制動(dòng)能量可回收再利用的牽引變流器及變流方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種制動(dòng)能量可回收再利用的牽引變流器及變流方法，包括能量回收單元、直流平波電抗器L1、直流支撐電容C1、逆變電路T1～T6、單向?qū)ǘO管D1，所述直流支撐電容和逆變電路并聯(lián)后再與直流平波電抗器L1串聯(lián)構(gòu)成工作單元。本發(fā)明通過系統(tǒng)集成技術(shù)，利用半橋斬波電路和超級(jí)電容快速充放電特性，將牽引變流器制動(dòng)能量回收，在變流器再次牽引起動(dòng)時(shí)，將能量回饋至牽引變流器，降低直流供電網(wǎng)絡(luò)電壓波動(dòng)的同時(shí)，降低能源浪費(fèi)。
【專利說明】制動(dòng)能量可回收再利用的牽引變流器及變流方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種城市軌道交通列車用牽引變流器。

【背景技術(shù)】
[0002]軌道交通在優(yōu)化城市空間結(jié)構(gòu)、緩解城市交通擁擠、保護(hù)環(huán)境等多方面均已表現(xiàn)出了積極促進(jìn)作用。在中國(guó)，隨著城市化進(jìn)程的加快，城市交通需求劇增，城市軌道交通的發(fā)展也開始進(jìn)入高速發(fā)展時(shí)期。
[0003]城市軌道交通中，直-交變壓變頻的傳動(dòng)方式已經(jīng)普遍采用，再生制動(dòng)也成為列車常用和主要制動(dòng)方式。制動(dòng)時(shí)可以實(shí)現(xiàn)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，使得一部分能量能夠回饋給電網(wǎng)。在城市軌道交通中，由于站間距較短，列車啟動(dòng)、制動(dòng)頻繁，從能量互換的角度看，制動(dòng)能量相當(dāng)可觀。同時(shí)，由于軌道交通存在線路阻抗，列車加速，啟動(dòng)電流較大，導(dǎo)致牽引網(wǎng)電壓下降；制動(dòng)時(shí)，再生制動(dòng)能量會(huì)反饋牽引網(wǎng)，使電壓抬升，造成直流母線電壓波動(dòng)很大。
[0004]為了解決上述問題，雖然在地鐵直流供電系統(tǒng)和機(jī)車牽引變流器中采取了各種技術(shù)手段，但這一問題仍然還沒有根本解決。
[0005]第一種技術(shù)方案是:在地鐵直流供電系統(tǒng)中加入儲(chǔ)能裝置，它在機(jī)車再生制動(dòng)時(shí)吸收能量，避免能量浪費(fèi)；在機(jī)車啟動(dòng)或加速時(shí)提供部分功率支持，減少牽引網(wǎng)電壓波動(dòng)。該方案的缺點(diǎn)是:制動(dòng)車輛與儲(chǔ)能裝置距離較遠(yuǎn)，能量吸收和再利用的判定依據(jù)為直流網(wǎng)壓，仍然還會(huì)造成直流網(wǎng)壓在制動(dòng)時(shí)抬升，牽引時(shí)降低，不能避免網(wǎng)壓波動(dòng)。
[0006]第二種技術(shù)方案是:在地鐵直流供電系統(tǒng)中加入能量回饋裝置，將制動(dòng)能量回饋電網(wǎng)。
[0007]該牽引變流器主電路拓?fù)鋱D參見圖1。在實(shí)際應(yīng)用中，為防止再生制動(dòng)失效，制動(dòng)能量除了按一定比例被其他相鄰車吸收利用外，剩余部分主要被列車或者線路上的吸收電阻以發(fā)熱的方式消耗掉，使得隧道、站臺(tái)內(nèi)的溫度升高，引起通風(fēng)、降溫設(shè)備負(fù)擔(dān)加重，造成大量的能源浪費(fèi)。
[0008]該方案的缺點(diǎn)是:能量回饋裝置會(huì)造成供電網(wǎng)絡(luò)諧波污染，直接影響原直流供電設(shè)備工作，同時(shí)網(wǎng)壓波動(dòng)問題仍然存在。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明目的是提供一種制動(dòng)能量可回收再利用的牽引變流器及變流方法，其通過在變流器內(nèi)部能量的變換，將牽引變流器制動(dòng)能量回收，在變流器再次牽弓I起動(dòng)時(shí)，將能量回饋至牽引變流器，降低直流供電網(wǎng)絡(luò)電壓波動(dòng)的同時(shí)，降低能源浪費(fèi)。
[0010]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:
[0011]一種制動(dòng)能量可回收再利用的牽引變流器，包括能量回收單元、直流平波電抗器L1、直流支撐電容Cl、逆變電路Tl?T6，所述直流支撐電容和逆變電路并聯(lián)后再與直流平波電抗器LI串聯(lián)構(gòu)成工作單元；
[0012]其特殊之處在于:
[0013]還包括單向?qū)ǘO管Dl ;
[0014]上述能量回收單元包括升降壓斬波電路和超級(jí)電容C2 ;
[0015]上述升降壓斬波電路包括第一功率管單元T7、第二功率管單元T8和電抗器L2，所述第一功率管單元包括第一功率管以及連接在第一功率管源極和漏極之間的第一續(xù)流二極管；上述第二功率管單元包括第二功率管以及連接在第二功率管源極和漏極之間的第二續(xù)流二極管；
[0016]上述第一功率管單元和第二功率管單元串聯(lián)后與工作單元并聯(lián)；
[0017]上述超級(jí)電容和電抗器串聯(lián)后與第二功率管單元并聯(lián)；
[0018]上述工作單元和能量回收單元并聯(lián)后與單向?qū)ǘO管串聯(lián)；上述單向?qū)ǘO管的正極接直流電網(wǎng)的正極；
[0019]上述超級(jí)電容設(shè)置在牽弓I變流器所在的機(jī)車上。
[0020]上述第一功率管的脈沖寬度采用電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的控制方式；上述第二功率管的脈沖寬度采用電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的控制方式。
[0021]一種制動(dòng)能量可回收再利用的變流方法，包括以下步驟:
[0022]I)判斷機(jī)車處于牽引狀態(tài)還是制動(dòng)狀態(tài)，牽引狀態(tài)則進(jìn)行步驟2，制動(dòng)狀態(tài)則進(jìn)行步驟3 ；
[0023]2)機(jī)車牽引時(shí)，判斷超級(jí)電容C2電壓是否高于最低剩余電壓；
[0024]若是，則通過控制第二功率管的脈沖寬度，使第一功率管單元與第一續(xù)流二極管、電抗器構(gòu)成升壓斬波電路，使得單向?qū)ǘO管因承受反向電壓截至，牽引電機(jī)起動(dòng)能量全部來自超級(jí)電容；
[0025]若否，則第二功率管的控制脈沖停止，單向?qū)ǘO管因承受正向電壓導(dǎo)通，牽引電機(jī)能量由直流電網(wǎng)供給；
[0026]3)機(jī)車制動(dòng)時(shí)，則通過控制第一功率管的脈沖寬度，使第一功率管單元與第二續(xù)流二極管、電抗器構(gòu)成降壓斬波電路，給超級(jí)電容充電，此時(shí)，Dl承受反向電壓截至，牽引電機(jī)制動(dòng)能量全部轉(zhuǎn)化為超級(jí)電容的電荷儲(chǔ)存起來。
[0027]上述第一功率管的脈沖寬度采用電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的控制方式；上述第二功率管的脈沖寬度采用電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的控制方式。
[0028]本發(fā)明的有益效果
[0029]1、本發(fā)明通過系統(tǒng)集成技術(shù)，利用半橋斬波電路和超級(jí)電容快速充放電特性，將牽引變流器制動(dòng)能量回收，在變流器再次牽引起動(dòng)時(shí)，將能量回饋至牽引變流器，降低直流供電網(wǎng)絡(luò)電壓波動(dòng)的同時(shí)，降低能源浪費(fèi)。
[0030]2、本發(fā)明通過在變流器內(nèi)部能量的變換，實(shí)現(xiàn)牽引變流器與制動(dòng)能量回收再利用設(shè)備集成在同一設(shè)備內(nèi)，制動(dòng)能量吸收再利用裝置在牽引時(shí)，將儲(chǔ)存能量釋放；制動(dòng)時(shí)將再生能量吸收至超級(jí)電容，從而將因機(jī)車制動(dòng)造成的網(wǎng)壓波動(dòng)、能量浪費(fèi)等問題，有效控制在變流器內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)從源頭杜絕能源浪費(fèi)，減小城市軌道交通供電網(wǎng)絡(luò)的波動(dòng)，提高了供電系統(tǒng)的安全性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0031]圖1是傳統(tǒng)牽引變流器主電路拓?fù)鋱D；
[0032]圖2是本發(fā)明制動(dòng)能量可回收再利用的牽引變流器主電路拓?fù)鋱D。

【具體實(shí)施方式】
[0033]一種制動(dòng)能量可回收再利用的牽引變流器，參見圖2。圖中:D1為單向?qū)ǘO管；T7、T8與L2構(gòu)成升降壓斬波電路，用于給超級(jí)電容C2恒流或恒壓充放電；L1為直流平波電抗器；C1為直流支撐電容；T1?T6構(gòu)成逆變電路，給牽引電機(jī)供電，或?qū)恳姍C(jī)制動(dòng)能量回饋至直流回路。
[0034]機(jī)車牽引時(shí)，如果超級(jí)電容C2電壓高于最低剩余電壓，通過控制T8脈沖寬度(電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)控制策略)，與T7的續(xù)流二極管、L2構(gòu)成升壓斬波電路，使得Dl因承受反向電壓截至，牽引電機(jī)起動(dòng)能量全部來自超級(jí)電容C2 ;當(dāng)超級(jí)電容電壓等于或低于剩余電壓時(shí)，T8控制脈沖停止，Dl因承受正向電壓導(dǎo)通，牽引電機(jī)能量開始由直流電網(wǎng)供給。
[0035]機(jī)車制動(dòng)時(shí)，通過控制T7脈沖寬度(電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)控制策略)，與T8的續(xù)流二極管、L2構(gòu)成降壓斬波電路，給超級(jí)電容C2充電，此時(shí)，Dl承受反向電壓截至，牽引電機(jī)制動(dòng)能量全部轉(zhuǎn)化為超級(jí)電容C2的電荷儲(chǔ)存起來。
【權(quán)利要求】
1.一種制動(dòng)能量可回收再利用的牽引變流器，包括能量回收單元、直流平波電抗器(LI)、直流支撐電容(Cl)、逆變電路(Tl?T6)，所述直流支撐電容和逆變電路并聯(lián)后再與直流平波電抗器(LI)串聯(lián)構(gòu)成工作單元； 其特征在于: 還包括單向?qū)ǘO管(Dl); 所述能量回收單元包括升降壓斬波電路和超級(jí)電容(C2); 所述升降壓斬波電路包括第一功率管單元(T7)、第二功率管單元(T8)和電抗器(L2)，所述第一功率管單元包括第一功率管以及連接在第一功率管源極和漏極之間的第一續(xù)流二極管；所述第二功率管單元包括第二功率管以及連接在第二功率管源極和漏極之間的第二續(xù)流二極管； 所述第一功率管單元和第二功率管單元串聯(lián)后與工作單元并聯(lián)； 所述超級(jí)電容和電抗器串聯(lián)后與第二功率管單元并聯(lián)； 所述工作單元和能量回收單元并聯(lián)后與單向?qū)ǘO管串聯(lián)；所述單向?qū)ǘO管的正極接直流電網(wǎng)的正極； 所述超級(jí)電容設(shè)置在牽引變流器所在的機(jī)車上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制動(dòng)能量可回收再利用的牽引變流器，其特征在于: 所述第一功率管的脈沖寬度采用電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的控制方式；所述第二功率管的脈沖寬度采用電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的控制方式。
3.一種制動(dòng)能量可回收再利用的變流方法，包括以下步驟: 1)判斷機(jī)車處于牽引狀態(tài)還是制動(dòng)狀態(tài)，牽引狀態(tài)則進(jìn)行步驟2，制動(dòng)狀態(tài)則進(jìn)行步驟3 ; 2)機(jī)車牽引時(shí)，判斷超級(jí)電容C2電壓是否高于最低剩余電壓； 若是，則通過控制第二功率管的脈沖寬度，使第一功率管單元與第一續(xù)流二極管、電抗器構(gòu)成升壓斬波電路，使得單向?qū)ǘO管因承受反向電壓截至，牽引電機(jī)起動(dòng)能量全部來自超級(jí)電容； 若否，則第二功率管的控制脈沖停止，單向?qū)ǘO管因承受正向電壓導(dǎo)通，牽引電機(jī)能量由直流電網(wǎng)供給； 3)機(jī)車制動(dòng)時(shí)，則通過控制第一功率管的脈沖寬度，使第一功率管單元與第二續(xù)流二極管、電抗器構(gòu)成降壓斬波電路，給超級(jí)電容充電，此時(shí)，Dl承受反向電壓截至，牽引電機(jī)制動(dòng)能量全部轉(zhuǎn)化為超級(jí)電容的電荷儲(chǔ)存起來。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制動(dòng)能量可回收再利用的變流方法，其特征在于: 所述第一功率管的脈沖寬度采用電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的控制方式；所述第二功率管的脈沖寬度采用電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的控制方式。
【文檔編號(hào)】H02J7/00GK104467508SQ201410748361
【公開日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2014年12月8日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月8日
【發(fā)明者】侯曉軍, 陳愛麗, 謝紅, 趙安定 申請(qǐng)人:日立永濟(jì)電氣設(shè)備（西安）有限公司