CN110271424A - 牵引逆变系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种牵引逆变系统及其控制方法，系统包括：牵引逆变器、动力电池以及电机；牵引逆变器包括输入滤波电路、逆变电路、双向DC‑DC电路、接触器KM1及控制单元，动力电池包括储能单元与信息采集单元，储能单元连接双向DC‑DC电路；信息采集单元与控制单元连接，将动力电池的状态信息传输至控制单元；控制单元控制逆变电路、双向DC‑DC电路、接触器KM1。本发明通过动力电池、电机与牵引逆变系统结合，根据司控台发送的动作指令以及动力电池的状态信息，使系统处于应急充电、应急牵引或正常模式下，控制逆变电路及双向DC‑DC电路Sic‑Mosfet功率器件的通断，驱动永磁同步电机运行及动力电池充放电，提高系统运行效率，实现了能量的吸收再利用。

Description

牵引逆变系统及其控制方法

技术领域

本发明属于牵引逆变技术领域，尤其涉及一种牵引逆变系统及其控制方法。

背景技术

参考图1所示，图1为现有轨道列车用牵引逆变系统传统拓扑结构图；包括牵引逆变器1、制动电阻2以及异步电机3，其采用Si-Igbt器件构成牵引逆变器-逆变单元作为主功率单元，驱动异步电机运行，其中电机制动能量使用制动电阻进行吸收，转换为热能。然而传统的牵引逆变系统由于采用Si-Igbt器件，开关及导通损耗较大，导致逆变器硬件散热系统体积重量大，同时较大的损耗还会导致逆变系统效率降低，增加系统运行成本。同时，采用制动电阻作为牵引系统电机制动时的能量吸收装置，制动能量只能转化为热量并散发，不能回收利用，造成系统能源的浪费。

因此，有必要对现有轨道列车的牵引逆变系统进行改进，提供一种新的牵引逆变系统。

发明内容

本发明针对上述现有轨道列车用牵引逆变系统存在的不足，提供了一种新的牵引逆变系统以及控制方法，通过动力电池与牵引系统的配合，将牵引系统制动工况产生的能量吸收，并在牵引工况时释放，实现了能量的吸收再利用。

为了实现上述目的，本发明提供了一种牵引逆变系统，包括：牵引逆变器、动力电池以及电机；所述牵引逆变器包括输入滤波电路、逆变电路、双向DC-DC电路、接触器KM1以及控制单元，所述逆变电路输出端连接电机，输入端接输入滤波电路以及双向DC-DC电路；所述动力电池包括储能单元以及信息采集单元，所述储能单元连接双向DC-DC电路；所述信息采集单元与控制单元连接，用于将动力电池的状态信息传输至控制单元；所述控制单元输出端连接逆变电路、双向DC-DC电路、接触器KM1，用于将司控台发送的牵引、制动指令以及动力电池的状态信息，进行计算处理后，输出控制指令控制逆变电路、双向DC-DC电路各功率器件的通断及接触器KM1的吸断以驱动电机工作，以及控制对动力电池的充放电。

优选的，所述逆变电路输出端通过接触器KM1与电机连接，输入端连接输入滤波电路与双向DC/DC电路；所述双向DC/DC电路包括功率器件Ia、Ib，电感L1，以及接触器K1；电感L1与接触器L1串联后连接功率器件Ia、Ib，功率器件Ia、Ib并联；所述输入滤波电路包括电感L与支撑电容C，支撑电容C串联电感L后接入VCC端；所述储能单元连接双向DC-DC电路。

优选的，所述逆变电路的各功率器件采用Sic-Mosfet。

优选的，所述电机采用永磁同步电机。

本发明还提供了一种牵引逆变控制方法，采用所述的牵引逆变系统，包括：

将牵引逆变系统控制模式设置为正常模式、应急牵引模式以及应急充电模式；

控制单元接收司控台的牵引、制动指令以及动力电池的状态信息，判断网络通讯是否正常；若网络通讯正常，则进一步判断具体控制模式，进入相应控制模式；若网络通讯故障，则进一步判断是否为应急充电模式，若是，则进入应急充电模式，否则，系统进入等待状态。

优选的，若网络通讯正常，则进一步判断具体控制模式，进入相应控制模式的方法为：

若网络通讯正常，则进一步判断是否为应急充电模式，若是，则进入应急充电模式；否则执行以下步骤：

判断是否为应急牵引模式，若是，则进入应急牵引模式；

否则，则进一步判断是否为正常模式，若是，则进入正常模式；否则，系统进入等待状态。

优选的，判断是否为应急充电模式的方法为：

判断是否有外部硬线信号送入控制单元，若否，则系统退出，若是，则执行以下步骤：

判断外部电源电压VCC是否匹配，若否，则系统退出；

若外部电源电压VCC匹配，则进一步判断动力电池储存电量Soc是否低于充电阈值E₃；

若动力电池储存电量Soc高于充电阈值E₃，则系统退出；否则，若低于充电阈值E₃，则系统充电。

优选的，判断是否为应急牵引模式的方法为：

判断是否有外部硬线信号送入控制单元，若否，则系统退出，若是，则执行以下步骤：

判断外部电源是否存在，若是，则系统退出；

若否，则进一步判断动力电池储存电量Soc是否高于牵引阈值E₀；

若动力电池储存电量Soc高于牵引阈值E₀，则系统应急牵引启动；否则，若动力电池储存电量Soc低于牵引阈值E₀，系统退出。

优选的，判断是否为正常模式的方法为：

判断外部电源是否存在，若否，则系统退出；若是，则执行以下步骤：

判断是否有外部硬线信号送入控制单元，若否，则系统退出；

若有外部硬线信号送入控制单元，且接收到牵引指令，则进一步判断动力电池储存电量Soc是否高于阈值E₁；若电池储存电量Soc高于阈值E₁,则系统进入牵引工况，否则，系统退出；

若有外部硬线信号送入控制单元，且接收到制动指令，则进一步判断动力电池储存电量Soc是否低于阈值E₂；若电池储存电量Soc低于阈值E₂,则系统进入制动工况，否则，系统退出；其中，E₀<E₁<E₂<E₃。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

本发明提供了一种牵引逆变系统，在传统轨道列车牵引逆变系统的基础上，采用动力电池取代原有制动电阻，采用Sic-Mosfet取代原Si-Igbt功率器件，采用永磁同步电机代替异步电机，通过动力电池与牵引系统的配合，将牵引系统制动工况产生的能量吸收，并在牵引工况时释放，实现了能量的吸收再利用；Sic-Mosfet功率器件的使用降低了牵引逆变器损耗；永磁同步电机代替异步电机提高了电机效率。Sic-Mosfet功率器件自身的开关损耗远小于传统功率器件从而进一步减少了牵引逆变器的体积和重量。

本发明还相应提供了一种牵引逆变控制方法，控制单元可根据司控台发送的牵引、制动指令以及动力电池的状态信息，使控制系统处于正常模式、应急牵引模式或应急启动模式下，控制逆变电路各Sic-Mosfet功率器件的通断及接触器KM1的吸合以驱动永磁同步电机运行，控制双向DC-DC电路各Sic-Mosfet功率器件的通断对动力电池充放电。系统处于牵引工况时，动力电池可根据自身储存电量状态，由控制单元决定是否为牵引电机提供能量，同时在牵引系统处于制动工况时，动力电池可根据自身储存电量状态回收永磁同步电机制动产生的能量；通过动力电池、永磁同步电机及Sic-Mosfet功率器件的配合，从而大大降低了牵引系统损耗，实现系统节能。

附图说明

图1为现有的牵引逆变系统结构框图；

其中，1-牵引逆变器，2-制动电阻，3-三相异步电机；

图2为本发明的牵引逆变系统结构框图；

其中，1-牵引逆变器，2-动力电池，3-永磁同步电机；

图3为动力电池电量分配图；

图4为本发明的控制方法的流程图；

图5为应急充电模式控制流程图；

图6为应急牵引模式控制流程图；

图7为正常模式时的控制流程图；

图8为动力电池充放电的电路原理图。

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。

参考图2所示，本发明在图1所示的传统牵引逆变系统结构的基础上进行改进，设计了一种新的牵引逆变系统，包括：牵引逆变器1、动力电池2以及永磁同步电机3；牵引逆变器1包括输入滤波电路、逆变电路、双向DC-DC电路、接触器KM1以及控制单元，逆变电路输出端连接永磁同步电机3，输入端接输入滤波电路以及动力电池2；动力电池2包括储能单元以及信息采集单元，储能单元连接双向DC-DC电路；信息采集单元与控制单元连接，用于将动力电池的状态信息传输至控制单元，控制单元控制逆变电路，双向DC-DC电路、接触器KM1。

具体的，逆变电路输出端通过接触器KM1与永磁同步电机连接，输入端连接输入滤波电路与双向DC/DC电路；双向DC/DC电路包括功率器件Ia、Ib，电感L1，以及接触器K1；电感L1与接触器L1串联后连接功率器件Ia、Ib，功率器件Ia、Ib并联；LC滤波电路包括电感L与电容C，电容C串联电感L后接入VCC端；储能单元连接双向DC-DC电路。

本实施例中，采用动力电池取代原制动电阻，动力电池设计为由储能元件组成的储能单元以及信息采集单元，信息采集单元与控制单元通信，控制单元接收司控台发送的牵引、制动指令以及动力电池的状态信息，进行计算处理后，输出控制指令控制逆变电路、双向DC-DC电路各功率器件的通断与KM1的吸断以及以完成永磁同步电机的驱动及对动力电池的充放电。本实施例中通过动力电池与牵引系统的配合，将牵引系统制动工况产生的能量吸收，并在牵引工况时释放，从而实现了能量的吸收再利用。本实施例中，采用新型动力电池，其充放电电流大，功率密度高，可在制动时吸收制动能量，并能在牵引时刻释放。从而节省制动电阻系统，进而降低系统整体损耗，提高牵引系统运行效率。

同时，本实施例中，逆变电路以及双向DC/DC电路的各功率器件(Ia、Ib、Ic、Id、Ie、If、Ig、Ih)均采用Sic-Mosfet功率器件。新型宽禁带器件(Sic-Mosfet)不仅比传统的Si-Igbt(硅)材料更容易实现高耐压，而且由于其非常低的开关损耗，可以大幅减少元件自身消耗的功率，其总损耗为相同等级Igbt损耗的10％-30％，可大幅降低系统损耗，提高系统效率，降低散热系统的体积和重量，实现了模组的小型化和降低了系统成本。

本实施例中还采用永磁同步电机取代原异步电机，永磁牵引电机采用永磁体作为转子，相比于异步电机，其省略了转子铜耗，电机电磁转矩波动小，转速平稳，动态响应快，过载能力强。永磁同步电机的瞬间最大转矩可以达到额定转矩的3倍以上，适于在负载转矩变化较大的工况下运行。且永磁同步电机具有高功率因数和高效率，与异步电动机相比，永磁同步电机无需无功励磁电流，功率因数比异步电动机高，效率比同规格的异步电动机可提高2-4个百分点。永磁电机整体损耗降低约30％，且电机体积和质量都可以大幅度减小，功率密度可大幅度提升，而且更易实现多极低速大扭矩传动。

本发明采用动力电池、宽禁带器件(Sic-Mosfet)、永磁同步电机相结合的新型牵引逆变系统，通过动力电池与牵引系统的配合，将牵引系统制动工况产生的能量吸收，并在牵引工况时释放，从而实现了能量的吸收再利用。通过Sic-Mosfet功率器件代替Si-Igbt功率器件，进一步降低了系统运行时，自身的功率损耗，提高了牵引逆变器箱体的转换效率。通过使用永磁同步电机将进一步降低电能与机械动能转换时的能量损耗。牵引系统提高了整体效率，降低了系统损耗，从而实现了节能减排的目标。

本实施例的动力电池储能单元储存电量分配标准参考图3所示，其中，动力电池储存电量SOC低于10％时，为动力电池不可利用电池；动力电池储存电量SOC位于10％-60％范围时，用于应急牵引；动力电池储存电量SOC位于60％-75％范围时，用于正常牵引时的能量循环；动力电池储存电量SOC位于75％-100％范围时，为电池保护区间，能量不能利用。

因此，对于上述牵引逆变系统，结合上述动力电池储存电量的状态信息以及司控台发送的牵引、制动等指令，设计了一种牵引逆变控制方法，将牵引逆变系统控制模式设置为正常模式、应急牵引模式以及应急充电模式；其中：

正常模式：系统无故障，外部供电VCC-GND正常，控制单元接受司控台牵引、制动等命令后综合动力电池状态，按指令运行。正常模式下，动力电池与外部供电，同时为永磁电机提供能量，并吸收永磁电机制动产生的能量。

应急牵引模式：牵引系统无故障，外部无供电，控制单元接受司控台发出牵引、制动等命令后综合动力电池状态，按指令运行，应急牵引模式下，动力电池为永磁电机提供能量。

应急充电模式：牵引系统无故障，外部供电VCC-GND正常，司控台无牵引、制动、惰行等命令，动力电池亏电，需紧急充电，应急充电模式下，外部电源为动力电池充电。

具体参考图4所示，控制单元接收司控台的牵引、制动指令以及动力电池的状态信息，判断网络通讯是否正常；若网络通讯正常，则进一步判断是否为应急充电模式，若是，则进入应急充电模式；否则进一步判断是否为应急牵引模式，若是，则进入应急牵引模式；否则进一步判断是否为正常模式，若是，则进入正常模式；否则，系统进入等待状态。若网络通讯故障时，则进一步判断是否为应急充电模式，若是，则进入应急充电模式，否则，系统进入等待状态。本实施例中，在通信异常情况下，系统只能进行应急充电，无法进入其他模式；在系统通讯正常情况下，可依次判断并进入三种模式，但在任意时刻只允许进入一种模式，其中三种模式的优先级顺序为：应急充电模式>应急牵引模式>正常模式。

具体的，参考图5所示，判断是否为应急充电模式的方法为：

判断是否有外部硬线信号送入控制单元，若否，则系统自动退出；若是，则进一步判断外部电源电压VCC是否匹配，若否，则系统自动退出；若外部电源电压VCC匹配，则进一步判断动力电池储存电量Soc是否低于充电阈值E₃(E₃＝80％)；若动力电池储存电量Soc高于80％时，则系统自动退出；否则，若低于80％，则系统充电。

参考图6所示，判断是否为应急牵引模式的方法为：

判断是否有外部硬线信号送入控制单元，若否，则系统自动退出；若是，则进一步判断外部电源是否存在，若是，则系统自动退出；否则，则进一步判断动力电池储存电量Soc是否高于牵引阈值E₀(E₀＝10％)，若动力电池储存电量Soc高于10％，则系统应急牵引启动；否则系统自动退出。

参考图7所示，判断是否为正常模式的方法为：

判断外部电源是否存在，若否，则系统自动退出；若存在外部电源，则执行以下步骤：

进一步判断是否有外部硬线信号送入控制单元，若否，则系统自动退出；

若有外部硬线信号送入控制单元，且接收到牵引指令，则进一步判断动力电池储存电量Soc是否高于阈值E₁(E₁＝60％)；若电池储存电量Soc高于60％时,则系统进入牵引工况运行，否则系统自动退出；

若有外部硬线信号送入控制单元，且接收到制动指令，则进一步判断动力电池储存电量Soc是否低于阈值E₂(E₁＝75％)；若电池储存电量Soc低于75％时,则系统进入制动工况，否则，系统自动退出。

本实施例中控制单元根据司控台发送的牵引、制动指令以及动力电池的状态信息，输出控制指令控制逆变电路、双向DC-DC电路各功率器件的通断与KM1的吸断以及以完成永磁同步电机的驱动、以及控制对动力电池的充放电。牵引逆变系统工作在正常模式时，牵引工况下，输入能量通过输入滤波电路将能量送入支撑电容C，同时动力电池如果满足放电要求，则控制单元控制接触器K1吸合并通过双向DC/DC电路，对电容C进行充电，后级Sic-Mosfet逆变单元，控制单元控制逆变电路六个Sic-Mosfet功率器件的开通、关断，使逆变电路工作在逆变模式，能量由支撑电容C送入永磁同步电机，永磁同步电机旋转带动整车前进。在制动工况下，控制单元控制逆变电路，使逆变电路工作在整流模式,永磁同步电机将制动产生的能量送入支撑电容C中；同时双向DC/DC电路将支撑电容C储存的能量转移到动力电池，动力电池将制动能量进行回收。

其中，动力电池充放电原理参考图8所示，在放电工况下，接触器K1闭合，功率器件Ia处于关闭状态，系统构成Boost升压斩波电路，通过控制功率器件Ib的通断可以将动力电池的能力送入支撑电容C中；在充电工况下，接触器K1闭合，功率器件Ib处于关闭状态，系统此时构成Buck降压斩波电路，通过控制功率器件Ia的通断可以将支撑电容C中的能量送入动力电池中，实现对动力电池充放电的控制。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (9)

1.一种牵引逆变系统，其特征在于，包括：牵引逆变器、动力电池以及电机；所述牵引逆变器包括输入滤波电路、逆变电路、双向DC-DC电路、接触器KM1以及控制单元，所述逆变电路输出端连接电机，输入端接输入滤波电路以及双向DC-DC电路；所述动力电池包括储能单元以及信息采集单元，所述储能单元连接双向DC-DC电路；所述信息采集单元与控制单元连接，用于将动力电池的状态信息传输至控制单元；所述控制单元输出端连接逆变电路、双向DC-DC电路、接触器KM1，用于将司控台发送的牵引、制动指令以及动力电池的状态信息，进行计算处理后，输出控制指令控制逆变电路、双向DC-DC电路各功率器件的通断及接触器KM1的吸断以驱动电机工作，以及控制对动力电池的充放电。

2.根据权利要求1所述的牵引逆变系统，其特征在于，所述逆变电路输出端通过接触器KM1与电机连接，输入端连接输入滤波电路与双向DC/DC电路；所述双向DC/DC电路包括功率器件Ia、Ib，电感L1，以及接触器K1；电感L1与接触器L1串联后连接功率器件Ia、Ib，功率器件Ia、Ib并联；所述输入滤波电路包括电感L与支撑电容C，支撑电容C串联电感L后接入VCC端；所述储能单元连接双向DC-DC电路。

3.根据权利2所述的牵引逆变系统，其特征在于，所述逆变电路的各功率器件采用Sic-Mosfet。

4.根据权利1所述的牵引逆变系统，其特征在于，所述电机采用永磁同步电机。

5.一种牵引逆变控制方法，采用权利要求1-4所述的牵引逆变系统，其特征在于，包括：

将牵引逆变系统控制模式设置为正常模式、应急牵引模式以及应急充电模式；

控制单元接收司控台的牵引、制动指令以及动力电池的状态信息，判断网络通讯是否正常；若网络通讯正常，则进一步判断具体控制模式，进入相应控制模式；若网络通讯故障，则进一步判断是否为应急充电模式，若是，则进入应急充电模式，否则，系统进入等待状态。

6.根据权利要求5所述的牵引逆变控制方法，其特征在于，若网络通讯正常，则进一步判断具体控制模式，进入相应控制模式的方法为：

若网络通讯正常，则进一步判断是否为应急充电模式，若是，则进入应急充电模式；否则执行以下步骤：

判断是否为应急牵引模式，若是，则进入应急牵引模式；

否则，则进一步判断是否为正常模式，若是，则进入正常模式；否则，系统进入等待状态。

7.根据权利要求6所述的牵引逆变控制方法，其特征在于，判断是否为应急充电模式的方法为：

判断是否有外部硬线信号送入控制单元，若否，则系统退出，若是，则执行以下步骤：

判断外部电源电压VCC是否匹配，若否，则系统退出；

若外部电源电压VCC匹配，则进一步判断动力电池储存电量Soc是否低于充电阈值E₃；

若动力电池储存电量Soc高于充电阈值E₃，则系统退出；否则，若低于充电阈值E₃，则系统充电。

8.根据权利要求7所述的牵引逆变控制方法，其特征在于，判断是否为应急牵引模式的方法为：

判断是否有外部硬线信号送入控制单元，若否，则系统退出，若是，则执行以下步骤：

判断外部电源是否存在，若是，则系统退出；

若否，则进一步判断动力电池储存电量Soc是否高于牵引阈值E₀；

若动力电池储存电量Soc高于牵引阈值E₀，则系统应急牵引启动；否则，若动力电池储存电量Soc低于牵引阈值E₀，系统退出。

9.根据权利要求8所述的牵引逆变控制方法，其特征在于，判断是否为正常模式的方法为：

判断外部电源是否存在，若否，则系统退出；若是，则执行以下步骤：

判断是否有外部硬线信号送入控制单元，若否，则系统退出；

若有外部硬线信号送入控制单元，且接收到牵引指令，则进一步判断动力电池储存电量Soc是否高于阈值E₁；若电池储存电量Soc高于阈值E₁,则系统进入牵引工况，否则，系统退出；

若有外部硬线信号送入控制单元，且接收到制动指令，则进一步判断动力电池储存电量Soc是否低于阈值E₂；若电池储存电量Soc低于阈值E₂,则系统进入制动工况，否则，系统退出；其中，E₀<E₁<E₂<E₃。