的单相交流电变换为适合逆变器输入的直流电压范围内(DC750V或DC1500V)；可控整流单元与滤波单元电连通，滤波单元稳定可控整流单元的输出电压；逆变单元的一端与滤波单元电连通，另一端与逆变输出滤波单元电连通，实现DC/AC变换；逆变输出滤波单元将逆变单元输出的电流波形滤波成正弦波，THD(总谐波失真)控制在5％以内；隔离变压器的两端分别与逆变输出滤波单元和400V低压网络电连接，隔离变压器具有隔离作用，防止逆变输出滤波单元输出的直流电直接与400V低压网络电气相连；400V低压网络为逆变并网的目标网络；变电站牵引变压器提供单相27.5kV电能；变电站牵引变压器的输出端分别与第一高压侧电流传感器和第一信号变送器电信息连接，第二高压侧电流传感器的一端与高压侧27.5kV牵引网母线连接，另一端与第四信号变送器电连接；第二信号变送器的一端与高压侧27.5kV牵引网母线电连接，另一端与第三信号变送器电连接；第一高压侧电流传感器和第二高压侧电流传感器测量电流；第一信号变送器、第二信号变送器、第三信号变送器和第四信号变送器把信号转换成适应于控制器的输入信号；第一信号变送器、第三信号变送器和第四信号变送器分别与上位机电连接，上位机具备有监控软件和显示系统；与上位机电连接的下位单片机总成连接有信号采集模块、整流控制模块、逆变控制模板和电阻卸载控制模块；预投电阻负载提高降压变压器的动态响应，减小冲击电流产生的磁滞现象发生而影响检测速度，投入后使降压变压器一直有负荷电流经过；当逆变模块满功率或故障时，调功电阻模块通过调节吸收功率使27.5kV侧网压恒定在设定范围内；动车组再生制动时会反馈再生电能，反馈再生电能会导致27.5kV单相电压泵升，电压泵升会反应至降压变压器低压侧，同时整流输出的直流电压也会升高，超过系统设定的吸收值时三相逆变器工作将电能回送至400V低压网络，使27.5kV侧电压迅速降低，400V低压网络为由另一母线降压供电的站内低压负载(如排风扇、加热器、电梯、照明等负载)；当逆变功率超负荷，但27.5kV侧电压还在持续升高时启动电阻卸载模块，以热能的形式消耗电能，降低27.5kV侧电压；当400V低压网络吸收能力不足时，在允许条件下逆变回馈的电能经400V侧的降压变压器反馈至上一级网络。

本发明采用恒压相控并网吸收控制系统和恒压调功电阻吸收系统两种制动能量吸收系统进行工作，恒压相控并网吸收控制系统是由相控整流器与并网逆变器组成的主系统；恒压调功电阻吸收系统(电阻卸载单元)是由BCR(双向可控硅)和耗能电阻组成的辅助系统；当动车组进行制动时，恒压相控并网吸收控制系统先启动工作，由相控整流器和并网逆变器将再生制动能量以AC400V电压与低压电网并网，利用车站站内用电负载进行消耗吸收；若检测高压网压仍在再生制动状态(大于27.5KV)，则恒压调功电阻吸收系统(电阻卸载单元)各电阻依次进入工作，直至泵升电压被吸收(高压线网电压被控制在一定的范围)，则恒压调功电阻吸收系统(由各电阻组成)和恒压相控并网吸收控制系统依次反顺序退出；以上动作采用集中分布式计算机控制系统来实现，系统控制采用集中分布式计算机控制系统，其中工控机用于完成数据处理、检查和记录功能；16位单片机实现现场数据采集、数据预处理和功率元件控制保护功能，由于目前尚无交流机车再生制动系统的全部参数(特别是分布电感、内阻、瞬时最大再生电流及其电流上升率等)，且考虑到供电线路和阻抗参数不是恒定值(由于机车在运动，故线路参数是一个变量)，采用模糊控制方式来实现再生功率吸收装置的控制；恒压调功电阻吸收系统的功率元件采用晶闸管，由于晶闸管控制简单，不易损坏，成本较低，且很容易维护，其吸收电路亦比较成熟，可靠性远大于其它半导体器件，故选用它为功率元件；集中分布式微机检测控制系统采用快速开关投切“恒压相控并网吸收控制系统”(相控整流逆变单元)和恒压调功电阻吸收系统(电阻卸载单元)，并根据再生制动时线网电压的变化状态调节调功器导通角(30°～150°)从而改变吸收功率，将线网电压恒定在某一设定范围内。

本发明由于线网电压等级是27.5KV(动车组工作电压为25KV额定电压)属于高压系统，动车组实施电气制动时，在30～50ms内网压将上升到31.5KV，即电压上升率du/dt较大，通过计算机检测手段，要想在极短暂的时间内将吸收电阻投入，普通机械动作式开关的开关时间(几十毫秒)达不到要求，采用电力电子元件(微秒级)来实现，大功率快速BCR(反并联双向导通可控硅)的耐压等级都不超过6500V，须将网压通过降压变压器降到快速管能承受的数值，确定使用1200V作为低压电压；整套吸收装置要并接于线网上，采用相同电压等级的高压开关设备，以实现与线网的隔离和对线网的保护功能，高压开关设备选用专为铁路牵引变电站设计的27.5KV等级的高压真空断路器，可对吸收装置故障时实现快速跳闸保护，以保证列车安全运行。高压回路设有过流及速断保护、过压保护以及差动保护，所有保护均采用计算机监控，并存贮打印故障参数，以供分析故障性质；为了对降压变压器以及吸收电阻设备进行隔离检测、保护，拟在变压器二次侧，即吸收电阻器前端加设一台中压开关柜；吸收电阻器是电能消耗发热元件，选用抗电流冲击性能强、散热快、寿命长的不锈钢电阻，采用温控强迫通风降温，工作电源取自工厂动力电源，保证风机不间断运转；吸收电阻器在1200V工作电压下，工作周期为150S，短时冲击电流3000A20S，可吸收总功率3000KW；快速电力电子开关器件的选择考虑到经济性与可靠性，选用大功率双向可控硅(BCR)；支路电流按2倍选用，电压按2.5倍选用；快速开关管根据再生制动时线网电压变化状态由计算机控制其导通角大小(30°～150°)，考虑到开关管的电流等级，相控整流器和各电阻器分路设置，当制动状态处于高速状态下时，制动功率大，此时计算机将先自动开启“恒压相控并网吸收控制系统”，接通相控整流器和其连接的逆变器将再生制动能量变为交流三相400V电能并入低压电网供车站站内低压用电设备消耗使用；若高压网压继续工作在再生制动状态，则各电阻器依次进入调功控制，直至将所有预先计算好的电阻全部投入，以稳定网压保证再生制动成功。

本发明的核心部分是计算机实时检测控制系统，选用集中分布式微机控制系统，工控机选用品牌机，系统板选用PCI－1703MHZ宽带高速数据采集卡，采集速率30Ms/s，采样时间快(微秒级)，频带宽可同时采集四路高频变化的数字信号；电压电流的采集通过无惰性无磁滞现象的霍尔元件传感器(≤7μs)进行采集；下位单片机总成采用16位单片机，由16位单片机对采集数据执行快速分析判断，自动调节，相控整流器和BCR导通角以实现能量回馈和调功吸收；计算机系统还肩负着系统保护功能，对电能吸收系统的过压，过流，过热，接地，短路等全面实现快速判断及执行安全措施。同时，对整套装置控制电源实时监视。

本发明的卸载保护吸收电阻和相控整流器交流输入端分别联接到降压变压器二次侧(AC1200V)，合上主回路刀闸QSa1，主回路高压真空断路器QFa，降压变压器投入27.5KV线网；同时合上高压互感器柜刀闸QSa2，将检测保护互感器(传感器)投入线网，然后合上降压变压器二次侧刀闸QSb和真空接触器QFb，预负载电阻接入线网，降压变压开始工作，送上调压电阻器架上的刀开关QS1～QS3,计算机系统开始自检，为能量吸收做好准备，紧接着送上计算机系统工作电源启动计算机(计算机电源与27.5KV侧真空断路器具有电气联锁)，整套系统准备就绪，计算机开始检测、监控、等待电动车组电制动信号的到来；经过降压变压器将27.5KV线网电压降至1200V低压，由两套独立的吸收装置组成整个系统，其中一套是相控整流器和并网逆变器构成“恒压相控并网吸收系统”，另外一套是由电阻器和一个交流可控调功器构成“恒压调阻吸收系统”；电网电压变化及判断由电压互感－传感器SVa实现，检测数据被连续送给计算机系统HNXJK－I中，经综合判断得出动车组是牵引还是制动状态；计算机判断的依据是预先设定的各项参数，当检测到的参数达到动作值，HNXJK－I的下位机准时发出指令，交流可控调节器将立即投入工作，两套吸收装置投入运行的顺序是先从“恒压相控并网吸收控制系统”的相控整流器开始，当导通至150°时，若系统检测仍然是制动状态，则立即投入“恒压调阻吸收系统”调节R1、R₂、R₃，否则“恒压调阻吸收系统”不会投入，整个制动过程会出现制动电流是变化的，而且每次制动功率也不尽相同，所以计算机监控系统会根据参数判断而使吸收系统处于低通还是高通状态，并决定恒压相控并网吸收控制系统工作后，R₁～R₃依次或同时工作，这要取决于控制系统的实时运算，以控制两套吸收设备协调工作，从而达到维持电网电压恒定的目的；吸收装置设有变压器过载、过流、速断、差动保护、过压保护和有电阻器温度保护；计算机系统有串行通讯接口和现场总线通讯接口，可以与监控网实时通讯。

本发明与现有技术相比，其总体结构设计简单，原理可靠，控制能力好，能量吸收效率高，转化效率高，电学原理简单，制备成本低，能耗小，环境友好。

附图说明：

图1为本发明的主体结构原理示意框图。

图2为本发明的控制回路的电学结构原理示意框图。

图3为本发明的预投电阻负载应用结构原理示意框图。

具体实施方式：

下面通过实施例并结合附图进一步说明。

实施例：

本实施例的主体结构包括变电站1、第一降压变压器2、电阻卸载单元3、可控整流单元4、滤波单元5、逆变单元6、逆变输出滤波单元7、隔离变压器8、400V低压网络9、变电站牵引变压器10、第一高压侧电流传感器11、第二高压侧电流传感器12、第一信号变送器13、动车组14、第二信号变送器15、第三信号变送器16、第四信号变送器17、监控软件18、上位机19、显示系统20、下位单片机总成21、信号采集模块22、整流控制模块23、逆变控制模板24、电阻卸载控制模块25、高压真空断路器26、预投电阻27、第二降压变压器28和调功电阻模块29；变电站1分别与第一降压变压器2和第二降压变压器28的输入端电连接，动车组14分别与变电站1输出端和第一降压变压器2输入端电连接；变电站1电压变换后为动车组14提供单相27.5kV电力能源；第一降压变压器2将27.5kV降压为适用于本装置的电压等级，范围为AC590V或AC1180V；第一降压变压器2的输出端分别连接有电阻卸载单元3和可控整流单元4，电阻卸载单元3由预投电阻27和调功电阻模块29组成(图3中27和29)，当本装置的逆变单元6满功率或故障时作为后备使用；可控整流单元4将降压后的单相交流电变换为适合逆变器输入的直流电压范围内(DC750V或DC1500V)；可控整流单元4与滤波单元5电连通，滤波单元5稳定可控整流单元4的输出电压；逆变单元6的一端与滤波单元5电连通，另一端与逆变输出滤波单元7电连通，实现DC/AC变换；逆变输出滤波单元7将逆变单元6输出的电流波形滤波成正弦波，THD控制在5％以内；隔离变压器8的两端分别与逆变输出滤波单元7和400V低压网络9电连接，隔离变压器具有隔离作用，防止逆变输出滤波单元7输出的直流电直接与400V低压网络9电气相连；400V低压网络9为逆变并网的目标网络；变电站牵引变压器10提供单相27.5kV电能；变电站牵引变压器10的输出端分别与第一高压侧电流传感器11和第一信号变送器13电信息连接，第二高压侧电流传感器12的一端与高压侧27.5kV母线连接，另一端与第四信号变送器17电连接；第二信号变送器15的一端与高压侧27.5kV母线电连接，另一端与第三信号变送器16电连接；第一高压侧电流传感器11和第二高压侧电流传感器12测量电流；第一信号变送器13、第二信号变送器15、第三信号变送器16和第四信号变送器17把信号转换成适应于控制器的输入信号；第一信号变送器13、第三信号变送器16和第四信号变送器17分别与上位机19电连接，上位机19具备有监控软件18和显示系统20；与上位机19电连接的下位单片机总成21连接有信号采集模块22、整流控制模块23、逆变控制模板24和电阻卸载控制模块25；预投电阻负载27提高降压变压器的动态响应，减小冲击电流产生的磁滞现象发生而影响检测速度，投入后使降压变压器一直有负荷电流经过；当逆变模块满功率或故障时，调功电阻模块3通过调节吸收功率使27.5kV侧网压恒定在设定范围内；动车组再生制动时会反馈再生电能，反馈再生电能会导致27.5kV单相电压泵升，电压泵升会反应至降压变压器低压侧，同时整流输出的直流电压也会升高，超过系统设定的吸收值时三相逆变器工作将电能回送至400V网络，使27.5kV侧电压迅速降低，400V网络为由另一母线降压供电的站内低压负载(如排风扇、加热器、电梯、照明等负载)；当逆变功率超负荷，但27.5kV侧电压还在持续升高时启动电阻卸载模块，以热能的形式消耗电能，降低27.5kV侧电压；当400V低压网络吸收能力不足时，在允许条件下逆变回馈的电能经400V侧的降压变压器反馈至上一级网络。

本实施例的设备配置由以下设备组成：

Claims

1.一种高压交流动车组再生制动能量回馈吸收利用装置，其特征在于主体结构包括变电站、第一降压变压器、电阻卸载单元、可控整流单元、滤波单元、逆变单元、逆变输出滤波单元、隔离变压器、400V低压网络、变电站牵引变压器、第一高压侧电流传感器、第二高压侧电流传感器、第一信号变送器、动车组、第二信号变送器、第三信号变送器、第四信号变送器、监控软件、上位机、显示系统、下位单片机总成、信号采集模块、整流控制模块、逆变控制模板、电阻卸载控制模块、高压真空断路器、预投电阻、第二降压变压器和调功电阻模块；变电站分别与第一降压变压器和第二降压变压器的输入端电连接，动车组分别与变电站输出端和第一降压变压器输入端电连接；变电站电压变换后为动车组提供单相27.5kV电力能源；第一降压变压器将27.5kV降压为适用于本装置的电压等级，为AC590V或AC1180V；第一降压变压器的输出端分别连接有电阻卸载单元和可控整流单元，电阻卸载单元由预投电阻和调功电阻模块组成，当逆变单元满功率或故障时调功电阻模块作为后备使用；可控整流单元将降压后的单相交流电变换为适合逆变器输入的直流电压DC750V或DC1500V；可控整流单元与滤波单元电连通，滤波单元稳定可控整流单元的输出电压；逆变单元的一端与滤波单元电连通，另一端与逆变输出滤波单元电连通，实现DC/AC变换；逆变输出滤波单元将逆变单元输出的电流波形滤波成正弦波；隔离变压器的两端分别与逆变输出滤波单元和400V低压网络电连接，隔离变压器具有隔离作用，防止逆变输出滤波单元输出的交流电直接与400V低压网络电气相连；400V低压网络为逆变并网的目标网络；变电站牵引变压器提供单相27.5kV电能；变电站牵引变压器的输出端分别与第一高压侧电流传感器和第一信号变送器电信息连接，第二高压侧电流传感器的一端与高压侧27.5kV牵引网母线连接，另一端与第四信号变送器电连接；第二信号变送器的一端与高压侧27.5kV牵引网母线电连接，另一端与第三信号变送器电连接；第一高压侧电流传感器和第二高压侧电流传感器测量电流；第一信号变送器、第三信号变送器和第四信号变送器分别与上位机电连接，上位机具备有监控软件和显示系统；与上位机电连接的下位单片机总成连接有信号采集模块、整流控制模块、逆变控制模板和电阻卸载控制模块；预投电阻负载提高第一降压变压器和第二降压变压器的动态响应，减小冲击电流产生的磁滞现象发生而影响检测速度，投入后使第一降压变压器和第二降压变压器一直有负荷电流经过；当逆变模块满功率或故障时，调功电阻模块通过调节吸收功率使27.5kV侧网压恒定在设定范围内；动车组再生制动时会反馈再生电能，反馈再生电能会导致27.5kV单相电压泵升，电压泵升会反应至降压变压器低压侧，同时整流输出的直流电压也会升高，超过系统设定的吸收值时三相逆变器工作将电能回送至400V低压网络，使27.5kV侧电压迅速降低，400V低压网络为由另一母线降压供电的站内低压负载；当逆变功率超负荷，27.5kV侧电压持续升高时启动电阻卸载模块，以热能的形式消耗电能，降低27.5kV侧电压；当400V低压网络吸收能力不足时，逆变回馈的电能经400V低压网络侧的第二降压变压器反馈至上一级网络。

2.根据权利要求1所述的高压交流动车组再生制动能量回馈吸收利用装置，其特征在于采用恒压相控并网吸收控制系统和恒压调功电阻吸收系统两种制动能量吸收系统进行工作，恒压相控并网吸收控制系统是由相控整流器与并网逆变器组成的主系统；恒压调功电阻吸收系统即电阻卸载单元由双向可控硅和耗能电阻组成的辅助系统；当动车组进行制动时，恒压相控并网吸收控制系统先启动工作，由相控整流器和并网逆变器将再生制动能量以AC400V电压与低压电网并网，利用车站站内用电负载进行消耗吸收；若检测高压网压仍在再生制动状态，则恒压调功电阻吸收系统的各电阻依次进入工作，直至泵升电压被吸收，则恒压调功电阻吸收系统和恒压相控并网吸收控制系统依次反顺序退出；以上动作采用集中分布式计算机控制系统来实现，系统控制采用集中分布式计算机控制系统，其中工控机用于完成数据处理、检查和记录功能；16位单片机实现现场数据采集、数据预处理和功率元件控制保护功能，采用模糊控制方式来实现再生功率吸收装置的控制；恒压调功电阻吸收系统的功率元件采用晶闸管，集中分布式微机检测控制系统采用快速开关投切恒压相控并网吸收控制系统和恒压调功电阻吸收系统，并根据再生制动时线网电压的变化状态调节调功器导通角为30°～150°从而改变吸收功率。

3.根据权利要求1所述的高压交流动车组再生制动能量回馈吸收利用装置，其特征在于采用计算机实时检测控制，选用型号为HNSJK-112008的集中分布式微机控制系统作为计算机系统检测装置，工控机选用市售的品牌机，系统板选用PCI－1703MHZ宽带高速数据采集卡，采集速率30Ms/s，采样时间为微秒级，频带宽同时采集四路高频变化的数字信号；电压电流的采集通过无惰性无磁滞现象的霍尔元件传感器进行采集；下位单片机总成采用16位单片机，由16位单片机对采集数据执行快速分析判断，自动调节相控整流器和双向可控硅导通角以实现能量回馈和调功吸收；计算机对电能吸收系统的过压、过流、过热、接地和短路全面实现快速判断及执行安全措施的同时，对整套装置控制电源实时监视。