CN104467508B - 制动能量可回收再利用的牵引变流器及变流方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种制动能量可回收再利用的牵引变流器及变流方法，包括能量回收单元、直流平波电抗器L1、直流支撑电容C1、逆变电路T1～T6、单向导通二极管D1，所述直流支撑电容和逆变电路并联后再与直流平波电抗器L1串联构成工作单元。本发明通过系统集成技术，利用半桥斩波电路和超级电容快速充放电特性，将牵引变流器制动能量回收，在变流器再次牵引起动时，将能量回馈至牵引变流器，降低直流供电网络电压波动的同时，降低能源浪费。
Description
技术领域
本发明涉及一种城市轨道交通列车用牵引变流器。
背景技术
轨道交通在优化城市空间结构、缓解城市交通拥挤、保护环境等多方面均已表现出了积极促进作用。在中国，随着城市化进程的加快，城市交通需求剧增，城市轨道交通的发展也开始进入高速发展时期。
城市轨道交通中，直-交变压变频的传动方式已经普遍采用，再生制动也成为列车常用和主要制动方式。制动时可以实现将机械能转化为电能，使得一部分能量能够回馈给电网。在城市轨道交通中，由于站间距较短，列车启动、制动频繁，从能量互换的角度看，制动能量相当可观。同时，由于轨道交通存在线路阻抗，列车加速，启动电流较大，导致牵引网电压下降；制动时，再生制动能量会反馈牵引网，使电压抬升，造成直流母线电压波动很大。
为了解决上述问题，虽然在地铁直流供电系统和机车牵引变流器中采取了各种技术手段，但这一问题仍然还没有根本解决。
第一种技术方案是：在地铁直流供电系统中加入储能装置，它在机车再生制动时吸收能量，避免能量浪费；在机车启动或加速时提供部分功率支持，减少牵引网电压波动。该方案的缺点是：制动车辆与储能装置距离较远，能量吸收和再利用的判定依据为直流网压，仍然还会造成直流网压在制动时抬升，牵引时降低，不能避免网压波动。
第二种技术方案是：在地铁直流供电系统中加入能量回馈装置，将制动能量回馈电网。
该牵引变流器主电路拓扑图参见图1。在实际应用中，为防止再生制动失效，制动能量除了按一定比例被其他相邻车吸收利用外，剩余部分主要被列车或者线路上的吸收电阻以发热的方式消耗掉，使得隧道、站台内的温度升高，引起通风、降温设备负担加重，造成大量的能源浪费。
该方案的缺点是：能量回馈装置会造成供电网络谐波污染，直接影响原直流供电设备工作，同时网压波动问题仍然存在。
发明内容
本发明目的是提供一种制动能量可回收再利用的牵引变流器及变流方法，其通过在变流器内部能量的变换，将牵引变流器制动能量回收，在变流器再次牵引起动时，将能量回馈至牵引变流器，降低直流供电网络电压波动的同时，降低能源浪费。
本发明的技术解决方案是：
一种制动能量可回收再利用的牵引变流器，包括能量回收单元、直流平波电抗器L1、直流支撑电容C1、逆变电路T1～T6，所述直流支撑电容和逆变电路并联后再与直流平波电抗器L1串联构成工作单元；
其特殊之处在于：
还包括单向导通二极管D1；
上述能量回收单元包括升降压斩波电路和超级电容C2；
上述升降压斩波电路包括第一功率管单元T7、第二功率管单元T8和电抗器L2，所述第一功率管单元包括第一功率管以及连接在第一功率管源极和漏极之间的第一续流二极管；上述第二功率管单元包括第二功率管以及连接在第二功率管源极和漏极之间的第二续流二极管；
上述第一功率管单元和第二功率管单元串联后与工作单元并联；
上述超级电容和电抗器串联后与第二功率管单元并联；
上述工作单元和能量回收单元并联后与单向导通二极管串联；上述单向导通二极管的正极接直流电网的正极；
上述超级电容设置在牵引变流器所在的机车上。
上述第一功率管的脉冲宽度采用电压外环、电流内环的控制方式；上述第二功率管的脉冲宽度采用电压外环、电流内环的控制方式。
一种制动能量可回收再利用的变流方法，包括以下步骤：
1)判断机车处于牵引状态还是制动状态，牵引状态则进行步骤2，制动状态则进行步骤3；
2)机车牵引时，判断超级电容C2电压是否高于最低剩余电压；
若是，则通过控制第二功率管的脉冲宽度，使第二功率管单元与第一续流二极管、电抗器构成升压斩波电路，使得单向导通二极管因承受反向电压截至，牵引电机起动能量全部来自超级电容；
若否，则第二功率管的控制脉冲停止，单向导通二极管因承受正向电压导通，牵引电机能量由直流电网供给；
3)机车制动时，则通过控制第一功率管的脉冲宽度，使第一功率管单元与第二续流二极管、电抗器构成降压斩波电路，给超级电容充电，此时，D1承受反向电压截至，牵引电机制动能量全部转化为超级电容的电荷储存起来。
上述第一功率管的脉冲宽度采用电压外环、电流内环的控制方式；上述第二功率管的脉冲宽度采用电压外环、电流内环的控制方式。
本发明的有益效果
1、本发明通过系统集成技术，利用半桥斩波电路和超级电容快速充放电特性，将牵引变流器制动能量回收，在变流器再次牵引起动时，将能量回馈至牵引变流器，降低直流供电网络电压波动的同时，降低能源浪费。
2、本发明通过在变流器内部能量的变换，实现牵引变流器与制动能量回收再利用设备集成在同一设备内，制动能量吸收再利用装置在牵引时，将储存能量释放；制动时将再生能量吸收至超级电容，从而将因机车制动造成的网压波动、能量浪费等问题，有效控制在变流器内部，实现从源头杜绝能源浪费，减小城市轨道交通供电网络的波动，提高了供电系统的安全性。
附图说明
图1是传统牵引变流器主电路拓扑图；
图2是本发明制动能量可回收再利用的牵引变流器主电路拓扑图。
具体实施方式
一种制动能量可回收再利用的牵引变流器，参见图2。图中：D1为单向导通二极管；T7、T8与L2构成升降压斩波电路，用于给超级电容C2恒流或恒压充放电；L1为直流平波电抗器；C1为直流支撑电容；T1～T6构成逆变电路，给牵引电机供电，或将牵引电机制动能量回馈至直流回路。
机车牵引时，如果超级电容C2电压高于最低剩余电压，通过控制T8脉冲宽度(电压外环、电流内环控制策略)，与T7的续流二极管、L2构成升压斩波电路，使得D1因承受反向电压截至，牵引电机起动能量全部来自超级电容C2；当超级电容电压等于或低于剩余电压时，T8控制脉冲停止，D1因承受正向电压导通，牵引电机能量开始由直流电网供给。
机车制动时，通过控制T7脉冲宽度(电压外环、电流内环控制策略)，与T8的续流二极管、L2构成降压斩波电路，给超级电容C2充电，此时，D1承受反向电压截至，牵引电机制动能量全部转化为超级电容C2的电荷储存起来。
Claims (2)
1.一种制动能量可回收再利用的变流方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)搭建制动能量可回收再利用的牵引变流器，所述牵引变流器包括能量回收单元、直流平波电抗器、直流支撑电容、逆变电路，所述直流支撑电容和逆变电路并联后再与直流平波电抗器串联构成工作单元；
所述牵引变流器还包括单向导通二极管；
所述能量回收单元包括升降压斩波电路和超级电容；
所述升降压斩波电路包括第一功率管单元、第二功率管单元和电抗器，所述第一功率管单元包括第一功率管以及连接在第一功率管源极和漏极之间的第一续流二极管；所述第二功率管单元包括第二功率管以及连接在第二功率管源极和漏极之间的第二续流二极管；
所述第一功率管单元和第二功率管单元串联后与工作单元并联；
所述超级电容和电抗器串联后与第二功率管单元并联；
所述工作单元和能量回收单元并联后与单向导通二极管串联；所述单向导通二极管的正极接直流电网的正极；
所述超级电容设置在牵引变流器所在的机车上；
2)判断机车处于牵引状态还是制动状态，牵引状态则进行步骤3)，制动状态则进行步骤4)；
3)机车牵引时，判断超级电容C2电压是否高于最低剩余电压；
若是，则通过控制第二功率管的脉冲宽度，使第二功率管单元与第一续流二极管、电抗器构成升压斩波电路，使得单向导通二极管因承受反向电压截至，牵引电机起动能量全部来自超级电容；
若否，则第二功率管的控制脉冲停止，单向导通二极管因承受正向电压导通，牵引电机能量由直流电网供给；
4)机车制动时，则通过控制第一功率管的脉冲宽度，使第一功率管单元与第二续流二极管、电抗器构成降压斩波电路，给超级电容充电，此时，单向导通二极管承受反向电压截至，牵引电机制动能量全部转化为超级电容的电荷储存起来。
2.根据权利要求1所述的制动能量可回收再利用的变流方法，其特征在于：
所述第一功率管的脉冲宽度采用电压外环、电流内环的控制方式；所述第二功率管的脉冲宽度采用电压外环、电流内环的控制方式。
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