CN105449795B - 有轨电车地面充电电源系统及充电控制方法 - Google Patents
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Abstract
有轨电车地面充电电源系统，包括整流变压器、整流器、地面充电站及车载充电检测系统，还包括联锁控制系统，地面充电电源系统集成在电源柜内，电源柜内部分为高压室、变压器室和低压室。高压室内设置AC10kV交流开关柜，包括高压进线柜、PT柜、计量柜及出线柜，高压进线柜与高压供电电网相接，变压器室内设置10kV/0.66kV整流变压器，其输入端与高压室内出线柜的输出端相接；低压室内设置整流充电柜、直流开关柜及充电站控制系统。本系统不采用现有城轨交通牵引网作为电源输入，而是采用AC10kV进线柜，直接接入高压交流供电电网，采用集成化布局方式，将交流开关柜、变压器、整流单元等均集成在一个柜体内，占地空间小。
Description
技术领域
本发明属于有轨电车充电系统技术领域，涉及一种有轨电车地面充电电源系统及充电控制方法。
背景技术
近年来随着超级电容技术的进步与发展，国内外越来越多的新型有轨电车使用其作为储能元件，为部分或全部无接触网区间运行时提供牵引动力，另外，超级电容还可以吸收有轨电车电制动时产生的能量，从而实现有轨电车的少网化甚至无网化、绿色节能化。
超级电容作为储能元件装备在有轨电车上，需要在乘客上下车的站点布置地面充电装置，为车辆的超级电容进行快速补充电能，以保证有轨电车能够在无接触网区间正常行驶。
现有的有轨电车地面充电电源系统，变压器、整流器、直流充电柜等采用的是分散单独柜体结构，整流输出经长距离直流母线传输到直流充电柜，再连接到有轨电车充电臂为其充电。这种结构存在以下缺陷：(1)由于各功能原件均分散在不同的柜体内，导致整个地面充电电源系统分散，占用空间大；(2)由于整流输出到直流充电柜的传输母线过长，导致母线线损过高。
目前，城轨交通建设已有1500V或750V牵引网，现有有轨电车地面充电电源系统都采用的是现有的城轨牵引网作为充电装置的输入。例如专利号为201420589442.X的专利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，研究如何采用现有城轨牵引网进行有轨电车地面快速充电的问题。考虑到器件的安全性，若采用1500V牵引网电压，必须采用耐压3300V的IGBT部件，发热高，效率低，体积大，引线线损高，会增加充电系统的生产成本。地面充电系统需要大电流才能实现快速充电，若采用已有750V牵引网充电，电压低于车载储能元件的最高电压，需要增加升压电路，这不仅会大大增加系统的复杂程度和体积，也会增加系统的成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构布局合理、使用安全可靠、智能化高，满足短时充电要求的有轨电车地面充电电源系统。
本发明的技术方案是：有轨电车地面充电电源系统，包括整流变压器、整流器、地面充电站及车载充电检测系统，还包括联锁控制系统，地面充电电源系统集成在箱变柜内，箱变柜内部分为高压室、变压器室和低压室；
高压室内设置AC10kV交流开关柜，包括高压进线柜、PT柜、计量柜及出线柜，高压进线柜与高压供电电网相接，
变压器室内设置10kV/0.66kV整流变压器，其输入端与高压室内出线柜的输出端相接；
低压室内设置整流充电柜、直流开关柜及充电站控制系统，整流充电柜内设置整流器和恒流充电器；恒流充电器输出接直流开关柜的输入，直流开关柜的输出接有轨电车充电臂；充电站控制系统包括PID恒流控制器、无线通讯系统及设备监测系统，PID恒流控制器控制整流器及恒流充电器输出；
联锁控制系统设置于有轨电车上，包括车载充电检测装置及无线通讯系统，获取车载充电监测系统的数据，并经无线通讯系统与地面充电站的充电控制系统通讯。
优选的是：整流充电柜有多个，每个整流充电柜内设置独立的整流单元，各个整流单元的输入端均与整流变压器的输出端相接，输出端均与直流开关柜的输入端相连。
优选的是：有轨电车地面充电电源系统的充电及控制方法，停车后，充电站控制系统与连锁控制系统通讯，有轨电车确认地面充电站是否正常工作；若正常工作，则有轨电车执行升弓操作；联锁控制系统通过车载充电监控系统获取有轨电车储能元件所需要的充电电压、电流参数，传递到充电站控制系统；PID恒流控制器根据有轨电车储能元件所需要的充电电压、电流参数对整流器进行恒流限压控制，调整整流器的输出；若车载充电系统的元件出现过流、过压或超温故障，联锁控制系统通知地面充电站停机；充电完成后，降弓。
本发明的有益效果是：
(1)本系统不采用现有城轨交通牵引网作为电源输入，而是采用AC10kV进线柜，直接接入高压交流供电电网，再经整流变压器、整流器将高压交流电变为DC1100V以下的直流电，与采用DC1500V的供电电压相比，更有利于功率器件的选型。本系统可采用耐压为1700V的IGBT元件，在电流相同的情况下，与耐压3300V的IGBT元件相比，开关频率高1倍，但发热损耗仅为一半，相同参数的直流滤波电抗体积小很多，使整个充电站的体积更小，结构更紧凑，成本也更低。
(2)采用集成化布局方式，将交流开关柜、变压器、整流单元等均集成在一个箱变柜体内，占地空间小。将整流器与DC/DC恒流充电器集成在一个柜体内，中间直流母线很短，因此在该段母线上的压降、损耗可以忽略不计。可将中间直流母线的电压控制在DC1020～1050的范围内。
(3)采用多个整流器单元并联，一个整流单元故障另外的整流单元可继续工作，系统可靠性高。
(4)通过联锁控制系统，地面充电站与有轨电车建立了联系，车载系统将需要的充电电压、电流等参数发送到地面充电站，地面充电站根据接收到的参数进行恒流恒压充电控制。确保地面充电站能够安全、可靠的对有轨电车车载储能元件进行快速充电。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为本发明原理示意图。
图3为电源柜结构示意图。
其中，1-高压进线柜，2-出线柜，3-变压器室，401-整流充电柜I，402-整流充电柜II，5-直流开关柜，6-充电站控制系统，7-高压室，8-变压器室，9-低压室
具体实施方式
如图1至图3所示，有轨电车地面充电电源系统，包括整流变压器、整流器、地面充电站、车载充电检测系统及联锁控制系统，地面充电电源系统集成在箱变柜内，箱变柜内部分为高压室7、变压器室8和低压室9。
高压室7内设置AC10kV交流开关柜，包括高压进线柜1、PT柜、计量柜及出线柜2，高压进线柜1与10kV高压供电电网相接，为整个充电电源系统提供电能来源；计量柜用于电能计量；出线柜2用于保护整流变压器。
变压器室3内设置10kV/0.66kV整流变压器，其输入端与高压室7内出线柜2的输出端相接。
低压室9内设置整流充电柜、直流开关柜5及充电站控制系统6。整流充电柜有两个，为整流充电柜I401和整流充电柜II402，每个整流充电柜内设置独立的整流单元，各个整流单元的输入端均与10kV/0.66kV整流变压器的输出端相接，输出端均与直流开关柜5的输入端相连。整流充电柜内设置整流器和恒流充电器；恒流充电器的输出接直流开关柜5的输入。
直流开关柜5的输出经断路器、电动隔离开关接有轨电车充电臂，为有轨电车充电；还经电动隔离开关接行走轨。
充电站控制系统位于地面充电站，包括PID恒流控制器、无线通讯系统及设备监测系统，PID恒流控制器控制整流器输出，设备监测系统检测地面充电站各设备的工作状态，判断地面充电站是否可正常工作；联锁控制系统位于有轨电车内，也包括无线通讯系统，获取车载充电监测系统的数据，并经无线通讯系统与地面充电站的充电控制系统通讯，与充电站控制系统进行数据通讯，实现地面与车内的联锁控制。
10kV交流高压经高压开关柜1、计量柜输送至出线柜2，然后通过10kV/0.66kV变压器转换为低压，输送至各个整流充电柜。PID恒流控制器控制调节各个整流充电柜内整流器的输出，获得1000A/1800A恒流控制的直流电流源，最高电压为DC950V。
有轨电车的每节车厢上设置有单独的车载储能元件，各个车载储能元件之间为并联关系。车载充电监控系统是配置在有轨电车内用于监控车载储能元件运行状况的系统，可获取各路车载储能元件运行状态，工作中，可能出现某几路车载储能元件因故障退出运行。
有轨电车进站停车后，联锁控制系统通过无线通讯联系地面充电站，确认地面充电站是否正常工作，是否可以进行升弓充电。得到充电站控制系统的确认后，有轨电车开始升弓，发送充电请求，到位后通知地面充电站可以进行充电。
地面充电站检测到充电请求后，启动充电。
由于工况不同，每次进站后，车载储能元件的耗能情况不同，因此每次所需要的充电电压、电流参数也不同。车载充电监控系统监控每个车载储能元件的状态，获取有轨电车储能元件所需要的充电电压、电流参数，传递到地面充电站；PID恒流控制器根据有轨电车储能元件所需要的充电电压、电流参数控制整流器的输出；使地面充电站输出满足储能元件需求，实现恒流限压的充电控制。
充电过程中，若车载充电系统的元件出现过流、过压或超温等故障时，联锁控制系统将通知地面充电站停机。
充电完成后，车载储能元件的状态信号传递到联锁控制系统，联锁控制系统通知充电站控制系统，切断对有轨电车的供电连接，有轨电车收到充电完毕信号后降弓，充电过程完毕。
Claims (2)
1.有轨电车地面充电电源系统的充电控制方法，基于有轨电车地面充电电源系统而实现，所述有轨电车地面充电电源系统，包括整流变压器、整流器、地面充电站及车载充电检测系统，其特征在于：还包括联锁控制系统，地面充电电源系统集成在箱变柜内，所述箱变柜内部分为高压室、变压器室和低压室；
所述高压室内设置AC10kV交流开关柜，包括高压进线柜、PT柜、计量柜及出线柜，高压进线柜与高压供电电网相接，
所述变压器室内设置10kV/0.66kV整流变压器，其输入端与高压室内出线柜的输出端相接；
所述低压室内设置整流充电柜、直流开关柜及充电站控制系统，整流充电柜内设置整流器和恒流充电器；恒流充电器输出接直流开关柜的输入，直流开关柜的输出接有轨电车充电臂；所述充电站控制系统包括PID恒流控制器与无线通讯系统及设备监测系统，PID恒流控制器控制整流器及恒流充电器输出；
所述联锁控制系统设置于有轨电车上，包括车载充电检测装置及无线通讯系统，获取车载充电监测系统的数据，并经无线通讯系统与地面充电站的充电控制系统通讯；
停车后，充电站控制系统与联 锁控制系统通讯，有轨电车确认地面充电站是否正常工作；
若正常工作，则有轨电车执行升弓操作；联锁控制系统通过车载充电监控系统获取有轨电车储能元件所需要的充电电压、电流参数，传递到充电站控制系统；PID恒流控制器根据有轨电车储能元件所需要的充电电压、电流参数对整流器进行恒流限压控制，调整整流器的输出；若车载充电系统的元件出现过流、过压或超温故障，联锁控制系统通知地面充电站停机；充电完成后，降弓。
2.如权利要求1所述的有轨电车地面充电电源系统的充电控制方法，其特征在于：所述整流充电柜有多个，每个整流充电柜内设置独立的整流单元，各个整流单元的输入端均与整流变压器的输出端相接，输出端均与直流开关柜的输入端相连。
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