CN107031412A - 一种轨道交通机车刹车制动能量回收装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种轨道交通机车刹车制动能量回收装置及方法，制动能量回收装置包括监控装置、BMS电池管理装置、蓄电池组以及直流斩波器，BMS电池管理装置分别连接蓄电池组和监控装置，蓄电池组和监控装置分别连接直流斩波器，监控装置和直流斩波器分别连接接触网，本发明结构设计新颖，具有储存吸收电能快速、高效、容量大，抗干扰能力强的优点；一方面利于机车刹车不至引起电网升压过限；一方面可给出站机车提供电能，特别在早晚高峰增加车次时，储能电池的放电、可保持接触网电压的平衡。

Description

一种轨道交通机车刹车制动能量回收装置及方法
技术领域
本发明涉及机车制动能量回收技术领域，具体为一种轨道交通机车刹车制动能量回收装置及方法。
背景技术
机车进站刹车制动，其电动机会反转发电以制动车辆继续运行，这个过程中机车连接的接触网其电压会升高，甚至超过设定的上限值，所以、为了保证电网电压控制在一定的安全范围内，在接触网电压升高而不至影响电网，轨道交通系统通常采用电阻能耗、超级电容吸收，或能量回馈电网的方式来吸收电能，使电网电压维持在这个规定的电压值范围内。这些方法中、吸收的电能不能存储而受到使用的限制，要么同时的逆变回馈上网；要么为出站机车提供电源，其回收的电能都不能吸收存储。还有当机车间隔时间接近2min频繁启动时，回收系统都不能连续的工作，影响到电网电压的平衡。
机车在进站刹车时，电机反转发电使得接触电网电压升高，甚至超过接触网网压上限，此时、原有的方案为：采用电阻能耗装置：该装置可有效的吸收能量，维持电网电压平衡，保护电气系统中的电力设备不至损坏。但在电阻能耗装置的使用中，车站及隧道中会产生大量的热量，需要配置空调及通风等环控设备进行散热；采用逆变回馈系统：该系统是将接触网电压升高部分的能量吸收下来后，通过DC/AC变换成交流电源，直接输送至市电网络。但谐波、对市电电网冲击问题，让电网公司较难解决；采用飞轮、超级电容等也可储能，但由于其制造成本高及技术较为复杂而没有的到商业化的应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种轨道交通机车刹车制动能量回收装置及方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种轨道交通机车刹车制动能量回收装置，制动能量回收装置包括监控装置、BMS电池管理装置、蓄电池组以及直流斩波器，所述BMS电池管理装置分别连接蓄电池组和监控装置，所述蓄电池组和监控装置分别连接直流斩波器，所述监控装置和直流斩波器分别连接接触网；
所述直流斩波器采用直流功率变换器，所述直流功率变换器包括三组并联连接的IGBT模组，分为第一IGBT模组、第二IGBT模组、第三IGBT模组，所述第一IGBT模组均包括串联连接的第一IGBT、第二IGBT，还包括第一电容，所述第一电容并联在第一IGBT、第二IGBT组成的串联电路两端；所述第二IGBT模组均包括串联连接的第三IGBT、第四IGBT，还包括第二电容，所述第二电容并联在第三IGBT、第四IGBT组成的串联电路两端；所述第三IGBT模组均包括串联连接的第五IGBT、第六IGBT，还包括第三电容，所述第三电容并联在第五IGBT、第六IGBT组成的串联电路两端。
优选的，所述第一IGBT、第二IGBT之间的节点连接串联连接的电阻A、电感A和开关A；所述第三IGBT、第四IGBT之间的节点连接串联连接的电阻B、电感B和开关B；所述第五IGBT、第六IGBT之间的节点连接串联连接的电阻C、电感C和开关C。
优选的，所述蓄电池组由六组电池串并联而成，包括第一电池串、第二电池串、第三电池串、第四电池串、第五电池串和第六电池串，每组电池串由10个电池模组串联而成。
优选的，所述BMS电池管理装置安装在主控制柜中，所述主控制柜上安装有柜门，所述柜门上设有显示屏，所述显示屏上端设有电压表、电流表、温度指示表和指示灯；所述直流斩波器安装在设置在主控制柜一侧的功率柜中。
优选的，所述电池串安装在电池柜中，所述电池柜并排设置六组，所述电池柜安装在功率柜一侧。
优选的，其回收方法包括以下步骤：
A、机车进站刹车发电时，系统接触网吸收电能通过直流斩波器将直流电源充电进蓄电池组进行储存；
B、储存的电能经逆变后传输给车站设备使用；
C、机车出站，系统接触网压降低，储能蓄电池组通过直流斩波器对接触网放电，给机车提供动力。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明结构设计新颖，具有储存吸收电能快速、高效、容量大，抗干扰能力强的优点；一方面利于机车刹车不至引起电网升压过限；一方面可给出站机车提供电能，特别在早晚高峰增加车次时，储能电池的放电、可保持接触网电压的平衡；另外，较好的解决了电能的应用问题，其电能的使用、投放可以有目的的选择使用；可将吸收能量回馈上网，减少对电网的冲击和谐波影响，提高了电能质量。
附图说明
图1为本发明的系统原理图；
图2为本发明电路原理图；
图3为本发明系统安装示意图；
图4为本发明的蓄电池组结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-4，本发明提供一种技术方案：一种轨道交通机车刹车制动能量回收装置，制动能量回收装置包括监控装置1、BMS电池管理装置2、蓄电池组3以及直流斩波器4，所述BMS电池管理装置2分别连接蓄电池组3和监控装置1，所述蓄电池组3和监控装置1分别连接直流斩波器4，所述监控装置1和直流斩波器4分别连接接触网5；
所述直流斩波器4采用直流功率变换器，所述直流功率变换器包括三组并联连接的IGBT模组，分为第一IGBT模组6、第二IGBT模组7、第三IGBT模组8，所述第一IGBT模组6均包括串联连接的第一IGBT9、第二IGBT10，还包括第一电容11，所述第一电容11并联在第一IGBT9、第二IGBT10组成的串联电路两端；所述第二IGBT模组7均包括串联连接的第三IGBT12、第四IGBT13，还包括第二电容14，所述第二电容14并联在第三IGBT12、第四IGBT13组成的串联电路两端；所述第三IGBT模组8均包括串联连接的第五IGBT15、第六IGBT16，还包括第三电容17，所述第三电容17并联在第五IGBT15、第六IGBT16组成的串联电路两端；第一IGBT9、第二IGBT10之间的节点连接串联连接的电阻A1a、电感A1b和开关A1c；所述第三IGBT12、第四IGBT13之间的节点连接串联连接的电阻B2a、电感B2b和开关B2c；所述第五IGBT15、第六IGBT16之间的节点连接串联连接的电阻C3a、电感C3b和开关C3c。
本发明中，蓄电池组3由六组电池串并联而成，包括第一电池串18、第二电池串19、第三电池串20、第四电池串21、第五电池串22和第六电池串23，每组电池串由10个电池模组串联而成；电池模组选用超级电池电芯最高可达20C倍率、并且循环次数在SOC30％-80％时，DOD可达100万次以上；该电芯在频繁充放电次数中，最高温度可达50℃。其工作环境会控制在45℃以下。
本发明中，BMS电池管理装置2安装在主控制柜24中，所述主控制柜24上安装有柜门25，所述柜门25上设有显示屏26，所述显示屏26上端设有电压表27、电流表28、温度指示表29和指示灯30；所述直流斩波器4安装在设置在主控制柜24一侧的功率柜31中；电池串安装在电池柜32中，所述电池柜32并排设置六组，所述电池柜32安装在功率柜31一侧。主控制柜上安装有强力散热风扇；电池柜内腔设有散热通道，所述散热通道内安装有散热风扇。
本发明的工作原理包括以下步骤：
A、机车进站刹车发电时，系统接触网吸收电能通过直流斩波器将直流电源充电进蓄电池组进行储存；
B、储存的电能经逆变后传输给车站设备使用；
C、机车出站，系统接触网压降低，储能蓄电池组通过直流斩波器对接触网放电，给机车提供动力。
本发明所储存电量超过电容式储能20倍(电容式储能一般为5kWh)，电池储能约为110kWh；从接触网吸收电能、以及释放电能到电网上，都不会影响接触网网压、使之接触网网压保持在一个正常设定范围内；系统调节接触网电压至设定范围，不至由于刹车发电引起接触网电压升高并超过最高电压上限。
本发明结构设计新颖，具有储存吸收电能快速、高效、容量大，抗干扰能力强的优点；一方面利于机车刹车不至引起电网升压过限；一方面可给出站机车提供电能，特别在早晚高峰增加车次时，储能电池的放电、可保持接触网电压的平衡；另外，较好的解决了电能的应用问题，其电能的使用、投放可以有目的的选择使用；可将吸收能量回馈上网，减少对电网的冲击和谐波影响，提高了电能质量。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种轨道交通机车刹车制动能量回收装置，制动能量回收装置包括监控装置(1)、BMS电池管理装置(2)、蓄电池组(3)以及直流斩波器(4)，其特征在于：所述BMS电池管理装置(2)分别连接蓄电池组(3)和监控装置(1)，所述蓄电池组(3)和监控装置(1)分别连接直流斩波器(4)，所述监控装置(1)和直流斩波器(4)分别连接接触网(5)；
所述直流斩波器(4)采用直流功率变换器，所述直流功率变换器包括三组并联连接的IGBT模组，分为第一IGBT模组(6)、第二IGBT模组(7)、第三IGBT模组(8)，所述第一IGBT模组(6)均包括串联连接的第一IGBT(9)、第二IGBT(10)，还包括第一电容(11)，所述第一电容(11)并联在第一IGBT(9)、第二IGBT(10)组成的串联电路两端；所述第二IGBT模组(7)均包括串联连接的第三IGBT(12)、第四IGBT(13)，还包括第二电容(14)，所述第二电容(14)并联在第三IGBT(12)、第四IGBT(13)组成的串联电路两端；所述第三IGBT模组(8)均包括串联连接的第五IGBT(15)、第六IGBT(16)，还包括第三电容(17)，所述第三电容(17)并联在第五IGBT(15)、第六IGBT(16)组成的串联电路两端。
2.根据权利要求1所述的一种轨道交通机车刹车制动能量回收装置，其特征在于：所述第一IGBT(9)、第二IGBT(10)之间的节点连接串联连接的电阻A(1a)、电感A(1b)和开关A(1c)；所述第三IGBT(12)、第四IGBT(13)之间的节点连接串联连接的电阻B(2a)、电感B(2b)和开关B(2c)；所述第五IGBT(15)、第六IGBT(16)之间的节点连接串联连接的电阻C(3a)、电感C(3b)和开关C(3c)。
3.根据权利要求1所述的一种轨道交通机车刹车制动能量回收装置，其特征在于：所述蓄电池组(3)由六组电池串并联而成，包括第一电池串(18)、第二电池串(19)、第三电池串(20)、第四电池串(21)、第五电池串(22)和第六电池串(23)，每组电池串由(10)个电池模组串联而成。
4.根据权利要求1所述的一种轨道交通机车刹车制动能量回收装置，其特征在于：所述BMS电池管理装置(2)安装在主控制柜(24)中，所述主控制柜(24)上安装有柜门(25)，所述柜门(25)上设有显示屏(26)，所述显示屏(26)上端设有电压表(27)、电流表(28)、温度指示表(29)和指示灯(30)；所述直流斩波器(4)安装在设置在主控制柜(24)一侧的功率柜(31)中。
5.根据权利要求1所述的一种轨道交通机车刹车制动能量回收装置，其特征在于：所述电池串安装在电池柜(32)中，所述电池柜(32)并排设置六组，所述电池柜(32)安装在功率柜(31)一侧。
6.实现权利要求1所述的一种轨道交通机车刹车制动能量回收装置的回收方法，其特征在于：其回收方法包括以下步骤：
A、机车进站刹车发电时，系统接触网吸收电能通过直流斩波器将直流电源充电进蓄电池组进行储存；
B、储存的电能经逆变后传输给车站设备使用；
C、机车出站，系统接触网压降低，储能蓄电池组通过直流斩波器对接触网放电，给机车提供动力。
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