CN105235536A - 一种动车组牵引***及能量控制方法 - Google Patents

一种动车组牵引***及能量控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种动车组牵引***及能量控制方法，该牵引***包括：高速断路器，与供电电网连接；主/辅逆变器，通过中间直流回路与高速断路器连接，用于将供电电网提供的直流电逆变为交流电后输出；高压检测箱，与供电电网连接，用于对供电电网的电压进行检测；传动控制单元，基于高压检测箱的检测结果判断供电电网的电压是否正常，并在供电电网的电压过高时，断开高速断路器，以对主/辅逆变器进行过电压保护。本发明实现了牵引***在供电电网电压波动范围大的情况下的应用，并采用主、辅逆变器一体化设计方案，简化了***电路、降低了产品成本和故障率。

Description

一种动车组牵引***及能量控制方法
技术领域
本发明涉及动车牵引控制技术领域，具体地说，涉及一种动车组牵引***及能量控制方法。
背景技术
现有国产化动车组的供电电网为单相25kV/50Hz，其牵引***不适用于其他国家如格鲁吉亚铁路DC3000V电网供电***。当供电电网的电压范围超出国际标准IEC60850的规定，对***控制和电气绝缘极为不利。
另外，现有国产化动车组牵引***采用主、辅变流器分离方式，电路器件较多、成本高、故障率高。
发明内容
为解决以上问题，本发明提供了一种动车组牵引***及能量控制方法，用以对牵引***进行过电压保护，并简化***设计，降低产品成本和故障率。
根据本发明的一个方面，提供了一种动车组牵引***，包括：
高速断路器，与供电电网连接；
主/辅逆变器，通过中间直流回路与所述高速断路器连接，用于将供电电网提供的直流电逆变为交流电后输出；
高压检测箱，与所述供电电网连接，用于对供电电网的电压进行检测；
传动控制单元，基于所述高压检测箱的检测结果判断供电电网的电压是否正常，并在供电电网的电压过高时，断开所述高速断路器，以对所述主/辅逆变器进行过电压保护。
根据本发明的一个实施例，所述高压检测箱设置有限流电阻及与所述限流电阻串联电压传感器，所述电压传感器用以将检测到的电压信号输出给所述传动控制单元。
根据本发明的一个实施例，所述主/辅逆变器包括主逆变模块和辅助逆变模块，其中，所述主逆变模块和所述辅助逆变模块均从所述中间直流回路的支撑电容两端取电，所述主逆变模块将直流电逆变为交流电后输出给牵引电机，所述辅助逆变模块将直流电逆变为交流电后输出给辅助负载。
根据本发明的一个实施例，所述牵引***还包括与供电电网连接的避雷器，用以在出现雷电过电压时对所述牵引***进行过电压保护。
根据本发明的一个实施例，所述牵引***还包括与所述辅助逆变模块连接的辅助滤波柜，所述辅助滤波柜设置有三相LC滤波电路以将所述辅助逆变模块输出的交流电变压及滤波处理后输出给辅助负载。
根据本发明的一个实施例，所述牵引***还包括与所述主逆变模块连接的制动电阻箱，用以消耗所述牵引***在制动过程中产生的能量。
根据本发明的一个实施例，在所述中间直流回路串联设置一与所述中间直流回路上的支撑电容构成滤波回路的线路电抗器箱，以使得供电电网输出的直流电经所述线路电抗器箱和所述支撑电容滤波后到达所述主/辅逆变器。
根据本发明的一个实施例，所述牵引***还包括与所述辅助滤波柜连接的低压配电柜，用以向辅助负载提供所需的工作电压。
根据本发明的另一个方面，还提供了一种用于动车组牵引***的能量控制方法，包括：
检测供电电网的网压；
当检测到起机时供电电网的网压超过预定电压范围的最大值时，则断开连通供电电网和牵引***的高速断路器，用以禁止供电电网接入牵引***，使得控制牵引电机不启动；
当检测到牵引***运行中出现供电电网的网压超过预定电压范围的最大值时，则封锁牵引***并断开所述高速断路器，用以禁止供电电网接入牵引***，使得控制牵引电机输出功率线性下降到零；
当检测到供电电网的网压低于牵引***的预定工作电压范围的最大值时，闭合所述高速断路器，用以将供电电网接入牵引***，并使得牵引***输出所需功率。
根据本发明的一个实施例，使得牵引***输出所需功率进一步包括：
当检测到供电电网的网压处于牵引***的预定电压工作范围时，通过控制主/辅逆变器中主逆变模块的交流电输出使得牵引电机输出额定功率，通过控制主/辅逆变器中的辅助逆变模块向辅助负载输出所需功率；
当检测到供电电网的网压处于低于牵引***的所述预定电压工作范围的最小值的第一范围时，通过控制主/辅逆变器中的主逆变模块的交流电输出，使得牵引电机输出功率线性缓慢下降到额定功率的第一比例值，通过控制主/辅逆变器中的辅助逆变模块向辅助负载输出所需功率；
当检测到供电电网的网压处于低于牵引***的所述第一范围的最小值的第二范围时，通过控制主/辅逆变器中的主逆变模块的交流电输出，使得牵引电机输出功率线性下降到零，通过控制主/辅逆变器中的辅助逆变模块向辅助负载输出所需功率。
本发明的有益效果：
本发明针对供电电网电压波动范围大的特点，设置了高压检测箱进行供电电网网压限制及保护措施，实现了牵引***在供电电网电压波动范围大的情况下的应用。同时，本发明采用主、辅逆变器一体化设计方案，简化了***电路、降低了产品成本和故障率。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
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的附图做简单的介绍：
图1是现有的单相25kV/50Hz供电动车组牵引***原理图；以及
图2是根据本发明的一个实施例的一种动车组牵引***原理图。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
现有国产化动车组的供电电网为单相25kV/50Hz，该供电制式与其他国家的供电制式不同。例如，格鲁吉亚电网电压的波动范围为DC1900V～DC4000V，其中，3900V持续时间大于5分钟，最高电压可能达到4000V以上。因此，针对我国供电电网研制的牵引***不适用于格鲁吉亚铁路的DC3000V电网供电***。
为更好地说明本发明，首先对现有的动车组牵引***进行说明。如图1所示为我国现有的单相25kV/50Hz供电动车组牵引***原理图。如图所示，该牵引***采用主、辅变流器分离方案。PAN为受电弓，VCB为高速断路器，TM为牵引变压器，CI1和CI2为牵引变流器等。单相25kV/50Hz供电电压经牵引变压器(TM)隔离降压后，向牵引变流器(CI1和CI2)供电，经四象限脉冲整流器(4QS1和4QS2)整成直流电，然后经三相逆变器(INV1和INV2)逆变为变频变压的三相交流电后驱动牵引电机(M1～M8)。
牵引变压器(TM)辅助绕组(AC400V)向辅助变流器(APU)供电，经升压变压器(TR1)、储能电抗器(ACL1)、整流器(CONVU)变换成直流电，由逆变器(INVU)变换成定频定压的三相交流电，经正弦滤波器(ACL2)滤波后输出三相400V/50Hz交流电，为辅助负载供电。
我国现有的单相25kV/50Hz供电电网的动车组牵引***的技术方案适用于交流供电电网，不能用于直流供电电网。并且，动车组牵引***中的主、辅变流器/逆变器分离方式成本高、器件多、电路复杂、故障率较高。
目前我国的DC1500V供电地铁车辆牵引***，其针对的是DC1500V供电电网，并且该牵引***中主、辅变流器/逆变器也采用分离方式，导致牵引***的成本高、器件多、电路复杂、故障率较高。
因此，本发明提供了一种动车组牵引***，以适用于直流供电电网供电***。在本发明中以格鲁吉亚铁路DC3000V电网供电***为例进行说明，但本发明不限于该直流电网供电***。
如图2所示为根据本发明的一个实施例的一种动车组主辅一体化牵引***原理图，以下参考图2来对本发明进行详细说明。
该动车组牵引***包括高速断路器1Q02、主/辅逆变器、高压检测箱和传动控制单元DCU。其中，高速断路器与供电电网连接，用于接通或断开主/辅逆变器与供电电网的连接。主/辅逆变器通过中间直流回路与高速断路器连接，用于将供电电网提供的直流电逆变为交流电后输出给对应的负载。高压检测箱与供电电网连接，用于对供电电网的电压进行检测。传动控制单元与高压检测箱连接，基于高压检测箱的检测结果判断供电电网的电压是否正常，并在供电电网的电压过高时，控制断开高速断路器1Q02，断开供电电网与主/辅逆变器的连接，以对主/辅逆变器进行过电压保护。
该高压检测箱内部设置有限流电阻R5和电压传感器VH3，限流电阻R5用于限制流入电压传感器的电流，用于对电压传感器VH3进行保护。电压传感器VH3用于实时检测供电电网的电压信号，并将电压检测信号发送给传动控制单元DCU。如检测到供电电网的网压电压过高(如超过DC4000V)，则断开高速断路器1Q02。
如图2所示，在本发明的一个实施例中，主/辅逆变器包括主逆变模块和辅助逆变模块，其中，主逆变模块和辅助逆变模块均从中间直流回路的支撑电容Cd两端取电，主逆变模块将直流电逆变为三相交流电后输出给牵引电机，辅助逆变模块将直流电逆变为三相交流电后输出给辅助负载。
对应格鲁吉亚电网电压波动范围及铁路在DC3000V电压下正常工作，此处的主逆变模块和辅助逆变模块均采用6500V高压IGBT逆变模块，从而实现高压绝缘功能和牵引辅助逆变功能。
在本发明中，主逆变模块和辅助逆变模块采用一体化设计，将辅助逆变模块设置于主逆变模块箱体内，与主逆变模块一样从中间直流回路支撑电容的两端取电，从而简化了***电路设计，降低了产品成本和故障率。如图2所示，通常情况下，在中间直流回路上设置有一个电力电容Cd(通常的支撑电容)。该电容兼具了滤波电容(平滑电压波形)和储能电容(提供暂态大电流需求)的作用。该电力电容Cd及其固定放电电阻R4等构成中间直流回路，该中间直流回路通过直流母线P和N与供电电网连接。
直流母线P侧一般设置有一个主接触器KM1，由传动控制单元DCU控制连接或切断逆变器电源与逆变器。同时，还设置一个辅助电路：其一由充电接触器KM2、充电电阻R1组成预充电电路，完成给电力电容Cd的预充电功能。另外，一般还在直流母线侧提设置一个隔离开关QS1进行电气间隔，用以在电气设备检修时，保障维护人员的人身安全。
供电电网提供的网压经中间直流回路到达主逆变模块和辅助逆变模块。主逆变模块将中间直流回路提供的直流电逆变为三相变频变压的交流电，为牵引电动机供电。辅助逆变模块将中间直流回路提供的直流电逆变为三相定频定压的交流电，为辅助负载供电。
通常情况下，为保护电力***中各种电器设备免受雷电过电压、操作过电压、工频暂态过电压冲击而损坏，一般在供电电网的线缆和大地之间设置一与被保护的设备并联的避雷器1F01，如图2所示。当出现雷电过电压时，避雷器1F01发生动作以将过电压和过电流通过导入大地，对通信线缆或设备进行保护。
为满足动车组辅助负载对供电电压和谐波的要求，需要对辅助逆变模块输出的电压进行降压和滤波处理后提供给各个负载。因此，在本发明的一个实施例中，该牵引***还包括与辅助逆变模块连接的辅助滤波柜。该辅助滤波柜用于将辅助逆变模块输出的交流电压变压处理和滤波处理后输出给辅助负载。
该辅助滤波柜包括由与辅助逆变模块连接的辅助变压器T1、与辅助变压器T1连接的辅助滤波器、辅助变压器的隔离接触器K1和接地检测电阻构成的三相LC滤波电路，用以对辅助逆变模块输出的交流电变压和滤波后输出给辅助负载。如图2所示，该三相LC滤波电路由带漏抗的辅助变压器T1、辅助滤波电容C1、隔离接触器K1和接地检测电阻等部件构成，可以实现辅助逆变器模块输出电压的降压、滤波及检测，其中辅助变压器T1集成滤波电抗器，与辅助滤波电容器C1构成三相LC滤波电路。
在本发明的一个实施例中，该牵引***还包括与主逆变模块连接的制动电阻箱，用以消耗牵引***在制动过程产生的能量。具体的，如图2所示，制动电阻箱中的制动电阻1R01和1R02将制动过程中牵引电机产生的能量转化为热能消耗掉。
在本发明的一个实施例中，在中间直流回路上串联设置一与中间直流回路上的支撑电容构成滤波回路的线路电抗器箱L，以使得供电电网输出的直流电经线路电抗器箱和支撑电容滤波后到达主逆变模块和辅助逆变模块。如图2所示，线路电抗器箱L设置在支撑电容Cd所在的中间直流回路，直流母线输出的直流电经线路电抗器箱L后到达主逆变模块1、主逆变模块2和辅助逆变模块。该线路电抗器作为回路阻抗，用以在发生短路或过流故障时抑制电流上升速度，还可以阻止逆变侧产生的高频谐波电流回流电网。
在本发明的一个实施例中，该牵引***还包括与辅助滤波柜连接的低压配电柜，用以配置向充电机、压缩机、空调、风机等辅助负载供电。
另外，传动控制单元除了控制主逆变模块和辅助逆变模块从中间直流回路取电并逆变为交流电、对网压信号进行判断并给出保护指令外，还接收司控器的司机控制指令、车辆节点控制单元的列车控制指令、制动控制单元的制动控制信号、列车TMS网络的MVB通信数据，并对牵引电机、冷却风机、高速断路器等进行控制。
根据本发明的另一个方面，还提供了一种用于动车组牵引***的能量流动方法，该方法用以限制牵引电机的功率输出方法。
首先，检测供电电网的网压。可以通过设置在牵引***中的高压检测箱和传动控制单元得到供电电网的实时电压。
当检测到起机时供电电网的网压超过预定电压范围的最大值时，则断开连通供电电网和牵引***的高速断路器，控制牵引电机不启动，用以禁止供电电网接入牵引***，以对主/辅逆变器进行过电压保护，此时牵引电机输出功率为零。
当检测到牵引***运行中出现供电电网的网压超过预定电压范围的最大值时，则封锁牵引***并断开所述高速断路器，用以禁止供电电网接入牵引***，以对主/辅逆变器进行过电压保护，使得牵引电机输出功率线性下降到零。例如电网电压范围由DC3900上升到DC4000V时，牵引电机应输出功率限值由额定功率线性下降为0，DC4000V以上时辅助逆变模块和辅助设备停止工作。
当检测到供电电网的网压低于牵引***的预定工作电压范围的最大值时，高速断路器闭合，用以将供电电网接入牵引***，控制牵引***输出所需功率。
具体的，当检测到供电电网的网压处于牵引***的预定电压工作范围内时，通过控制主/辅逆变器中主逆变模块的交流电输出使得牵引电机输出额定功率，辅助逆变模块输出所需功率给辅助设备。例如，对应格鲁吉亚供电电网，当电网电压范围为DC3000～DC3900V时，牵引电机可输出额定功率。
当检测到供电电网的网压处于低于牵引***的预定电压工作范围的最小值的第一范围时，通过控制主/辅逆变器中的主逆变模块的交流电输出，使得牵引电机输出功率线性缓慢下降到额定功率的第一比例值，辅助逆变模块输出所需功率给辅助设备。该第一范围接近牵引***的预定电压工作范围。例如，电网电压由DC3000下降到DC2000V时，牵引电机应输出功率限值由额定功率线性下降到60％，辅助逆变模块和辅助设备正常工作。
当检测到供电电网的网压处于低于牵引***的所述第一范围外的第二范围时，通过控制主/辅逆变器中的主逆变模块的交流电输出，使得牵引电机输出功率线性下降到0，而辅助逆变模块和辅助设备正常工作。例如，电网电压由DC2000下降到DC1900V时，牵引电机输出功率限值由额定功率线性下降为0，辅助逆变模块和辅助设备正常工作。
虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种动车组牵引***，包括：
高速断路器，与供电电网连接；
主/辅逆变器，通过中间直流回路与所述高速断路器连接，用于将供电电网提供的直流电逆变为交流电后输出；
高压检测箱，与所述供电电网连接，用于对供电电网的电压进行检测；
传动控制单元，基于所述高压检测箱的检测结果判断供电电网的电压是否正常，并在供电电网的电压过高时，断开所述高速断路器，以对所述主/辅逆变器进行过电压保护。
2.根据权利要求1所述的牵引***，其特征在于，所述高压检测箱设置有限流电阻及与所述限流电阻串联的电压传感器，所述电压传感器用以将检测到的电压信号输出给所述传动控制单元。
3.根据权利要求1或2所述的牵引***，其特征在于，所述主/辅逆变器包括主逆变模块和辅助逆变模块，其中，所述主逆变模块和所述辅助逆变模块均从所述中间直流回路的支撑电容两端取电，所述主逆变模块将直流电逆变为交流电后输出给牵引电机，所述辅助逆变模块将直流电逆变为交流电后输出给辅助负载。
4.根据权利要求1所述的牵引***，其特征在于，所述牵引***还包括与供电电网连接的避雷器，用以在出现雷电过电压时对所述牵引***进行过电压保护。
5.根据权利要求3所述的牵引***，其特征在于，所述牵引***还包括与所述辅助逆变模块连接的辅助滤波柜，所述辅助滤波柜设置有三相LC滤波电路以将所述辅助逆变模块输出的交流电变压及滤波处理后输出给辅助负载。
6.根据权利要求5所述的牵引***，其特征在于，所述牵引***还包括与所述主逆变模块连接的制动电阻箱，用以消耗所述牵引***在制动过程中产生的能量。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的牵引***，其特征在于，在所述中间直流回路串联设置一与所述中间直流回路上的支撑电容构成滤波回路的线路电抗器箱，以使得供电电网输出的直流电经所述线路电抗器箱和所述支撑电容滤波后到达所述主/辅逆变器。
8.根据权利要求7所述的牵引***，其特征在于，所述牵引***还包括与所述辅助滤波柜连接的低压配电柜，用以向辅助负载提供所需的工作电压。
9.一种用于动车组牵引***的能量控制方法，包括：
检测供电电网的网压；
当检测到起机时供电电网的网压超过预定电压范围的最大值时，则断开连通供电电网和牵引***的高速断路器，用以禁止供电电网接入牵引***，使得控制牵引电机不启动；
当检测到牵引***运行中出现供电电网的网压超过预定电压范围的最大值时，则封锁牵引***并断开所述高速断路器，用以禁止供电电网接入牵引***，使得控制牵引电机输出功率线性下降到零；
当检测到供电电网的网压低于牵引***的预定工作电压范围的最大值时，闭合所述高速断路器，用以将供电电网接入牵引***，并使得牵引***输出所需功率。
10.根据权利要求9所述的能量控制方法，其特征在于，使得牵引***输出所需功率进一步包括：
当检测到供电电网的网压处于牵引***的预定电压工作范围时，通过控制主/辅逆变器中主逆变模块的交流电输出使得牵引电机输出额定功率，通过控制主/辅逆变器中的辅助逆变模块向辅助负载输出所需功率；
当检测到供电电网的网压处于低于牵引***的所述预定电压工作范围的最小值的第一范围时，通过控制主/辅逆变器中的主逆变模块的交流电输出，使得牵引电机输出功率线性缓慢下降到额定功率的第一比例值，通过控制主/辅逆变器中的辅助逆变模块向辅助负载输出所需功率；
当检测到供电电网的网压处于低于牵引***的所述第一范围的最小值的第二范围时，通过控制主/辅逆变器中的主逆变模块的交流电输出，使得牵引电机输出功率线性下降到零，通过控制主/辅逆变器中的辅助逆变模块向辅助负载输出所需功率。
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