高速动车组动力牵引和再生制动的能量储放电系统的制作方法

技术领域：

高速动车组的制动是保证动车安全、可靠、有效的重要设施，在设计和实施中既要保证能量尽量回收、线路结构可靠，又要节省人力、物力和财力的原则，已成为当今高速动车的势在必行。本发明提出一种高速动车组动力牵引和再生制动的能量储放电系统，属于电气化动车组的制动和节能领域。

背景技术：
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列车运行速度超过200km/h，其制动所需的能量是普通制动能量的4～9倍，当列车运行速度达到或超过350km/h，许多疑难问题暴露出来，便更加复杂。因此，对高速动车组的制动要求与普通列车不同，高速动车组需要更加快捷、有效、安全的制动系统。

列车已有的制动方式，主要有闸瓦踏面制动、盘形制动、涡流盘形制动、轨道电磁制动、线性涡流制动、电阻制动及飞轮储能型再生制动、电容储能型再生制动和逆变回馈型再生电制动。盘形制动是在转向架车轴上安装制动轴盘或在车轮上安装制动轮盘，制动时，摩擦闸片夹紧制动盘实现制动。因盘形制动是两侧夹紧，夹紧面积大，所以制动容量大，磨损量小，散热好，现行的制动盘是带有通风，散热筋由高强度合金锻造而成。逆变回馈型再生电制动，是列车制动时，把牵引电动机转变为制动发电机的电能加以利用。要将电能回馈给电网，必须满足再生电能和电网的频率、相序、相位和电网严格相同。

要解决电气化高速列车的制动问题，涉及外部供电、内部供电和车载能量储放电的问题。所述外部供电，由发电厂g发出的3.15～20kv三相交流电的电压经升压变压器升压后输至地区变电所，再降为110kv或220kv三相交流电，与三相a、b、c供电网相连，或者由三相高压公用供电网经降压变压器降至110kv或220kv与三相a、b、c供电网相连。由110kv或220kv三相供电网经牵引变压器降为27.5kv(额定电压为25kv)交流电输给牵引供电网，如图5所示。所述内部供电，单相牵引交流电与受电弓t1或t2接触相连，当t1(t2)升起，t2(t1)必须降下。受电弓与切断开关kα或kβ相连，经切断开关kα或kβ输至动车组的内部动力供电和辅助供电系统。中国现有的crh型动车组主要有crh1、crh2、crh3型和crh5四种类型。它们的排列顺序和受电弓设置的车顶不同。它们的内部线路结构和元器件设置基本相同，而且制动系统都是采用盘形+再生电制动方式，以既有的crh1型8厢动车组线路为例具有代表性，如图4所示。能量储放电路的核心内容是超级电容器和高能蓄电池，以及双向开关。

超级电容器最大的优点是功率密度高，可达300w/kg～5000w/kg，相当于普通蓄电池的数十倍，可提供大电流放电功率，超强功率转换效率高，大电流能量循环效率≥90％，充电电流高达1500a～3000a，充满单块超级电容器只需几秒钟，上百块串联在一起充电，只需几十秒钟到6分钟便可充满95％以上。此外，尚有循环使用寿命长，深度充放电循环使用次数可达50万次。温度特性好，使用环境温度范围宽达-40℃～+70℃。使用、储存以及拆解过程均无污染，可在无负载电阻情况下直接充电。超级电容器的比能量虽然远远大于电解电容，但是相对于蓄电池，超级电容器的比能量还是偏低。现有的超级电容器电压超过标称电压时，将会导致电解液分解，寿命缩短。近年来，日本研发的一种新型超级电容器，其标称电压可达100v以上。

高能蓄电池的优点是能量密度高，理论比能量可达400w.h/kg，充放电寿命高达1000－5000次。已经研用的锂离子蓄电池，其充电电压可达到4v以上，平均是3.6～3.8v，是镍镉、镍氢蓄电池的3倍左右。而且体积小，重量轻，锂离子蓄电池的体积比能量是300～400wh/l，重量比能量是120～160wh/kg。同容量锂离子电池的质量只有镉镍电池的1/3左右，循环充放电特性好，充放电寿命可达500～1000次的充放电，自放电小。在10℃以下，电池放置不用时，锂离子蓄电池的自放电率仅为镍镉、镍氢蓄电池的一半不到，且无记忆效应。但锂电池的性价比和容量重量比高，而且不合理使用会导致电池容量快速下降，滥用可能导致电池出现冒烟、着火，甚至爆炸等隐患。近来，推出了以钛酸锂为负极的锂离子电池(即钛酸锂电池)。其综合性能都有大幅的提升，已成为当今最适宜在动车组上使用的动力源之一。大容量锂离子电池，已在几种电动汽车上试用，一次充电可行驶345km，每次充电前不放电，可随时充电，且无有毒物质。正在研发的新型高能蓄电池中，如石墨烯电池，可把数小时的充电时间缩短到不到一分钟，石墨烯聚合材料电池，其储电量是目前最好产品的3倍。氢燃料电池，只产生水和热，对环境无污染，燃料氢来自水的电解产物和其它碳水化合物的分解产物，是目前最有发展前景的新能源方式。氢的化学特性活跃，可被某些金属或合金化合物吸收，形成一种金属氢化合物，而且氢的含量很高，甚至高于液氢的密度，是一种良好的储氢材料。

超级电容组和高能蓄电池组，是以单体并联串联组合而成，先并联达到所需的电能容量，再串联达到所需的额定电压值。超级电容组的功率密度高、高能蓄电池组的能量容量大，两者的组合，既能对高能蓄电池组起到能量缓冲作用，又能发挥超级电容组高功率的供电能力，是再生制动储能结构的最好方式。双向开关由晶闸管t1和晶闸管t2组成，t1、t2是全控型器件，全控型的特点是通过对栅极的控制既可使其开通又可使其关断。以绝缘栅极双极型晶体管(igbt)为代表的复合型器件，是mosfet和bjt的复合，igbt为绝缘栅双极晶体管，是mosfet和gtr(功率晶管)相结合的产物，其击穿电压可达1200v，集电极最大饱和电流已超过1500a。由igbt作为逆变器件的变频器的容量达250kva以上，工作频率可达20khz。

本发明人的已授权中国发明专利201410239724.1中虽然涉及到再生电制动电路。但是，只在crh1型线路的主变流器和牵引变流器之间增设了二极管，阻断了制动发电机的电流，经主变流器反馈到供电网。在牵引变流器与辅助变流器之间增设了二极管，阻断了辅助变流器向牵引变流器的电流回流。但是，没有对再生电制动电路具体线路连接和元器件的设置作具体说明，这也是本发明必须解决的问题。

技术实现要素：
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本发明根据背景技术提出的问题，设计动车组制动时无需将电制动能量反馈到电网，也无需设置制动电阻的能量损耗为宗旨，并应用已有可靠技术，尽量节省人力、物力和财力为原则，实现本发明的宗旨，完成本发明的目的。

一种高速动车组动力牵引和再生制动的能量储放电系统，包括车外充电电路、动力牵引电路、制动电路和辅助变流电路，电路箱内的压力开关k1～k4设在箱体的外缘上，所述压力开关k1分别与车外充电电路并通过不控二极管与车载能量储放电路即主电路输入端相连；所述压力开关k2分别与主变流器的输出端和牵引逆变器相连，并通过逆变器给牵引电动机供电；所述压力开关k3分别与发电机变流器并通过不控二极管与主电路输入端相连；所述压力开关k4分别与主电路输出端和辅助逆变器相连，所述辅助逆变器输至变压器、蓄电池充电机后分成两路，一路经可控二极管给蓄电池充电，另一路给车内直流供电。

所述车外充电电路的充电架固定在站台上，充电机固连在充电架上；由三相交流电输入充电机交流电，经整流后再经跨接在电路正负极间的中间直流滤波电容cd，将直流电压ud，经压力开关k1输至主电路的输入端；这种设计不会因体积和重量大的变压器和充电机，给动车组增加载荷负担。

所述动力牵引电路是由主变流器输出的直流电经压力开关k2直接输至牵引逆变器，给牵引电动机供电。这种连接方式，能大大减少主电路的容量和元器件的负担。

所述制动电路是由制动发电机发出的交流电，经制动变流器、不控二极管、压力开关k3，将直流电回馈至主电路的输入端，由于制动变流器的电压波动起伏大，引起主电路输入端电压急剧上升，会瞬间击穿电路元件，因此在电路输入端跨接了斩波调阻器。当输入端电压高于电容组的上限电压时，接通斩波器vtd，此时吸能电阻rd，降低了回馈输入电压。

所述辅助变流电路是由主电路输出的直流电，通过压力开关k4，经辅助逆变器和变压器输至蓄电池充电机，分别经可控二极管给蓄电池和车内直流用电供电，所述蓄电池包括锂离子电池组。

固定在站台上的车外充电电路，根据高速动车组设置的站间距离设定，设在跨接一个站间距离的站台上，或多个站间距离的站台上，根据高能蓄电池组和超级电容组的最佳匹配容量确定。随着新技术的问世，高能蓄电池和超级电容容量的提升，可以减少站台的数量，这可以减少固定在站台上的充电架数量，简化总系统的结构。

主电路的线路结构是，当跨接在电路正负极间电压传感器的电压低于超级电容组的额定电压时，开始给超级电容组充电；

当超级电容组的电压高于高能蓄电池组充电电压的下限时，控制器的输出信号接通双向开关晶闸管vt1的栅极，电流便通过电流传感器、双向开关晶闸管vt1和续流二极vd2给高能蓄电池组充电；

当电能充满高能蓄电池组时，跨接在主电路正负极间电压传感器的电压等于跨接在高能蓄电池组两端电压传感器的电压，控制器的输出信号接至双向开关的晶闸管vt1的栅极，断开晶闸管vt1，接通晶闸管vt2，高能蓄电池组通过电流传感器、晶闸管vt2和续流二极管vd1向电路的输出端供电，此时，只有超级电容组继续参与整流和输出；

当输出端需要长时间稳定电流输出，或仅依靠超级电容组无法满足需要时，超级电容组在短时间内达到满功率输出，使瞬间的电压起伏完全被超级电容组所储存，所述超级电容组可做为能量滤波器使用，能够尽可能大地向主电路输出端输出电能，满足高能量的要求，承担瞬间的过电压、欠电压，同时避免瞬时的电压跌落，使得瞬间制动发电机发出的能量反馈的波动电流，完全被电容组所储存，承担能量滤波器的作用；跨接在主电路正负极间的电解电容的高频滤波作用，进一步提高了直流电的质量。

本发明的有益效果：

1、本发明尽量利用了车外供电和车内供电的既有成熟可靠技术，这可以节省人力、物力和财力。

2、本发明的设计，由于高速动车组动力牵引与再生制动互为逆过程，只是能量的传递方向不同，其线路连接和元件完全相同，在制动时，制动发电机即是牵引电动机，制动变流器便是牵引逆变器，这可节省一个发电机和一套变流器。

3、由于本发明的主电路主要由超级电容组和高能蓄电池组混合组成，超级电容组的功率密度高、高能蓄电池组的能量密度高，两者的组合既能对高能蓄电池组起到能量缓冲作用，又能发挥超级电容组高功率的供电能力，是能量储放的最佳方式。

4、本发明在动车组运行时，不通过主电路，而是由主变流器输出的直流电，直接经牵引逆变器给牵引电动机供电，这可以减少主电路的容量和元器件的负担。

5、本发明在制动时，将再生电制动电能回馈给主电路，这可消除电阻制动变为热能的损耗量。

6、本发明将充电架和充电机设计为一体，并且固设在站台，这可减少变压器对动车组的负载。

附图说明：

图1为本发明的总线路图；

图2为本发明的充电电路图；

图3为本发明的车载能量储放电电路结构图；

图4为既有crh1型动车组供电线路结构图；

图5为既有电气化铁路外部供电示意图；

图中：g为发电机；tm1为升压变压器，tm2为降压变压器，tm为三相变压器，abc为三相高压电网，s为牵引变压器，d为动车，r为轨道，t为单相受电弓，cd为滤波电容器，ud为充电机输出的直流电压，rd为制动电阻，vtd为斩波调阻器，vt1、vt2为晶闸管，vd1、vd2为续流二极管，k1～k4为压力开关。

1为斩波调阻电路，2、5为电压传感器，3为超级电容器组，4为高能蓄电池组，6为双向开关，7、8为电流传感器，9为电解电容器，10为控制器

具体实施方式：

本发明提出一种高速动车组在制动时制动能量既不反馈到牵引供电网，也不需要制动电阻的线路设计。

下面结合附图对本发明的具体内容和实施方式做进一步说明。

本发明应用了电气化动车组的既有外部供电线路和动车组既有内部部分供电线路，并结合本发明的创新线路形成了总体线路。总体线路主要由车外充电电路、车内既有部分电路和车载能量储放电路(以下简称主电路)组成，其中的电制动是由于高速动车组动力牵引与再生制动互为逆过程，其电路组成和元器件设置完全相同，只是能量传递方向不同，牵引时的逆变器在制动时就转变为变流器，牵引中的牵引电动机在制动时转变为制动发电机。

本发明的线路总结构，由车外充电电路通过压力开关k1，输至主电路的输入端；由主变流器通过压力开关k2与牵引逆变器给牵引电动机供电；由制动发电机变流器，通过压力开关k3，输至主电路的输入端；由主电路输出的直流电，通过压力开关k4，输至辅助逆变器。

车外充电电路，充电架与充电机组合为一体结构，充电架是固设在站台上。由三相交流电输入充电机，经三相不控二极管整流，由充电机的输出端接至压力开关k1。也可选用结构简单的电路，不致因充电机和变压器的重量和体积给列车载荷增加负担。

牵引电路，由主变流器输出的直流电通过压力开关k2，输至牵引逆变器，给牵引电动机供电。制动时，由制动发电机经制动变流器通过压力开关k3，将电流回馈至主电路的输入端，如果这些电能不能被吸收，直流电压ud会急剧上升，可能瞬间击穿电路元件。因此，必须在输入端并接一个斩波调阻电路，斩波器vtd开通，制动电流消耗在电阻rd上，成为制动电阻。辅助逆变电路，由主电路的输出端通过压力开关k4输至辅助逆变器，经降压变压器输至车内充电机，输出的直流电分别给蓄电池和车内直流用电供电。

主电路的核心为超级电容组和高能蓄电池组的混合装置，并辅以双向开关和控制器组成。超级电容组的功率密度高、高能蓄电池组的能量密度高，两者的组合既能对高能蓄电池组起到能量缓冲作用，又能发挥超级电容组高功率的供电能力。双向开关由晶闸管t1和晶闸管t2组成，t1、t2是全控型器件，全控型的特点是通过对晶闸管栅极的控制既可使其开通又可使其关断。控制器既可接收信号，又可发出信号。设在控制器内的程序运作，使主电路按设定程序运行。当跨接在主电路正负极间的电压降低到超级电容组的额定电压时，将信号输入控制器，由控制器输出的信号传至双向开关晶闸管vt1的栅极，接通双向开关的晶闸管vt1，电流通过晶闸管vt1和续流二极管vd2，并通过电流传感器向高能蓄电池充电。当电能充满高能蓄电池组时，主电路电压传感器的电压等于高能蓄电池组的电压传感器的电压，将信号输入控制器，控制器将信号传至双向开关晶闸管vt2的栅极，接通vt2，并经高能蓄电池组的电流传感器、双向开关的vt2和续流二极管vd1向主电路的输出端供电。此时，只有超级电容组继续参与整流和输出，可起到部分ups的作用。如果输出端仍需要长时间稳定电流输出，或仅依靠超级电容组无法满足需要。超级电容组可在短时达到满功率输出，尽可能大地输至主电路的输出端，满足高能量的要求，可承担瞬间的过电压、欠电压，同时避免瞬时的电压跌落，使得制动发电机瞬间能量反馈的波动电流，完全被电容组所储存，起到能量滤波器作用。跨接在主电路正负极间的电解电容的高频滤波作用，进一步提高了直流电的质量。当需要瞬间高脉冲功率输出时，超级电容组可以瞬间工作于充电状态，高能蓄电池组可以满足高功率的要求，能有效的保护高能蓄电池组的整体安全性，并稳定主电路的电压，保证输出电能的可靠性。

本发明的既有外部供电线路，如图5所示。由发电厂g发出的3.15～20kv三相交流电经升压变压器tm1升压后输至地区变电所，再降为110kv或220kv三相交流电，与三相a、b、c供电网相连。或者由三相高压公用供电网经降压变压器tm2降至110kv或220kv与三相a、b、c供电网相连。由110kv或220kv三相供电网经牵引变压器降为27.5kv(额定电压为25kv)交流电输给牵引供电网。由牵引供电网经受电弓t1或t2和主电路断路器进入内部供电。

内部供电电路，既有电路如图4所示。由主变压器并经主变流器给车内动力用电供电，由辅助供电经变压器、车内充电机给蓄电池和车内直流用电供电。

图1为本发明的总线路结构图。由车外充电电路输出的直流电通过压力开关k1和不控二极管输至主电路的输入端；由主变流器输出的直流电经压力开关k2直接输入牵引电动机逆变器给牵引电动机供电；由制动发电机变流器输出的直流电经不控二极管，并通过压力开关k3，输入主电路的输入端；由主电路输出端输出的直流电，通过压力开关k4，并经辅助逆变器、降压变压器、蓄电池充电机后，输至蓄电池和车内直流供电。

车外充电电路：三相变压器tm的原边和副边分别为星形、三角形连接，由tm副边输出的交流电经三相不控二极管整流后，由跨接在正负极间直流环节滤波电容cd，向输出端输出直流电压ud的直流电。由充电机输出的直流电压ud通过压力开关k1，并经不控二极管输入主电路的输入端。由于充电机和充电架合为一体，是固设在站台上，这便不会因变压器的重量和体积大给动车组增加负担，如图2所示。

主电路：制动发电机变流器将直流电输至主电路。由于制动电流的起伏大，如果回馈电能不能被吸收，直流电压ud会急剧上升，可能瞬间击穿电路元件。因此，必须在主电路输入端并联一个斩波调阻电路1。当跨接在电路正负极间的电压传感器2的电压高于超级电容组3的上限电压时，由控制器10输出的信号使斩波器vtd开通，制动电流消耗在电阻rd上，成为制动电阻。当超级电容组3的电压高于高能蓄电池组4充电电压的下限时，控制器10的输出信号接通双向开关6晶闸管vt1的栅极，电流便通过电流传感器8和双向开关6的晶闸管vt1和续流二极vd2、电流传感器7给高能蓄电池组4充电。当电能充满高能蓄电池组4时，跨接在电路正负极间电压传感器2的电压等于跨接在高能蓄电池组4两端电压传感器5的电压，控制器10的输出信号接至双向开关的晶闸管vt1的栅极，断开晶闸管vt1，接通晶闸管vt2，高能蓄电池组通过电流传感器7、vt2和续流二极管vd1向电路的输出端供电。此时，只有超级电容组3继续参与整流和输出，可起到部分ups的作用。如果输出端需要长时间稳定电流输出，或仅依靠超级电容组无法满足需要。超级电容组3可在短时间内达到满功率输出，使瞬间的电压起伏完全被超级电容组3所储存，故超级电容组可做为能量滤波器使用，能够尽可能大地向主电路输出端输出电能，满足高能量的要求，可承担瞬间的过电压、欠电压，同时避免瞬时的电压跌落，使得瞬间制动发电机发出的能量反馈的波动电流，完全被电容组所储存，承担能量滤波器的作用。跨接在主电路正负极间的电解电容9的高频滤波作用，进一步提高了直流电的质量。