CN206149004U - 一种轨道电力机车可再生能量吸收与存储装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于轨道电力机车能量领域，特别是涉及一种轨道电力机车可再生能量吸收与存储装置。包括直流电网、吸收直流开关柜、储能直流开关柜、DCDC斩波柜、双向储能DCDC、吸收电阻和超级电容，储能直流开关柜和吸收直流开关柜的上口分别通过电缆连接至直流电网，所述DCDC斩波柜和双向储能DCDC分别通过电缆连接在吸收直流开关柜和储能直流开关柜的下口，所述吸收电阻和超级电容分别连接在DCDC斩波柜和双向储能DCDC的输出侧；开关柜、DCDC斩波柜以及双向储能DCDC装置的控制都由主控制器来完成；所述装置将传统的电阻吸收回路与超级电容储能回路结合起来，既节约了能源，也保证了电气设备的安全。

Description

一种轨道电力机车可再生能量吸收与存储装置

技术领域

本实用新型属于轨道电力机车能量领域，特别是涉及一种轨道电力机车可再生能量吸收与存储装置。

背景技术

目前，各大城市正在大力发展轨道交通，地铁正成为城市中最重要的交通工具，轨道电力机车直接连接在接触网上。机车在运行过程中，容易产生过电压的情况，经常出现过电压会对机车的电力设备和电力系统造成损坏。因为各个站点之间的距离较短，造成了机车的频繁启停，这带来的不只是能源消耗，制动过程中还会对直流母线电压带来冲击，造成连接直流母线电气设备的损坏，直接造成了重大的经济损失。

实用新型内容

为了克服上述问题，本发明提出了一种轨道电力机车可再生能量吸收与存储装置，能够较好的解决轨道电力机车频繁启停的操作带来的过电压的问题，保证了轨道电力机车设备和供电系统的安全。

为实现上述目的，本实用新型提出如下技术方案：

一种轨道电力机车可再生能量吸收与存储装置，所述装置包括直流电网、吸收直流开关柜、储能直流开关柜、DCDC斩波柜、双向储能DCDC、吸收电阻和超级电容，所述储能直流开关柜和吸收直流开关柜的上口分别通过电缆连接至直流电网，所述DCDC斩波柜和双向储能DCDC分别通过电缆连接在吸收直流开关柜和储能直流开关柜的下口，所述吸收电阻和超级电容分别连接在DCDC斩波柜和双向储能DCDC的输出侧；

所述开关柜、DCDC斩波柜以及双向储能DCDC装置的控制都由主控制器来完成；

所述主控制器包括I/O开入开出部分、AD模数转换部分、对外光纤通信部分和对外485通信部分；

所述I/O开入开出分别连接至DCDC斩波柜隔离开关和储能柜隔离开关，所述AD转换部分分别采集装置接入直流电网的电压电流、DCDC斩波柜的电压电流以及双向储能DCDC的电压电流，所述光纤接口接至DCDC斩波柜和双向储能DCDC，所述对外485通信接口一个接至人机界面，另外一个作为后备预留。

进一步地，所述吸收电阻部分由第一电阻（R1′）、第二电阻（R2′）与第一刀闸（K1）、第二刀闸（K2）、第三刀闸（K3）组成。闭合第一刀闸（K1），第一电阻（R1′）与第二电阻（R2′）组成串联回路；闭合第二刀闸（K2）和第三刀闸（K3），第一电阻（R1′）与第二电阻（R2′）组成并联回路；同时闭合第一刀闸（K1）、第二刀闸（K2）和第三刀闸（K3），只有第二电阻（R2′）接入吸收回路。

进一步地，所述双向储能DCDC装置的电路拓扑结构包括第一母线支撑电容（C1）、第二母线支撑电容（C2）、飞跨电容（C3）、超级电容模块（C4）、第一均压电阻（R1）、第二均压电阻（R2）、第一IGBT模块（T1\T2）、第二IGBT模块（T3\T4）、第一组二极管与电阻（D1\R3）、第二组二极管与电阻（D2\R4）和平波电感（L）；

所述第一组二极管与电阻（D1\R3）包括第一二极管（D1）和第三电阻（R3），第一二极管（D1）和第三电阻（R3）是串联；所述第二组二极管与电阻（D2\R4）包括第二二极管（D2）和第四电阻（R4），第二二极管（D2）和第四电阻（R4）之间是串联；

所述第一IGBT模块（T1\T2）包括第一开关管（T1）和第二开关管（T2），第一开关管（T1）和第二开关管（T2）之间是串联；所述第二IGBT模块（T3\T4）包括第三开关管（T3）和第四开关管（T4），第三开关管（T3）和第四开关管（T4）之间是串联；

所述第一均压电阻（R1）和第二均压电阻（R2）分别串联在第一母线支撑电容（C1）和第二母线支撑电容（C2）的两端，所述第一母线支撑电容（C1）和第二母线支撑电容（C2）并联；所述第一IGBT模块（T1\T2）和第二IGBT模块（T3\T4）是两个独立的IGBT模块，分别串联接在第一母线支撑电容（C1）和第二母线支撑电容（C2）的两端；所述飞跨电容（C3）连接在两个IGBT模块的中点之间，飞跨电容（C3）的两端分别连接第一组二极管与电阻（D1\R3）和第二组二极管与电阻（D2\R4），第一组二极管与电阻（D1\R3）和第二组二极管与电阻（D2\R4）的中点和第一母线支撑电容（C1）和第二母线支撑电容（C2）的中点连接在一起。

进一步地，所述DCDC斩波柜和双向储能DCDC装置使用的是同一种电路拓扑结构。

本实用新型的有益效果在于：本实用新型提供一种轨道电力机车可再生能量吸收与存储装置，将传统的电阻吸收回路与超级电容储能回路结合起来。当设备通过开关柜连接直流电网后，在轨道机车制动时，会对直流母线电压产生冲击，主控制器检测到以后，控制双向储能DCDC装置对电容进行充电，吸收掉过电压，如果同时制动的机车过多，造成的电压冲击更大，现有的超级电容吸收装置不能满足条件，控制器再控制DCDC斩波柜工作，让电阻吸收掉剩余的部分，以保证母线电压的稳定和电气设备的安全。当轨道机车启动时，双向储能DCDC装置又将超级电容储存的能量释放到直流电网，以供机车所需。

这种轨道电力机车可再生能量吸收与存储装置能够较好的解决轨道电力机车频繁启停的操作带来的过电压的问题，既节约了能源，也保证了轨道电力机车设备和供电系统的安全。

附图说明

图1是本实用新型的装置系统图。

图2是本实用新型的主控制器控制框图。

图3是本实用新型的电阻吸收部分的电路图。

图4是本实用新型的双向储能DCDC装置电路拓扑图。

图5是本实用新型的双向储能DCDC工作在BUCK的占空比D＞0.5或工作在BOOST的占空比D＜0.5的工作状态和电流波形。

图6为本实用新型的双向储能DCDC工作在BUCK的占空比D＜0.5或工作在BOOST的占空比D＞0.5的工作状态和电流波形。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型的具体实施方案作详细的阐述。

如附图1中，装置分为两部分连接直流电网，左侧为电阻吸收回路，包含吸收电阻和DCDC斩波柜；右侧为能量储存和释放回路，包含超级电容和双向储能DCDC装置。这两部分分别通过一个开关柜连接到直流电网。

当设备通过开关柜连接直流电网后，在轨道机车制动时，会对直流母线电压产生冲击，主控制器检测到以后，控制双向储能DCDC装置对电容进行充电，吸收掉过电压，如果同时制动的机车过多，造成的电压冲击更大，现有的超级电容吸收装置不能满足条件，控制器在控制DCDC斩波柜工作，让电阻吸收掉剩余的部分，以保证母线电压的稳定和电气设备的安全。当轨道机车启动时，双向储能DCDC装置又将超级电容储存的能量释放到直流电网，以供机车所需。

所述开关柜以及DCDC斩波柜和双向储能DCDC装置的控制都有主控制器来完成，主控制器部分如附图2所示。当装置运行后，主控制器控制DCDC斩波柜隔离开关和储能柜隔离开关，将DCDC斩波柜和双向储能DCDC分别连接至直流电网；同时主控制器的AD转换一直采样直流电网、DCDC斩波柜以及双向储能DCDC的电压和电流，当主控制器采集到直流网电压过高时，主控制器通过光纤下发命令控制双向储能DCDC对超级电容进行充电，当冲击电压过大时，超级电容储能还不能完全吸收掉过电压，主控制器同时通过光纤控制DCDC斩波柜，让电阻吸收过电压的能量，以维持直流电网的稳定运行，保护电力设备的安全。

所述吸收电阻部分的电路图如附图3所示，所述吸收电阻部分由第一电阻（R1′）、第二电阻（R2′）与第一刀闸（K1）、第二刀闸（K2）、第三刀闸（K3）组成。闭合第一刀闸（K1），第一电阻（R1′）与第二电阻（R2′）组成串联回路；闭合第二刀闸（K2）和第三刀闸（K3），第一电阻（R1′）与第二电阻（R2′）组成并联回路；同时闭合第一刀闸（K1）、第二刀闸（K2）和第三刀闸（K3），只有第二电阻（R2′）接入吸收回路中。这些不同的组合有利于装置可以适应不同的电压等级，和连接在直流网上不同的轨道机车的数量，不同的阻值组合兼容性更强。

双向储能DCDC装置的电路拓扑结构如附图4所示，是一个含有飞跨电容的三电平结构，使用飞跨电容替代了传统三电平的两个中点钳位二极管，不但节省了两个二极管的成本还有了三电平电路的优势。正常工作时，第一开关管（T1）和第二开关管（T2），第三开关管（T3）和第四开关管（T4）交错工作，驱动脉冲相差180°，另外第一开关管（T1）与第四开关管（T4）互补，第二开关管（T2）与第三开关管（T3）互补。双向储能DCDC对超级电容进行充电和放电时，由于电流传输的方向不同，可以分为BUCK充电电路和BOOST放电电路。其电路为三电平BUCK 降压电路时，工作在充电模式，从直流母线降压给超级电容充电，其电路为三电平BOOST 升压电路，工作在放电模式，超级电容升压给母线补充电流。

在上电瞬间，电流通过第一开关管（T1）、第四开关管（T4），第一二极管（D1）、第二二极管（D2），第三电阻（R3）、第三电阻（R4）给飞跨电容（C3）充电，充电完成后通过控制第一开关管（T1）、第四开关管（T4）的开关逻辑（此时T2、T3关断）来稳定飞跨电容（C3）电压，使其保持为系统直压的一半。

根据开关管的占空比可以区分为D＞0.5和D＜0.5两种模式，当双向储能DCDC工作充电模式时，超级电容（C4）的电压Vc4/Vdc＞0.5时，T1和T2的占空比D＞0.5，对应的第三开关管（T3）和第四开关管（T4）的占空比D＜0.5，这种模式下双向储能DCDC工作在BUCK模式D＞0.5的模式下，此时双向储能DCDC的工作状态与其工作在BOOST的占空比D＜0.5时的工作状态一模一样，只是此时的输出电流是相反的，如附图5中的BUCK电路和BOOST电路的电流。

同理，BUCK的占空比D＜0.5和BOOST的占空比D＞0.5时，这两种模式下双向储能DCDC的工作状态是一样的，电流反向时相反的，如附图6所示。

上述实例为本实用新型的实现方式，需要说明的是，在不背离本实用新型精神及其实质的情况下，本领域的技术人员可据此作出各种相应的改变和变形，但这些改变和变形都应属于本实用新型所附的权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种轨道电力机车可再生能量吸收与存储装置，所述装置包括直流电网、吸收直流开关柜、储能直流开关柜、DCDC斩波柜、双向储能DCDC、吸收电阻和超级电容，其特征在于，所述储能直流开关柜和吸收直流开关柜的上口分别通过电缆连接至直流电网，所述DCDC斩波柜和双向储能DCDC分别通过电缆连接在吸收直流开关柜和储能直流开关柜的下口，所述吸收电阻和超级电容分别连接在DCDC斩波柜和双向储能DCDC的输出侧；

所述开关柜、DCDC斩波柜以及双向储能DCDC装置的控制都由主控制器来完成；

所述主控制器包括I/O开入开出部分、AD模数转换部分、对外光纤通信部分和对外485通信部分；

所述I/O开入开出分别连接至DCDC斩波柜隔离开关和储能柜隔离开关，所述AD转换部分分别采集装置接入直流电网的电压电流、DCDC斩波柜的电压电流以及双向储能DCDC的电压电流，所述光纤接口接至DCDC斩波柜和双向储能DCDC，所述对外485通信接口一个接至人机界面，另外一个作为后备预留。

2.根据权利要求1所述的一种轨道电力机车可再生能量吸收与存储装置，其特征在于：所述吸收电阻部分由第一电阻（R1′）、第二电阻（R2′）与第一刀闸（K1）、第二刀闸（K2）、第三刀闸（K3）组成；

闭合第一刀闸（K1），第一电阻（R1′）与第二电阻（R2′）组成串联回路；闭合第二刀闸（K2）和第三刀闸（K3），第一电阻（R1′）与第二电阻（R2′）组成并联回路；同时闭合第一刀闸（K1）、第二刀闸（K2）和第三刀闸（K3），只有第二电阻（R2′）接入吸收回路。

3.根据权利要求1所述的一种轨道电力机车可再生能量吸收与存储装置，其特征在于：所述双向储能DCDC装置的电路拓扑结构包括第一母线支撑电容（C1）、第二母线支撑电容（C2）、飞跨电容（C3）、超级电容模块（C4）、第一均压电阻（R1）、第二均压电阻（R2）、第一IGBT模块（T1\T2）、第二IGBT模块（T3\T4）、第一组二极管与电阻（D1\R3）、第二组二极管与电阻（D2\R4）和平波电感（L）；

所述第一组二极管与电阻（D1\R3）包括第一二极管（D1）和第三电阻（R3），第一二极管（D1）和第三电阻（R3）是串联；所述第二组二极管与电阻（D2\R4）包括第二二极管（D2）和第四电阻（R4），第二二极管（D2）和第四电阻（R4）之间是串联；

所述第一IGBT模块（T1\T2）包括第一开关管（T1）和第二开关管（T2），第一开关管（T1）和第二开关管（T2）之间是串联；所述第二IGBT模块（T3\T4）包括第三开关管（T3）和第四开关管（T4），第三开关管（T3）和第四开关管（T4）之间是串联；

所述第一均压电阻（R1）和第二均压电阻（R2）分别串联在第一母线支撑电容（C1）和第二母线支撑电容（C2）的两端，所述第一母线支撑电容（C1）和第二母线支撑电容（C2）并联；所述第一IGBT模块（T1\T2）和第二IGBT模块（T3\T4）是两个独立的IGBT模块，分别串联接在第一母线支撑电容（C1）和第二母线支撑电容（C2）的两端；所述飞跨电容（C3）连接在两个IGBT模块的中点之间，飞跨电容（C3）的两端分别连接第一组二极管与电阻（D1\R3）和第二组二极管与电阻（D2\R4），第一组二极管与电阻（D1\R3）和第二组二极管与电阻（D2\R4）的中点和第一母线支撑电容（C1）和第二母线支撑电容（C2）的中点连接在一起。

4.根据权利要求1所述的一种轨道电力机车可再生能量吸收与存储装置，其特征在于：

所述DCDC斩波柜和双向储能DCDC装置使用的是同一种电路拓扑结构。