CN111959530A - 一种列车应急储能电源拓扑结构及其控制方法 - Google Patents

一种列车应急储能电源拓扑结构及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种列车应急储能电源拓扑结构及其控制方法，包括牵引变压器、脉冲整流电路、中间直流储能调节环节和牵引逆变器；所述脉冲整流电路通过牵引变压器连接牵引网；所述中间直流储能调节环节连接在脉冲整流电路与牵引逆变器之间，通过脉冲整流电路控制中间直流储能调节环节电压来控制应急储能电源能量输出；所述牵引逆变器的输出端连接至牵引电机，通过牵引逆变器控制牵引电机运转。本发明能够解决传统拓扑方案中成本高，器件较多、效率较低的缺点；能够有效节约成本，增加应急储能电源安装容量，提高运行效率，增强列车应急能力，保障乘客安全。

Description

一种列车应急储能电源拓扑结构及其控制方法
技术领域
本发明属于列车应急电源技术领域，特别是涉及一种列车应急储能电源拓扑结构及其控制方法。
背景技术
列车应急系统主要考虑在牵引网故障状态下维持列车安全运行到站，同时维持车内人员舒适环境。
近年来，国内开始论证采用储能作为列车车载应急电源。目前列车车载应急电源所采用的拓扑结构中储能需要通过双向DC/DC变换器和连接逆变器后，再连接牵引变压器。因此，现有的拓扑结构在能量传输时能量流会经过变流-逆变-整流-逆变-牵引电机路线，造成能量利用的大量浪费；并且，现有的拓扑中接入的变流环节过多，导致成本增加，体积增大，储能可安装容量变小。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种列车应急储能电源拓扑结构及其控制方法，本发明能够解决传统拓扑方案中成本高，器件较多、效率较低的缺点；能够有效节约成本，增加应急储能电源安装容量，提高运行效率，增强列车应急能力，保障乘客安全。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种列车应急储能电源拓扑结构的控制方法，列车应急储能电源拓扑结构包括牵引变压器、脉冲整流电路、中间直流储能调节环节和牵引逆变器；所述脉冲整流电路通过牵引变压器连接牵引网；所述中间直流储能调节环节连接在脉冲整流电路与牵引逆变器之间，通过脉冲整流电路控制中间直流储能调节环节电压来控制应急储能电源能量输出；所述牵引逆变器的输出端连接至牵引电机，通过牵引逆变器控制牵引电机运转；
所述列车应急储能电源拓扑结构的控制方法，通过整流器控制策略以及牵引逆变器控制策略保障列车在各种运行模式下均安全稳定运行，包括步骤：
S10，判断牵引供电系统状态，处于正常运行还是故障应急状态；
S20，在牵引供电系统正常运行时，通过整流器控制策略控制脉冲整流电路调节直流侧电压以及中间直流储能调节环节调节电流输出；通过牵引逆变器控制策略控制调节牵引逆变器使牵引电机正常运行；
S30，在牵引供电系统故障应急时，脉冲整流电路停止运行，由中间直流储能调节环节直接连接牵引逆变器；通过牵引逆变器控制策略控制调节牵引逆变器使牵引电机正常运行。
进一步的是，所述牵引供电系统正常运行状态包括4种运行模式，分别为：1)脉冲整流电路侧电流输出且中间直流储能调节环节电流输出或为0，列车牵引运行；2)脉冲整流电路侧电流输出，中间直流储能调节环节电流输入，为充电状态，列车牵引运行；3)列车处于制动状态，中间直流储能调节环节电流输入，为充电状态，脉冲整流电路侧为电流输入，部分能量馈入牵引网；4)列车处于制动状态，中间直流储能调节环节电流输入，为充电状态，脉冲整流电路仅调节中间直流储能调节环节电压。
进一步的是，所述牵引供电系统故障状态包括2种运行模式，分别为：1)列车处于牵引状态，中间直流储能调节环节电流输出为牵引电机供电；2)列车处于制动状态，中间直流储能调节环节电流输入，为充电状态。
进一步的是，所述牵引供电系统为正常运行状态，包括步骤：
S21，根据列车控制指令分配的储能模块能量输出计算该输出下中间直流储能调节环节电压为参考电压UD，进入S22；
S22，通过整流器控制直流侧电压输出为参考电压UD,进而实现储能模块按目标功率输出，进入S23；
S23，牵引逆变器通过逆变器控制策略控制牵引电机运行在设定模式下，实现机车安全运行。
进一步的是，所述整流器控制策略为基于储能模块能量传输的瞬态电流控制策略，包括步骤：
基于储能模块功率输出，进而计算出在该功率输出状态下直流侧电压；
后以测量直流侧电压作为负反馈与计算直流侧电压做差，计算交流测电流指令值；
然后采集交流测电网电压，计算交流测整流器输入端的电压指令值，该值作为调制波，通过调制波控制整流器开关组合状态，进而控制脉冲整流器运行状态。该方法将将交流侧电压和电流均作为负反馈值，构成了双闭环控制结构。可以通过控制调制波的幅值来控制功率的传递，进而控制了交流侧电流和直流侧电压，在列车正常运行状态时可有效控制储能模块的功率输出。
进一步的是，所述逆变器控制策略包括步骤：
通过牵引电机模型参数和转差率间接计算当前运行模式下转子磁场方向以及磁通；
然后通过计算选择牵引逆变器理想开关组合状态，通过牵引逆变器不同开关组合状态控制电机磁通牵逼近理想磁通，控制牵引电机运行。
该控制策略在列车正常或应急状态时均可控制列车安全运行。
另一方面，本发明还提供了一种列车应急储能电源拓扑结构，包括牵引变压器、脉冲整流电路、中间直流储能调节环节和牵引逆变器；
所述脉冲整流电路通过牵引变压器连接牵引网；所述中间直流储能调节环节连接在脉冲整流电路与牵引逆变器之间，通过脉冲整流电路控制中间直流储能调节环节电压来控制应急储能电源能量输出；所述牵引逆变器的输出端连接至牵引电机，通过牵引逆变器调节输出电压频率可变的交流电控制牵引电机运转。
进一步的是，所述牵引变压器为单相变压器，将牵引网交流电转换为脉冲整流电路允许的交流电；所述脉冲整流电路将单相变压器输出的交流电整流为满足牵引逆变器输入要求的直流电，并传递至中间直流储能调节环节。
进一步的是，所述中间直流储能调节环节包括储能模块，通过储能模块调节脉冲整流电路到牵引逆变器之间的电能，减少谐波，维持直流母线电压，并为列车提供能量以及回收制动能量。储能模块包含锂电池或超级电容等一切可能储能形式，可包含或不包含DC/DC变换器。
进一步的是，所述中间直流储能调节环节还可包括大容量支撑电容。
采用本技术方案的有益效果：
本发明提出一种列车应急储能电源的新型拓扑结构及控制方法，能够解决传统拓扑方案中成本高，器件较多、效率较低的缺点；能够有效节约成本，增加应急储能电源安装容量，提高运行效率，增强列车应急能力，保障乘客安全。
本发明提出的拓扑结构中储能模块直接作为列车交直交传输系统中间直流储能调节环节，相比较传统接入方式，减少变流器与逆变器数量，提高能量利用效率；并且可代替传统交直交系统中之间直流环节电压支撑电路，节约成本；在牵引供电系统正常运行时，可回收制动能量，提供峰值功率，并可起到滤波，维持电压稳定作用；在牵引供电系统故障时，储能电源连接牵引逆变器，减少中间损耗，为列车提供应急电能并回收制动能量，保障列车应急自走行能力和供电可靠性。
本发明车地列车应急储能电源的新型拓扑结构控制策略通过脉冲整流电路控制中间直流储能调节环节电压来控制应急储能电源能量输出，通过逆变器控制牵引电机正常运转，保障列车安全平稳运行，且将整体控制集中到列车交直交牵引传输系统控制中，减少额外控制成本。
本发明适用于各种列车应急电源接入列车牵引系统，提高列车运行效率与应急能力。本发明提出的一种列车应急储能电源的新型拓扑结构及控制方法，有效的填补了目前国内列车应急电源拓扑结构设计方面的空白。
附图说明
图1为本发明的一种列车应急储能电源拓扑结构的控制方法流程示意图；
图2为本发明实施例中该拓扑结构控制方法的控制流程示意图；
图3为本发明实施例中中间直流储能调节环节输出的整流电路系统控制框图；
图4为本发明实施例中逆变器与电机系统控制框图；
图5为本发明实施例中的一种应急储能电源系统拓扑的结构示意图；
图6为本发明实施例中的另一种应急储能电源系统拓扑的结构示意图；
图7为本发明实施例中列车正常运行情况下系统运行模式示意图；
图8为本发明实施例中列车故障应急情况下系统运行模式示意图。
其中，1是牵引变压器，2是脉冲整流电路，3是中间直流储能调节环节，31是储能模块，32是大容量支撑电容，4是牵引逆变器，5是牵引电机。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步阐述。
在本实施例中，本发明提出了一种列车应急储能电源拓扑结构的控制方法，如图5所示，列车应急储能电源拓扑结构包括牵引变压器1、脉冲整流电路2、中间直流储能调节环节3和牵引逆变器4；所述脉冲整流电路2通过牵引变压器1连接牵引网；所述中间直流储能调节环节3连接在脉冲整流电路2与牵引逆变器4之间，通过脉冲整流电路2控制中间直流储能调节环节3电压来控制应急储能电源能量输出；所述牵引逆变器4的输出端连接至牵引电机5，通过牵引逆变器4控制牵引电机5运转；
参见图1和图2所示，所述列车应急储能电源拓扑结构的控制方法，通过整流器控制策略以及牵引逆变器控制策略保障列车在各种运行模式下均安全稳定运行，包括步骤：
S10，判断牵引供电系统状态，处于正常运行还是故障应急状态；
S20，在牵引供电系统正常运行时，通过整流器控制策略控制脉冲整流电路2调节直流侧电压以及中间直流储能调节环节3调节电流输出；通过牵引逆变器控制策略控制调节牵引逆变器4使牵引电机5正常运行；如图7所示；
S30，在牵引供电系统故障应急时，脉冲整流电路2停止运行，由中间直流储能调节环节3直接连接牵引逆变器4；通过牵引逆变器控制策略控制调节牵引逆变器4使牵引电机5正常运行；如图8所示。
作为上述实施例的优化方案，所述牵引供电系统正常运行状态包括4种运行模式，分别为：1)脉冲整流电路2侧电流输出且中间直流储能调节环节3电流输出或为0，列车牵引运行；2)脉冲整流电路2侧电流输出，中间直流储能调节环节3电流输入，为充电状态，列车牵引运行；3)列车处于制动状态，中间直流储能调节环节3电流输入，为充电状态，脉冲整流电路2侧为电流输入，部分能量馈入牵引网；4)列车处于制动状态，中间直流储能调节环节3电流输入，为充电状态，脉冲整流电路2仅调节中间直流储能调节环节3电压。
所述牵引供电系统故障状态包括2种运行模式，分别为：1)列车处于牵引状态，中间直流储能调节环节3电流输出为牵引电机5供电；2)列车处于制动状态，中间直流储能调节环节3电流输入，为充电状态。
作为上述实施例的优化方案，如图2所示，所述牵引供电系统为正常运行状态，包括步骤：
S21，根据列车控制指令分配的储能模块31能量输出计算该输出下中间直流储能调节环节3电压为参考电压UD，进入S22；
S22，通过整流器控制直流侧电压输出为参考电压UD,进而实现储能模块31按目标功率输出，进入S23；
S23，牵引逆变器4通过逆变器控制策略控制牵引电机5运行在设定模式下，实现机车安全运行。
作为上述实施例的优化方案，如图3所示，所述整流器控制策略为基于储能模块31能量传输的瞬态电流控制策略，包括步骤：
基于储能模块31功率输出，进而计算出在该功率输出状态下直流侧电压；
后以测量直流侧电压作为负反馈与计算直流侧电压做差，计算交流测电流指令值；
然后采集交流测电网电压，计算交流测整流器输入端的电压指令值，该值作为调制波，通过调制波控制整流器开关组合状态，进而控制脉冲整流器运行状态。该方法将将交流侧电压和电流均作为负反馈值，构成了双闭环控制结构。可以通过控制调制波的幅值来控制功率的传递，进而控制了交流侧电流和直流侧电压，在列车正常运行状态时可有效控制储能模块31的功率输出。
所述逆变器控制策略如图4所示，包括步骤：
通过牵引电机5模型参数和转差率间接计算当前运行模式下转子磁场方向以及磁通；
然后通过计算选择牵引逆变器4理想开关组合状态，通过牵引逆变器4不同开关组合状态控制电机磁通牵逼近理想磁通，控制牵引电机5运行。
该控制策略在列车正常或应急状态时均可控制列车安全运行。
为配合本发明方法的实现，基于相同的发明构思，如图5所示，本发明还提供了一种列车应急储能电源拓扑结构，包括牵引变压器1、脉冲整流电路2、中间直流储能调节环节3和牵引逆变器4；
所述脉冲整流电路2通过牵引变压器1连接牵引网；所述中间直流储能调节环节3连接在脉冲整流电路2与牵引逆变器4之间，通过脉冲整流电路2控制中间直流储能调节环节3电压来控制应急储能电源能量输出；所述牵引逆变器4的输出端连接至牵引电机5，通过牵引逆变器4调节输出电压频率可变的交流电控制牵引电机5运转。
作为上述实施例的优化方案，所述牵引变压器1为单相变压器，将牵引网交流电转换为脉冲整流电路2允许的交流电；所述脉冲整流电路2将单相变压器输出的交流电整流为满足牵引逆变器4输入要求的直流电，并传递至中间直流储能调节环节3。
作为上述实施例的优化方案，所述中间直流储能调节环节3包括储能模块31，通过储能模块31调节脉冲整流电路2到牵引逆变器4之间的电能，减少谐波，维持直流母线电压，并为列车提供能量以及回收制动能量。储能模块31包含锂电池或超级电容等一切可能储能形式，可包含或不包含DC/DC变换器。
作为上述实施例的优化方案，如图6所示，所述中间直流储能调节环节3还包括大容量支撑电容32。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种列车应急储能电源拓扑结构的控制方法，其特征在于，列车应急储能电源拓扑结构包括牵引变压器(1)、脉冲整流电路(2)、中间直流储能调节环节(3)和牵引逆变器(4)；所述脉冲整流电路(2)通过牵引变压器(1)连接牵引网；所述中间直流储能调节环节(3)连接在脉冲整流电路(2)与牵引逆变器(4)之间，通过脉冲整流电路(2)控制中间直流储能调节环节(3)电压来控制应急储能电源能量输出；所述牵引逆变器(4)的输出端连接至牵引电机(5)，通过牵引逆变器(4)控制牵引电机(5)运转；
所述列车应急储能电源拓扑结构的控制方法，通过整流器控制策略以及牵引逆变器控制策略保障列车在各种运行模式下均安全稳定运行，包括步骤：
S10，判断牵引供电系统状态，处于正常运行还是故障应急状态；
S20，在牵引供电系统正常运行时，通过整流器控制策略控制脉冲整流电路(2)调节直流侧电压以及中间直流储能调节环节(3)调节电流输出；通过牵引逆变器控制策略控制调节牵引逆变器(4)使牵引电机(5)正常运行；
S30，在牵引供电系统故障应急时，脉冲整流电路(2)停止运行，由中间直流储能调节环节(3)直接连接牵引逆变器(4)；通过牵引逆变器控制策略控制调节牵引逆变器(4)使牵引电机(5)正常运行。
2.根据权利要求1所述的一种列车应急储能电源拓扑结构的控制方法，其特征在于，所述牵引供电系统正常运行状态包括4种运行模式，分别为：1)脉冲整流电路(2)侧电流输出且中间直流储能调节环节(3)电流输出或为0，列车牵引运行；2)脉冲整流电路(2)侧电流输出，中间直流储能调节环节(3)电流输入，为充电状态，列车牵引运行；3)列车处于制动状态，中间直流储能调节环节(3)电流输入，为充电状态，脉冲整流电路(2)侧为电流输入，部分能量馈入牵引网；4)列车处于制动状态，中间直流储能调节环节(3)电流输入，为充电状态，脉冲整流电路(2)仅调节中间直流储能调节环节(3)电压。
3.根据权利要求1所述的一种列车应急储能电源拓扑结构的控制方法，其特征在于，所述牵引供电系统故障状态包括2种运行模式，分别为：1)列车处于牵引状态，中间直流储能调节环节(3)电流输出为牵引电机(5)供电；2)列车处于制动状态，中间直流储能调节环节(3)电流输入，为充电状态。
4.根据权利要求1所述的一种列车应急储能电源拓扑结构的控制方法，其特征在于，所述牵引供电系统为正常运行状态，包括步骤：
S21，根据列车控制指令分配的储能模块(31)能量输出计算该输出下中间直流储能调节环节(3)电压为参考电压UD，进入S22；
S22，通过整流器控制直流侧电压输出为参考电压UD,进而实现储能模块(31)按目标功率输出，进入S23；
S23，牵引逆变器(4)通过逆变器控制策略控制牵引电机(5)运行在设定模式下，实现机车安全运行。
5.根据权利要求1所述的一种列车应急储能电源拓扑结构的控制方法，其特征在于，所述整流器控制策略为基于储能模块(31)能量传输的瞬态电流控制策略，包括步骤：
基于储能模块(31)功率输出，进而计算出在该功率输出状态下中间直流侧电压；
后以测量直流侧电压作为负反馈与计算直流侧电压做差，计算交流测电流指令值；
然后采集交流测电网电压，计算交流测整流器输入端的电压指令值，该值作为调制波，通过调制波控制整流器开关组合状态，进而控制脉冲整流器运行状态。
6.根据权利要求1所述的一种列车应急储能电源拓扑结构的控制方法，其特征在于，所述逆变器控制策略包括步骤：
通过牵引电机(5)模型参数和转差率间接计算当前运行模式下转子磁场方向以及磁通；
然后通过计算选择牵引逆变器(4)理想开关组合状态，通过牵引逆变器(4)不同开关组合状态控制电机磁通牵逼近理想磁通，控制牵引电机(5)运行。
7.一种列车应急储能电源拓扑结构，其特征在于，包括牵引变压器(1)、脉冲整流电路(2)、中间直流储能调节环节(3)和牵引逆变器(4)；
所述脉冲整流电路(2)通过牵引变压器(1)连接牵引网；所述中间直流储能调节环节(3)连接在脉冲整流电路(2)与牵引逆变器(4)之间，通过脉冲整流电路(2)控制中间直流储能调节环节(3)电压来控制应急储能电源能量输出；所述牵引逆变器(4)的输出端连接至牵引电机(5)，通过牵引逆变器(4)调节输出电压频率可变的交流电控制牵引电机(5)运转。
8.根据权利要求1所述的一种列车应急储能电源拓扑结构，其特征在于，所述牵引变压器(1)为单相变压器，将牵引网交流电转换为脉冲整流电路(2)允许的交流电；所述脉冲整流电路(2)将单相变压器输出的交流电整流为满足牵引逆变器(4)输入要求的直流电，并传递至中间直流储能调节环节(3)。
9.根据权利要求1所述的一种列车应急储能电源拓扑结构，其特征在于，所述中间直流储能调节环节(3)包括储能模块(31)，通过储能模块(31)调节脉冲整流电路(2)到牵引逆变器(4)之间的电能，减少谐波，维持直流母线电压，并为列车提供能量以及回收制动能量。
10.根据权利要求9中任一所述的一种列车应急储能电源拓扑结构，其特征在于，所述中间直流储能调节环节(3)还可包括大容量支撑电容(32)。
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