CN109450285A - 轨道交通车辆主辅一体化模式能量双向流动辅助供电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于轨道交通车辆车载供电技术领域，涉及一种轨道交通车辆主辅一体化模式能量双向流动的辅助供电系统，所述辅助供电系统包括：辅助逆变器、辅助变压器、充电机和蓄电池；所述充电机包括：电压型PWM整流器；所述辅助供电系统使用电压型PWM整流器作为充电机的主体，能实现能量双向流动。所述辅助逆变器正常工作时，充电机工作在整流工况，为蓄电池和低压直流负载供电。辅助逆变器停止工作时，将充电机更改为逆变工况，用蓄电池为风机等交流负载供电，实现能量在交流侧和直流侧双向流动。若有应急牵引的需求，则修改辅助逆变器和辅助变压器的相应参数，并提高蓄电池容量，实现能量从辅助供电系统到牵引系统的流动，完成应急牵引的功能。
Description
技术领域
本发明属于轨道交通车辆车载供电技术领域，具体涉及一种轨道交通车辆主辅一体化模式能量双向流动的辅助供电系统，所述辅助供电系统可以实现能量的双向流动。
背景技术
如图2所示，在轨道交通车辆辅助供电系统中，充电机多为：由车上辅助逆变器交流线路供电；经过充电机的整流和DC/DC变换等环节后输出直流110V，为车上直流负载和车载蓄电池供电。常规充电机采用不控整流，对交流网侧产生较大的谐波影响，且能量单向流动；需要在蓄电池端额外使用应急通风电源，在辅助变流器(即图2中的辅助逆变器和辅助变压器)不工作时，由应急通风电源为应急通风电机供电。PWM整流器又称四象限变流器，可以改变其工作状态，使其能够进行整流或者逆变，从而改变能量流动方向，实现能量的双向流动。本发明所述系统以此为基础进行技术方案设计。
发明内容
本发明提出一种轨道交通车辆主辅一体化模式能量双向流动辅助供电系统，技术方案如下：
一种轨道交通车辆主辅一体化模式能量双向流动辅助供电系统包括：辅助逆变器、辅助变压器、滤波器、接触器、充电机和蓄电池；
所述充电机包括：电压型PWM整流器和LC滤波器；
所述辅助逆变器的输入端与交流传动系统网侧变流器的输出端连接；所述辅助逆变器的输出端与辅助变压器的输入端连接；所述辅助变压器的输出端与滤波器连接；所述辅助变压器的输出端连接至交流380V母线上；
所述接触器的一端与电压型PWM整流器的输入端连接；所述电压型PWM整流器的输出端与LC滤波器的输入端连接；所述LC滤波器的输出端与蓄电池并联；所述蓄电池的两端连接至直流110V母线上；
当辅助变压器采用一个原边和一个副边时，所述辅助供电系统还包括：充电机变压器；所述辅助变压器的输出端与充电机变压器的输入端连接；所述充电机变压器的输出端与接触器的另一端连接；
当辅助变压器采用一个原边和两个副边时，所述辅助变压器的第一副边与滤波器连接，并连接至交流380V母线上；所述辅助变压器的第二副边与接触器的另一端连接。
在上述技术方案的基础上，当辅助变压器采用一个原边和一个副边时，所述电压型PWM整流器的交流侧电感集成在充电机变压器的副边中；
当辅助变压器采用一个原边和两个副边时，所述电压型PWM整流器的交流侧电感集成在辅助变压器的第二副边中。
在上述技术方案的基础上，当辅助逆变器正常工作时，所述电压型PWM整流器工作在整流工况，用于将输入整流为低压直流，为蓄电池和直流110V母线上的低压直流负载供电；
当辅助逆变器停止工作时，所述电压型PWM整流器工作在逆变工况，用于将蓄电池中的能量输入到交流网侧中，为交流负载提供能量；
实现交流网侧到低压直流侧以及低压直流侧到交流网侧的能量双向流动。
在上述技术方案的基础上，所述交流负载包括：应急通风电机,所述应急通风电机连接至交流380V母线上。
在上述技术方案的基础上，为防止电压型PWM整流器工作于整流状态时，能量发生倒灌，在所述LC滤波器的输出端与蓄电池的正极端之间接入第一二极管，所述第一二极管的正极与LC滤波器的输出端连接，第一二极管的负极与蓄电池的正极端连接；在所述蓄电池的正极端与直流110V母线之间接入第二二极管，所述第二二极管的正极与蓄电池的正极端连接，第二二极管的负极与直流110V母线连接。
在上述技术方案的基础上，为防止电压型PWM整流器工作于逆变状态时，蓄电池与充电机之间的二极管阻碍能量流动，在所述第一二极管的两端并联开关(接触器)，当电压型PWM整流器工作于逆变状态时，所述开关闭合，使能量能够流通；当电压型PWM整流器工作于整流状态时，所述开关断开。
在上述技术方案的基础上，当电压型PWM整流器工作在逆变状态时，且辅助逆变器正常工况运行，会导致辅助供电系统交流侧出现相位不同步的两个电源，从而导致交流侧供电异常，在所述辅助逆变器与电压型PWM整流器之间添加通信协议；所述通信协议包括：“充电机逆变工况”标志位，用于标志“充电机工作在逆变工况”，由充电机控制；
所述通信协议还包括：“充电机允许逆变工况”标志位，用于标志“允许将充电机工况更改为逆变工况”，由辅助逆变器和司机室控制。
在上述技术方案的基础上，在所述辅助逆变器的输出侧(交流侧)加入电感或在所述辅助变压器的原边中加入电感，用于：当牵引供电部分故障时，所述蓄电池的能量传输至充电机，最后经由辅助逆变器，将能量经由牵引逆变器，传输至牵引电机，实现应急牵引功能。
在上述技术方案的基础上，所述蓄电池采用大容量蓄电池，所述蓄电池的容量根据应急牵引供电确定。
本发明与现有技术相比所具有的有益技术效果如下：
1)能够解决由充电机产生的谐波问题，降低充电机对辅助供电系统交流网侧的影响。
2)通过改变工况，可以实现能量双向流动，能够使用蓄电池为辅助供电系统交流网侧重要负载应急供电。
3)结构简化，将传统充电机的三相不控整流、DC/DC环节简化为三相PWM整流环节，且可以省去应急通风电源的结构。
4)若有应急牵引的需求，则修改辅助逆变器及其变压器的部分参数，并提高车载蓄电池的容量，可实现辅助供电系统到牵引系统的能量回流，实现应急牵引。
附图说明
本发明有如下附图：
图1为传统动车组主辅一体化模式交流传动系统结构示意图；
图2为传统动车组辅助供电系统结构示意图；
图3为本发明能量双向流动的辅助供电系统结构一示意图；
图4为本发明能量双向流动的辅助供电系统结构二示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行说明。
参考图1和图2，图1为传统动车组主辅一体化模式交流传动系统结构示意图，图2为传统动车组辅助供电系统结构示意图。
传统动车组主辅一体化模式交流传动系统中，能量从牵引供电网经车载牵引变压器进入牵引系统，由网侧变流器变为高压直流电，为辅助供电系统和牵引逆变器供电。牵引逆变器为牵引电机提供能量。辅助供电系统由辅助逆变器和辅助变压器将牵引系统提供的高压直流电变为交流380V，为车上的交流负载和充电机提供能量。充电机使用二极管不控整流和DC/DC变换器将交流电转为低压直流。但不控整流会对交流网侧带来较大的谐波影响，且由于能量只能单向流动，应急通风电源需要先从直流110V取电，再经DC/DC和DC/AC环节才能为应急通风电机供电，而充电机的隔离DC/DC变换器包含逆变器、变压器和二极管整流桥，导致充电机和应急通风电源结构复杂。
参考图3，图3为本发明提出的用PWM整流器作为充电机的设计中，充电机输入侧另外接变压器的一种结构。
使用三相电压型PWM整流器取代传统结构中二极管整流桥、隔离DC/DC变换器的结构，结构简单，控制得当，可实现无谐波污染。且使用PWM整流器可以使能量能够双向流动，应急通风部分无需从直流110V取电，可以直接接在交流380V网侧。PWM整流器为升压变换器，因此从交流380V取电后需要先经过变压器降压，同时PWM整流器所需的交流侧电感可以集成在变压器中。尽管该结构需使用三相工频变压器连接充电机与交流380V侧，但考虑到结构的简化，同功率下整体体积应该与传统结构的体积接近。
参考图4，图4为本发明提出的用PWM整流器作为充电机的设计中，不使用额外的变压器，而是在辅助变压器新增一个副边接在充电机输入侧的一种结构。
该结构需要将辅助变压器重新设计，新增一个副边线圈，PWM整流器的交流侧电感同样集成在该副边中。由于该结构中充电机交流侧无滤波装置，因此实际控制时采样环节可以采用数字滤波和锁相环结合的方式进行。该结构与图3所示结构相比，体积更小。
在充电机中使用变压器和PWM整流器(电压型PWM整流器)取代传统的不控整流和DC/DC环节，可以大幅降低充电机对辅助供电系统交流网侧造成的谐波影响。通过控制PWM整流器的工作状态，可以实现交流网侧到低压直流侧以及低压直流侧到交流网侧的能量双向流动。
辅助逆变器正常工作时，其交流输出侧作为充电机的输入侧，此时控制PWM整流器工作在整流工况，将输入整流为低压直流，为车载蓄电池充电，同时也为车上低压直流负载供电。此时车上交流380V母线和风机由辅助变流器(包括辅助逆变器和辅助变压器)供电。
在辅助逆变器停止工作时，可以将车载蓄电池作为充电机的输入侧，此时改变PWM整流器的工作状态，令其工作在逆变状态，将蓄电池中能量输入到交流网侧中，从而给部分交流负载提供能量。由于目前一般车载蓄电池容量不大，因此仅能作为应急能量源，无法为交流网全部负载提供能量。若使用大容量的蓄电池，充电机功率也会相应进行提升，即可为更多的交流网侧负载供电。
应急通风系统中，应急通风电源一般由蓄电池供电，经由DC/DC、DC/AC环节将直流电变换为风机使用的交流电，而蓄电池通过充电机能直接将能量输入交流网，因此不再需要应急通风电源即能完成应急通风。
辅助逆变器的结构与PWM整流器的结构相似，在其交流侧加上相应的电感，或是将电感整合在辅助变压器中，再对辅助逆变器的控制器进行一定的修改后，从原理上可以实现能量从辅助逆变器交流侧到高压直流侧的流动，从而实现能量在牵引系统和辅助供电系统的双向流动，实现牵引供电部分故障时的故障应急牵引。
对辅助逆变器的控制器进行修改的内容包括：将整流控制和切换逻辑的功能加入辅助逆变器的控制器，并修改辅助逆变器的控制器通信协议等。
如果对应急供电的电能质量要求不高时，甚至不需要对辅助逆变器和辅助变压器进行大量的修改。对于高频辅助系统而言，若其DC/DC环节使用双向DC/DC变换器，则不影响辅助逆变器将能量传输回牵引系统的功能。为实现辅助供电系统应急牵引的功能，整个辅助供电系统，包括蓄电池，需要保证能有足够大的容量，否则将无法满足牵引能力的要求。
本发明中，为保护整个辅助供电系统，充电机要避免在辅助逆变器正常工况运行时进入逆变工况，需要对辅助逆变器和充电机之间的通信协议和运行逻辑进行相应的修改：
为防止充电机工作在逆变状态时，辅助逆变器正常工况运行而导致辅助供电系统交流侧出现相位不同步的两个电源，从而导致交流侧供电异常，辅助逆变器与充电机之间的通信协议中应添加：“充电机逆变工况”标志位，即“充电机工作在逆变工况”的标志位，由充电机控制；“充电机允许逆变工况”标志位，即“允许将充电机工况更改为逆变工况”的标志位，由辅助逆变器和司机室控制。通信协议的其他修改以及运行逻辑的修改应结合具体实际情况进行。
本发明所述系统使用PWM整流器作为充电机主体，对辅助供电系统交流网侧造成的谐波影响小，且通过该充电机能实现能量由交流到直流以及直流到交流的双向流动，因而无需使用应急通风电源即可实现应急通风电机在紧急情况下的启动。若使用足够大容量的蓄电池，则通过修改辅助逆变器及辅助变压器的部分参数，还可以使得能量由辅助供电系统流回牵引系统，实现牵引供电部分故障时的故障应急牵引。辅助逆变器及辅助变压器的部分参数修改根据轨道交通车辆的实际需求配套确定，辅助变压器的部分修改参数包括：辅助变压器的漏感。
需要说明的是，目前充电机蓄电池一般容量不大，不足以带动整个辅助供电系统的负载，由蓄电池为交流380V负载供电仅可作为辅助系统，在前级电压丢失时的应急方案，此时应保证重要设备的电力供给，其他负载则应切除。在蓄电池容量足够大时，其他交流380V负载也可适当投入，但要注意避免出现充电机本身过载的情况。若是考虑故障应急牵引的功能，那么整个辅助供电系统的容量都要有相应的提升。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
本说明书中未做详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (9)
1.一种轨道交通车辆主辅一体化模式能量双向流动辅助供电系统，其特征在于，包括：辅助逆变器、辅助变压器、滤波器、接触器、充电机和蓄电池；
所述充电机包括：电压型PWM整流器和LC滤波器；
所述辅助逆变器的输入端与交流传动系统网侧变流器的输出端连接；所述辅助逆变器的输出端与辅助变压器的输入端连接；所述辅助变压器的输出端与滤波器连接；所述辅助变压器的输出端连接至交流380V母线上；
所述接触器的一端与电压型PWM整流器的输入端连接；所述电压型PWM整流器的输出端与LC滤波器的输入端连接；所述LC滤波器的输出端与蓄电池并联；所述蓄电池的两端连接至直流110V母线上；
当辅助变压器采用一个原边和一个副边时，所述辅助供电系统还包括：充电机变压器；所述辅助变压器的输出端与充电机变压器的输入端连接；所述充电机变压器的输出端与接触器的另一端连接；
当辅助变压器采用一个原边和两个副边时，所述辅助变压器的第一副边与滤波器连接，并连接至交流380V母线上；所述辅助变压器的第二副边与接触器的另一端连接。
2.如权利要求1所述的轨道交通车辆主辅一体化模式能量双向流动辅助供电系统，其特征在于：当辅助变压器采用一个原边和一个副边时，所述电压型PWM整流器的交流侧电感集成在充电机变压器的副边中；
当辅助变压器采用一个原边和两个副边时，所述电压型PWM整流器的交流侧电感集成在辅助变压器的第二副边中。
3.如权利要求2所述的轨道交通车辆主辅一体化模式能量双向流动辅助供电系统，其特征在于：当辅助逆变器正常工作时，所述电压型PWM整流器工作在整流工况，用于将输入整流为低压直流，为蓄电池和直流110V母线上的低压直流负载供电；
当辅助逆变器停止工作时，所述电压型PWM整流器工作在逆变工况，用于将蓄电池中的能量输入到交流网侧中，为交流负载提供能量；
实现交流网侧到低压直流侧以及低压直流侧到交流网侧的能量双向流动。
4.如权利要求3所述的轨道交通车辆主辅一体化模式能量双向流动辅助供电系统，其特征在于：所述交流负载包括：应急通风电机,所述应急通风电机连接至交流380V母线上。
5.如权利要求3所述的轨道交通车辆主辅一体化模式能量双向流动辅助供电系统，其特征在于：在所述LC滤波器的输出端与蓄电池的正极端之间接入第一二极管，所述第一二极管的正极与LC滤波器的输出端连接，第一二极管的负极与蓄电池的正极端连接；在所述蓄电池的正极端与直流110V母线之间接入第二二极管，所述第二二极管的正极与蓄电池的正极端连接，第二二极管的负极与直流110V母线连接。
6.如权利要求5所述的轨道交通车辆主辅一体化模式能量双向流动辅助供电系统，其特征在于：在所述第一二极管的两端并联开关，当电压型PWM整流器工作于逆变状态时，所述开关闭合；当电压型PWM整流器工作于整流状态时，所述开关断开。
7.如权利要求3所述的轨道交通车辆主辅一体化模式能量双向流动辅助供电系统，其特征在于：在所述辅助逆变器与电压型PWM整流器之间添加通信协议；所述通信协议包括：“充电机逆变工况”标志位，用于标志“充电机工作在逆变工况”，由充电机控制；
所述通信协议还包括：“充电机允许逆变工况”标志位，用于标志“允许将充电机工况更改为逆变工况”，由辅助逆变器和司机室控制。
8.如权利要求7所述的轨道交通车辆主辅一体化模式能量双向流动辅助供电系统，其特征在于：在所述辅助逆变器的输出侧加入电感或在所述辅助变压器的原边中加入电感，用于：当牵引供电部分故障时，所述蓄电池的能量传输至充电机，最后经由辅助逆变器，将能量经由牵引逆变器，传输至牵引电机，实现应急牵引功能。
9.如权利要求8所述的轨道交通车辆主辅一体化模式能量双向流动辅助供电系统，其特征在于：所述蓄电池采用大容量蓄电池，所述蓄电池的容量根据应急牵引供电确定。
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