一种动车组牵引系统及能量控制方法
【技术领域】
[0001]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系统及能量控制方法。
【背景技术】
[0002]现有国产化动车组的供电电网为单相25kV/50Hz，其牵引系统不适用于其他国家如格鲁吉亚铁路DC3000V电网供电系统。当供电电网的电压范围超出国际标准IEC60850的规定，对系统控制和电气绝缘极为不利。
[0003]另外，现有国产化动车组牵引系统采用主、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】
[0004]为解决以上问题，本发明提供了一种动车组牵引系统及能量控制方法，用以对牵引系统进行过电压保护，并简化系统设计，降低产品成本和故障率。
[0005]根据本发明的一个方面，提供了一种动车组牵引系统，包括:
[0006]高速断路器，与供电电网连接；
[0007]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；
[0008]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；
[0009]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。
[0010]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。
[0011]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。
[0012]根据本发明的一个实施例，所述牵引系统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弓I系统进行过电压保护。
[0013]根据本发明的一个实施例，所述牵引系统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。
[0014]根据本发明的一个实施例，所述牵引系统还包括与所述主逆变模块连接的制动电阻箱，用以消耗所述牵引系统在制动过程中产生的能量。
[0015]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。
[0016]根据本发明的一个实施例，所述牵引系统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。
[0017]根据本发明的另一个方面，还提供了一种用于动车组牵引系统的能量控制方法，包括:
[0018]检测供电电网的网压；
[0019]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系统的高速断路器，用以禁止供电电网接入牵引系统，使得控制牵引电机不启动；
[0020]当检测到牵引系统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，则封锁牵引系统并断开所述高速断路器，用以禁止供电电网接入牵引系统，使得控制牵引电机输出功率线性下降到零；
[0021]当检测到供电电网的网压低于牵引系统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系统，并使得牵引系统输出所需功率。
[0022]根据本发明的一个实施例，使得牵引系统输出所需功率进一步包括:
[0023]当检测到供电电网的网压处于牵引系统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；
[0024]当检测到供电电网的网压处于低于牵引系统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；
[0025]当检测到供电电网的网压处于低于牵引系统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。
[0026]本发明的有益效果:
[0027]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，实现了牵引系统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，简化了系统电路、降低了产品成本和故障率。
[0028]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】
[0029]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:
[0030]图1是现有的单相25kV/50Hz供电动车组牵引系统原理图；以及
[0031]图2是根据本发明的一个实施例的一种动车组牵引系统原理图。
【具体实施方式】
[0032]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。
[0033]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系统不适用于格鲁吉亚铁路的DC3000V电网供电系统。
[0034]为更好地说明本发明，首先对现有的动车组牵引系统进行说明。如图1所示为我国现有的单相25kV/50Hz供电动车组牵引系统原理图。如图所示，该牵引系统采用主、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(Ml?M8)。
[0035]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(C0NVU)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。
[0036]我国现有的单相25kV/50Hz供电电网的动车组牵引系统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，动车组牵引系统中的主、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。
[0037]目前我国的DC1500V供电地铁车辆牵引系统，其针对的是DC1500V供电电网，并且该牵引系统中主、辅变流器/逆变器也采用分离方式，导致牵引系统的成本高、器件多、电路复杂、故障率较高。
[0038]因此，本发明提供了一种动车组牵引系统，以适用于直流供电电网供电系统。在本发明中以格鲁吉亚铁路DC3000V电网供电系统为例进行说明，但本发明不限于该直流电网供电系统。
[0039]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系统原理图，以下参考图2来对本发明进行详细说明。
[0040]该动车组牵引系统包括高速断路器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。
[0041]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。
[0042]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。
[0043]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。
[0044]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，从而简化了系统电路设计，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。
[0045]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D⑶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