CN104319832A - 一种用于超级电容储能式有轨电车的地面成套充电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于超级电容储能式有轨电车的地面成套充电装置，包括断路器QF和至少两个并联连接的快速充电单元（1），快速充电单元（1）包括依次相连的直流隔离开关单元（11）、变流器单元（12）和用于为超级电容储能式有轨电车提供充电电源输出的上网隔离开关单元（13），直流隔离开关单元（11）的正极输入端通过断路器QF与城轨牵引网的正极母线相连，直流隔离开关单元（11）的负极输入端与城轨牵引网的负极母线相连。本发明能够利用现有的1500V或750V直流城轨牵引网，满足超级电容储能式有轨电车安全、快速、大功率、大电流充电的运行需求，结构更简单，避免重复建设，实施成本低，管理难度小。

Description

一种用于超级电容储能式有轨电车的地面成套充电装置

技术领域

本发明涉及超级电容储能式有轨电车的充电设备，具体涉及一种用于超级电容储能式有轨电车的地面成套充电装置。

背景技术

随着我国城市化进程的不断推进，城市规模迅速扩张，城市交通拥堵成为制约城市发展的突出问题。轨道交通由于具备能耗低、污染小、时刻准、速度快等诸多特点，已成为解决城市交通拥挤最有效的方式。与传统有轨电车相比，采用超级电容作为储能元件的超级电容储能式有轨电车，能够无接触网运行，利用超级电容功率密度高、充放时间短（不超过30s）、寿命长（100万次或10年）的特点，将电能快速存贮在大功率储能元件中，作为车辆正常牵引的动力源；车辆制动时，超级电容可作为能量回收的装置，能量利用率极高，是一种用于城轨车辆的创新供电方式。但是，由于超级电容能量密度远低于蓄电池，一次充电所能储存的能量有限，车辆运行距离短，一般为2km左右，因此需要在每个车站设置快速充电装置，采用车辆到站充电的方式，为车辆提供电力。超级电容储能式有轨电车采用车站停车充电，区间运行采用车载超级电容储能牵引，在每个车站设置成套直流充电装置，要求每次车辆进站充电时间不大于30秒，充电过程中整车的连续充电电流为1500A～2400A，输出电压的变化范围为DC400V～900V，另外还需匹配超级电容的充电曲线。

用于超级电容储能式有轨电车的快速充电装置一种直流充电装置，输入既可以是交流也可以是直流，目前用于超级电容储能式有轨电车的快速充电装置多采用高压交流电网供电方案。如图1所示，快速充电装置包括整流变压器、AC/DC变换电路和DC/DC变换电路，整流变压器将从高压交流电网输入的交流电压降压至合适的电压等级，然后经过AC/DC变换电路获得合适的直流电压，最后经过DC/DC变换电路输出所需的充电电流或充电功率。

然而现阶段，已有部分城市建成轨道交通系统，在轨道交通系统中已有1500V或750V直流牵引网。储能式有轨电车作为城市轨道交通系统的补充，充电装置若采用高压交流电网供电方案，在建设上与城市轨道交通直流牵引网建设部分有所重复。重复建设部分一方面在功能上有重复、使系统结构变得复杂，另一方面也会增加建设成本、加大运营管理难度。基于上述考虑，在已有城市轨道交通系统的城市，建设储能式有轨电车充电装置时，完全可以利用现有的直流牵引网作为充电装置的输入，相比高压交流电网供电，在满足储能式有轨电车充电要求的基础上，可以使整个供电系统结构更简单、避免重复建设、降低成本、降低管理难度。因此，如何使用已有的城轨牵引网1500V或750V直流电作为充电装置的输入来满足超级电容储能式有轨电车到站后安全、快速、大功率、大电流充电的运行需求，已经成为一项亟待解决的关键技术问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对现有技术的上述技术问题，提供一种能够利用现有的1500V或750V直流城轨牵引网，满足超级电容储能式有轨电车安全、快速、大功率、大电流充电的运行需求，结构更简单、避免重复建设、实施成本低、管理难度小的用于超级电容储能式有轨电车的地面成套充电装置。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种用于超级电容储能式有轨电车的地面成套充电装置，包括断路器QF和至少两个并联连接的快速充电单元，所述快速充电单元包括依次相连的直流隔离开关单元、变流器单元和用于为超级电容储能式有轨电车提供充电电源输出的上网隔离开关单元，所述直流隔离开关单元的正极输入端通过断路器QF与城轨牵引网的正极母线相连，所述直流隔离开关单元的负极输入端与城轨牵引网的负极母线相连。

优选地，所述变流器单元为N相交错并联Buck变换器，其中N为大于或等于2的整数。

优选地，所述N相交错并联Buck变换器包括支撑电容Cd和N个IGBT串联支路，所述N个IGBT串联支路以及支撑电容Cd分别并联连接布置于变流器单元的正极输入端、负极输入端之间，所述IGBT串联支路由两个IGBT开关器件串联组成，所述变流器单元的正极输出端分别与各个IGBT串联支路中两个IGBT开关器件之间的位置相连，所述变流器单元的负极输入端和负极输出端直接连通。

优选地，所述N相交错并联Buck变换器的输出端还连接有N个电感，所述电感与IGBT串联支路一一对应，任意所述电感串联连接于对应IGBT串联支路中的两个IGBT开关器件之间的位置、变流器单元的正极输出端之间。

优选地，所述变流器单元的输出端设有隔离接触器；所述变流器单元的正极输入端、负极输入端之间并联有固定放电电阻支路，所述固定放电电阻支路由一个电阻或者两个以上的电阻串联组成。

优选地，所述直流隔离开关单元包括接触器KM1、接触器KM2、电阻R1、电阻R2、二极管VD1以及滤波电抗器L1，所述变流器单元的正极输入端依次通过滤波电抗器L1、接触器KM2、断路器QF与城轨牵引网的正极母线相连，所述接触器KM1、电阻R1两者串联连接形成支撑电容Cd的充电缓冲回路后并联连接于接触器KM2的两端，所述二极管VD1和电阻R2串联构成滤波电抗器L1的放电回路，所述二极管VD1的正极通过电阻R2与城轨牵引网的负极母线相连，所述二极管VD1的负极依次通过接触器KM2、断路器QF与城轨牵引网的正极母线相连。

优选地，所述上网隔离开关单元包括接触器KM5和隔离开关QC1，所述隔离开关QC1串联布置于上网隔离开关单元的输入端和输出端之间，所述接触器KM5串联布置于上网隔离开关单元的正极输入端与隔离开关QC1之间。

优选地，所述上网隔离开关单元还包括放电电阻RD1，所述放电电阻RD1并联布置于上网隔离开关单元的正极输出端、负极输出端之间。

优选地，所述上网隔离开关单元还包括避雷器F1，所述避雷器F1并联布置于上网隔离开关单元的正极输出端、负极输出端之间。

优选地，所述地面成套充电装置还包括直流开关柜、直流隔离开关柜、变流器柜以及上网隔离开关柜，所述断路器QF设于所述直流开关柜内，所有快速充电单元的直流隔离开关单元设于所述直流隔离开关柜内，所有快速充电单元的变流器单元设于所述变流器柜内，所有快速充电单元的上网隔离开关单元设于所述上网隔离开关柜内。

本发明用于超级电容储能式有轨电车的地面成套充电装置具有下述优点：

1、本发明包括断路器和至少两个并联连接的快速充电单元，快速充电单元包括依次相连的直流隔离开关单元、变流器单元和用于为超级电容储能式有轨电车提供充电电源输出的上网隔离开关单元，直流隔离开关单元的正极输入端通过断路器与城轨牵引网的正极母线相连，直流隔离开关单元的负极输入端与城轨牵引网的负极母线相连，使用已有的城轨牵引网1500V或750V直流电作为充电装置的输入，经过直流/直流变换输出符合要求的直流电，以满足超级电容储能式有轨电车到站后，安全、快速、大功率、大电流充电的运行需求，能够使整个供电系统结构更简单、避免重复建设、降低成本、降低运营管理难度。

2、本发明包括断路器和至少两个并联连接的快速充电单元，一方面可以分别用于上行线和下行线的超级电容储能式有轨电车充电，另一方面可以增加本发明的充电可靠性。

附图说明

图1为现有技术快速充电装置的框架结构示意图。

图2为本发明实施例为超级电容储能式有轨电车充电的原理示意图。

图3为本发明实施例的框架结构示意图。

图4为本发明实施例的电路原理结构示意图。

图例说明：1、快速充电单元；11、直流隔离开关单元；12、变流器单元；13、上网隔离开关单元。

具体实施方式

如图2和图3所示，本实施例用于超级电容储能式有轨电车的地面成套充电装置包括断路器QF和两个并联连接的快速充电单元1，快速充电单元1包括依次相连的直流隔离开关单元11、变流器单元12和用于为超级电容储能式有轨电车提供充电电源输出的上网隔离开关单元13，直流隔离开关单元11的正极输入端通过断路器QF与城轨牵引网的正极母线相连，直流隔离开关单元11的负极输入端与城轨牵引网的负极母线相连。

本实施例中，在直流开关柜中，快速充电单元1正常工作时，断路器QF将快速充电单元1与1500V或750V城轨牵引网的直流母线接通；当快速充电单元1故障时，断路器QF又起到将快速充电单元1与1500V或750V城轨牵引网的直流母线隔离的作用，安全性好。需要说明的是，本实施例采用两个并联运行的快速充电单元1，变流器单元12完成直流变换功能，并按照充电策略对超级电容储能的有轨电车进行充电，上网隔离开关单元13将充电装置与超级电容隔离开，并完成上行线与下行线分时充电的功能，两个快速充电单元1的两路上网隔离开关单元13的输出分别连接上行车辆与下行车辆的充电母线，实现对到站的上行与下行车辆分时充电的功能。此外，也可以根据需要采用更多的快速充电单元1来实现对不同数量的超级电容储能式有轨电车进行充电，毫无疑问采用更多的快速充电单元1能够更好地满足单列车辆的充电需求，一方面能满足车辆充电功率的需求，另一方面可以增加本实施例装置的可靠性。本实施例在为超级电容储能式有轨电车提供DC400V～900V充电电源输出时，具体可以根据需要采用恒流、恒功率或特定充电曲线来为超级电容储能式有轨电车充电。区别于现有技术采用高压交流电作为输入，本实施例既适用于城轨牵引网的直流1500V供电系统，又适用于城轨牵引网的直流750V供电系统，采用直流/直流变换技术，输出直流400V～900V，输出最大电流可达2400A，并可按照超级电容所需充电策略对上行线和下行线的超级电容储能式有轨电车进行分时充电。

如图4所示，本实施例的地面成套充电装置还包括直流开关柜、直流隔离开关柜、变流器柜以及上网隔离开关柜，断路器QF设于直流开关柜内，所有快速充电单元1的直流隔离开关单元11设于直流隔离开关柜内，所有快速充电单元1的变流器单元12设于变流器柜内，所有快速充电单元1的上网隔离开关单元13设于上网隔离开关柜内。

如图4所示，直流隔离开关单元11包括接触器KM1、接触器KM2、电阻R1、电阻R2、二极管VD1以及滤波电抗器L1，变流器单元12的正极输入端依次通过滤波电抗器L1、接触器KM2、断路器QF与城轨牵引网的正极母线相连，接触器KM1、电阻R1两者串联连接形成支撑电容Cd（参见下述变流器单元12的详细电路结构）的充电缓冲电路后并联连接于接触器KM2的两端，二极管VD1和电阻R2串联构成滤波电抗器L1的放电回路，二极管VD1的正极通过电阻R2与城轨牵引网的负极母线相连，二极管VD1的负极依次通过接触器KM2、断路器QF与城轨牵引网的正极母线相连。接触器KM1、电阻R1两者串联构成充电回路对变流器柜中的支撑电容Cd充电，起到充电缓冲作用，以保护支撑电容Cd，在充电完成后闭合短接接触器KM2即可；滤波电抗器L1用于实现城轨牵引网和快速充电单元1之间的滤波隔离；二极管VD1、电阻R2则构成滤波电抗器L1的放电回路。

本实施例中，变流器单元12为N相交错并联Buck变换器，其中N为大于或等于2的整数，通过N相交错并联Buck变换器能够减小输出电流纹波、增大纹波频率、提高变换效率，能够提高充电电能质量，延长超级电容Cd的使用寿命。

如图4所示，N相交错并联Buck变换器包括支撑电容Cd和N个IGBT串联支路，N个IGBT串联支路、以及支撑电容Cd分别并联连接布置于变流器单元12的正极输入端、负极输入端之间，IGBT串联支路由两个IGBT开关器件串联组成，变流器单元12的正极输出端分别与各个IGBT串联支路中两个IGBT开关器件之间的位置相连，变流器单元12的负极输入端和负极输出端直接连通。

如图4所示，N相交错并联Buck变换器的输出端还连接有N个电感，电感与IGBT串联支路一一对应，任意电感串联连接于对应IGBT串联支路中的两个IGBT开关器件之间的位置、变流器单元12的正极输出端之间。以上侧的N相交错并联Buck变换器（变流器单元12）为例，N相交错并联Buck变换器的输出端还连接有N个电感（L11、L12、……、L1N）；以下侧的N相交错并联Buck变换器（变流器单元12）为例，N相交错并联Buck变换器的输出端还连接有N个电感（L21、L22、……、L2N）。

如图4所示，变流器单元12的输出端设有隔离接触器，通过隔离接触器能够实现变流器柜内各个变流器单元12之间的隔离，检修和维护更方便；变流器单元12的正极输入端、负极输入端之间并联有固定放电电阻支路，通过固定放电电阻支路，能够将支撑电容Cd的电压放至安全电压（36V）以下，安全性好；固定放电电阻支路可以根据需要采用一个电阻或者两个以上的电阻串联组成，以上侧的变流器单元12为例，该变流器单元12的固定放电电阻支路由电阻R3和电阻R4串联组成，变流器单元12的输出端设有隔离接触器KM3；以下侧的变流器单元12为例，该变流器单元12的固定放电电阻支路由电阻R5和电阻R6串联组成，变流器单元12的输出端设有隔离接触器KM4。

如图4所示，上网隔离开关单元13包括接触器KM5和隔离开关QC1，隔离开关QC1串联布置于上网隔离开关单元13的输入端和输出端之间，接触器KM5串联布置于上网隔离开关单元13的正极输入端与隔离开关QC1之间；接触器KM5和隔离开关QC1主要用于实现本实施例装置连接充电网（即“上网”）、充电故障时本实施例装置与超级电容储能式有轨电车之间的隔离，以及上行线与下行线的分时充电切换控制功能。

如图4所示，上网隔离开关单元13还包括放电电阻RD1，放电电阻RD1并联布置于上网隔离开关单元13的正极输出端、负极输出端之间；放电电阻RD1用于在超级电容储能式有轨电车离站停止充电后，将充电网上残余电量的泄放，确保充电网在无车辆充电时是无电状态，可以有效保障乘客和工作人员的安全；上网隔离开关单元13还包括避雷器F1，避雷器F1并联布置于上网隔离开关单元13的正极输出端、负极输出端之间，避雷器F1可有效降低雷击对本实施例装置的危害。

综上所述，本实施例采用两重供电单元并联运行的直流/直流变换技术，适用于现有的1500V或750V直流城轨牵引网，可以满足超级电容储能式有轨电车到站后，安全、快速（＜30s）、大功率、大电流充电的运行需求；而且本实施例采用城轨牵引网直流作为输入，与现有技术采用高压交流输入充电装置相比，能够简化充电装置的结构、避免重复建设、降低成本、降低运营管理难度；本实施例的地面成套充电装置的充电功能具有通用性，当储能装置的特性发生变化时，仅通过调整充电装置的控制参数和充电策略就可以满足储能装置的充电需求；本实施例的地面成套充电装置的运行状态可监控，车辆进入充电区域后，本实施例的地面成套充电装置才开始充电，车辆充电完毕，本实施例的地面成套充电装置自动停止充电，整个充电过程无需人员干预，车站可实现无人值守；而且本实施例的地面成套充电装置在无车辆充电时是无电状态，能够有效保障乘客和工作人员的安全。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。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前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于超级电容储能式有轨电车的地面成套充电装置，其特征在于：包括断路器QF和至少两个并联连接的快速充电单元（1），所述快速充电单元（1）包括依次相连的直流隔离开关单元（11）、变流器单元（12）和用于为超级电容储能式有轨电车提供充电电源输出的上网隔离开关单元（13），所述直流隔离开关单元（11）的正极输入端通过断路器QF与城轨牵引网的正极母线相连，所述直流隔离开关单元（11）的负极输入端与城轨牵引网的负极母线相连。

2.根据权利要求1所述的用于超级电容储能式有轨电车的地面成套充电装置，其特征在于：所述变流器单元（12）为N相交错并联Buck变换器，其中N为大于或等于2的整数。

3.根据权利要求2所述的用于超级电容储能式有轨电车的地面成套充电装置，其特征在于：所述N相交错并联Buck变换器包括支撑电容Cd和N个IGBT串联支路，所述N个IGBT串联支路以及支撑电容Cd分别并联连接布置于变流器单元（12）的正极输入端、负极输入端之间，所述IGBT串联支路由两个IGBT开关器件串联组成，所述变流器单元（12）的正极输出端分别与各个IGBT串联支路中两个IGBT开关器件之间的位置相连，所述变流器单元（12）的负极输入端和负极输出端直接连通。

4.根据权利要求3所述的用于超级电容储能式有轨电车的地面成套充电装置，其特征在于：所述N相交错并联Buck变换器的输出端还连接有N个电感，所述电感与IGBT串联支路一一对应，任意所述电感串联连接于对应IGBT串联支路中的两个IGBT开关器件之间的位置、变流器单元（12）的正极输出端之间。

5.根据权利要求4所述的用于超级电容储能式有轨电车的地面成套充电装置，其特征在于：所述变流器单元（12）的输出端设有隔离接触器；所述变流器单元（12）的正极输入端、负极输入端之间并联有固定放电电阻支路，所述固定放电电阻支路由一个电阻或者两个以上的电阻串联组成。

6.根据权利要求1～5中任意一项所述的用于超级电容储能式有轨电车的地面成套充电装置，其特征在于：所述直流隔离开关单元（11）包括接触器KM1、接触器KM2、电阻R1、电阻R2、二极管VD1以及滤波电抗器L1，所述变流器单元（12）的正极输入端依次通过滤波电抗器L1、接触器KM2、断路器QF与城轨牵引网的正极母线相连，所述接触器KM1、电阻R1两者串联连接形成支撑电容Cd的充电缓冲回路后并联连接于接触器KM2的两端，所述二极管VD1和电阻R2串联构成滤波电抗器L1的放电回路，所述二极管VD1的正极通过电阻R2与城轨牵引网的负极母线相连，所述二极管VD1的负极依次通过接触器KM2、断路器QF与城轨牵引网的正极母线相连。

7.根据权利要求6所述的用于超级电容储能式有轨电车的地面成套充电装置，其特征在于：所述上网隔离开关单元（13）包括接触器KM5和隔离开关QC1，所述隔离开关QC1串联布置于上网隔离开关单元（13）的输入端和输出端之间，所述接触器KM5串联布置于上网隔离开关单元（13）的正极输入端与隔离开关QC1之间。

8.根据权利要求7所述的用于超级电容储能式有轨电车的地面成套充电装置，其特征在于：所述上网隔离开关单元（13）还包括放电电阻RD1，所述放电电阻RD1并联布置于上网隔离开关单元（13）的正极输出端、负极输出端之间。

9.根据权利要求8所述的用于超级电容储能式有轨电车的地面成套充电装置，其特征在于：所述上网隔离开关单元（13）还包括避雷器F1，所述避雷器F1并联布置于上网隔离开关单元（13）的正极输出端、负极输出端之间。

10.根据权利要求9所述的用于超级电容储能式有轨电车的地面成套充电装置，其特征在于：所述地面成套充电装置还包括直流开关柜、直流隔离开关柜、变流器柜以及上网隔离开关柜，所述断路器QF设于所述直流开关柜内，所有快速充电单元（1）的直流隔离开关单元（11）设于所述直流隔离开关柜内，所有快速充电单元（1）的变流器单元（12）设于所述变流器柜内，所有快速充电单元（1）的上网隔离开关单元（13）设于所述上网隔离开关柜内。