CN105539164B - 一种双源制电力机车变流装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双源制电力机车变流装置，包括牵引供电模块、PWM整流模块、中间直流电路模块、逆变模块、直流变换模块、储能模块和传动控制模块；牵引供电模块的网侧输入端口与供电电网连接，牵引供电模块的输出端口与PWM整流模块的交流侧端口连接；PWM整流模块的直流侧端口与中间直流电路模块的直流母线连接；逆变模块的中间侧端口与中间直流电路模块的直流母线连接；逆变模块的输出侧端口与用电设备连接；直流变换模块的中间侧端口与中间直流电路模块连接；储能模块与直流变换模块的储能侧端口连接；传动控制模块用于监测各模块的运行状态，并提供控制信号。本发明具有可为机车提供持续动力，减轻机车变压器体积和重量，节能等优点。

Description

一种双源制电力机车变流装置

技术领域

本发明涉及机车用变流设备领域，尤其涉及一种双源制电力机车变流装置。

背景技术

为使电力系统三相负荷尽可能平衡，电气化铁道的接触网采用分段换相供电。为防止相间短路，在不同相供电臂之间的连接处用绝缘装置分割，形成了二个供电臂之间绝缘分割区域，称为分相区。电力机车在进入分相区前，通过“人控”（司机操作）或“机控”（设备控制）2种方法，切断机车用电负载，使电力机车受电弓在无电流情况下滑行通过分相区后，再恢复机车用电负载。上述“人控”和“机控”的2种过分相操作方法，由于受操作者可能存在的失误和设备故障失控，带电过分相的现象还难以杜绝，而一旦发生，轻则受电弓、分相装置受损，严重时造成接触网烧损，中断铁路运输，给电气化铁路行车安全构成严重威胁。

同时，传统电力机车仅靠接触网进行供电，在无电网区域，比如北方高原地带，电力机车的优势无法发挥出来。传统大功率电力机车牵引功率是由25kV接触网提供，通过牵引变压器变压成牵引负载所需的功率，若整车功率全部由牵引变压器提供，则变压器的体积、重量相对较大，在机车上安装相对困难。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种具备电网电源供电和储能模块电源供电两种供电方式，能够在机车过分相区提供持续动力，以及能够在无电区保证机车正常运行，在不缩减整车功率的前提下减轻机车变压器体积和重量，节约电能的双源制电力机车变流装置。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：一种双源制电力机车变流装置，包括牵引供电模块、PWM整流模块、中间直流电路模块、逆变模块、直流变换模块、储能模块和传动控制模块；

所述牵引供电模块的网侧输入端口与供电电网连接，牵引供电模块的输出端口与PWM整流模块的交流侧端口连接；

所述PWM整流模块的直流侧端口与中间直流电路模块的直流母线连接；

所述逆变模块的中间侧端口与所述中间直流电路模块的直流母线连接；

所述逆变模块的输出侧端口与用电设备连接；

所述直流变换模块的中间侧端口与中间直流电路模块的直流母线连接；

所述储能模块与所述直流变换模块的储能侧端口连接；

所述传动控制模块用于监测所述牵引供电模块、PWM整流模块、中间直流电路模块、逆变模块、直流变换模块的运行状态，并提供控制信号。

作为本发明的进一步改进，所述牵引供电模块包括至少一个牵引供电单元，所述牵引供电单元包括串联的取电电路和预充电电路。

作为本发明的进一步改进，所述PWM整流模块包括至少一个PWM整流单元，所述PWM整流单元的交流侧端口与所述牵引供电单元连接，所述PWM整流单元的直流侧端口并联，与所述中间直流电路模块的直流母线连接。

作为本发明的进一步改进，所述中间直流电路模块包括与所述直流母线连接的放电端子、并联在直流母线两极之间的接地检测装置、LC滤波单元、二次电容放电装置、中间电压检测装置和放电指示灯。

作为本发明的进一步改进，所述逆变模块包括至少一个为机车牵引电机提供电源的牵引逆变单元和为机车辅助设备提供电源的辅助逆变单元；所述牵引逆变单元的中间侧端口与所述辅助逆变单元的中间侧端口并联，并与所述中间直流电路模块的直流母线连接。

作为本发明的进一步改进，所述直流变换模块包括至少一个直流变换单元，所述直流变换单元的中间侧端口并联。

作为本发明的进一步改进，所述储能模块包括至少一个储能单元，所述储能单元与一个直流变换单元的储能侧端口连接。

作为本发明的进一步改进，所述储能单元为超级电容或蓄电池。

作为本发明的进一步改进，包括至少一个超级电容和一个蓄电池。

作为本发明的进一步改进，所述储能模块还包括牵引预充电电路，所述牵引预充电电路一端与储能模块连接，另一端与中间直流电路模块的直流母线连接。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明具备电网电源供电和储能模块电源供电两种供电方式，能够在机车过分相区提供持续动力，以及能够在无电区保证机车正常运行。

2、本发明通过储能模块作为机车的补充牵引供电电源，在不缩减整车功率的前提下减轻机车变压器体积和重量。

3、本发明在机车制动工况下能够将制动能量存储至储能模块，或者反馈至电网，节约电能。

附图说明

图1为本发明双源制电力机车变流装置结构示意图。

图2为本发明双源制电力机车电路拓扑示意图。

图3为本发明一种优先方案结构示意图。

图4为本发明在牵引工况下能量流动示意图。

图5为本发明在制动工况下能量流动示意图。

图例说明：1、牵引供电模块；11、牵引供电单元；111、取电电路；112、预充电电路；113、信号检测单元；2、PWM整流模块；21、PWM整流单元；3、中间直流电路模块；31、放电端子；32、接地检测装置；33、LC滤波单元；34、二次电容放电装置；35、中间电压检测装置；36、放电指示灯；4、逆变模块；41、牵引逆变单元；42、辅助逆变单元；5、直流变换模块；51、直流变换单元；6、储能模块；61、储能单元；62、牵引预充电电路；7、传动控制模块。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

如图1所示，本实施例一种双源制电力机车变流装置，包括牵引供电模块1、PWM整流模块2、中间直流电路模块3、逆变模块4、直流变换模块5、储能模块6和传动控制模块7；牵引供电模块1的网侧输入端口与供电电网连接，牵引供电模块1的输出端口与PWM整流模块2的交流侧端口连接；PWM整流模块2的直流侧端口与中间直流电路模块3的直流母线连接；逆变模块4的中间侧端口与中间直流电路模块3的直流母线连接；逆变模块4的输出侧端口与用电设备连接；直流变换模块5的中间侧端口与中间直流电路模块3的直流母线连接；储能模块6与直流变换模块5的储能侧端口连接；传动控制模块7用于监测牵引供电模块1、PWM整流模块2、中间直流电路模块3、逆变模块4、直流变换模块5的运行状态，并提供控制信号。在图1中，实线用于表示各模块之间电气连接关系，带箭头的虚线用于表示传动控制模块7与各模块之间状态监测及控制信号传输连接关系。在本实施例中，供电电网提供25kV的单相交流电，通过牵引供电模块1降压成AC530V的单相交流电，再通过PWM整流模块2整流为DC900V直流电压，通过直流变换模块5为储能模块6进行充电，或者通过逆变模块4为机车牵引电机或者辅助用电设备进行供电。在制动工况下，机车牵引电机发出的三相电压经整流、逆变后通过牵引供电模块1反馈回供电电网，或者通过直流变换模块5，将制动能量储存至储能模块6，进行能量的回收，节约电能，绿色环保。

如图2所示，在本实施例中，牵引供电模块1包括至少一个牵引供电单元11，牵引供电单元11包括串联的取电电路111和预充电电路112。取电电路111的原边侧与供电电网连接，副边侧与预充电电路112串联，在取电电路111的副边侧还串联有信号检测单元113，用于检测牵引供电单元11的电流状态，用于保护牵引供电模块1和PWM整流模块2的安全。预充电电路112包括由一个旁路断路器与一个旁路电阻串联组成的旁路开关电路，和与该旁路开关电路并联的主断路器。在预充电时，断开主断路器，闭合旁路断路器，由旁路电阻对取电电路111的电压进行降压，为PWM整流模块2进行预充电，预充电完成后，闭合主断路器，断开旁路断路器，为PWM整流模块2进行正常供电。在本实施例中，在牵引工况下，牵引供电模块1为PWM整流模块2提供AC530V单相交流电，经PWM整流模块2进行整流输出直流电，当中间直流电路模块3直流母线间的中间电压达到DC750V时，闭合主断路器，断开旁路断路器，完成预充电。通过预充电，可有效减小储能模块6放电时的大电流对设备造成的冲击。

如图2所示，在本实施例中，PWM整流模块2包括至少一个PWM整流单元21，PWM整流单元21的交流侧端口与牵引供电单元11连接，PWM整流单元21的直流侧端口并联，与中间直流电路模块3的直流母线连接。在本实施例中，包括4个牵引供电单元11，和4个PWM整流单元21，每个牵引供电单元11的输出端口均与一个PWM整流单元21的交流侧端口连接。PWM整流单元21为PWM整流器。需要说明的是，可以根据电力机车的实际需要，对牵引供电单元11和PWM整流单元21的数量进行合理的配置，增加或减少牵引供电单元11和PWM整流单元21的数量。

在本实施例中，各牵引供电单元11和PWM整流单元21可以单独控制，也可以2个为一组进行组合控制。如图2所示，第一个牵引供电单元和第二个牵引供电单元为一组，第三个牵引供电单元和第四个牵引供电单元为一组，只在第一个牵引供电单元和第三个牵引供电单元中设置预充电电路。在预充电时，断开主断路器KM1、KM2、KM4、KM5，闭合旁路断路器KM3、KM6，由与第一个牵引供电单元和第三个牵引供电单元连接的PWM整流单元进行预充电，预充电完成后，闭合主断路器KM1、KM2、KM4、KM5，断开旁路断路器KM3、KM6。在组合控制模式下，KM1和KM2，KM4和KM5是同时控制。

如图2所示，在本实施例中，中间直流电路模块3包括与直流母线连接的放电端子31、并联在直流母线两极之间的接地检测装置32、LC滤波单元33、二次电容放电装置34、中间电压检测装置35和放电指示灯36。放电端子31是将中间直流电路模块3中直流母线正极、负极、LC滤波单元33中二次谐振电容正端通过电缆连接到外部，在机车进行检修时，可将残余的电量释放，保障维修人员的安全。接地检测装置32由电阻R7、R8进行串联，用于接地检测，传动控制模块7检测输出传感器VH1，当牵引供电模块1接地、中间直流电路模块3的直流母线正极或负极接地时，电阻R7、R8的中性点电压失衡，通过硬件设置及软件判断，对不同位置的接地波形进行比较，判断故障点，通过切断电源方式进行电路的自我保护，同时该电阻也可用作中间直流电路模块3残余电量的释放。LC滤波单元33用于将PWM整流模块2输出中的2次谐波滤除，保障中间直流电路模块3电压的恒定。二次电容放电装置34用于将中间直流电路模块3中残余电量的释放。中间电压检测装置35用于中间直流电路模块3的电压检测，传动控制模块7通过该中间电压检测装置35获取中间直流电路模块3的电压状态，并向PWM整流模块2发送控制指令，维持中间直流电路模块3的电压稳定。放电指示灯36用于指示中间直流电路模块3的放电情况，提醒操作人员在灯亮的情况下，不要进行维修作业。

如图2所示，本实施例中，逆变模块4包括至少一个为机车牵引电机提供电源的牵引逆变单元41和为机车辅助设备提供电源的辅助逆变单元42；牵引逆变单元41的中间侧端口与辅助逆变单元42的中间侧端口并联，并与中间直流电路模块3的直流母线连接。

在本实施例中，牵引逆变单元41为VVVF逆变器，辅助逆变单元42为CVCF逆变器。VVVF逆变器直接与中间直流电路模块3耦合，根据传动控制模块7发送的逆变输出指令，如图4所示，在牵引工况下将中间直流电路模块3的直流电压逆变为电压和频率可调的三相交流电供给牵引电机，同时也可以为储能模块6进行充电，当然也可以在车库内预先为储能模块6充电；当负载要求功率大于牵引供电模块1所能提供功率的情况下，通过储能模块6释放储存能量以补充浮动功率；当负载要求功率小于牵引供电模块1功率时，储能模块6吸收并储存牵引供电模块1所提供的多余能量。如图5所示，在制动工况下，将牵引电机输出的三相交流电整流输出给中间直流电路模块3，并通过PWM整流模块2逆变，通过牵引供电模块1反馈给供电电网；或者通过直流变换模块5将电能存储至储能模块6。和传统电力机车相比，以储能模块6作为机车的补充牵引供电电源，可保证较小功率的牵引供电模块1完成正常的牵引工作，在不缩减整车功率的前提下减轻机车变压器体积和重量，可有效提高系统的效率。并且能够在机车过分相区和无电区为机车提供持续动力，保证机车正常运行。在本实施例中，牵引逆变单元41还包括斩波单元Rst，在停机或者车轮打滑的情况下，可通过斩波单元Rst中的斩波电阻进行能量的快速释放及过电压抑制，保障机车的行车安全。CVCF逆变器直接与中间直流电路模块3耦合，根据传动控制模块7发送的逆变控制指令，将中间直流电路模块3的直流电压逆变为恒定的电压和频率，为机车的辅助系统供电。

直流变换模块5直接与中间直流电路模块3耦合，对储能模块6进行充电或放电。在本实施例中，直流变换模块5将中间直流电路模块3的DC900V直流电压变换成DC600V～DC800V的直流电压，对储能模块6进行充电。正常充电时充电模式为恒流/恒压，直流变换模块5具有软启动功能，输出电压从DC600V输出开始，检测到输出电流和电压值后，逐渐增大充电电流。当机车在额定状况下工作，通过牵引供电模块1中的信号检测单元113检测到电流超过限定范围时，传动控制模块7将通过指令限制直流变换模块5的输出电流；在任何状态下，当传动控制模块7检测到储能模块6输出脉冲电压小于1000V时，直流变换模块5根据储能模块6的要求进行输出功率调节；当需要直流变换模块5限功率运行时，机车传动控制模块7向直流变换模块5发送控制指令，限行直流变换模块5对储能模块6的充电电流，以满足储能模块6在不同工况下地充电需求。

如图2所示，在本实施例中，直流变换模块5包括至少一个直流变换单元51，直流变换单元51的中间侧端口并联。储能模块6包括至少一个储能单元61，储能单元61与一个直流变换单元51的储能侧端口连接。储能单元61为超级电容或蓄电池。储能模块6还包括牵引预充电电路62，牵引预充电电路62一端与储能模块6连接，另一端与中间直流电路模块3的直流母线连接。

在本实施例中，蓄电池可以采用锂离子电池，锂离子电池具有能量密度高，优于铅酸电池、镍氢电池，功率密度居中，使用寿命要远高于铅酸电池等优点，但技术成熟度及应用的可靠性与铅酸电池相比有一定的差距，并且价格昂贵。超级电容相比于蓄电池和普通电容，具有充放电速度快、效率高、对环境无污染、循环寿命长、使用温度范围宽、安全性高、阻抗低等优点。超级电容在其额定电压范围内可以被充电至任意电位，且可以完全放出，而电池则受自身化学反应限制工作在较窄的电压范围，如果过放可能造成永久性破坏。但超级电容被全部放电时，会表现出小电阻特性，须采用恒流或恒压充电，并且由于快速充电、放电的特性，无法为机车持续供电。如图3所示，本实施例的一种优选的方案是：采用超级电容与蓄电池并联。一方面可以提高机车的启动性能。牵引供电模块1提供连续功率源，负责提供连续的额定功率，以达到正常的牵引工作；超级电容负责提供短周期快速动态性能的功率，如制动能量的快速吸收；蓄电池是介于二者之间的功率源，提供慢动态周期的能量；另一方面，由于超级电容器的等效串联电阻远低于蓄电池的内阻，有效地降低了蓄电池极板的极化，阻止了蓄电池内阻的上升使启动过程的平稳电压得到提高，而且蓄电池极板极化的减轻不仅有利于延长蓄电池的使用寿命，而且也可以消除频繁启动对蓄电池寿命的影响。

上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种双源制电力机车变流装置，其特征在于：包括牵引供电模块（1）、PWM整流模块（2）、中间直流电路模块（3）、逆变模块（4）、直流变换模块（5）、储能模块（6）和传动控制模块（7）；

所述牵引供电模块（1）的网侧输入端口与供电电网连接，牵引供电模块（1）的输出端口与PWM整流模块（2）的交流侧端口连接；

所述PWM整流模块（2）的直流侧端口与中间直流电路模块（3）的直流母线连接；

所述逆变模块（4）的中间侧端口与所述中间直流电路模块（3）的直流母线连接；

所述逆变模块（4）的输出侧端口与用电设备连接；

所述直流变换模块（5）的中间侧端口与中间直流电路模块（3）的直流母线连接；

所述储能模块（6）与所述直流变换模块（5）的储能侧端口连接；

所述传动控制模块（7）用于监测所述牵引供电模块（1）、PWM整流模块（2）、中间直流电路模块（3）、逆变模块（4）、直流变换模块（5）的运行状态，并提供控制信号；所述传动控制模块（7）还用于控制所述牵引供电模块（1）通过所述PWM整流模块（2）和所述储能模块（6）通过所述直流变换模块（5）交替地向所述中间直流电路模块输出电能。

2.根据权利要求1所述的双源制电力机车变流装置，其特征在于：所述牵引供电模块（1）包括至少一个牵引供电单元（11），所述牵引供电单元（11）包括串联的取电电路（111）和预充电电路（112）。

3.根据权利要求2所述的双源制电力机车变流装置，其特征在于：所述PWM整流模块（2）包括至少一个PWM整流单元（21），所述PWM整流单元（21）的交流侧端口与所述牵引供电单元（11）连接，所述PWM整流单元（21）的直流侧端口并联，与所述中间直流电路模块（3）的直流母线连接。

4.根据权利要求1所述的双源制电力机车变流装置，其特征在于：所述中间直流电路模块（3）包括与所述直流母线连接的放电端子（31）、并联在直流母线两极之间的接地检测装置（32）、LC滤波单元（33）、二次电容放电装置（34）、中间电压检测装置（35）和放电指示灯（36）。

5.根据权利要求1所述的双源制电力机车变流装置，其特征在于：所述逆变模块（4）包括至少一个为机车牵引电机提供电源的牵引逆变单元（41）和为机车辅助设备提供电源的辅助逆变单元（42）；所述牵引逆变单元（41）的中间侧端口与所述辅助逆变单元（42）的中间侧端口并联，并与所述中间直流电路模块（3）的直流母线连接。

6.根据权利要求1所述的双源制电力机车变流装置，其特征在于：所述直流变换模块（5）包括至少一个直流变换单元（51），所述直流变换单元（51）的中间侧端口并联。

7.根据权利要求6所述的双源制电力机车变流装置，其特征在于：所述储能模块（6）包括至少一个储能单元（61），所述储能单元（61）与一个直流变换单元（51）的储能侧端口连接。

8.根据权利要求7所述的双源制电力机车变流装置，其特征在于：所述储能单元（61）为超级电容或蓄电池。

9.根据权利要求8所述的双源制电力机车变流装置，其特征在于：包括至少一个超级电容和一个蓄电池。

10.根据权利要求6至9任一项所述的双源制电力机车变流装置，其特征在于：所述储能模块（6）还包括牵引预充电电路（62），所述牵引预充电电路（62）一端与储能模块（6）连接，另一端与中间直流电路模块（3）的直流母线连接。