專利名稱：一種牽引供電系統(tǒng)及方法
技術領域：
本發(fā)明涉及城軌車輛技術領域，特別涉及一種牽引供電的系統(tǒng)及方法。
背景技術：
城市軌道交通簡稱為城軌，在很多大型城市當中一直起到城市客運輸送骨干的作用。城市軌道交通這一名詞涵蓋范圍非常廣泛，種類繁多；包括城市鐵路、市郊鐵路、地下鐵道、輕軌交通、城市有軌電車、獨軌交通、磁懸浮線路、機場聯(lián)絡鐵路、新交通系統(tǒng)等。多數(shù)城軌交通以電力作為能源，因此城軌交通有著節(jié)能、省地、運量大、全天候、無污染(或少污染)又安全等優(yōu)點，屬綠色環(huán)保交通體系，符合可持續(xù)發(fā)展的原則。而且顧名思義，城軌交通即是車輛與軌道上運行的交通方式，所以基本上不會受到交通擁堵的影響，所以在交通壓力繁重的大城市里，其相比汽車運輸更加高效快速。而隨著各方面技術的進步，城軌交通也在向更安全、更快速的方向不斷的完善，盡可能的為市民的出行帶來更大的方便。城軌車輛的能源一般為電力。目前世界上絕大多數(shù)以電力為能源的城軌車輛的供電系統(tǒng)，都必須實現(xiàn)將電力網(wǎng)絡中的交流電源轉換為車輛能夠直接利用的直流牽引電源?，F(xiàn)階段往往利用二極管整流技術來實現(xiàn)上述的電能轉換。二極管整流器過載能力較強，可靠性高，能適應車輛在啟動過程中的大電流取流需求，所以得到了普遍的應用。但由于二極管能量單向流動的特點，利用二極管實現(xiàn)電能轉換存在著如下的缺陷:由于二極管能量的單向流動，所以當列車處于再生制動狀態(tài)時，大部分能量無法回收，只能被地面或者車載的制動電阻以熱能的方式消耗掉。這種能量消耗的方式不僅造成了極大的能源浪費，還會引起站臺，地下隧道熱量積累，溫度上升，為散熱系統(tǒng)帶來了很大的壓力。在某些特殊位置上甚至不得不為了散熱的考慮加大隧道通風，造成了進一步的能源消耗。另外，由于制動電阻本身重量較大，也為車輛帶來了額外的荷載負擔?？傊诙O管整流技術的電能轉換往往伴隨著大量能源的浪費，能源利用效率較低。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種牽引供電的系統(tǒng)及方法，通過儲能模塊來收集制動過程中過剩的電能，并在系統(tǒng)過載時將儲存的電能釋放，避免了利用制動電阻消耗電能而造成的能源浪費。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明有以下技術方案:一種牽引供電系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括以下:PWM變流模塊，用于將交流電網(wǎng)中的交流電轉換為直流電，并將轉換后的直流電導入直流牽引網(wǎng)；儲能模塊，用于從直流牽引網(wǎng)中接收直流電并儲存，或將儲存的電能以直流電的形式導入直流牽引網(wǎng)。所述PWM變流模塊中包括多個相互并聯(lián)的變流單元，所述變流單元具體為包括:第一隔離開關，用于在系統(tǒng)檢修時將變流單元隔離；
IGBT變流器，用于將交流電轉換為直流電；所述IGBT變流器中包括第一支撐電容；第一充電回路，用于對IGBT變流器中的第一支撐電容充電；第一放電回路，用于對IGBT變流器中的第一支撐電容放電；第一斷路器，用于對IGBT變流器進行保護。所述儲能模塊包括多個并聯(lián)的直流轉換單元與一個儲能裝置，具體為:直流轉換單元，用于將直流牽引網(wǎng)中直流電的電壓轉換至儲能裝置的額定范圍內(nèi)；并將儲能裝置中儲存的電能轉換為符合直流牽引網(wǎng)標準的直流電；儲能裝置，用于接收直流電并儲存，或將儲存的電能導入直流牽引網(wǎng)。所述直流轉換單元具體包括:第二隔離開關，用于在系統(tǒng)檢修時將直流轉換單元隔離；直流-直流轉換器，用于將直流牽引網(wǎng)中直流電的電壓轉換至儲能裝置的額定范圍內(nèi)，或將儲能裝置中儲存的電能轉換為符合直流牽引網(wǎng)標準的直流電；所述直流-直流轉換器中包括第二支撐電容；第二充電回路，用于對直流-直流轉換器中的第二支撐電容充電；第二斷路器，用于對直流-直流轉換器進行保護。所述儲能裝置具體為:超級電容組或飛輪儲能裝置。所述系統(tǒng)還包括:變壓器模塊，用于將交流電網(wǎng)中交流電的電壓調整到所述PWM變流模塊的額定范圍內(nèi)；第三斷路器，用于連接變壓器模塊與交流電網(wǎng)，對變壓器模塊進行保護。所述系統(tǒng)還包括:直流側電感，連接PWM變流模塊與直流牽弓丨網(wǎng)，用于抑制PWM變流模塊短路弓I起的電流上升。所述系統(tǒng)還包括:第四隔離開關，用于在系統(tǒng)檢修時將PWM變流模塊隔離；第四斷路器，用于對PWM變流模塊進行保護。所述系統(tǒng)還包括:調節(jié)模塊，用于監(jiān)測PWM變流模塊及儲能模塊的輸出負載情況，并在PWM變流模塊或儲能模塊的輸出負載超過正常工作范圍時進行輸出限制。一種牽引供電方法，所述方法包括以下步驟:PWM變流模塊將交流電網(wǎng)中的交流電轉換為直流電，并將轉換后的直流電導入直流牽引網(wǎng)；儲能模塊在系統(tǒng)啟動之初或直流牽弓I網(wǎng)中電能過剩時，從直流牽引網(wǎng)中接收直流電并儲存；并在直流牽引網(wǎng)中的電流需求大于PWM的額定范圍時，將儲存的電能以直流電的形式導入直流牽引網(wǎng)。根據(jù)以上技術方案可知，本發(fā)明存在的有益效果是:本發(fā)明通過PWM變流器的回饋功能以及儲能模塊存儲電能的功能，高效的實現(xiàn)過剩能量的重新利用，避免了電能的以熱能的形式消耗，既節(jié)約能源又避免了為散熱系統(tǒng)提供額外的壓力；另外通過在過載時利用儲能模塊釋放能量對直流牽引網(wǎng)進行補償，避免了增加PWM變流模塊的輸出負載；通過調節(jié)模塊實現(xiàn)了功率的分配，避免了 PWM變流模塊或儲能模塊因輸出負載過大而損壞。


為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。圖1為本發(fā)明實施例所述系統(tǒng)結構示意圖；圖2為本發(fā)明另一實施例所述系統(tǒng)結構示意圖；圖3為本發(fā)明實施例所述方法流程圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明實施例的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。參見圖1所示，為本發(fā)明所述牽引供電系統(tǒng)的一個具體實施例。本實施例中所述牽引供電系統(tǒng)用于城軌車輛的供電，并在列車制動等可能出現(xiàn)電能過剩的情況下實現(xiàn)過剩能源的存儲。本發(fā)明所述系統(tǒng)具體如下:PWM變流模塊，用于將交流電網(wǎng)中的交流電轉換為直流電，并將轉換后的直流電導入直流牽引網(wǎng)。本實施例中，采用PWM變流模塊替代現(xiàn)有技術中的二極管整流器來實現(xiàn)將交流電網(wǎng)中的交流電轉換成為城軌車輛提供牽弓I動力的直流電。PWM變流模塊將轉換后的直流電匯入直流牽引網(wǎng)中。在城軌車輛制動的過程中，城軌車輛的電動機處于再生制動狀態(tài)，電能將逆向的從電機流向直流牽引網(wǎng)，從而造成能量的過剩。與二極管中能量單項流通的特點不同，本實施例中，所采用的PWM變流模塊存在能量雙向流通的特點，所以一部分過剩的能量可以通過PWM變流模塊回流到交流電網(wǎng)。儲能模塊，用于從直流牽引網(wǎng)中接收電能并儲存，或將儲存的電能以導入直流牽引網(wǎng)。單純的靠PWM變流模塊使過剩的能量回流，并不足以從根本上解決能量過剩的問題。所以本實施例中設置了儲能模塊用來將過程的能量存儲，并且在某些特定情況下釋放所存儲的能量。本實施例中所述系統(tǒng)的工作原理如下:在所述牽弓I供電系統(tǒng)啟動之初，PWM變流模塊首先啟動，將交流電網(wǎng)中的交流電轉換為直流電輸入到直流牽引網(wǎng)中，使直流牽引網(wǎng)中電壓電流值達到穩(wěn)定。則儲能模塊從直流牽引網(wǎng)中獲取電能充電。
當城軌車輛啟動時，特別是分別處于上行和下行線的兩臺車輛同時啟動時，電動機需要從直流牽弓丨網(wǎng)中獲取的電流強度大于正常工作電流。若該過程中僅依靠PWM變流模塊對直流牽引網(wǎng)供電，則必然造成PWM變流模塊的輸出過載，或者不得不因此設置一個輸出負載能力更強的PWM變流模塊。所以單純的依靠PWM變流模塊供電將造成成本的增加及安全性的下降。在本實施例中，當出現(xiàn)城軌列車啟動或其他原因造成的過載時，則儲能模塊釋放其存儲的電能對直流牽引網(wǎng)進行補償，即可保證不額外的增加PWM變流模塊的輸出負載。所本實施例中PWM變流模塊的負載能力只需匹配城軌車輛正常行駛時的電流需求，即可使得所述系統(tǒng)正常的工作。當城軌車輛處于正常行駛狀態(tài)時，直流牽引網(wǎng)中電流的需求始終穩(wěn)定。所以僅靠PWM變流模塊向直流牽引網(wǎng)中輸出電流，儲能模塊不再向直流牽引網(wǎng)中釋放電能。當城軌車輛再生制動時，電動機將動能轉化為再生制動電能流回直流牽引網(wǎng)，則造成直流牽弓I網(wǎng)中電能過剩的情況。本實施例中，一部分再生制動電能將通過PWM變流模塊回饋到交流電網(wǎng)，另一部分能量將流向儲能模塊，對儲能模塊進行充電。本實施例為所述系統(tǒng)的一個基礎實施例，本實施例存在的有益效果是:所述系統(tǒng)通過儲能模塊存儲電能，高效的實現(xiàn)再生能量的重新利用，避免了電能以熱能的形式消耗，既節(jié)約能源又避免了為散熱系統(tǒng)提供額外的壓力；另外通過在過載時利用儲能模塊釋放能量對直流牽引網(wǎng)進行補償，避免了增加PWM變流模塊的輸出負載。參見圖2所示，為本發(fā)明所述牽引供電系統(tǒng)的另一個具體的實施例。本實施例在圖1所示實施例的基礎之上，增加了若干優(yōu)化的設計，并對圖1所示實施例中各組成部分進行了更加具體的公開。本實施例中所述系統(tǒng)的基本工作原理與圖1所示系統(tǒng)一致，在此不再重復敘述。本實施例中，所述系統(tǒng)具體包括:PWM變流模塊，用于將交流電網(wǎng)中的交流電轉換為直流電，并將轉換后的直流電導入直流牽引網(wǎng)； 本實施例中，所述PWM變流模塊中包括多個相互并聯(lián)的變流單元，每個變流單元的結構一致，根據(jù)并聯(lián)結構分流的原理，所有的變流單元共同的完成交直流轉換。所述變流單元具體包括:第一隔離開關，用于在系統(tǒng)檢修時將變流單元隔離；IGBT變流器，用于將交流電轉換為直流電；所述IGBT變流器中包括第一支撐電容；第一充電回路，用于對IGBT變流器中的第一支撐電容充電；第一放電回路，用于對IGBT變流器中的第一支撐電容放電；第一斷路器，用于對IGBT變流器進行保護。在一個變流單元中，所述IGBT變流器為變流單元的核心部分，用于實際的完成交直流的轉換。其余部分均屬于本領域常規(guī)部件，用于輔助IGBT變流器工作，提高整個變流單元的安全性和穩(wěn)定性。儲能模塊，用于從直流牽引網(wǎng)中接收直流電并儲存，或將儲存的電能以直流電的形式導入直流牽引網(wǎng)。
本實施例中，所述儲能模塊包括多個并聯(lián)的直流轉換單元與一個儲能裝置。具體的:直流轉換單元，用于將直流牽引網(wǎng)中直流電的電壓轉換至儲能裝置的額定范圍內(nèi)；并將儲能裝置中儲存的電能轉換為符合直流牽引網(wǎng)中電壓標準的直流電。與變流電源的并聯(lián)設置相同，所述直流轉換單元同樣根據(jù)并聯(lián)結構分流的原理，所有的直流轉換單元共同的完成直流-直流轉換。所述直流轉換單元的具體結構包括:第二隔離開關，用于在系統(tǒng)檢修時將直流轉換單元隔離；直流-直流轉換器，用于將直流牽引網(wǎng)中電流轉換為電壓在儲能裝置的額定范圍內(nèi)的直流電，或將儲能裝置中儲存的電能轉換為符合直流牽弓I網(wǎng)標準的直流電；所述直流-直流轉換器中包括第二支撐電容；第二充電回路，用于對直流-直流轉換器中的第二支撐電容充電；第二斷路器，用于對直流-直流轉換器進行保護。所述直流-直流轉換器為直流轉換單元的核心部分，用于實際的完成直流-直流的轉換。其余部分均屬于本領域常規(guī)部件，用于輔助直流-直流轉換器工作，提高整個直流轉換單元的安全性和穩(wěn)定性。儲能裝置，用于接收直流電能并儲存，或將儲存的電能導入直流牽引網(wǎng)。本實施例中所述儲能裝置具體可采用超級電容組；在另一些實施例中，所述儲能裝置也可以采用飛輪儲能裝置，相應的為適應飛輪儲能裝置的工作原理，還需將所述直流-直流轉換器替換為匹配的交直流轉換器。本實施例中，除了 PWM變流模塊與儲能模塊兩個核心部件之外，為對上述兩個部件進行管理和調節(jié)，保障其在工作過程中的穩(wěn)定性和安全性，本實施例中進一步設置了調節(jié)模塊，具體如下: 調節(jié)模塊，用于監(jiān)測PWM變流模塊及儲能模塊的輸出負載情況，并在PWM變流模塊或儲能模塊的輸出負載超過正常工作范圍時進行輸出限制。一般而言，調節(jié)模塊僅需要在產(chǎn)生過載的情況下使用。在城軌車輛啟動過程中，用來提供牽引力的電流需求往往大于正常工作，從而產(chǎn)生過載。在過載情況下，儲能模塊釋放其存儲的電能，與PWM變流模塊同時為直流牽弓丨網(wǎng)供電。在這種狀態(tài)下，調節(jié)模塊同時對二者進行監(jiān)控，了解二者的輸出負載情況。具體的，本實施例中調節(jié)模塊通過監(jiān)控溫度信號來監(jiān)控二者的輸出負載情況。當PWM變流模塊或儲能模塊的溫度急劇升高，則表示該模塊的輸出負載較大，已經(jīng)超出了其正常工作范圍。此時調節(jié)模塊對超標的模塊進行輸出限制，控制二者的輸出功率分配，從而避免了任何一方由于輸出負載過大而導致?lián)p壞。此外，本實施例中還優(yōu)選的加入了下列組成部分:變壓器模塊，用于將交流電網(wǎng)中交流電的電壓調整到所述PWM變流模塊的額定范圍內(nèi)。第三斷路器，用于連接變壓器模塊與交流電網(wǎng)，對變壓器模塊進行保護。直流側電感，連接PWM變流模塊與直流牽弓I網(wǎng)，用于抑制PWM變流模塊短路弓I起的電流上升。
第四隔離開關，用于在系統(tǒng)檢修時將PWM變流模塊隔離。第四斷路器，用于對PWM變流模塊進行保護。以上部件均屬于本領域電路裝置中常規(guī)的組成部分。在此不對其原理做出詳細描述。本實施例在圖1所示實施例的基礎之上，進一步存在的有益效果是:本實施例中，通過多個隔離開關、斷路器、充電回路、放電回路及直流側電感的設置，有效的實現(xiàn)了對于系統(tǒng)電路的保護；通過所述調節(jié)模塊實現(xiàn)了功率的分配，避免了 PWM變流模塊或儲能模塊因輸出負載過大而損壞；本實施例中所述系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性更高，技術方案更加完整，公開更加充分。參見圖3所示，為本實施例中所述牽引供電方法的一個具體實施例。本實施例所述方法主要在于表述圖1所示實施例中所述系統(tǒng)的工作原理。二者技術方案在本質上一致。所述方法包括以下步驟:步驟301、PWM變流模塊將交流電網(wǎng)中的交流電轉換為直流電，并將轉換后的直流電導入直流牽引網(wǎng)。步驟302、儲能模塊在系統(tǒng)啟動之初或直流牽引網(wǎng)中電能過剩時，從直流牽引網(wǎng)中接收直流電并儲存。步驟303、儲能模塊在直流牽引網(wǎng)中的電流需求大于PWM的額定范圍時，將儲存的電能以直流電的形式導入直流牽引網(wǎng)。本實施例中存在的有益效果是:所述方法通過儲能模塊存儲電能，高效的實現(xiàn)過剩能量的重新利用，避免了電能的以熱能的形式消耗，既節(jié)約能源又避免了為散熱系統(tǒng)提供額外的壓力；另外通過在過載時利用儲能模塊釋放能量對直流牽引網(wǎng)進行補償，避免了增加PWM變流模塊的輸出負載。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。
權利要求
1.一種牽引供電系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括以下: PWM變流模塊，用于將交流電網(wǎng)中的交流電轉換為直流電，并將轉換后的直流電導入直流牽引網(wǎng)； 儲能模塊，用于從直流牽引網(wǎng)中接收直流電并儲存，或將儲存的電能以直流電的形式導入直流牽引網(wǎng)。
2.根據(jù)權利要求1所述系統(tǒng)，其特征在于，所述PWM變流模塊中包括多個相互并聯(lián)的變流單元，所述變流單元具體為包括: 第一隔離開關，用于在系統(tǒng)檢修時將變流單元隔離； IGBT變流器，用于將交流電轉換為直流電；所述IGBT變流器中包括第一支撐電容； 第一充電回路，用于對IGBT變流器中的第一支撐電容充電； 第一放電回路，用于對IGBT變流器中的第一支撐電容放電； 第一斷路器，用于對IGBT變流器進行保護。
3.根據(jù)權利要求1所述系統(tǒng)，其特征在于，所述儲能模塊包括多個并聯(lián)的直流轉換單元與一個儲能裝置，具體為: 直流轉換單元，用于將直流牽引網(wǎng)中直流電的電壓轉換至儲能裝置的額定范圍內(nèi)；并將儲能裝置中儲存的電能轉換為符合直流牽引網(wǎng)標準的直流電； 儲能裝置，用于接收直流電并儲存，或將儲存的電能導入直流牽引網(wǎng)。
4.根據(jù)權利要求3所述系統(tǒng)，其特征在于，所述直流轉換單元具體包括: 第二隔離開關，用于在系統(tǒng)檢修時將直流轉換單元隔離； 直流-直流轉換器，用于將直流牽引網(wǎng)中直流電的電壓轉換至儲能裝置的額定范圍內(nèi)，或將儲能裝置中儲存的電能轉換為符合直流牽引網(wǎng)標準的直流電；所述直流-直流轉換器中包括第二支撐電容； 第二充電回路，用于對直流-直流轉換器中的第二支撐電容充電； 第二斷路器，用于對直流-直流轉換器進行保護。
5.根據(jù)權利要求3所述系統(tǒng)，其特征在于，所述儲能裝置具體為:超級電容組或飛輪儲能裝置。
6.根據(jù)權利要求1所述系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)還包括: 變壓器模塊，用于將交流電網(wǎng)中交流電的電壓調整到所述PWM變流模塊的額定范圍內(nèi)； 第三斷路器，用于連接變壓器模塊與交流電網(wǎng)，對變壓器模塊進行保護。
7.根據(jù)權利要求1所述系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)還包括: 直流側電感，連接PWM變流模塊與直流牽弓丨網(wǎng)，用于抑制PWM變流模塊短路弓I起的電流上升。
8.根據(jù)權利要求1所述系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)還包括: 第四隔離開關，用于在系統(tǒng)檢修時將PWM變流模塊隔離； 第四斷路器，用于對PWM變流模塊進行保護。
9.根據(jù)權利要求1-8任意一項所述系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)還包括: 調節(jié)模塊，用于監(jiān)測PWM變流模塊及儲能模塊的輸出負載情況，并在PWM變流模塊或儲能模塊的輸出負載超過正常工作范圍時進行輸出限制。
10.一種牽引供電方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟: PWM變流模塊將交流電網(wǎng)中的交流電轉換為直流電，并將轉換后的直流電導入直流牽引網(wǎng)； 儲能模塊在系統(tǒng)啟動之初或直流牽引網(wǎng)中電能過剩時，從直流牽引網(wǎng)中接收直流電并儲存；并在直流牽引網(wǎng)中的電流需求大于PWM的額定范圍時，將儲存的電能以直流電的形式導入直流牽引網(wǎng)。
全文摘要
本發(fā)明實施例提供一種牽引供電系統(tǒng)及方法，所述系統(tǒng)包括以下PWM變流模塊，用于將交流電網(wǎng)中的交流電轉換為直流電，并將轉換后的直流電導入直流牽引網(wǎng)；儲能模塊，用于從直流牽引網(wǎng)中接收直流電并儲存，或將儲存的電能以直流電的形式導入直流牽引網(wǎng)；所述方法包括以下步驟PWM變流模塊將交流電網(wǎng)中的交流電轉換為直流電，并將轉換后的直流電導入直流牽引網(wǎng)；儲能模塊在系統(tǒng)啟動之初或直流牽引網(wǎng)中電能過剩時，從直流牽引網(wǎng)中接收直流電并儲存；并在直流牽引網(wǎng)中的電流需求大于PWM的額定范圍時，將儲存的電能以直流電的形式導入直流牽引網(wǎng)。
文檔編號H02J5/00GK103151806SQ201310104599
公開日2013年6月12日 申請日期2013年3月28日 優(yōu)先權日2013年3月28日
發(fā)明者馮江華, 張志學, 劉可安, 陳濤, 張鐵軍, 尚敬, 施蔚加, 譚云 申請人:南車株洲電力機車研究所有限公司