CN106428035A - 一种适用于储能式有轨电车的主电路系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及有适用于储能式有轨电车的主电路系统，包括集电装置、高压箱、牵引逆变器、辅助逆变器、储能装置、制动电阻等。本发明可以实现有轨电车区间无接触网运行。车辆在停站或运行时利用局部设置的接触网为车载储能装置充电，无接触网区段车辆利用车载储能装置电能保持运行。在有网或无网区段，均可回收利用车辆制动时电能，还可以实现进入有网区升弓、离开有网区降弓时不产生明显拉弧，保护接触网和受电弓。

Description

一种适用于储能式有轨电车的主电路系统

技术领域

本发明涉一种适用于储能式有轨电车的主电路系统, 属于现代有轨电车交通领域。

背景技术

现代有轨电车主电路系统通过受电弓从架空接触网取得电能，并通过高压母线分配至牵引逆变器和辅助逆变器，供牵引电机、辅助系统设备使用。随着蓄电池、超级电容等储能技术的发展，有轨电车无接触网储能供电已成为趋势，现有主电路系统已不适应新型供电形式，需加以改进。

现有主电路系统主要包括受电弓、高压箱、高压母线、牵引逆变器、辅助逆变器、制动电阻等。受电弓与接触网接触，从变电所取流。高压箱、高压母线起电能分配作用。牵引逆变器、辅助逆变器将电能提供给牵引、辅助设备。制动电阻用于消耗电制动时再生电能。

现有主电路系统必须实时从接触网取流，以保证列车运行需要。一旦接触网供电中断，列车将不能继续运行。该主电路系统对牵引供电系统、接触网可靠性要求高，运营调度不灵活。且接触网等供电设施造价高，维护成本高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的上述不足，提供一种适用于储能式有轨电车的主电路系统。

为了解决以上技术问题，本发明提供的适用于储能式有轨电车的主电路系统，其特征在于包括：集电装置、高压箱、牵引逆变器、辅助逆变器、储能装置和制动电阻，所述牵引逆变器设置有第1至第4开关，所述第1开关经高压正母线连接高压箱，第2开关经辅助高压正母线连接辅助逆变器，第三开关经制动电阻高压正母线连接制动电阻，第4开关经储能装置高压正母线连接储能装置，所述制动电阻、储能装置分别通过制动电阻高压负母线、储能装置高压负母线连接牵引逆变器，牵引逆变器通过（三相交流）线缆与牵引电机相连，通过高压回流母线、车轮与钢轨相连，所述辅助逆变器的电能输入端通过辅助高压正母线连接高压箱，辅助逆变器用于为车辆的380V中压母线提供交流电，为车辆的24VDC母线提供直流电，辅助逆变器通过高压回流母线、车轮与钢轨相连。

为了解决以上技术问题，本发明还具有以下特征：

1、具有两套由所述牵引逆变器、辅助逆变器、储能装置和制动电阻构成的机构，分别设置于车辆的两侧，其中牵引逆变器、制动电阻和储能装置设置于车端转向架模块，辅助逆变器设置于客室模块。

2、牵引逆变器的第1开关依次通过高压正母线、第一熔断器连接集电装置，所述第一熔断器设置于高压箱内。

3、所述辅助逆变器的电能输入端依次通过辅助高压正母线、二极管、第二熔断器连接集电装置，所述二极管、第二熔断器设置于高压箱内。

4、所述集电装置为与接触网相适应的受电弓，或与供电轨相适应的集电靴，或与感应供电装置相适应的感应集电装置。

此外，本发明还提供了所述主回路的控制方法，包括列车停站充电控制方法，步骤如下：

1）、车站设有电网，牵引逆变器通过内部控制逻辑闭合第1开关（高压正母线连接开关），列车的集电装置动作，接受来自接电网的电能，通过高压箱向高压正母线、辅助高压正母线供电；

2）、高压正母线向牵引逆变器供电，牵引逆变器通过内部控制逻辑闭合第4开关(储能开关)，通过储能装置高压正母线、储能装置高压负母线向储能装置充电；同时牵引逆变器通过内部控制逻辑断开第3开关（制动电阻开关），使制动电阻高压正母线不带电，不启用制动电阻；

3）、辅助高压正母线向辅助逆变器供电，辅助逆变器输出380V中压交流电和24V直流电，分别向中压母线和24VDC母线供电；

4）、牵引逆变器、辅助逆变器通过高压回流母线、车轮与钢轨形成回流通路；

5）、列车离站时，牵引逆变器保持第1开关闭合，并适当提升高压正母线电压，确保集电装置和电网脱离接触时不拉弧，当集电装置完全脱离时，牵引逆变器通过内部控制逻辑断开第1开关。

进一步的，所述主回路的控制方法还包括区间无电网牵引/制动控制方法，其中，

a、区间无电网牵引方法如下：

1）、牵引逆变器通过内部控制逻辑断开第1开关，切除与高压正母线的电气连通，保证牵引逆变器不向高压箱、集电装置、电网馈电，确保供电安全；

2）、牵引逆变器通过内部控制逻辑闭合第4开关，储能装置通过第4开关、储能装置高压正母线、储能装置高压负母线向牵引逆变器供电；牵引逆变器结合牵引制动指令通过输出变频变压的三相交流电控制牵引电机驱动力；

3）、牵引逆变器通过内部控制逻辑闭合第2开关，通过辅助高压正母线向辅助逆变器供电，高压箱内设置有与辅助高压正母线连接的二极管，确保了高压箱、集电装置不带电，保证供电安全；

b、区间无接触网制动方法如下：

牵引电机进入发电机工况，将再生电能反馈至牵引逆变器，牵引逆变器通过第2开关、辅助高压正母线向辅助逆变器供电；当辅助逆变器不能消耗全部再生制动电能时，牵引逆变器通过内部控制逻辑闭合第3开关，通过制动电阻高压正母线、制动电阻高压负母线向制动电阻供电，由制动电阻消耗剩余电能。

进一步的，所述主回路的控制方法还包括区间有电网牵引/制动控制方法，其中，

c、区间有电网牵引方法如下：

1）、在有电网区段，牵引逆变器通过内部控制逻辑闭合第1开关，列车集电装置动作，接受来自电网的电能，通过高压箱向高压正母线、辅助高压正母线供电；

2）、高压正母线向牵引逆变器供电，牵引逆变器通过内部控制逻辑闭合第4开关，通过储能装置高压正母线、储能装置高压负母线向储能装置充电；牵引逆变器结合牵引制动指令通过输出变频变压的3相交流电控制牵引电机驱动力；同时，牵引逆变器通过内部控制逻辑断开第3开关，使制动电阻高压正母线不带电，不启用制动电阻；

3）、辅助高压正母线向辅助逆变器供电；

4）、牵引逆变器、辅助逆变器通过高压回流母线、车轮与钢轨形成回流通路；

d、区间有电网制动方法如下：

牵引电机进入发电机工况，将再生制动电能反馈至牵引逆变器，通过第1开关、高压正母线、高压箱、集电装置向电网馈能，由电网和辅助逆变器消耗再生制动电能；当电网和辅助逆变器不能消耗全部制动电能时，牵引逆变器通过内部控制逻辑闭合第3开关，通过制动电阻高压正母线、制动电阻高压负母线向制动电阻供电，由制动电阻消耗剩余再生电能。

本发明的有益效果如下：

本发明可以实现有轨电车区间无接触网运行。车辆在停站或运行时利用局部设置的接触网为车载储能装置充电，无接触网区段车辆利用车载储能装置电能保持运行。在有网或无网区段，均可回收利用车辆制动时电能，还可以实现进入有网区升弓、离开有网区降弓时不产生明显拉弧，保护接触网和受电弓。

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的前提下，还可以做若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为本发明适用于储能式有轨电车的主电路系统原理图。

具体实施方式

如图1所示，为本发明适用于储能式有轨电车的主电路系统原理图。本实施例以5模块编组的现代有轨电车主电路为例，对本发明进行说明。图1中：1-受电弓；2-高压箱；3-高压正母线；4-辅助高压正母线；5-制动电阻高压正母线；6-储能装置高压正母线；7-牵引逆变器；8-储能装置；9-制动电阻；10-辅助逆变器；11-储能装置高压负母线；12-制动电阻高压负母线；13-高压回流母线；14-中压母线1；15-中压母线2；16-24VDC母线；17-接触网。

本实施例适用于储能式有轨电车的主电路系统，包括：受电弓（集电装置）1、高压箱2、牵引逆变器7、辅助逆变器10、储能装置8和制动电阻9，由牵引逆变器7、辅助逆变器10、储能装置8和制动电阻9构成的机构有两套，分别设置在车辆两侧，其中牵引逆变器7、制动电阻9和储能装置8设置于车端转向架模块，辅助逆变器10设置于客室模块。牵引逆变器7设置有第1至第4开关K1、K2、K3、K4，第1开关K1经高压正母线3连接高压箱2，第2开关K2经辅助高压正母线4连接辅助逆变器10，第3开关K3经制动电阻高压正母线5连接制动电阻9，第4开关K4经储能装置高压正母线6连接储能装置8，制动电阻9、储能装置8分别通过制动电阻高压负母线12、储能装置高压负母线11连接牵引逆变器7，牵引逆变器7通过三相交流线缆与牵引电机M相连，通过高压回流母线13、车轮与钢轨相连，辅助逆变器10的电能输入端通过辅助高压正母线4连接高压箱2，辅助逆变器10用于为车辆的380V中压母线15提供交流电，为车辆的24VDC母线16提供直流电，辅助逆变器10通过高压回流母线13、车轮与钢轨相连。如图1所述，牵引逆变器3的第1开关K1依次通过高压正母线3、第一熔断器连接受电弓1，第一熔断器设置于高压箱2内；辅助逆变器10的电能输入端依次通过辅助高压正母线4、二极管、第二熔断器连接受电弓1，二极管、第二熔断器设置于高压箱2内。

出了使用受电弓外，集电装置为也可以使与供电轨相适应的集电靴，或与感应供电装置相适应的感应集电装置。

以5模块编组的现代有轨电车主电路为例，主电路可以实现以下3种功能：

1）列车停站充电；2）区间无接触网牵引/制动；3）区间有接触网牵引/制动。

下面以BM1模块为例进行说明，BM5模块与BM1模块类似，不再重复说明。

列车停站充电：

1）车站设有接触网。当列车升弓时，7-牵引逆变器通过内部控制逻辑闭合K1，安装于BM3车顶上的1-受电弓升起，通过弓网接触接受来自接触网的电能（电压等级为750VDC），通过2-高压箱向3-高压正母线、4-辅助高压正母线供电。

2）3-高压正母线向7-牵引逆变器供电（此时K1已闭合）。7-牵引逆变器通过内部控制逻辑闭合K4，通过6-储能装置高压正母线、11-储能装置高压负母线向8-储能装置充电。同时，7-牵引逆变器通过内部控制逻辑断开K3，使5-制动电阻高压正母线不带电，不启用制动电阻。

3）4-辅助高压正母线向10-辅助逆变器供电，10-辅助逆变器输出380V中压交流电和24V直流电。

4）7-牵引逆变器、10-辅助逆变器通过17-高压回流母线、车轮与钢轨形成回流通路。

5）列车升弓离站时，7-牵引逆变器保持K1闭合，并适当提升3-高压正母线电压，确保弓网脱离接触时不拉弧。当1-受电弓完全降下时，7-牵引逆变器通过内部控制逻辑断开K1。

区间无接触网牵引/制动：

a、区间无接触网牵引：

1）7-牵引逆变器通过内部控制逻辑断开K1，切除与3-高压正母线的电气联通，保证牵引逆变器不向2-高压箱、1-受电弓、接触网馈电，确保供电安全。

2）7-牵引逆变器通过内部控制逻辑闭合K4。8-储能装置通过K4、6-储能装置高压正母线、11-储能装置高压负母线向7-牵引逆变器供电。7-牵引逆变器结合牵引制动指令通过输出变频变压的3相交流电控制牵引电机驱动力。

3）7-牵引逆变器通过内部控制逻辑闭合K2，通过4-辅助高压正母线向10-辅助逆变器供电。由于2-高压箱内4-辅助高压正母线设置了二极管，确保了2-高压箱、1-受电弓不带电，保证供电安全。

b、区间无接触网制动：

1）牵引电机进入发电机工况，将再生电能反馈至7-牵引逆变器，7-牵引逆变器通过K2、4-辅助高压正母线向10-辅助逆变器供电。当10-辅助逆变器不能消耗全部再生制动电能时，7-牵引逆变器通过内部控制逻辑闭合K3，通过5-制动电阻高压正母线、12-制动电阻高压负母线向9-制动电阻供电，由制动电阻消耗剩余电能。

区间有接触网牵引/制动时：

c、区间有接触网牵引：

1）在有接触网区段，当列车升弓时，7-牵引逆变器通过内部控制逻辑闭合K1，安装于BM3车顶上的1-受电弓升起，通过弓网接触接受来自接触网的电能（电压等级为750VDC），通过2-高压箱向3-高压正母线、4-辅助高压正母线供电。

2）3-高压正母线向7-牵引逆变器供电（此时K1已闭合）。7-牵引逆变器通过内部控制逻辑闭合K4，通过6-储能装置高压正母线、11-储能装置高压负母线向8-储能装置充电。7-牵引逆变器结合牵引制动指令通过输出变频变压的3相交流电控制牵引电机驱动力。同时，7-牵引逆变器通过内部控制逻辑断开K3，使5-制动电阻高压正母线不带电，不启用制动电阻。

3）4-辅助高压正母线向10-辅助逆变器供电。

4）7-牵引逆变器、10-辅助逆变器通过17-高压回流母线、车轮与钢轨形成回流通路。

d、区间有接触网制动：

牵引电机进入发电机工况，将再生制动电能反馈至7-牵引逆变器，通过K1、3-高压正母线、2-高压箱、1-受电弓向接触网馈能，由接触网和10-辅助逆变器消耗再生制动电能。当接触网和10-辅助逆变器不能消耗全部制动电能时，7-牵引逆变器通过内部控制逻辑闭合K3，通过5-制动电阻高压正母线、12-制动电阻高压负母线向9-制动电阻供电，由制动电阻消耗剩余再生电能。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (8)

1.适用于储能式有轨电车的主电路系统，其特征在于包括：集电装置、高压箱、牵引逆变器、辅助逆变器、储能装置和制动电阻，所述牵引逆变器设置有第1至第4开关，所述第1开关经高压正母线连接高压箱，第2开关经辅助高压正母线连接辅助逆变器，第三开关经制动电阻高压正母线连接制动电阻，第4开关经储能装置高压正母线连接储能装置，所述制动电阻、储能装置分别通过制动电阻高压负母线、储能装置高压负母线连接牵引逆变器，牵引逆变器通过线缆与牵引电机相连，通过高压回流母线、车轮与钢轨相连，所述辅助逆变器的电能输入端通过辅助高压正母线连接高压箱，辅助逆变器用于为车辆的380V中压母线提供交流电，为车辆的24VDC母线提供直流电，辅助逆变器通过高压回流母线、车轮与钢轨相连。

2.根据权利要求1所述的适用于储能式有轨电车的主电路系统，其特征在于：具有两套由所述牵引逆变器、辅助逆变器、储能装置和制动电阻构成的机构，分别设置于车辆的两侧，其中牵引逆变器、制动电阻和储能装置设置于车端转向架模块，辅助逆变器设置于客室模块。

3.根据权利要求1所述的适用于储能式有轨电车的主电路系统，其特征在于：牵引逆变器的第1开关依次通过高压正母线、第一熔断器连接集电装置，所述第一熔断器设置于高压箱内。

4.根据权利要求1所述的适用于储能式有轨电车的主电路系统，其特征在于：所述辅助逆变器的电能输入端依次通过辅助高压正母线、二极管、第二熔断器连接集电装置，所述二极管、第二熔断器设置于高压箱内。

5.根据权利要求1所述的适用于储能式有轨电车的主电路系统，其特征在于：所述集电装置为与接触网相适应的受电弓，或与供电轨相适应的集电靴，或与感应供电装置相适应的感应集电装置。

6.权利要求1所述适用于储能式有轨电车的主电路系统的控制方法，包括列车停站充电控制方法，步骤如下：

1）、车站设有电网，牵引逆变器通过内部控制逻辑闭合第1开关，列车的集电装置动作，接受来自接电网的电能，通过高压箱向高压正母线、辅助高压正母线供电；

2）、高压正母线向牵引逆变器供电，牵引逆变器通过内部控制逻辑闭合第4开关，通过储能装置高压正母线、储能装置高压负母线向储能装置充电；同时牵引逆变器通过内部控制逻辑断开第3开关，使制动电阻高压正母线不带电，不启用制动电阻；

3）、辅助高压正母线向辅助逆变器供电，辅助逆变器输出380V中压交流电和24V直流电，分别向中压母线和24VDC母线供电；

4）、牵引逆变器、辅助逆变器通过高压回流母线、车轮与钢轨形成回流通路；

5）、列车离站时，牵引逆变器保持第1开关闭合，并适当提升高压正母线电压，确保集电装置和电网脱离接触时不拉弧，当集电装置完全脱离时，牵引逆变器通过内部控制逻辑断开第1开关。

7.根据权利要求6所述适用于储能式有轨电车的主电路系统的控制方法，其特征在于：还包括区间无电网牵引/制动控制方法，其中，

a、区间无电网牵引方法如下：

1）、牵引逆变器通过内部控制逻辑断开第1开关，切除与高压正母线的电气连通，保证牵引逆变器不向高压箱、集电装置、电网馈电，确保供电安全；

2）、牵引逆变器通过内部控制逻辑闭合第4开关，储能装置通过第4开关、储能装置高压正母线、储能装置高压负母线向牵引逆变器供电；牵引逆变器结合牵引制动指令通过输出变频变压的三相交流电控制牵引电机驱动力；

3）、牵引逆变器通过内部控制逻辑闭合第2开关，通过辅助高压正母线向辅助逆变器供电，高压箱内设置有与辅助高压正母线连接的二极管，确保了高压箱、集电装置不带电，保证供电安全；

b、区间无接触网制动方法如下：

牵引电机进入发电机工况，将再生电能反馈至牵引逆变器，牵引逆变器通过第2开关、辅助高压正母线向辅助逆变器供电；当辅助逆变器不能消耗全部再生制动电能时，牵引逆变器通过内部控制逻辑闭合第3开关，通过制动电阻高压正母线、制动电阻高压负母线向制动电阻供电，由制动电阻消耗剩余电能。

8.根据权利要求6所述适用于储能式有轨电车的主电路系统的控制方法，其特征在于：还包括区间有电网牵引/制动控制方法，其中，

c、区间有电网牵引方法如下：

1）、在有电网区段，牵引逆变器通过内部控制逻辑闭合第1开关，列车集电装置动作，接受来自电网的电能，通过高压箱向高压正母线、辅助高压正母线供电；

2）、高压正母线向牵引逆变器供电，牵引逆变器通过内部控制逻辑闭合第4开关，通过储能装置高压正母线、储能装置高压负母线向储能装置充电；牵引逆变器结合牵引制动指令通过输出变频变压的3相交流电控制牵引电机驱动力；同时，牵引逆变器通过内部控制逻辑断开第3开关，使制动电阻高压正母线不带电，不启用制动电阻；

3）、辅助高压正母线向辅助逆变器供电；

4）、牵引逆变器、辅助逆变器通过高压回流母线、车轮与钢轨形成回流通路；

d、区间有电网制动方法如下：

牵引电机进入发电机工况，将再生制动电能反馈至牵引逆变器，通过第1开关、高压正母线、高压箱、集电装置向电网馈能，由电网和辅助逆变器消耗再生制动电能；当电网和辅助逆变器不能消耗全部制动电能时，牵引逆变器通过内部控制逻辑闭合第3开关，通过制动电阻高压正母线、制动电阻高压负母线向制动电阻供电，由制动电阻消耗剩余再生电能。