CN105774569A - 集成储能装置充放电控制的轨道车辆牵引逆变系统及方法 - Google Patents

Abstract

集成储能装置充放电控制的轨道车辆牵引逆变系统，包括预充电单元、线路滤波单元、电流电压检测单元、两组牵引逆变单元及牵引控制单元，电流电压检测单元采集系统内的电流电压信号，进行信号转换并传递到牵引控制单元，直流线网侧分别经两组预充电单元连接到一组线路滤波单元的输入端；每组牵引逆变单元均包括集成为一体的斩波模块和逆变模块，所述斩波模块包括制动斩波单元和DCDC斩波单元，制动斩波单元分别与线路滤波单元的输出端、制动电阻相连和DCDC斩波单元相连；DCDC斩波单元分别与储能装置和逆变单元相连。该装置的牵引逆变单元为集成一体化结构，实现了DCDC斩波单元的集成，简化硬件电路并降低成本。

Description

集成储能装置充放电控制的轨道车辆牵引逆变系统及方法

技术领域

本发明属于轨道车辆电气技术领域，涉及一种用于轨道车辆的牵引逆变器，具体的说，涉及一种集成储能装置充放电控制的轨道车辆牵引逆变系统及方法。

背景技术

目前轨道交通牵引传动系统所用的储能装置充放电控制器一般为一台储能装置为2台逆变单元提供能量，如果单台故障将导致两台牵引逆变单元无法通过储能装置进行能量的释放和吸收，导致系统的冗余性较差。

目前为车载储能装置进行充放电的DCDC控制器与牵引逆变器是独立的两个不同的设备，因此DCDC控制器也需要一套单独的预充电单元、线路滤波器和控制器，同时也需要单独的功率模块和散热系统。系统相对复杂，设备的综合成本较高。

另一方面，车载储能装置DCDC控制器需要单独的控制器进行充放电控制，若要实现牵引和制动工况下与牵引逆变器能量管理进行优化，则需要与牵引逆变器进行大量的实时数据交互，需要额外增加DCDC控制器与牵引控制器之间的通信线缆，控制的实时性和可靠性相对较低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种集成储能装置充放电控制的轨道车辆牵引逆变系统，可实现列车牵引和制动工况下能量高效的管理。

本发明的技术方案是：集成储能装置充放电控制的轨道车辆牵引逆变系统，包括预充电单元、线路滤波单元、电流电压检测单元、两组牵引逆变单元及牵引控制单元，电流电压检测单元采集系统内的电流电压信号，进行信号转换并传递到牵引控制单元，预充电单元为两组，线路滤波单元为一组；直流线网侧分别经两组预充电单元连接到一组线路滤波单元的输入端；每组牵引逆变单元均包括集成为一体的斩波模块和逆变模块，斩波模块包括制动斩波单元和DCDC斩波单元，制动斩波单元分别与线路滤波单元的输出端、制动电阻相连和DCDC斩波单元相连；DCDC斩波单元分别与储能装置和逆变单元相连；两组逆变单元分别与两侧不同的牵引电机相连；

DCDC斩波单元包括DCDC双向变流桥臂，能量可在储能单元、DCDC斩波单元和逆变单元之间双向流动；

牵引控制单元控制制动斩波单元、DCDC斩波单元和逆变单元的工作。

优选的是：牵引逆变单元包括并联的五个桥臂，分别为一个制动斩波桥臂，一个DCDC斩波桥臂和三个逆变桥臂，每个桥臂的结构相同，均包括串联连接的上桥臂和下桥臂，上桥臂和下桥臂均包括同向并联连接的IGBT和二极管，IGBT的集电极与二极管的阴极相连，IGBT的发射极与二极管的阳极相连；

五个桥臂中，每个上桥臂的输出端，均经制动电阻与储能装置的第一端相接，每个下桥臂的输入端均与储能装置的第一端相连；

制动斩波桥臂下桥臂的输出端与储能装置的第一端相连；

DCDC斩波桥臂下桥臂的输出端经电感与储能装置的第二端相连；

三个逆变桥臂中，每个下桥臂的输出端均接牵引电机。

更进一步的：储能装置包括多个串联连接的电容模块。

列车储能装置充放电控制的方法，包括架空线运行控制和非架空线运行控制；架空线运行控制方法如下：检测储能装置的电压及列车运行速度；

为储能装置设定充电极限和放电极限，充电极限分为主动充电极限U_CMAXACT和被动充电极限U_CMAXPASS，分别对应主动充电速度极限V_MAXACT和被动充电速度极限V_MAXPASS，且U_CMAXACT＞U_CMAXPAS，V_MAXACT＞V_MAXPASS；放电极限分为主动放电极限U_CMINACT和被动放电极限U_CMINPASS，分别对应主动放电速度极限V_MINACT和被动放电速度极限V_MINACT，且U_CINXACT＜U_CINPASS，V_MINACT＜V_MINPASS；

当储能装置的电压U≥U_CMAXACT，则强制对储能装置放电；

当储能装置的电压U≥U_CMAPASS，则停止对储能装置充电；

当列车运行速度V＞V_MAXPASS，V_MAXPASS线性下降；

当列车运行速度V＞V_MAXACT，V_MAXACT线性下降；

当储能装置的电压U≤U_CINPASS，则强制禁止储能装置放电；

当储能装置的电压U≤U_CINXACT，则强制对储能装置充电；

当列车运行速度V＜V_MINPASS，V_MINPASS线性提高；

当列车运行速度V＜V_MINACT，V_MINACT线性提高。

本发明的有益效果是：

(1)该装置的牵引逆变单元为集成一体化结构，实现了DCDC斩波单元的集成，简化硬件电路并降低成本，控制单元可实现对整个逆变器的集中控制，不需要为每个功能模块设计单独的控制器，实现牵引电机、制动电阻和储能装置集中控制，提高了控制实时性和可靠性。

(2)列车在有网区间运行时，直流电由接触网获得并经由逆变模块变换成频率、电压均可调的三相交流电，向异步牵引电动机供电。无网区间运行时，储能装置电压经变换电路作用使支撑电容电压在一定范围之间变化，牵引逆变单元主电路能正常工作，储能装置提供所需能量并方便地实现牵引-制动的转换。列车再生制动时，再生制动能量优先回馈至储能装置中进行存储。列车处于牵引模式时，储能装置中存储的能量可为列车提供牵引动力。控制系统对储能装置进行能量管理，对储能装置的充放电电压及电流进行限制，合理高效的利用整车在制动过程中的再生制动能量，大大提高了能量的利用率。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为本发明结构示意图。

图3为充电曲线原理图。

图4为放电曲线原理图。

其中：Q₁-制动斩波桥臂，Q₂-DCDC斩波桥臂，Q₃-逆变桥臂U，Q₄-逆变桥臂V，Q₅-逆变桥臂W，Rz-制动电阻

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的描述。

如图1所示，集成储能装置充放电控制的轨道车辆牵引逆变系统，包括预充电单元、线路滤波单元、电流电压检测单元、两组牵引逆变单元及控制单元。

预充电单元为两组，线路滤波单元为一组；直流线网侧分别经两组预充电单元连接到一组线路滤波单元的输入端；每组牵引逆变单元均包括集成为一体的斩波模块和逆变模块，所述斩波模块包括制动斩波单元和DCDC斩波单元，制动斩波单元分别与线路滤波单元的输出端、制动电阻相连和DCDC斩波单元相连；DCDC斩波单元分别与储能装置和逆变单元相连；两组逆变单元分别与两侧不同的牵引电机相连。

线路滤波单元由直流滤波电感和直流支撑电容构成，用于限制直流线网侧的电压波动，并减少高次谐波对电网和信号的影响。同时，当逆变单元出现故障时，直流滤波电感限制直流电流的上升斜率，避免逆变器短路时对电网产生冲击。

本发明具体的结构如图2所示。

牵引逆变单元包括并联的五个桥臂，分别为一个制动斩波桥臂Q₁，一个DCDC斩波桥臂Q₂和三个逆变桥臂，三个逆变桥臂分别为逆变桥臂UQ₃，逆变桥臂VQ₄和逆变桥臂WQ₅，每个桥臂的结构相同，均包括串联连接的上桥臂和下桥臂，上桥臂和下桥臂均包括同向并联连接的IGBT和二极管，IGBT的集电极与二极管的阴极相连，IGBT的发射极与二极管的阳极相连；储能装置由四个储能装置串联连接而成，储能装置连接有一储能装置控制箱，储能装置控制箱内集成了电感、熔断器等部件。

以一个牵引逆变单元为例，五个桥臂中，每个上桥臂的输出端A1、A2、A3、A4、A5，均经制动电阻Rz与储能装置的第一端相接，每个下桥臂的输入端B1，B2，B3，B4，B5均与储能装置的第一端相连；

制动斩波桥臂下桥臂的输出端C1对应为下桥臂和上桥臂的连接端，与储能装置的第一端相连。

DCDC斩波桥臂下桥臂的输出端C2经储能装置控制箱与储能装置的第二端相连。其上桥臂和下桥臂构成双向变流桥臂，使列车制动和牵引工况下，能量可在储能单元、DCDC斩波单元和逆变单元之间双向流动。

逆变桥臂UQ₃，逆变桥臂VQ₄和逆变桥臂WQ₅，每个下桥臂的输出端C3，C4，C5均接牵引电机，制动斩波桥臂Q₁、DCDC斩波桥臂Q₂和三个逆变桥臂，结合储能装置控制箱内的一路电感和四个储能装置共同配合驱动一台交流牵引电机工作。

工作时，电流电压检测单元采集系统内输入输出的电流电压信号，将高压大电流信号转换成控制器可采集的电压电流信号，并传递到控制单元。控制单元用于控制制动斩波桥臂Q₁、DCDC斩波桥臂Q₂和三个逆变桥臂的工作。

当列车有架空线运行时，通过对储能装置的电压及列车运行速度的极限值实现对储能装置能量的控制。限制储能装置的运行电流和电压极限，限制储能装置的户能极限以及可以提供的牵引功率，从而使加速情况下，储能装置仅可以提供一部分牵引功率，其余的能量必须从线路上获得，而在制动情况下，一部分能量反馈到储能装置中，而多余的能量消耗在制动电阻上。

列车处于制动工况时，控制DCDC斩波单元降压，将牵引逆变单元回馈的制动能量反充给储能装置。此时，控制DCDC斩波桥臂Q₂的上桥臂半导体开关器件IGBT导通下桥臂半导体开关器件IGBT关断，与下桥臂半导体开关器件IGBT反并联的二极管进行续流，直流网压侧能量经电抗器流向储能装置，对储能装置进行充电，能量回馈过程中，优先将能量回馈到储能装置储存起来，若能量达到储能装置的储能上限，当储能装置无法吸收全部的制动功率时，制动斩波桥臂Q₁被激活，多余的能量将经制动斩波单元传递到制动电阻Rz，以热能的形式消耗，此时可以等效为降压工作电路。列车处于牵引工况时，控制DCDC斩波桥臂Q₂升压，将储能装置中的电能提供给牵引逆变单元。控制上桥臂半导体开关器件IGBT关断下桥臂半导体开关器件IGBT导通，与上桥臂半导体开关器件IGBT反并联的二极管进行续流，能量从储能装置侧经FL流向直流网压侧。此时可以等效为升压工作电路。

储能装置的最大电压极限称为充电极限。充电极限分为被动充电极限U_CMAXPASS和主动充电极限U_CMAXACT，分别对应主动充电速度极限V_MAXACT和被动充电速度极限V_MAXPASS，且U_CMAXACT＞U_CMAXPAS，V_MAXACT＞V_MAXPASS

当储能装置的电压U≥U_CMAXACT，则强制对储能装置放电，使储能装置电压降到主动充电极限，因此不允许储能装置电压超过主动充电极限，但瞬态过程除外。

当储能装置的电压U≥U_CMAPASS，则停止对储能装置充电，只允许放电。

当列车启动并加速的过程中，动能逐渐变大，列车动能一部分来自于线网，同时需要对储能装置放电，以便在下次制动过程中，储能装置仍然有能力吸收智能能。例如，列车速度V＜V_MAXPASS时，其需要的动能来自于电网，而当V＞V_MAXPASS时，需要储能装置强制放电，因此当列车运行速度V＞V_MAXPASS，V_MAXPASS线性下降，当列车运行速度V＞V_MAXACT，V_MAXACT线性下降。

储能装置的最小电压极限称为放电极限。根据动作的不同，放电极限分为被动放电极限U_CMINPASS和主动放电极限U_CMINACT，分别对应主动放电速度极限V_MINACT和被动放电速度极限V_MINACT，且U_CINXACT＜U_CINPASS，V_MINACT＜V_MINPASS。

当储能装置的电压U≤U_CINPASS，则强制禁止储能装置放电。

当储能装置的电压U≤U_CINXACT，则强制对储能装置充电，因此不允许储能装置的电压小于主动放电极限。

当列车减速运行过程中，制动能量一部分反馈到储能装置储存，一部分消耗在制动电阻上。而为了为列车下次启动或无网运行时储备足够的能量，当V＜V_MINPASS，强制对储能装置储能，因此当列车运行速度V＜V_MINPASS，V_MINPASS线性提高，当列车运行速度V＜V_MINACT，V_MINACT线性提高。

当列车处于无架空线运行时，需要有效利用储能模块的能量。保证进入无架空线区域前，储能装置充满电，设定储能模块的极限低压，保证储能模块的电压不低于极限低压，因此可以保证存储的能量保证常规的无架空线运行。当储能装置无法吸收全部的制动功率时，制动斩波桥臂Q₁被激活，多余的能量消耗在制动电阻Rz上。

综上，该牵引逆变器在有网区通过受电弓从接触网供电，实现整车的牵引、制动运行。在无网区运行时，通过DCDC斩波单元的变换作用，由储能装置提供能量实现整车的供电运行。整车在制动过程中，能量优先回馈到储能装置中存储，当列车处于牵引工况时，储能装置中存储的能量释放出来供列车使用。

Claims (4)

1.集成储能装置充放电控制的轨道车辆牵引逆变系统，包括预充电单元、线路滤波单元、电流电压检测单元、两组牵引逆变单元及牵引控制单元，电流电压检测单元采集系统内的电流电压信号，进行信号转换并传递到牵引控制单元，其特征在于：预充电单元为两组，线路滤波单元为一组；直流线网侧分别经两组预充电单元连接到一组线路滤波单元的输入端；每组牵引逆变单元均包括集成为一体的斩波模块和逆变模块，所述斩波模块包括制动斩波单元和DCDC斩波单元，制动斩波单元分别与线路滤波单元的输出端、制动电阻相连和DCDC斩波单元相连；DCDC斩波单元分别与储能装置和逆变单元相连；两组逆变单元分别与两侧不同的牵引电机相连；

所述DCDC斩波单元包括DCDC双向变流桥臂，能量可在储能单元、DCDC斩波单元和逆变单元之间双向流动；

牵引控制单元控制制动斩波单元、DCDC斩波单元和逆变单元的工作。

2.如权利要求1所述的集成储能装置充放电控制的轨道车辆牵引逆变系统，其特征在于：所述牵引逆变单元包括并联的五个桥臂，分别为一个制动斩波桥臂，一个DCDC斩波桥臂和三个逆变桥臂，每个桥臂的结构相同，均包括串联连接的上桥臂和下桥臂，上桥臂和下桥臂均包括同向并联连接的IGBT和二极管，IGBT的集电极与二极管的阴极相连，IGBT的发射极与二极管的阳极相连；

五个桥臂中，每个上桥臂的输出端，均经制动电阻与储能装置的第一端相接，每个下桥臂的输入端均与储能装置的第一端相连；

制动斩波桥臂下桥臂的输出端与储能装置的第一端相连；

DCDC斩波桥臂下桥臂的输出端经电感与储能装置的第二端相连；

三个逆变桥臂中，每个下桥臂的输出端均接牵引电机。

3.如权利要求1或2所述的集成储能装置充放电控制的轨道车辆牵引逆变系统，其特征在于：所述储能装置包括多个串联连接的电容模块。

4.采用权利要求1所述的集成储能装置充放电控制的轨道车辆牵引逆变系统进行列车储能装置充放电控制的方法，包括架空线运行控制和非架空线运行控制；其特征在于：所述架空线运行控制方法如下：检测储能装置的电压及列车运行速度；

为储能装置设定充电极限和放电极限，所述充电极限分为主动充电极限U_CMAXACT和被动充电极限U_CMAXPASS，分别对应主动充电速度极限V_MAXACT和被动充电速度极限V_MAXPASS，且U_CMAXACT＞U_CMAXPAS，V_MAXACT＞V_MAXPASS；所述放电极限分为主动放电极限U_CMINACT和被动放电极限U_CMINPASS，分别对应主动放电速度极限V_MINACT和被动放电速度极限V_MINACT，且U_CINXACT＜U_CINPASS，V_MINACT＜V_MINPASS；

当储能装置的电压U≥U_CMAXACT，则强制对储能装置放电；

当储能装置的电压U≥U_CMAPASS，则停止对储能装置充电；

当列车运行速度V＞V_MAXPASS，V_MAXPASS线性下降；

当列车运行速度V＞V_MAXACT，V_MAXACT线性下降；

当储能装置的电压U≤U_CINPASS，则强制禁止储能装置放电；

当储能装置的电压U≤U_CINXACT，则强制对储能装置充电；

当列车运行速度V＜V_MINPASS，V_MINPASS线性提高；

当列车运行速度V＜V_MINACT，V_MINACT线性提高。