CN109383307B - 用于电传动牵引轨道交通车辆的蓄电池供电牵引系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于电传动牵引轨道交通车辆的蓄电池供电牵引系统，该系统由弓网系统供电，所述系统包括：牵引变压器、牵引变流器、牵引电机、双向交直流转换装置以及蓄电池装置，其中，双向交直流转换装置与辅助变流器和蓄电池装置连接，根据弓网系统的供电状态，实现AC/DC转换为蓄电池装置充电和车辆辅助负载供电或进行DC/AC逆变实现蓄电池装置牵引功能和为车辆辅助负载供电。本发明既可为车辆辅助交直流负载设备继续进行供电，又可为牵引逆变器提供电源，进而启动牵引电机，实现车辆的紧急牵引，确保车辆能够顺利运行到最近的车站、检修基地、临修库等，无需其他牵引车进行牵引。
Description
技术领域
本发明涉及电传动牵引轨道交通领域，尤其是涉及一种用于电传动牵引轨道交通车辆的蓄电池供电牵引系统。
背景技术
电气化轨道车辆是通过受电弓滑板与接触网导线间的滑动接触而获取电能的，进而使车辆获得动力，当接触网出现故障时，车辆丧失牵引力，因此，良好的弓网关系是确保列车稳定可靠运行的基本前提。
在现有技术中，当接触网或地面供电系统失电时，采用电传动牵引的轨道交通车辆可采用车载蓄电池供电进行紧急牵引，确保整车能够顺利运行到最近的车站，或在无供电系统的区间(如检修基地、临修库等)内，利用车载蓄电池自行移动车辆，无需其他牵引车进行牵引。故针对这一功能，通常采用如下方式实现：其一，通过激活司机室的蓄电池牵引功能(应急牵引)按钮，使牵引系统由车载蓄电池(DC 110V)直接供电运行。由于蓄电池电压一般比较低，采用蓄电池直接供电运行不可避免地导致电机功率和转速受限，无法使列车达到较高的速度；且无交流辅助电源，无法给车上辅助负载进行供电。其二，采用DC/DC斩波器提高牵引变流器的直流电压。在该方法中，储能装置接口与牵引变流器内的双向DC/DC斩波器连接，并联在牵引变流器的中间直流回路上，通过DC/DC斩波器将储能装置的输出电压升压后，提供给牵引变流器的中间直流回路，用于牵引逆变器驱动牵引电机。采用DC/DC斩波器进行升压提高牵引变流器直流输入电压的方法，可以使电机达到较大功率和较高转速，但该方案需要额外增加交流辅助电源为车上辅助负载进行供电。
发明内容
本发明所要解决的技术问题之一是需要提供一种改进成本低、附加装备少、对牵引电机损害小的新的技术方案。该方案可以实现在接触网或地面供电系统失电时，通过车载蓄电池储备的能量释放，既可为车辆辅助交直流负载设备继续进行供电，又可为牵引逆变器提供电源，进而启动牵引电机，实现车辆的紧急牵引。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种用于电传动牵引轨道交通车辆的蓄电池供电牵引系统，该系统由弓网系统供电，所述系统包括：牵引变压器，其与牵引母线连接；牵引变流器，其包括主变流器和辅助变流器，其中，所述主变流器的输入端与所述牵引变压器连接，输出若干组用来驱动牵引电机的三相交流电源，所述辅助变流器的输入端与所述主变流器中的中间直流回路连接，其输出端与三相交流负载母线连接；牵引电机，其与所述主变流器的输出端连接；双向交直流转换装置，其与所述辅助变流器的输出端连接，根据所述弓网系统的供电状态，实现AC/DC转换为蓄电池装置充电和车辆辅助负载供电或进行DC/AC逆变实现蓄电池装置牵引功能和为车辆辅助负载供电；蓄电池装置，其与所述双向交直流转换装置连接。
优选地，所述牵引变流器采用下列组成方式中的任意一种：集成有所述主变流器和所述辅助变流器的主辅一体牵引变流器，或所述主变流器和所述辅助变流器共用所述中间直流回路的主辅分离牵引变流器。
优选地，所述双向交直流转换装置由下列组成方式中的任意一种构成，集成有DC/AC逆变器的充电机，或单独设置的充电机与DC/AC逆变器，或双向充电机。
优选地，在所述弓网系统供电正常时，所述蓄电池供电牵引系统的电能流向为：所述牵引变压器、所述主变流器、所述辅助变流器、所述双向交直流转换装置、所述蓄电池装置。
优选地，进一步，当所述弓网系统供电正常时，所述双向交直流转换装置进行AC/DC转换将所述三相交流负载母线提供的三相交流电源转换为直流电源，为所述蓄电池装置充电以及所述车辆辅助负载供电。
优选地，在所述弓网系统供电异常时，所述蓄电池供电牵引系统的电能流向为：所述蓄电池装置、所述双向交直流转换装置、所述辅助变流器、所述主变流器、所述牵引电机。
优选地，进一步，当所述弓网系统供电异常时，所述蓄电池装置无充电电源输入，所述双向交直流转换装置进行DC/AC逆变将所述蓄电池装置提供的直流电源转换为三相交流电源，所述三相交流母线上电，进一步为所述车辆辅助负载和所述牵引电机供电。
另一方面，提供了一种用于电传动牵引轨道交通车辆的蓄电池供电牵引方法，所述电传动牵引轨道交通车辆具有所述蓄电池供电牵引系统，该方法包括如下步骤：步骤一：在所述弓网系统供电正常时，使得所述牵引变压器、所述主变流器、所述辅助变流器均导通，所述牵引电机和车辆交流负载得电，同时，所述双向交直流转换装置开启AC/DC转换功能，并为所述蓄电池装置充电，车辆直流负载得电；步骤二：在所述弓网系统供电异常时，使得所述牵引变压器、所述主变流器、所述辅助变流器、所述双向交直流转换装置断开，所述蓄电池装置的输入电源断开；步骤三：当所述弓网系统供电异常且所述蓄电池装置的输入电源断开时，所述蓄电池装置处于放电状态，车辆直流负载得电，所述双向交直流转换装置开启DC/AC转换功能，将所述蓄电池装置提供的直流电源转换为三相交流电源，所述车辆交流负载得电，所述辅助变流器和所述主变流器均导通，所述牵引电机得电。
优选地，在所述弓网系统供电正常时，各装置开启顺序为：所述牵引变压器、所述主变流器、所述辅助变流器、所述双向交直流转换装置、所述蓄电池装置。
优选地，在所述弓网系统供电异常时，各装置开启顺序为：所述蓄电池装置、所述双向交直流转换装置、所述辅助变流器、所述主变流器、所述牵引电机。
与现有技术相比，上述方案中的一个或多个实施例可以具有如下优点或有益效果：
本发明通过改进蓄电池前端的双向交直流转换装置的方法，实现了既可以在弓网系统正常供电的情况下，同时为牵引电机、车辆交直流负载设备和蓄电池同时提供电源；又可在弓网系统异常供电的情况下，依靠蓄电池装置继续为牵引电机和车辆交直流负载设备同时提供电源，使车辆在无线系统的区间内，无需其他牵引车辆就能够安全行驶到附近检修点。
虽然在下文中将结合一些示例性实施及使用方法来描述本发明，但本领域技术人员应当理解，为并不旨在将本发明限制于这些实施例。反之，旨在覆盖包含在所附的权利要求书所定义的本发明的精神与范围内的所有替代品、修正及等效物。
本发明的其他优点、目标，和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书，权利要求书，以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本申请实施例的用于电传动牵引轨道交通车辆的蓄电池供电牵引系统(主辅一体)的能量示意图；
图2为本申请实施例的用于电传动牵引轨道交通车辆的蓄电池供电牵引系统(主辅分离)的能量示意图；
图3为本申请实施例的用于电传动牵引轨道交通车辆的蓄电池供电牵引系统(主辅一体)能量示意图(双向交直流转换装置为充电机与DC/AC逆变器分离装置)；
图4为本申请实施例的用于电传动牵引轨道交通车辆的蓄电池供电牵引系统(主辅一体)能量示意图(双向交直流转换装置为双向充电机)；
图5为本申请实施例的用于电传动牵引轨道交通车辆的蓄电池供电牵引系统(主辅一体)能量示意图(双向交直流转换装置为充电机与DC/AC逆变器集成装置)。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
为了克服上述现有技术中的不足，本实施例提出了一种用于电传动牵引轨道交通车辆的蓄电池供电牵引系统。该系统利用DC/AC逆变器将蓄电池的直流电转换为辅变输出的三相交流电给车辆辅助交流负载供电，同时辅助变流器将该交流电通过辅助变压器进行升压和二极管或PWM整流后输出直流电压到牵引变流器中间直流回路，供牵引变流器中的逆变器驱动电机，从而实现蓄电池牵引功能。
图1为本申请实施例的正常模式牵引变流器(主辅一体)能量示意图。该系统由弓网系统供电，输入25kV高压输入电源。如图1所示，该系统有如下部件组成：牵引变压器、牵引变流器、牵引电机、双向交直流转换装置以及蓄电池。具体地，牵引变压器，其输入端与牵引母线连接，将输入的高压输入电源转换为若干组三相高压交流电源；牵引变流器，其包括主变流器和辅助变流器，其中，主变流器与牵引变压器的输出端连接，输出若干组用来驱动牵引电机的三相交流电源，辅助变流器的一端与主变流器中的中间直流回路连接，其另一端与三相交流负载母线连接；双向交直流转换装置，其与辅助变流器的输出端(即与三相交流负载母线连接)连接，能够根据弓网系统的供电状态，实现AC/DC转换为蓄电池充电和车辆辅助负载供电或进行DC/AC逆变实现蓄电池牵引功能和为车辆辅助负载供电；110V蓄电池，其与双向交直流转换装置连接；牵引电机，其与主变流器的输出端连接。需要说明的是，在本申请实施例中，110V蓄电池为蓄电池装置的一个具体示例，本发明针对蓄电池的电压值不作具体限定，本领域技术人员可根据实际需求对此进行调整。
需要说明的是，在本发明实施中，参考图1，在主变流器中，具备整流器装置、与整流器装置连接的中间直流回路以及通过中间直流回路与整流器装置连接的逆变器装置。具体地，整流器装置由多个整流器构成，逆变器装置由多个逆变器构成，其中，整流器数量与逆变器数量一致，整流器将交流电转换成直流电发送至中间直流回路上，每个整流器的一端与上述牵引变流器中其中一组输出端连接，其另一端与一个逆变器连接；中间直流回路与整流器、逆变器以及上述辅助逆变器连接；每个逆变器均从上述中间直流回路取电，输出两组电机三相交流电源。在本申请实施例中，将上述主变流器中的一个整流器和通过中间直流回路与该整流器连接的一个逆变器作为一组变流单元，本申请的主变流器具备两组上述变流单元，主变流器输出四路电机三相交流电源；另外，辅助变流器的输入端与主变流器中的中间直流回路连接(主变流器和辅助变流器共用中间直流回路)，其输出端与三相交流负载母线连接。
需要说明的是，在本申请实施例中，针对变流单元的数量不作具体限定，本申请实施人员可根据实际情况进行调整，并根据变流单元数量的不同，将牵引变压器的输出组数和牵引电机的数量进行相应的调整。
再次参考图1，在该系统具体实施过程中，需要满足在弓网系统供电正常状态和供电异常状态下，车辆牵引电机及车辆负载设备的正常运转，下面对该系统在这两种状态下的工作情况进行详细说明。
当弓网系统供电正常时，蓄电池处于充电模式下，蓄电池供电牵引系统的电能流向为：牵引变压器、主变流器、辅助变流器、双向交直流转换装置、蓄电池装置。具体地，主辅一体牵引变流器或共用中间直流回路的主辅分离牵引变流器通过牵引变压器从弓网取电，通过牵引变流器中的四象限整流器建立起中间直流电压，一方面，牵引逆变器从中间直流回路取电，并且驱动牵引电机完成牵引；同时，辅助变流器也从中间直流回路取电，逆变为三相交流电源，通过辅助变压器降压、滤波至额定电压提供给三相交流负载母线，从而为车辆交流负载提供电源，车载双向交直流转换装置从三相交流负载母线取电，并利用其AC/DC逆变功能，同时，给蓄电池进行充电，并为车辆直流负载提供电源。
当由于接触网或地面供电系统失电或车辆驶入无电系统区间而导致系统高压输入电源异常时，使得牵引变压器、主变流器、辅助变流器、双向交直流转换装置断开，从而，蓄电池装置的输入电源断开，蓄电池处于供电牵引(放电)状态(可为车辆直流负载供电)，导致车辆牵引电机和车辆交流负载设备无电源输入。
当蓄电池在供电牵引的工况下，蓄电池供电牵引系统的电能流向为：蓄电池、双向交直流转换装置、辅助变流器、主变流器、牵引电机。具体地，由于蓄电池装置处于放电状态，车辆直流负载得电；双向交直流转换装置开启DC/AC转换功能，利用其DC/AC逆变器功能将蓄电池的直流电转换为逆变器输出的三相交流电，并发送至三相交流负载母线上，为车辆交流负载提供电源；同时辅助变流器将该交流电通过辅助变压器进行升压和二极管或PWM整流后输出直流电压到牵引变流器的中间直流回路上，进一步，主变流器中的逆变器驱动牵引电机，从而实现蓄电池牵引功能。
需要说明的是，在本申请实施例中，该系统能够采用集成有主变流器和辅助变流器的主辅一体牵引变流器(如图1所述)或者主变流器和辅助变流器共用中间直流回路的主辅分离牵引变流器，包括交直交型牵引变流器(主变流器)和直交型牵引变流器(辅助变流器)。
图2为本申请实施例的正常模式共中间直流回路的牵引变流器(主辅分离)能量示意图。如图2所示，牵引变流器采用主变流器与辅助变流器分离的装置，其辅助变流器同样与主变流器的中间直流回路连接，该系统的主要装置在连接方式、原理和实现功能方面与如图1所示的蓄电池供电牵引系统均相同，故对此不再进行赘述。
需要说明的是，在本发明实施例中，上述双向交直流转换装置为本发明的核心装置，其一端与三相交流负载母线连接，另一端与蓄电池装置连接，当弓网系统供电正常时，三相交流负载母线有交流电，开启AC/DC逆变功能，将三相交流负载母线提供的三相交流电源转换为直流电源，为蓄电池装置充电；当弓网系统供电异常时，三相交流负载母线无交流电，蓄电池无充电电源输入，蓄电池为双向交直流转换装置提供电源，其开启DC/AC转换功能，将蓄电池装置提供的直流电源转换为三相交流电源，输出三相交流电源至三相交流负载母线上。因此，该装置只要能够完成上述功能，即可完成本发明的实施过程。需要说明的是，本发明针对该装置的具体设备组成不作具体限定，可采用集成有DC/AC逆变器的充电机，或双向充电机，或单独设置的充电机与DC/AC逆变器等。
以本发明采用主辅一体变流器为例，通过如下三种实施例示意图，对该系统进行进一步说明。
(第一示例)
图3为本申请实施例的蓄电池牵引模式牵引变流器(主辅一体)能量示意图(充电机与DC/AC逆变器分离)。如图3所示，当蓄电池装置处于充电模式下，利用双向交直流转换装置中的充电机为蓄电池装置充电，并为车辆直流负载提供电源；当蓄电池装置处于放电模式下，利用双向交直流转换装置中的DC/AC逆变器为三相交流负载母线供电，并为车辆交流负载和牵引变流器提供电源。
(第二示例)
图4为本申请实施例的蓄电池牵引模式牵引变流器(主辅一体)能量示意图(双向充电机)。如图4所示，当蓄电池装置处于充电模式下，利用双向交直流转换装置(双向充电机)中输出的直流电源为蓄电池装置充电，并为车辆直流负载提供电源；当蓄电池装置处于放电模式下，利用双向交直流转换装置(双向充电机)中输出的交流电源为三相交流负载母线供电，并为车辆交流负载和牵引变流器提供电源。
(第三示例)
图5为本申请实施例的蓄电池牵引模式牵引变流器(主辅一体)能量示意图(充电机集成DC/AC逆变器)。如图5所示，当蓄电池装置处于充电模式下，利用双向交直流转换装置(充电机集成DC/AC逆变器)中的充电机为蓄电池充电，并为车辆直流负载提供电源；当蓄电池装置处于放电模式下，利用双向交直流转换装置(充电机集成DC/AC逆变器)中的DC/AC逆变器为三相交流负载母线供电，并为车辆交流负载和牵引变流器提供电源。
本发明通过增加双向交直流转换装置，实现了既可以在弓网系统正常供电的情况下，同时为牵引电机、车辆交直流负载设备和蓄电池同时提供电源；又可以在公网系统异常供电的情况下，依靠蓄电池继续为牵引电机和车辆交直流负载设备同时提供电源。当接触网或地面供电系统失电或车辆误入无供电系统区间时，可采用车载蓄电池供电进行车辆紧急牵引，确保整车能够顺利运行到最近的车站、检修基地、临修库等，无需其他牵引车进行牵引。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人员在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。
Claims (8)
1.一种用于电传动牵引轨道交通车辆的蓄电池供电牵引系统，该系统由弓网系统供电，其特征在于，所述系统包括：
牵引变压器，其与牵引母线连接；
牵引变流器，其包括主变流器和辅助变流器，其中，所述主变流器的输入端与所述牵引变压器连接，输出若干组用来驱动牵引电机的三相交流电源，所述辅助变流器的输入端与所述主变流器中的中间直流回路连接，其输出端与三相交流负载母线连接；
牵引电机，其与所述主变流器的输出端连接；
双向交直流转换装置，其与所述辅助变流器的输出端连接，根据所述弓网系统的供电状态，实现AC/DC转换为蓄电池装置充电和车辆辅助负载供电或进行DC/AC逆变实现蓄电池装置牵引功能和为车辆辅助负载供电，以在接触网或地面供电系统失电 或车辆进入无供电系统区间时，采用车载蓄电池供电进行车辆紧急牵引，确保整车无需其他列车牵引能够顺利运行到最近的车站、检修基地和临修库；
蓄电池装置，其与所述双向交直流转换装置连接，其中，所述牵引变流器采用下列组成方式中的任意一种：
集成有所述主变流器和所述辅助变流器的主辅一体牵引变流器，或
所述主变流器和所述辅助变流器共用所述中间直流回路的主辅分离牵引变流器，其中，所述双向交直流转换装置由下列组成方式中的任意一种构成，
集成有DC/AC逆变器的充电机，或
单独设置的充电机与DC/AC逆变器，或
双向充电机。
2.根据权利要求1所述的牵引系统，其特征在于，
在所述弓网系统供电正常时，所述蓄电池供电牵引系统的电能流向为：所述牵引变压器、所述主变流器、所述辅助变流器、所述双向交直流转换装置、所述蓄电池装置。
3.根据权利要求2所述的牵引系统，其特征在于，进一步，
当所述弓网系统供电正常时，所述双向交直流转换装置进行AC/DC转换将所述三相交流负载母线提供的三相交流电源转换为直流电源，为所述蓄电池装置充电以及所述车辆辅助负载供电。
4.根据权利要求1所述的牵引系统，其特征在于，
在所述弓网系统供电异常时，所述蓄电池供电牵引系统的电能流向为：所述蓄电池装置、所述双向交直流转换装置、所述辅助变流器、所述主变流器、所述牵引电机。
5.根据权利要求4所述的牵引系统，其特征在于，进一步，
当所述弓网系统供电异常时，所述蓄电池装置无充电电源输入，所述双向交直流转换装置进行DC/AC逆变将所述蓄电池装置提供的直流电源转换为三相交流电源，所述三相交流负载 母线上电，进一步为所述车辆辅助负载和所述牵引电机供电。
6.一种用于电传动牵引轨道交通车辆的蓄电池供电牵引方法，所述电传动牵引轨道交通车辆具有如权利要求1～5中任一项所述的蓄电池供电牵引系统，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤一：在所述弓网系统供电正常时，使得所述牵引变压器、所述主变流器、所述辅助变流器均导通，所述牵引电机和车辆交流负载得电，同时，所述双向交直流转换装置开启AC/DC转换功能，并为所述蓄电池装置充电，车辆直流负载得电；
步骤二：在所述弓网系统供电异常时，使得所述牵引变压器、所述主变流器、所述辅助变流器、所述双向交直流转换装置断开，所述蓄电池装置的输入电源断开；
步骤三：当所述弓网系统供电异常且所述蓄电池装置的输入电源断开时，所述蓄电池装置处于放电状态，车辆直流负载得电，所述双向交直流转换装置开启DC/AC转换功能，将所述蓄电池装置提供的直流电源转换为三相交流电源，所述车辆交流负载得电，所述辅助变流器和所述主变流器均导通，所述牵引电机得电。
7.根据权利要求6所述的牵引方法，其特征在于，
在所述弓网系统供电正常时，各装置开启顺序为：所述牵引变压器、所述主变流器、所述辅助变流器、所述双向交直流转换装置、所述蓄电池装置。
8.根据权利要求6所述的牵引方法，其特征在于，
在所述弓网系统供电异常时，各装置开启顺序为：所述蓄电池装置、所述双向交直流转换装置、所述辅助变流器、所述主变流器、所述牵引电机。
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