一种交直流混合辅助供电系统的制作方法

本发明涉及轨道交通车载电气系统领域，尤其涉及一种交直流混合辅助供电系统。

背景技术：

随着火车和铁路技术的多元化发展，轨道交通呈现出越来越多的类型，不仅遍布于长距离的陆地运输，也广泛运用于中短距离的城市公共交通中。其中，牵引-辅助系统是轨道车辆的重要车载设备，牵引系统以牵引变流器为核心装置，为整车提供牵引动力，辅助系统以辅助变流器为核心，为整车空调、空气压缩机、冷却风机等三相负载和部分单相负载提供交流电源。辅助变流器中的辅助逆变器将直流电逆变成三相交流电，经变压器实现变压和隔离，经电感、电容构成的正弦滤波器滤波后，得到工频三相交流电，为列车的所有交流设备供电。辅助系统多采用交流输出并联的方式形成380v交流母线为负载供电，交流负载主要有空调、充电机、冷却风机等设备。且在城轨车辆中，变频空调和充电机等负载多采用不控整流的方式先将380v交流电整流为直流，然后再进行后一级的电能变换。

然而现有技术的整流环节的使用，一方面增加了电能变换环节，降低了系统效率，另一方面将引起谐波污染和电压畸变的问题。且采用单一380v交流母线的架构限制辅助系统性能的提升，在灵活性上也捉襟见肘。

技术实现要素：

为了减少电能变换的环节，降低电能损耗，提高辅助系统性能的灵活性，本发明实施例提供了一种交直流混合辅助供电系统，该系统包括：中压能源路由器、高压直流母线、中压直流母线、中压交流母线；

所述交直流混合辅助供电系统通过中压能源路由器为列车及列车的负载供电；

所述中压能源路由器连接到高压直流母线、中压直流母线、中压交流母线，通过连接到中压交流母线，用于为列车的负载提供交流电，通过连接到中压直流母线，用于为列车的负载提供直流电。

进一步地，中压能源路由器包括：中压交流单元、中压直流单元；

所述中压能源路由器通过所述中压交流单元连接到中压交流母线，用于为列车的负载提供交流电，所述中压能源路由器通过所述中压直流单元连接到中压直流母线，用于为列车的负载提供直流电。

进一步地，还包括：储能装置；

所述储能装置连接所述高压直流母线，用于为所述高压直流母线供电；或

所述储能装置连接所述中压直流母线，通过所述中压能源路由器为所述高压直流母线供电。

进一步，储能装置包括：储能电能变换装置和储能元件；

所述储能元件通过所述储能电能变换装置连接到高压直流母线，用于为所述高压直流母线供电；或

所述储能元件通过所述储能电能变换装置连接所述中压直流母线，通过所述中压能源路由器为所述高压直流母线供电。

进一步地，还包括：

在所述高压直流母线上设置分断装置，用于对所述高压直流母线进行分段；

在所述中压直流母线上设置分断装置，用于对所述中压直流母线进行分段；

在所述中压交流母线上设置分断装置，用于对所述中压交流母线进行分段。

进一步地，中压交流单元、中压直流单元通过电路拓扑结构输出所述交流电和所述直流电。

进一步地，还包括：牵引逆变器和牵引电机；

所述牵引电机通过所述牵引逆变器连接到所述高压直流母线。

进一步地，还包括：充电机；

所述中压直流母线通过所述充电机连接到低压直流母线，所述充电机对所述中压直流母线中的直流电降压，用于为低压直流母线供电。

本发明实施例提供的一种交直流混合辅助供电系统，通过中压能源路由器连接到高压直流母线、中压直流母线、中压交流母线，实现电压的变换和能量的控制，为列车提供交直流混合供电的效果。

为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。

附图说明

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1为本发明实施例提供的中压能源路由器供电示意图；

图2为本发明实施例提供的中压能源路由器结构框图；

图3为本发明实施例提供的交直流混合辅助供电系统的示意图；

图4为本发明实施例提供的储能装置结构框图。

具体实施方式

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做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。

在轨道交通车载运输中，牵引-辅助系统是轨道车辆的重要车载设备，牵引系统以牵引变流器为核心装置，为整车提供牵引动力，辅助系统以辅助变流器为核心，为整车空调、空气压缩机、冷却风机等三相负载和部分单相负载提供交流电源。然而频空调和充电机等负载多采用不控整流的方式先将380v交流电整流为直流，然后再进行后一级的电能变换，这样会增加电能变换环节，降低了系统效率和灵活性。

中压直流辅助供电系统作为直流系统在轨道交通装备领域的应用，具备显著的性能优势，代表了未来发展方向。因此，为解决上述问题，本发明实施例提供一种交直流混合辅助供电系统，交直流混合辅助供电系统包括：中压能源路由器、高压直流母线、中压直流母线、中压交流母线；

交直流混合辅助供电系统通过中压能源路由器为列车及列车的负载供电；

中压能源路由器连接到高压直流母线、中压直流母线、中压交流母线，通过连接到中压交流母线，用于为列车的负载提供交流电，通过连接到中压直流母线，用于为列车的负载提供直流电。

具体为，能源路由器可以实现不同能源载体的输入、输出、转换、存储，实现不同能源形式的互联互补、生产与消费环节的有机贯通，实现不同特征能源流的融合。如图1所示，图1为本发明实施例提供的中压能源路由器供电示意图，在本发明实施例中，提供的交直流混合辅助供电系统以中压能源路由器104为核心，是列车中压直流母线102和中压交流母线103的电源装置，主要用于为中压交流母线103和中压直流母线102提供所需的交流电和直流电。高压直流母线主要用于牵引动力，其电能来源于接触网或第三轨供电。需要说明的是，在轨道车辆上设置有高压直流母线101、中压直流母线102、中压交流母线103，其中，高压直流母线101至中压交流母线103的电压等级递减，高压直流母线101的电压等级750v以上，中压直流母线102的电压等级为600v至700v，中压交流母线103的电压等级为300v至400v。

本发明实施例中，中压能源路由器具备至少3个端口，分别连接高压直流母线101、中压直流母线102和中压交流母线103，实现电压的变换和能量的控制。中压直流母线为列车直流负载供电，中压交流母线为列车交流负载供电。在这里，高压直流母线贯穿整个列车，主要用于各种高压直流负载供电，包括但不限于牵引逆变器，牵引电机等设备。中压直流母线贯穿整个列车，主要用于各种中压直流负载106供电，包括但不限于变频空调等设备。中压交流母线贯穿整个列车，主要为各种中压交流负载107供电，包括但不限于空气压缩机、冷却风机和水泵等设备。

本发明实施例通过中压能源路由器取代了传统的交流辅助供电系统，规避了不控整流负载导致交流电压畸变所引起的一系列问题，包括了降低系统效率、为其它交流负载引入谐波损耗和转矩脉动。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例：中压能源路由器包括：中压交流单元、中压直流单元；

中压能源路由器通过中压交流单元连接到中压交流母线，用于为列车的负载提供交流电，中压能源路由器通过中压直流单元连接到中压直流母线，用于为列车的负载提供直流电。

具体为，图2为本发明实施例提供的中压能源路由器结构框图，如图2所示，中压能源路由器包括：中压直流单元201和中压交流单元202，中压能源路由器通过中压交流单元202连接到中压交流母线，中压交流单元202通过电路拓扑结构和电路规则使得交流电输入给中压交流母线，为连接到中压交流母线的列车的负载提供交流电。中压能源路由器通过中压直流单元201连接到中压直流母线，中压直流单元201通过电路拓扑结构和电路规则使得直流电输入给中压直流母线，为连接到中压直流母线的列车的负载提供直流电。本发明实施例中的中压能源路由器的结构不限于图2所示形式，只要能够为中压直流母线和中压交流母线提供所需电源，均在本发明实施例的保护范围之内。

本发明实施例通过中压直流单元，中压交流单元为列车负载提供电源，采用高频技术的直流辅助变流器通常可以比工频的交流辅助变流器实现显著的轻量化。直流输电能力更强实现输配电环节减重。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例：还包括：储能装置；

储能装置连接高压直流母线，用于为高压直流母线供电；或

储能装置连接中压直流母线，通过中压能源路由器为高压直流母线供电。

具体为，如图3所示，图3为本发明实施例提供的交直流混合辅助供电系统的示意图。储能装置301用于电能的存储，在高压线路出现故障时，储能装置301连接高压直流母线101，用于为高压直流母线101供电。储能装置301也可连接中压直流母线102，根据中压能源路由器104的功率双方向流动性，此时可以为高压直流母线101供电。需要说明的是，在本发明实施例中，中压能源路由器104既可以自动并联均流，也可以根据列车控制需求进行能量调度。且中压能源路由器104是一种隔离型的电能变换器，可根据列车需求，设计具有功率单向流动或双向流动的功能，从而实现列车的牵引。

本发明实施例通过提供的储能装置为高压直流母线供电，并和中压能源路由器相结合，在储能装置连接中压直流母线的情况下也能为高压直流母线供电，快捷地实现了列车牵引，减少电能变换的环节，降低电能损耗和运行成本。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例：储能装置包括：储能电能变换装置和储能元件；

储能元件通过储能电能变换装置连接到高压直流母线，用于为高压直流母线供电；或

储能元件通过储能电能变换装置连接中压直流母线，通过中压能源路由器为高压直流母线供电。

具体为，如图4所示，图4为本发明实施例提供的储能装置结构框图，图中，储能装置包括：储能电能变换装置401和储能元件402，储能元件402包括但不限于动力电池、超级电容。储能电能变换装置401可以实现对储能元件402中电能的流动的控制，储能元件402通过储能电能变换装置401连接到直流母线，当储能电能变换装置401连接到高压直流母线时，根据电能转换，为高压直流母线供电。在能源装置能电能变换装置401连接中压直流母线时，根据中压能源路由器的功率双方向流动性，也可以为高压直流母线供电，从而实现列车牵引。

本发明实施例通过提供的储能电能变换装置和储能元件为高压直流母线供电，并和中压能源路由器相结合，在储能电能变换装置连接中压直流母线的情况下也能为高压直流母线供电，快捷地为列车提供了牵引力。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例：还包括：

在高压直流母线上设置分断装置，用于对高压直流母线进行分段；

在中压直流母线上设置分断装置，用于对中压直流母线进行分段；

在中压交流母线上设置分断装置，用于对中压交流母线进行分段。

具体为，在高压直流母线、中压直流母线、中压交流母线方面，可设置分断装置，可为有灭弧能力分断装置，如接触器、断路器、电力电子开关，也可为灭弧能力的隔离开关或其他分断装置，根据需要将母线分为数段。如图3所示，图3中高压直流母线101、中压直流母线102、中压交流母线103分别设置有高压直流开关装置11、中压直流开关装置21、中压交流开关装置31，用以将母线分段。例如：在高压直流母线101的一端发生故障时，关闭高压直流开关装置11，此时隔离故障端，使得另一端正常运行。需要说明的是，为列车综合直流系统的运行安全性及可靠性，提高直流辅助供电系统的故障应急处理能力，在高压直流母线、中压直流母线、中压交流母线方面设置分断装置，也可根据列车实际运行需要不作此设置。

本发明实施例提供的分断装置，可在故障时进行故障隔离，达到列车安全运行效果。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例：中压交流单元、中压直流单元通过电路拓扑结构输出交流电和直流电。

具体为，中压能源路由器中的中压交流单元和中压直流单元可通过llc谐振软开关、移相全桥拓扑或其他电路拓扑结构输出直流电，同时具备通过三相逆变等电路拓扑输出交流电，如：三相交流。本发明实施例不对电路拓扑结构作具体限定。

本发明实施例通过多种电路拓扑结构为中压直流母线和中压交流母线提供电源，优化了电能质量、使系统轻量化、便捷化。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例：还包括：牵引逆变器和牵引电机；

牵引电机通过牵引逆变器连接到高压直流母线。

具体为，如图3所示，牵引逆变器105a和牵引电机105b作为高压直流母线101的负载，图中牵引电机105b通过牵引逆变器105a连接到高压直流母线101，实现电能和机械能的转换，为列车提供牵引力或制动力。本发明实施例对单台牵引逆变器驱动电机的数量不作限定，牵引电机类型包括但不限于异步电机和同步电机。

本发明实施例通过牵引逆变器对牵引电机的电动进行转换并传输到高压直流母线，为列车提供牵引力及制动力。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例：还包括：充电机；

中压直流母线通过充电机连接到低压直流母线，充电机对中压直流母线中的直流电降压，用于为低压直流母线供电。

具体为，如图3所示，图中，充电机23位于中压直流母线102和低压直流母线104之间，充电机23接入中压直流母线102，将中压直流母线102中的直流电降压后，为低压直流母线104供电。低压直流母线104贯穿整个列车，低压直流母线104的电压等级为110v，为110v负载41和110v蓄电池42供电。

本发明实施例将充电机接入中压直流母线和低压直流母线间，充电机通过对中压直流母线中的直流电降压方式，直接作为低压直流母线的电源，便于接入车载储能设备，也便于未来将低压直流母线的升压为牵引设备供电。

本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。