CN114179624B - 一种三合一混合能源供电的轨道车牵引供电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于城市用轨道车技术领域，涉及一种三合一混合能源供电的轨道车牵引供电系统，包括依次连接的供电系统、大功率变流配电系统及牵引辅助系统；供电系统包括电网供电系统、内燃发电机组供电系统和动力电池供电系统，该供电系统能够在三种供电模式工况下将不同电压等级的电压通过大功率变流配电系统统一输出为DC900V，用以向牵引辅助系统提供恒定的母线电压输入。该发明将电网供电系统、内燃发电机组供电系统和动力电池供电系统相结合，实现了轨道车全天候运营能力，解决了现有内燃轨道车的排放污染和噪音污染问题；采用大功率变流配电系统将三种不同电源供电方式的电压进行统一，保证了牵引系统和辅助系统供电电压的一致性。

Description

一种三合一混合能源供电的轨道车牵引供电系统
技术领域
本发明属于城市用轨道车技术领域，涉及一种三合一混合能源供电的轨道车牵引供电系统。
背景技术
随着城市轨道交通的快速发展，轨道机车广泛应用于城市地铁工程设备施工牵引、地铁车辆编组牵引和地铁线路维护，由于其工作环境相对复杂，故对其工作的安全性、可靠性及绿色环保提出了更高要求。
现有传动式轨道车主要包括三种：①纯电池供电交流传动轨道车，采用纯蓄电池或锂电池作为轨道车单一动力供电，牵引逆变器驱动交流异步电机或永磁同步电机传动，采用蓄电池供电，具有绿色、环保的优点，但其续航里程受限。②纯电池和受电弓(或受电靴)二合一混合供电交流传动轨道车，纯电池电压DC650V，电网电压DC1500V，在无电区和电网供电区可实现有效供电能量转换，解决了动力电池的续航问题；然而，由于供电电压不同，牵引逆变器和牵引电机需要适应两种供电电压需求，电机和牵引变流器设计复杂且需要降功使用，牵引特性差、效率低、成本高。③纯内燃机驱动液压马达传动式轨道车，成本低廉、且不涉及续航问题，但排放污染、传动效率低、噪音污染大。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种三合一混合能源供电的轨道车牵引供电系统，采用大功率变流配电系统将受电弓DC1500V与动力电池供电DC900V及内燃发电机组AC690V电压统一变换为DC900v，使轨道车牵引辅助逆变器供电电压保持恒定。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
这种三合一混合能源供电的轨道车牵引供电系统，包括依次连接的供电系统、大功率变流配电系统及牵引辅助系统；所述供电系统包括电网供电系统、内燃发电机组供电系统和动力电池供电系统，所述供电系统能够在三种供电模式工况下将不同电压等级的电压通过大功率变流配电系统统一输出为DC900V，用以向牵引辅助系统提供恒定的母线电压输入。
进一步，所述三种供电模式工况包括：
电网供电工况：受电弓将从接触网取得的直流电DC1500V经过第一断路器、第一接触器输入至DC/DC变流器，所述DC/DC变流器输出的DC900V电压经第二接触器通过隔离转换开关给牵引辅助系统供电；
内燃发电机组供电工况：内燃发电机组输出AC690V电压经过第二断路器、整流滤波单元输出DC900V电压，经第三接触器通过隔离转换开关给牵引辅助系统供电；
动力电池供电工况：动力电池输出的DC900V电压经第三断路器、接触器通过隔离转换开关给牵引辅助系统供电。
进一步，所述隔离转换开关安装于高压箱内。
进一步，所述隔离转换开关采用双刀四掷转换开关。
进一步，所述牵引辅助系统包括四台牵引逆变器和一台辅助逆变器；所述牵引逆变器可将DC900V电压变换成0～690V、0～120Hz的三相交流电压，用以牵引电机的牵引控制；所述辅助逆变器可将DC900V电压变换成AC380V、50Hz的工频电源向辅助负载供电。
进一步，每个所述牵引逆变器的输入端、输出端均设置有隔离接触器。
进一步，当供电系统采用内燃发电机组或受电弓单独供电模式下，辅助变流器还可将直流电压变换成DC960V向动力电池持续充电。
进一步，所述内燃发电机组供电系统采用欧标工频690V标准内燃发电机组，且功率为动力电池供电系统总功率的二分之一。
进一步，不同电压等级的电压包括DC1500V/DC900V/AC690V三种电源。
与现有技术相比，本发明提供的技术方案包括以下有益效果：本发明将电网供电系统、内燃发电机组供电系统和动力电池供电系统相结合，实现了轨道车全天候运营能力，解决了现有内燃轨道车的排放污染和噪音污染问题；采用地铁电网供电，解决了纯电池轨道车续航及充电问题；其中，在受电弓输入后，采用大功率DC/DC调压技术，把电网DC1500V(变化范围DC1000V-DC2100V)直流电压调节到和动力电池电压、柴油发电机组整流后输出电压一致的DC900V较低电压，降低了整个牵引、辅助系统供电直流母线电压，降低了制造成本，提高了可靠性；此外，采用大功率变流配电系统将三种不同电源供电方式的电压进行统一，保证了牵引系统和辅助系统供电电压的一致性，大大提高了系统效率并降低了轨道车制造成本。
本发明采用双刀四掷转换开关可安全实现三种不同电压供电电源的完全隔离切换和检修接地隔离；采用大功率变流配电装置可实现网侧功率因数和谐波可控调节，可取代主线路中静态滤波电抗器，在提高系统效率的同时降低了轨道车的制造成本；内燃发电机组供电系统采用欧标工频690V标准内燃发电机组，且功率为动力电池供电系统总功率的二分之一，可有效减小能耗和噪音，同时满足轨道车低速牵引续航特性的要求。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，与说明书一起用于解释本发明的原理。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的一种三合一混合能源供电的轨道车牵引供电系统的原理框图；
图2为本发明提供的一种三合一混合能源供电的轨道车牵引供电系统的电路图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的系统的例子。
参见图1所示，本发明提供了一种三合一混合能源供电的轨道车牵引供电系统，包括依次连接的供电系统、大功率变流配电系统及牵引辅助系统；所述供电系统包括电网供电系统、内燃发电机组供电系统和动力电池供电系统，所述供电系统能够在三种供电模式工况下将不同电压等级的电压通过大功率变流配电系统统一输出电压DC900V，用以向牵引辅助系统提供恒定的母线电压输入。
具体地，供电系统主要由1台受电弓、1套内燃发电机组和1组动力电池三部分组成；大功率变流配电系统主要由1台大功率变流器、1台整流器和1台双刀四掷转换开关、3台断路器组成；牵引辅助系统由4台牵引变流器、4台牵引电机和1台辅助变流器组成。
轨道车在电网具备受流条件下可工作在DC1500V受电弓供电模式，或无电网隧道中可工作在DC900V纯电池供电模式，或无电网及动力电池续航不足的露天作业环境下可工作在内燃发电机组AC690V供电模式。通过大功率变流配电系统中的断路器和双刀四掷转换开关可实现轨道车在不同线路作业时所需供电条件的转换及隔离，实现轨道车实现全天候工况作业能力。三种供电模式工况不同等级电压通过大功率变流配电装置统一输出稳定为DC900V，保证牵引辅助系统恒定母线电压输入，解决了现有轨道车牵引、辅助变流器和牵引电机为适应不同供电电压等级和实现规定的牵引特性而进行的复杂的电路、磁路结构设计，牵引电机不得不降功使用而导致的效率低、牵引特性差、成本高等缺点。
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例
结合图2所示，本发明提供了一种三合一混合能源供电的轨道车牵引供电系统的电路图，该供电系统采用DC1500V受电弓+DC900V动力电池+AC690V内燃发电机组三合一供电方案，其工作原理如下：
当轨道车工作在受电弓供电模式下：轨道车由电网供电系统供电，DC1500V电网电压通过受电弓DC1000V～DC1850V直流电能输入大功率DC/DC变流器并稳定控制输出DC900V，并通过高压箱内设置的双刀四掷转换开关接通母线并切除其它两种供电电源，从而向4台牵引逆变器和1台辅助逆变器提供恒定DC900V供电。4台牵引逆变器将直流电压变换成0～690V、0～120Hz的调频调压三相交流电压，分别供给4台牵引电机，从而完成牵引控制。辅助逆变器分两路输出，一路将直流电压变换成AC380V、50Hz工频电源向辅助负载供电；另一路将直流电压变换成DC960V向动力电池持续充电。当轨道车工作在电制动工况，DC/DC变流器可将牵引变流器控制牵引电机制动时产生的能量升压回馈至DC1500V电网，并可动态调节馈网功率因数和谐波，实现有源能馈制动，可取代整个电路中静态滤波电抗器作用，在提高系统效率的同时简化了电路结构、降低了轨道车的制造成本。
当轨道车工作在动力电池供电模式下：轨道车由动力电池供电系统供电，DC900V电池电压通过高压箱内设置的双刀四掷转换开关接通母线并切除其它两种供电电源，从而向4台牵引逆变器和1台辅助逆变器提供恒定DC900V供电。4台牵引逆变器将直流电压变换成0～690V、0～120Hz的调频调压三相交流电压，分别供给4台牵引电机，从而完成优越的牵引控制。辅助逆变器将直流电压变换成AC380V、50Hz工频电源向辅助负载供电。当轨道车工作在电制动工况，牵引变流器控制牵引电机制动时产生的能量升压向动力电池充电，多余能量由制动电阻柜消耗。
当轨道车工作在内燃发电机组供电模式下：轨道车由内燃发电机组供电系统供电，发电机组输出恒定的AC690V电网电压，通过大功率整流柜稳定控制输出DC900V，并通过高压箱内设置的双刀四掷转换开关接通母线并切除其他两种供电电路，从而向4台牵引逆变器和1台辅助逆变器提供恒定DC900V供电，4台牵引逆变器将直流电压变换成0～690V、0～120Hz的调频调压三相交流电压，分别供给4台牵引电机，从而完成牵引控制。辅助逆变器分两路输出，一路将直流电压变换成AC380V、50Hz工频电源向辅助负载供电；另一路将直流电压变换成DC960V向动力电池持续充电。
进一步，每个牵引逆变器的输入端、输出端均设有隔离接触器，实现故障工况下牵引电机与逆变器和直流母线的隔离，并可实现1/4故障电机隔离。
其中，轨道车牵引供电系统可分别输入DC1500V/DC900V/AC690V三种不同电源，输出统一变换为稳定的DC900V电压。
进一步，内燃发电机组供电系统采用欧标工频690V标准内燃发电机组，为将排放减小，为减小噪音和消耗问题，发电机组功率为动力电池供电系统总功率的二分之一，可有效减小能耗和噪音，同时满足轨道车低速牵引续航特性要求。
进一步，隔离转换开关采用双刀四掷转换开关，可安全地实现三种不同电压供电电源完全隔离切换和检修接地隔离。
进一步，所述轨道车牵引供电系统采用大功率变流配电系统即可实现网侧功率因数和谐波可控调节，可取代主线路中静态滤波电抗器、降低成本。
进一步，所述轨道车牵引供电系统在内燃发电机组或受电弓单独供电模式下，在满足牵引供电条件下，辅助变流器系统均同时具备向动力电池充电功能。
本发明提供的这种三合一混合能源供电的轨道车牵引供电系统，，参见图2，具体分为三种供电模式：①轨道车在作业现场电网具备受流条件下工作在DC1500V受电弓供电模式，由DC1500V直流电网向轨道车供电，供电功率约1000KW，通过高压配电柜中大功率双向DC/DC实施动态升、降调压以实现直流母线并网，可实时进行升压和降压调压动态能力；②轨道车在无电网隧道中作业，工作在DC900V纯电池供电模式，由动力电池向轨道车供电，供电功率约800KW，且动力电池供电回路中采用单相导通二极管，由辅助供电系统中车载充电，可实现发电机组和受电弓供电模式完全将动力电池充饱；③轨道车在作业现场既无电网又动力电池续航不足的露天作业条件，工作在内燃发电机组AC690V恒压恒转速供电模式，由内燃发电机组向轨道车供电，供电功率约450KW；④辅助系统采用隔离冗余备份设计(分别从DC/DC变流器前、后取电)，实现故障冗余，为辅助系统电源提供供电保障。
该轨道车牵引供电系统，三合一供电方案实现了轨道车全天候运营能力，解决了现有内燃轨道车的排放污染和噪音污染问题；有效利用地铁供电电网，解决了纯电池轨道车续航及充电问题；创造性地采用大功率DC/DC将三种不同电源供电方式的电压统一，保证了牵引系统和辅助系统供电电压一致，大大提高了系统效率和降低了轨道车制造成本。
以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。
应当理解的是，本发明并不局限于上述内容，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (7)

1.一种三合一混合能源供电的轨道车牵引供电系统，其特征在于，包括依次连接的供电系统、大功率变流配电系统及牵引辅助系统；所述供电系统包括电网供电系统、内燃发电机组供电系统和动力电池供电系统，所述供电系统能够在三种供电模式工况下将不同电压等级的电压通过大功率变流配电系统统一输出为DC900V，用以向牵引辅助系统提供恒定的母线电压输入；
所述三种供电模式工况包括：
电网供电工况：受电弓将从接触网取得的直流电DC1500V经过第一断路器、第一接触器输入至DC/DC变流器，所述DC/DC变流器输出的DC900V电压经第二接触器通过隔离转换开关给牵引辅助系统供电；
内燃发电机组供电工况：内燃发电机组输出AC690V电压经过第二断路器、整流滤波单元输出DC900V电压，经第三接触器通过隔离转换开关给牵引辅助系统供电；
动力电池供电工况：动力电池输出的DC900V电压经第三断路器、接触器通过隔离转换开关给牵引辅助系统供电；
其中，所述牵引辅助系统包括四台牵引逆变器和一台辅助变流器；所述牵引逆变器可将DC900V电压变换成0～690V、0～120Hz的三相交流电压，用以牵引电机的牵引控制；所述辅助变流器可将DC900V电压变换成AC380V、50Hz的工频电源向辅助负载供电；
所述辅助变流器采用隔离冗余备份设计，分别从DC/DC变流器前、后取电。
2.根据权利要求1所述的三合一混合能源供电的轨道车牵引供电系统，其特征在于，所述隔离转换开关安装于高压箱内。
3.根据权利要求1所述的三合一混合能源供电的轨道车牵引供电系统，其特征在于，所述隔离转换开关采用双刀四掷转换开关。
4.根据权利要求1所述的三合一混合能源供电的轨道车牵引供电系统，其特征在于，每个所述牵引逆变器的输入端、输出端均设置有隔离接触器。
5.根据权利要求1所述的三合一混合能源供电的轨道车牵引供电系统，其特征在于，当供电系统采用内燃发电机组或受电弓单独供电模式下，辅助变流器还可将直流电压变换成DC960V向动力电池持续充电。
6.根据权利要求1所述的三合一混合能源供电的轨道车牵引供电系统，其特征在于，所述内燃发电机组供电系统采用欧标工频690V标准内燃发电机组，且功率为动力电池供电系统总功率的二分之一。
7.根据权利要求1所述的三合一混合能源供电的轨道车牵引供电系统，其特征在于，不同电压等级的电压包括DC1500V/DC900V/AC690V三种电源。
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