一种大功率制动能量消耗装置及其控制方法

专利名称：一种大功率制动能量消耗装置及其控制方法
技术领域：
本发明涉及一种大功率电力电子装置及其控制方法，具体涉及一种应用于轨道交通领域的大功率制动能量消耗装置及其控制方法。
背景技术：
近年来，随着我国城市轨道交通建设的迅速发展，地铁及轻轨已成为城市轨道交通的主要模式。车辆在电制动时会向电网回馈能量，当这部分能量不能完全被其他车辆或用电设备吸收时，多余的再生制动能量将会造成电网电压升高，过高的电网电压将会危及电站设备、车辆车载设备的安全。因此需要将电制动时回馈电网的多余能量消耗掉，以维持电网电压稳定。 传统车载制动系统采用“车载制动电阻+车载制动斩波器”平均分散安装在各动车内的方式，需在每辆车上增设制动电阻、斩波器，投资多、重量大，且对于车流密度不大的线路，再生制动功能得不到充分发挥，造成气制动投入频繁，使得洞内或沿线闸瓦灰尘较多，严重污染环境，且造成地铁隧道内温度不断升高。同时为了减少电阻制动逸散在洞内的温度，工程上不得不加大洞内排、通风量或增大空调功率，造成工程建设费用及运营费用昂
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贝ο国内近几年已建、在建或新建的多数地铁线路对制动电阻的设置问题进行了大量的探索和尝试。目前国内已有部分线路采用将制动电阻直接挂接在牵引变电所直流母线上的再生制动能量消耗方式，再生制动能量消耗装置的工作原理是采用多相IGBT(InsulatedGate Bipolar Transistor,绝缘栅双极型晶体管)斩波器和吸收电阻配合的恒压吸收方式，根据再生制动时直流母线电压的变化状态调节斩波器导通比，从而改变吸收功率，将直流电压保持在某一设定范围，使制动能量消耗在吸收电阻上。目前，对于制动能量消耗装置所采用的主要解决方案是电阻耗能型。电阻耗能型分为传统车载制动电阻耗能型和地面制动电阻耗能型两种。目前地面制动电阻能耗方式转换了一种思维方式，将车载制动电阻从车上搬到了地面，克服了车载制动电阻耗能方式的很多问题。对于双制式地面制动电阻耗能型，在现有技术当中与本专利申请相关的内容主要有以下文献
文献一是由湘潭市恒信电气有限公司于2006年04月30日申请，并于2007年05月02号公告，公告号为CN2896640的中国实用新型专利《双电网制式再生制动吸收设备》。该专利公开了一种双电网制式再生制动吸收设备，主电路包括隔离开关GK1，GK2、快速断路器ZK1、滤波电抗器DKp滤波电容Q、预充电开关ZK2、预充电阻R。、斩波器T1, T2、吸收电阻RZ11, RZ12、开关K1^ K1^2, IV3、续流二极管GZn、GZ12等。隔离开关GK1，GK2作为设备的电路隔离，分别与1500V、750V直流母线相连；滤波电抗器和滤波电容主要对电网的高次谐波进行过滤，预充开关ZK2、预充电阻滤波电容Q构成预充电路，为向设备的滤波电容进行预充电，当滤波电容电压充电电网的80%时，电路允许快速断路器闭合，防止了电压冲击；斩波器T1, T2、吸收电阻RZn，RZ12,开关K1^ K1^2, K1^3等构成吸收电路，当电网电压为750V时，开关Kw断开，开关Kp3闭合，开关K"的I端与3端相连，吸收电阻RZn，RZ12并联使用；当电网电压为1500V时，开关IV1闭合，开关IV3断开，开关K"的I端与2端相连，吸收电阻RZn，RZ12各自单独使用。文献二是曾建军、林知明等人于2008年12月共同发表在《电气化铁道》2008年第6期的论文《地铁再生制动能量吸收装置》。该文献分析了电阻耗能型吸收装置的工作原理及功能，该装置由电动隔离开关QS、接触器KMl、KM2、滤波装置、吸收电阻RZ1 4、斩波器VT1、续流二极管VD卜4、电流电压传感器SA1、SA2、SV1、SV2、SV3等构成。该装置为一个四相不重恒压吸收控制系统。当检测到网压超过一定设定值时斩波器立即投入工作，装置吸收制动车辆的回馈电流，从而降低网压。斩波器的导通角根据网压的大小自动调节，如果第一相斩波器的导通比达到最大时，网压仍大于设定电压值，则开通第二相斩波器，第三相、第四相斩波器的开通依此类推。文献三是西南交通大学李华于2011年发表学位论文《城轨车辆试验线再生制动能量吸收装置的研究与实现》。该文献第三章节介绍了能量吸收装置的总体设计，为满足动调试验线双电压制式能量吸收的要求，主电路设有制式选择开关。同时，主电路所有的高压电器开关、半导体功率开关及传感器等主要部件全部按照DC1500V电压制式选择，向下兼·容DC750V电压制式。能量吸收装置包括隔离开关柜Al、斩波柜A3、电抗柜A2、电阻柜A4。隔离开关柜内主要安装隔离开关QSl QS4及其控制继电器、输入电流传感器U2等；斩波柜内主要安装有斩波模块CHMl CHM4机器控制系统、接触器KMl及配套的控制中间继电器、充放电电阻Rl、R2和电抗器的续流回路VD、R3 ;电抗柜和电阻柜内分别安装电抗器LI和吸收电阻RXl RX8 ;两种制式的高速断路器QF1、QF2设置在系统外部，在系统故障时能快速切断直流网压。当制式选择开关打至DC1500V制式时，隔离开关QS2、QS4合在DC1500V制式档位，合隔离开关QS1、QS3，此时能量吸收装置就完成了相关制式选择及投入准备；当制式选择开关打至DC750V制式时，隔离开关QS2、QS4合在DC750V制式档位，合隔离开关QS1、QS3，此时能量吸收装置就完成了相关制式选择及投入准备。为了达到地面电阻消耗车辆回馈能量的目的，上述文献一至文献三进行了相关研究。其中，文献一主要提出了一种解决双电网制式的再生制动吸收设备。该种主电路设计虽可以实现一套设备完成双电网制式的转换，节省了空间，但是缺点是在设备本身设计中增加了检测电网的隔离开关，控制每条支路中增加了 3个转换开关，每次转换制式，单支路就需要同时转换3个开关，支路数越多，需同时转换的开关越多，转换复杂、控制逻辑复杂、容易误操作，且增加了结构设计复杂度，可靠性低。文献二主要描述了 1500V单制式下的再生制动能量消耗装置的主电路设计及控制策略。该文献描述的主电路与文献一有一个共同缺点，即在IGBT斩波回路中，采用并联阻容吸收电路进行IGBT关断过电压的吸收，此种方式吸收效果差，且容易造成过电压损坏IGBT器件。文献描述的控制策略是在第一相斩波器的导通比达到最大时，如果网压仍大于设定电压值时，则依次类推开通其他相支路。这种方式经常开通一条支路满负荷运行，会导致该支路电阻长时运行发热损坏，而有些支路可能很少用到，达不到一种平衡使用的效果。文献三主要描述了一种可同时实现双电压制式的再生制动能量吸收装置。该装置在每次转换制式下，需要同时配合4个隔离开关的动作，转换复杂、控制逻辑复杂、容易误操作，且增加了结构设计复杂度。

发明内容
本发明的目的是提供一种大功率制动能量消耗装置及其控制方法，该装置及其控制方法实现了一种大功率制动能量消耗装置的双制式转换，在该双制式下，装置可以吸收目前国内所涉及轨道车辆回馈的较大功率，保证了电网及车辆的可靠运行。为了实现上述发明目的，本发明具体提供了一种大功率制动能量消耗装置的技术实现方案，一种大功率制动能量消耗装置，包括隔离开关模块、斩波器模块、电抗器模块和制动电阻模块。隔离开关模块与电抗器模块相连，斩波器模块与电抗器模块相连，制动电阻模块与斩波器模块相连。隔离开关模块检测直流母线电压，制动电阻模块包括双极联动刀开关和吸收电阻，根据直流母线电压通过双极联动刀开关实现大功率制动能量消耗装置的双制式转换，制动电阻模块实现制动能量的吸收和排出。电抗器模块包括滤波电抗器，用于对电网电压进行滤波；斩波器模块对制动能量进行斩波控制。 作为本发明一种大功率制动能量消耗装置技术方案的进一步改进，斩波器模块包括一个以上的能量消耗斩波模块，能量消耗斩波模块进一步包括两条斩波支路，每条斩波支路均包括IGBT模块、续流管、滤波电容IGBT驱动器。IGBT模块实现斩波支路的开通和关断，续流管与IGBT模块相连，用于IGBT模块关断后的续流。滤波电容一端与IGBT模块相连，另一端与续流管相连，实现电网电压的滤波，每条斩波支路均串联有电流传感器，用于检测斩波支路上的电流。作为本发明一种大功率制动能量消耗装置技术方案的进一步改进，隔离开关模块包括第一电压传感器、第二电压传感器、总电流传感器、电动隔离开关、第一直流避雷器、第二直流避雷器、主接触器、预充电接触器和充放电单元。第一电压传感器检测直流母线电压；第二电压传感器检测滤波电容的电压；电动隔离开关用于隔离大功率制动能量消耗装置和直流母线，在不带电状况下进行分断闭合操作；第一直流避雷器、第二直流避雷器分别连接正、负母线与地，用于吸收雷电冲击电压；主接触器用于大功率制动能量消耗装置的接通和分断；预充电接触器设置在由充电电阻和滤波电容组成的预充电回路中，用于接通、分断预充电回路；充放电单元为斩波器模块中的滤波电容进行充放电。作为本发明一种大功率制动能量消耗装置技术方案的进一步改进，制动电阻模块包括一个以上的制动电阻单元，制动电阻单元包括双极联动刀开关和2条支路的吸收电阻，每条支路的吸收电阻包括第一吸收电阻和第二吸收电阻，第一吸收电阻与第二吸收电阻串联，双极联动刀开关跨接在第一吸收电阻上。作为本发明一种大功率制动能量消耗装置技术方案的进一步改进，当在线车辆进行再生电制动，且能量没有被其他车辆吸收时，大功率制动能量消耗装置投入运行，大功率制动能量消耗装置投入工作的时间为车辆一个再生电制动制停或抑速的时间。作为本发明一种大功率制动能量消耗装置技术方案的进一步改进，直流母线电压变化由第一电压传感器进行检测，根据隔离开关模块的第一电压传感器、第二电压传感器、总电流传感器，以及斩波器模块的电流传感器的检测信号对车辆的运行状态进行判断；当车辆处于再生制动状态，检测到的直流网压大于起斩网压判定值时，装置斩波运行；当直流网压比起斩网压判定值低时，退出斩波运行；当电网无其它吸收时，装置立即投入工作，稳定网压不再上升，确保车辆充分有效地利用电制动。
作为本发明一种大功率制动能量消耗装置技术方案的进一步改进，大功率制动能量消耗装置进行DC1500V和DC750V双制式直流电源输入检测，斩波器模块包括六个能量消耗斩波单元，制动电阻模块包括六个制动电阻单元。本发明还另外具体提供了一种大功率制动能量消耗装置控制方法的技术实现方案，一种大功率制动能量消耗装置控制方法，包括以下步骤
检测直流母线电压和交流侧电压互感器的电压，根据隔离开关模块的第一电压传感器、第二电压传感器、总电流传感 器，以及斩波器模块的电流传感器检测信号判断是否有车辆处于再生制动状态；一旦确认车辆处于再生制动状态并需要吸收能量时，装置立刻投入使用；根据设置参数要求或测定参数要求，控制系统快速进行电流跟踪和恒压控制运算，当车辆制动能量回馈电流较小时，通过调节装置斩波导通比，使装置处于低导通状态；随着车辆制动能量回馈电流的增大，快速调节装置斩波导通比，以维持电网电压的相对恒定，确保车辆充分制动，直至直流网压低于设定的吸收电压值，关闭装置，等待下次车辆的再生制动。作为本发明一种大功率制动能量消耗装置控制方法技术方案的进一步改进，当装置未上电时，高速断路器、电动隔离开关，以及主接触器处于断开状态，大功率制动能量消耗装置的斩波模块处于脉冲封锁状态；当需要启动装置运行时，合上装置控制电源，发出装置启动命令，如果高速断路器处于断开状态，则闭合电动隔离开关；闭合高速断路器，并发出高速断路器闭合信号至隔离开关模块；当检测到电网电压制式为DC1500V时，控制双极联动刀开关处于断开状态，第一吸收电阻和第二吸收电阻串联使用；当检测到电网电压制式为DC750V时，控制双极联动刀开关处于闭合状态，第一吸收电阻被短接，第二吸收电阻单独使用；当确认直流网压正常后，装置进行正常启动，闭合预充电接触器，通过充电电阻为滤波电容充电，当滤波电容的电压充至电网电压的80%时，闭合主接触器，并同时断开预充电接触器，装置进入待机状态。作为本发明一种大功率制动能量消耗装置控制方法技术方案的进一步改进，由装置启动电压作为给定电压，以实际电压作为反馈，两者的偏差作为PI控制的输入信号；当偏差为正时，封锁PWM输出，关闭装置；当偏差为负时，通过PI控制实时运算，自动调节PWM脉冲的导通比，即装置的导通角，从而改变装置总的吸收电阻，调节吸收制动功率，稳定网压。通过实施上述本发明一种大功率制动能量消耗装置及其控制方法的技术方案，具有以下技术效果
(1)本发明在节省隔离开关、转换开关的前提下，在一套装置中，只需通过控制制动电阻模块的双极联动刀开关就可以实现制动能量消耗装置的双制式切换，控制简单，便于操作；
(2)本发明提出了大功率制动能量消耗装置的斩波支路的支路数可以达到12个，完全可以满足目前市场大功率能量消耗的需求；
(3 )本发明在保证装置可靠运行的前提下，可以实现装置的简化及模块化设计。


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使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图I是文献一双电网制式再生制动吸收设备的电气连接结构 图2是文献二地铁再生制动能量吸收装置的电气连接结构 图3是文献三城轨车辆试验线再生制动能量吸收装置的研究与实现的电气连接结构
图4是本发明大功率制动能量消耗装置一种具体实施方式
的电气连接结构 图中1_隔离开关模块，2-斩波器模块，3-电抗器模块，4-制动电阻模块，5-高速断路
器。·
具体实施例方式下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。如附图4所示，给出了本发明一种大功率制动能量消耗装置及其控制方法的具体实施例，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。本发明提出了一种大功率制动能量消耗装置，大功率制动能量消耗装置安装在牵引变电所，同时还提出了一种可实现双制式转换的大功率制动能量消耗装置的控制方法，该方法实现了以一套装置进行DC1500V和DC750V双制式直流电源输入检测，通过判断直流处检测电压，利用制动电阻模块4中的一只双极联动刀开关可快速转换装置的投入制式.并且在该双制式下，装置可以吸收目前国内所涉及轨道车辆回馈的较大功率，保证了电网及车辆的可靠运行。如附图4所示的一种大功率制动能量消耗装置的具体实施方式
，包括隔离开关模块I、斩波器模块2、电抗器模块3和制动电阻模块4。隔离开关模块I与电抗器模块3相连，斩波器模块2与电抗器模块3相连,制动电阻模块4与斩波器模块2相连。隔离开关模块I连接电网网线，检测直流母线电压，制动电阻模块4包括双极联动刀开关和吸收电阻，根据直流母线电压通过双极联动刀开关实现大功率制动能量消耗装置的双制式转换，制动电阻模块4实现制动能量的吸收和排出。电抗器模块3包括滤波电抗器，用于对电网电压进行滤波。斩波器模块2对制动能量进行斩波控制。无论是单制式或是双制式电网，装置的输入检测端都只需要采用一个电动隔离开关QS。其中，斩波器模块2包括一个以上的能量消耗斩波模块，如在本发明的具体实施方式
中包括应该是6个能量消耗斩波模块。每个能量消耗斩波模块进一步包括两条斩波支路，斩波支路包括IGBT模块VTl和VT2、续流管VDl和VD2、滤波电容Cl和IGBT驱动器。IGBT模块VTl和VT2实现斩波支路的开通和关断，续流管VDl和VD2分别与IGBT模块VTl和VT2相连，用于IGBT模块VTl和VT2关断后的续流；滤波电容Cl的一端与IGBT模块VTl和VT2相连，另一端与续流管VDl和VD2相连，实现电网电压的滤波。每条斩波支路均串联有电流传感器，如附图4中所示的电流传感器BCl BC12，用于检测斩波支路上的电流。斩波器模块2主要就是根据隔离开关模块I的检测结果进行IGBT模块的通断操作。斩波器模块2中的斩波支路采用模块化设计，续流管采用续流二极管，将两条支路中的滤波电容Cl、IGBT模块、IGBT驱动器、续流二极管等集成在一个能量消耗斩波模块中。在结构上采用Busbar低感母排方式，不需另外设计阻容吸收回路，就可以有效地解决斩波支路的过电压困扰，这种模块化设计优点是方便拆装及维护，便于批量生产。隔离开关模块I包括第一电压传感器BVl、第二电压传感器BV2、总电流传感器BC、电动隔离开关QS、第一直流避雷器Fl、第二直流避雷器F2、主接触器KMl、预充电接触器KM2和充放电单元；第一电压传感器BVl检测直流母线电压，第二电压传感器BV2检测滤波电容Cl的电压；电动隔离开关QS用于隔离大功率制动能量消耗装置和直流母线，在不带电状况下进行分断闭合操作；第一直流避雷器F1、第二直流避雷器F2分别连接正、负母线与地，用于吸收雷电冲击电压；主接触器KMl用于大功率制动能量消耗装置的接通和分断；预充电接触器KM2设置在由充电电阻Rl和滤波电容Cl组成的预充电回路中，用于接通、分断预充 电回路；充放电单元为斩波器模块2中的滤波电容Cl进行充放电。电抗器模块3主要由滤波电抗器L组成。隔离开关模块I、斩波器模块2和电抗器模块3三者一起实现大功率制动能量消耗装置的自动转换及检测、电网电压滤波、斩波控制等功能。制动电阻模块4包括一个以上的制动电阻单元,每个制动电阻单元包括2条吸收电阻支路，一路吸收电阻支路对应一路斩波支路。在本发明的具体实施方式
中，制动电阻模块4包括12个吸收电阻支路。制动电阻单元进一步包括双极联动刀开关和两条支路的吸收电阻，每条支路的吸收电阻包括第一吸收电阻RY和第二吸收电阻RX。第一吸收电阻RY与第二吸收电阻RX串联，双极联动刀开关跨接在第一吸收电阻RY上。本发明制动电阻单元包括双极联动刀开关QCl QC6、第一吸收电阻RY1、RY2 RY11、RY12与第二吸收电阻RX1、RX2 RX11、RX12。通过在制动电阻模块4中增加双极联动刀开关QCl QC6，通过检测网压来判断投入吸收电阻，通过双极联动刀开关QCl QC6来实现大功率制动能量消耗装置的双制式转换功能，并将制动能量消耗在吸收电阻上。该控制方式投掷方式单一，或统一闭合或统一断开，控制简单。本发明装置在投入运行中，同时开通所有制动电阻单元支路，根据吸收功率的大小，导通比从低到高设置，保证了所有制动电阻单元支路的均衡投入。大功率制动能量消耗装置进行DC1500V和DC750V双制式直流电源输入检测，斩波器模块2进一步包括六个能量消耗斩波单元，制动电阻模块4进一步包括六个制动电阻单元。制动电阻模块4中的一个制动电阻单元，即对应2条吸收电阻支路。本发明大功率制动能量消耗装置根据每条吸收电阻支路的电阻值与最大吸收功率，以及整个装置需要吸收的功率计算，来计算具体的吸收电阻支路数量。每一条吸收电阻支路由一个斩波支路控制，构成N相不重恒压吸收控制系统。吸收电阻支路的数量即为相，所谓不重是指N条支路不同时导通，装置的导通角及投入的相数由线网电压的大小决定。斩波支路中IGBT斩波器的导通角根据网压的大小自动调节。斩波支路的斩波频率采用150Hz，各相滞后角为T/N0本发明大功率制动能量消耗装置投入工作主要取决于在线车辆正在进行再生电制动且能量没有被其他车辆吸收。当线路上没有车辆进行再生电制动时，再生制动能量消耗装置不投入工作。所以该种装置是处于间隙工作的环境，当在线车辆进行再生电制动，且能量没有被其他车辆吸收时，大功率制动能量消耗装置投入运行。大功率制动能量消耗装置的工作周期为车辆的一个运行周期，投入工作的时间为车辆一个再生电制动制停或抑速的时间。本发明大功率制动能量消耗装置采用交直流相对电压判断和电流辅助判断技术，保证装置的可靠投入和撤出。直流母线电压变化由第一电压传感器BVl进行检测，交流电压信号由交流侧电压互感器进行检测。根据隔离开关模块I的第一电压传感器BV1、第二电压传感器BV2、总电流传感器BC，以及斩波器模块2的电流传感器的检测信号对车辆的运行状态进行判断；当车辆处于再生制动状态，检测到的直流网压大于起斩网压判定值时，装置斩波运行；当直流网压比起斩网压判定值低时，退出斩波运行；当电网无其它吸收时，装置立即投入工作，稳定网压不再上升，确保车辆充分有效地利用电制动。从大功率制动能量消耗装置的要求和工况来看，大功率制动能量消耗装置的最终目的是在再生制动发生时稳定网压，为了维持接触网电压值不变，通过改变导通比来改变吸收功率。由装置启动电压作为给定电压，以实际电压作为反馈，两者的偏差作为调节器的输入信号。当偏差为正时，封锁PWM输出，关闭装置。当偏差为负时，通过PKProportional Integral，比例积分)调节器实时运算，自动调节PWM脉冲的导通比，即装置导通角，改变装置的吸收总电阻，调节吸收制动功率，稳定网压。装置的控制采用定额调宽方式，按照斩波支路数设置各相滞后角，导通比控制在5% 95%，斩波总频率为单相频率乘以斩波相数。一种大功率制动能量消耗装置控制方法的具体实施方式
，包括以下步骤
检测直流母线电压和交流侧电压互感器的电压，根据隔离开关模块I的第一电压传感器BV1、第二电压传感器BV2、总电流传感器BC，以及斩波器模块2的电流传感器检测信号判断是否有车辆处于再生制动状态；一旦确认车辆处于再生制动状态并需要吸收能量时，装置立刻投入使用；根据设置参数要求或测定参数要求，进行电流跟踪和恒压控制运算，当车辆制动能量回馈电流较小时，通过调节装置斩波导通比，使装置处于低导通状态；随着车辆制动能量回馈电流的增大，快速调节装置斩波导通比，以维持电网电压的相对恒定，确保车辆充分制动，直至直流网压低于设定的吸收电压值，关闭装置，等待下次车辆的再生制动。整个制动过程，可以根据直流网压的变化及再生功率的大小，实现实时控制。当大功率制动能量消耗装置的二次控制电路未上电时，高速断路器QF、电动隔离开关QS，以及主接触器KMl处于断开状态，大功率制动能量消耗装置的斩波模块2处于脉冲封锁状态；当需要启动装置运行时，合上装置控制电源，发出装置启动命令，如果高速断路器QF处于断开状态，则闭合电动隔离开关QS ；闭合高速断路器QF，并发出高速断路器QF闭合信号至隔离开关模块I ;隔离开关模块I在接到信号后，首先确认直流网压是否正常及电网电压制式；当检测到电网电压制式为DC1500V时，控制双极联动刀开关QCl QC6处于断开状态，第一吸收电阻RY和第二吸收电阻RX串联使用；当检测到电网电压制式为DC750V时，控制双极联动刀开关QCl QC6处于闭合状态，第一吸收电阻RY被短接，第二吸收电阻RX单独使用；当确认直流网压正常后，装置进行正常启动，闭合预充电接触器KM2，通过充电电阻Rl为滤波电容Cl充电，当滤波电容Cl的电压充至电网电压的80%时，闭合主接触器KMl，并同时断开预充电接触器KM2，装置进入待机状态。由装置启动电压作为给定电压，以实际电压作为反馈，两者的偏差作为PI控制的输入信号；当偏差为正时，封锁PWM (Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)输出，关闭装置；当偏差为负时，通过PI控制实时运算，自动调节PWM脉冲的导通比，即装置的导通角，从而改变装置总的吸收电阻，调节吸收制动功率，稳定网压。本发明在节省隔离开关、转换开关的前提下，在一套装置中，只需通过控制制动电阻模块的双极联动刀开关就可以实现制动能量消耗装置的双制式切换，控制简单，便于操作；提出了大功率制动能量消耗装置的斩波支路的支路数可以达到12个，完全可以满足目前市场大功率能量消耗的需求；同时，在保证装置可靠运行的前提下，将两条斩波支路中的IGBT模块VT1、VT2，续流二极管VD1、VD2，IGBT驱动器、滤波电容Cl及电源模块集成在一起，可以实现装置的简化及模块化设计。以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人 员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
权利要求
1.一种大功率制动能量消耗装置，其特征在于，包括隔离开关模块(I)、斩波器模块(2)、电抗器模块(3)和制动电阻模块(4);所述隔离开关模块(I)与电抗器模块(3)相连，所述斩波器模块(2)与电抗器模块(3)相连，所述制动电阻模块(4)与斩波器模块(2)相连；隔离开关模块(I)检测直流母线电压，制动电阻模块(4)包括双极联动刀开关和吸收电阻，根据直流母线电压通过双极联动刀开关实现大功率制动能量消耗装置的双制式转换，制动电阻模块(4)实现制动能量的吸收和排出；电抗器模块(3)包括滤波电抗器，用于对电网电压进行滤波；斩波器模块(2)对制动能量进行斩波控制。
2.根据权利要求I所述的一种大功率制动能量消耗装置，其特征在于所述斩波器模块(2)包括一个以上的能量消耗斩波模块，所述能量消耗斩波模块进一步包括两条斩波支路，每条斩波支路均包括IGBT模块、续流管、滤波电容(Cl)和IGBT驱动器；IGBT模块实现斩波支路的开通和关断，续流管与IGBT模块相连，用于IGBT模块关断后的续流；滤波电容(Cl) 一端与IGBT模块相连，另一端与续流管相连，实现电网电压的滤波，每条斩波支路均串联有电流传感器，用于检测斩波支路上的电流。
3.根据权利要求2所述的一种大功率制动能量消耗装置，其特征在于所述隔离开关模块(I)包括第一电压传感器(BV1)、第二电压传感器(BV2)、总电流传感器(BC)、电动隔离开关(QS)、第一直流避雷器(F1)、第二直流避雷器(F2)、主接触器(KM1)、预充电接触器(KM2)和充放电单元；第一电压传感器(BVl)检测直流母线电压；第二电压传感器(BV2)检测滤波电容(Cl)的电压；电动隔离开关(QS)用于隔离大功率制动能量消耗装置和直流母线，在不带电状况下进行分断闭合操作；第一直流避雷器(F1)、第二直流避雷器(F2)分别连接正、负母线与地，用于吸收雷电冲击电压；主接触器(KMl)用于大功率制动能量消耗装置的接通和分断；预充电接触器(KM2)设置在由充电电阻(Rl)和滤波电容(Cl)组成的预充电回路中，用于接通、分断预充电回路；充放电单元为斩波器模块(2)中的滤波电容(Cl)进行充放电。
4.根据权利要求3所述的一种大功率制动能量消耗装置，其特征在于所述制动电阻模块(4)包括一个以上的制动电阻单元，所述制动电阻单元包括双极联动刀开关和2条支路的吸收电阻，所述每条支路的吸收电阻包括第一吸收电阻(RY)和第二吸收电阻(RX)，所述第一吸收电阻(RY)与第二吸收电阻(RX)串联，双极联动刀开关跨接在第一吸收电阻(RY)上。
5.根据权利要求I至4中任一权利要求所述的一种大功率制动能量消耗装置，其特征在于当在线车辆进行再生电制动，且能量没有被其他车辆吸收时，大功率制动能量消耗装置投入运行，大功率制动能量消耗装置投入工作的时间为车辆一个再生电制动制停或抑速的时间。
6.根据权利要求5所述的一种大功率制动能量消耗装置，其特征在于第一电压传感器(BVl)检测直流母线电压变化，根据隔离开关模块(I)的第一电压传感器(BV1)、第二电压传感器(BV2)、总电流传感器(BC)，以及斩波器模块(2)的电流传感器的检测信号对车辆的运行状态进行判断；当车辆处于再生制动状态，检测到的直流网压大于起斩网压判定值时，装置斩波运行；当直流网压比起斩网压判定值低时，退出斩波运行；当电网无其它吸收时，装置立即投入工作，稳定网压不再上升，确保车辆充分有效地利用电制动。
7.根据权利要求I至4、6中任一权利要求所述的一种大功率制动能量消耗装置，其特征在于大功率制动能量消耗装置进行DC1500V和DC750V双制式直流电源输入检测，所述斩波器模块(2)包括六个能量消耗斩波单元，所述制动电阻模块(4)包括六个制动电阻单J Li ο
8.一种大功率制动能量消耗装置控制方法，其特征在于，包括以下步骤 检测直流母线电压和交流侧电压互感器的电压，根据隔离开关模块(I)的第一电压传感器(BV1)、第二电压传感器(BV2)、总电流传感器(BC)，以及斩波器模块(2)的电流传感器检测信号判断是否有车辆处于再生制动状态；一旦确认车辆处于再生制动状态并需要吸收能量时，装置立刻投入使用；根据设置参数要求或测定参数要求，控制系统快速进行电流跟踪和恒压控制运算，当车辆制动能量回馈电流较小时，通过调节装置斩波导通比，使装置处于低导通状态；随着车辆制动能量回馈电流的增大，快速调节装置斩波导通比，以维持电网电压的相对恒定，确保车辆充分制动，直至直流网压低于设定的吸收电压值，关闭装置，等待下次车辆的再生制动。
9.根据权利要求8所述的一种大功率制动能量消耗装置控制方法，其特征在于当装置未上电时，高速断路器(QF)、电动隔离开关(QS)，以及主接触器(KMl)处于断开状态，大功率制动能量消耗装置的斩波模块(2)处于脉冲封锁状态；当需要启动装置运行时，合上装置的控制电源，发出装置启动命令，如果高速断路器(QF)处于断开状态，则闭合电动隔离开关(QS);闭合高速断路器(QF)，并发出高速断路器(QF)闭合信号至隔离开关模块(I)；当检测到电网电压制式为DC1500V时，控制双极联动刀开关处于断开状态，第一吸收电阻(RY)和第二吸收电阻(RX)串联使用；当检测到电网电压制式为DC750V时，控制双极联动刀开关处于闭合状态，第一吸收电阻(RY)被短接，第二吸收电阻(RX)单独使用；当确认直流网压正常后，装置进行正常启动，闭合预充电接触器(KM2)，通过充电电阻(Rl)为滤波电容(Cl)充电，当滤波电容(Cl)的电压充至电网电压的80%时，闭合主接触器(KM1)，并同时断开预充电接触器(KM2)，装置进入待机状态。
10.根据权利要求8或9所述的一种大功率制动能量消耗装置，其特征在于由装置启动电压作为给定电压，以实际电压作为反馈，两者的偏差作为PI控制的输入信号；当偏差为正时，封锁PWM输出，关闭装置；当偏差为负时，通过PI控制实时运算，自动调节PWM脉冲的导通比，即装置的导通角，从而改变装置总的吸收电阻，调节吸收制动功率，稳定网压。
全文摘要
本发明公开了一种大功率制动能量消耗装置及其控制方法，隔离开关模块、斩波器模块、电抗器模块和制动电阻模块。隔离开关模块与电抗器模块相连，斩波器模块与电抗器模块相连，制动电阻模块与斩波器模块相连，隔离开关模块检测直流母线电压，制动电阻模块包括双极联动刀开关和吸收电阻，根据直流母线电压通过双极联动刀开关实现大功率制动能量消耗装置的双制式转换，制动电阻模块实现制动能量的吸收和排出。电抗器模块包括滤波电抗器，用于对电网电压进行滤波。斩波器模块用于对制动能量进行斩波控制。本发明实现了一种大功率制动能量消耗装置的双制式转换，在该双制式下，装置可以吸收目前国内所涉及轨道车辆回馈的较大功率，保证了电网及车辆的可靠运行。
文档编号H02J1/00GK102882440SQ20121041640
公开日2013年1月16日 申请日期2012年10月27日 优先权日2012年10月27日
发明者张玉平, 张敏, 陈洁莲, 周立明, 陶洪亮, 龙凯亮, 卡格德尔·鲁卡, 黄一平, 许汝波, 郭民, 柳浩 , 周成, 黄燕艳, 王海军, 孙茂, 蔡宇峰, 陈元初 申请人:株洲变流技术国家工程研究中心有限公司