一种综合直流系统的制作方法

本发明涉及轨道交通车载电气系统领域，尤其涉及一种综合直流系统。

背景技术：

在高速动车组上，“动力分散”架构是主流的技术方案。动力分散是指列车的功率变换装置分布在多个车厢，从而多个车厢都具备牵引动力。

在现有技术中，通常在不同车厢，分布多个牵引变流器和多个辅助变流器，以提供高铁列车，城际动车的牵引动力和辅助供电。牵引变流器的输入为牵引变压器的二次侧绕组的单相交流电。通过整流器转换为直流电，然后通过牵引变流器中的牵引逆变器逆变成三相变频变压交流电，送给牵引电机，实现牵引和电制动。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。列车的功率变换装置是以牵引变流器和辅助变流器为核心的系统构架。

但是，传统的动力分散架构中，列车的不同设备之间相对独立，动力单元之间缺乏功率连接。系统灵活性不足，无法响应更高的智能化需求。既有系统架构下经过改造实现某种特定功能虽原理上可行，但全系统优化提升空间比较有限，特别在灵活性方面捉襟见肘。

技术实现要素：

为提高不同装备之间的耦合关系，提高灵活度，本发明实施例提供了一种综合直流系统，该系统包括：高压直流母线、中压直流母线、高压电源装置、中压电源装置；

所述综合直流系统通过所述高压直流母线和所述中压直流母线将列车交流供电接触网的电能传输到列车的负载；

所述高压电源装置与所述列车交流供电接触网和所述高压直流母线相连接，用于为连接到所述高压直流母线上的列车负载提供直流电；

所述中压电源装置连接到所述高压直流母线和所述中压直流母线，用于为连接到中压直流母线的列车的负载提供直流电。

进一步地，所述高压电源装置包括：工频变压器，整流器；

通过所述工频变压器一次侧连接到列车交流供电接触网，二次侧连接到所述整流器，将所述整流器的输出端连接到所述高压直流母线，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，通过所述中压电源装置为所述高压直流母线供电。

进一步地，所述储能装置包括：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，通过所述中压电源装置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。

进一步地，所述中压电源装置通过电路拓扑结构输出所述直流电。

进一步地，还包括：牵引能量转换装置；

所述牵引能量转换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。

进一步地，牵引能量转换装置包括：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。

本发明实施例提供了一种综合直流系统，通过高压直流母线、中压直流母线、高压电源装置、中压电源装置之间的连接转换关系，提供一种开放的标准化平台：所有电气装备都将按照统一的接入标准进行并网工作，极大地降低不同装备之间的耦合关系，降低装备的技术门槛。最终通过标准化促进高铁装备领域更加细致地专业化分工，提升市场竞争强度和活力，最终显著降低设备成本和维护成本，提升运输企业运营效益。且中压辅助负载省去了传统接入交流系统中的整流环节，简化了系统，提高了效率。该系统是装备层面和器件应用层面的创新平台。近年来各种研究热点，无论是电力电子变压器技术还是新型碳化硅器件的应用，都将得益于该系统的发展。在一个全新系统中充分发挥其技术特点，而不仅是在既有系统中做部件级别的替代，使得未来列车上将具备两套互联网，不仅有用于列车控制的实时以太网，更有以综合直流系统为代表的能源互联网。

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列车综合直流系统的示意图；

图2为本发明实施例提供的高压电源装置示意图；

图3为本发明实施例提供的储能装置示意图；

图4为本发明实施例提供的牵引能量转换装置示意图。

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。

在高速动车组上，通常在不同车厢，分布多个牵引变流器和多个辅助变流器，以提供高铁列车，城际动车的牵引动力和辅助供电。但是，牵引变流器输入的交流电要通过整流器转换为直流电，然后通过牵引变流器中的牵引逆变器逆变成三相变频变压交流电，送给牵引电机，实现牵引和电制动。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。此时，传统的动力分散架构中，列车的不同设备之间相对独立，动力单元之间缺乏功率连接。系统灵活性不足，无法响应更高的智能化需求。

因此，为解决上述问题，本发明实施例提供一种综合直流系统，该系统包括：高压直流母线、中压直流母线、高压电源装置、中压电源装置；

综合直流系统通过高压直流母线和中压直流母线将列车交流供电接触网的电能传输到列车的负载；

高压电源装置与列车交流供电接触网和高压直流母线相连接，用于为连接到高压直流母线上的列车负载提供直流电；

中压电源装置连接到高压直流母线和中压直流母线，用于为连接到中压直流母线的列车的负载提供直流电。

具体为，如图1所示，图1为本发明实施例提供的列车综合直流系统的示意图，图中，在轨道车辆上设置有高压直流母线1、中压直流母线2和低压直流母线3，在这里，高压直流母线1、中压直流母线2和低压直流母线3贯穿整个列车，其中，高压直流母线1、中压直流母线2和低压直流母线3的电压等级递减，高压直流母线1的电压等级750v以上，中压直流母线2的电压等级为600v至700v，低压直流母线3的电压等级为110v。

高压直流母线1主要用于牵引动力，其电能来源于接触网或第三轨供电。当列车采用直流供电时，通过控制直流供电开关装置12，将外部直流供电连接至高压直流母线1，为连接至高压直流母线的列车负载供电，其中，高压直流母线上的列车负载包括但不限于中压电源装置22、牵引能量转换装置23和储能装置24等设备。当列车采用25kv交流供电时，高压电源装置11与列车交流供电接触网和高压直流母线1相连接，作为高压直流母线1的电源装置，实现电压的变换和能量的双向流动，实现电气的隔离，为连接到高压直流母线上的列车负载提供直流电。

中压电源装置连接到高压直流母线和中压直流母线，设置在高压直流母线和中压直流母线之间，在中压电源装置22接入高压直流母线1后，将其降压，为中压直流母线2供电。中压电源装置22作为中压直流母线2的电源装置，为连接到中压直流母线2上的中压辅助负载33提供直流电，实现电压的控制和能量流动的控制，实现电气的隔离，具备并联工作能力，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。其中，中压辅助负载33包括但不限于全列的各种类型的冷却风机、空气压缩机、变频空调设备等。

本发明实施例提供了一种综合直流系统，通过高压直流母线、中压直流母线、高压电源装置、中压电源装置之间的连接转换关系，提供一种开放的标准化平台：所有电气装备都将按照统一的接入标准进行并网工作，极大地降低不同装备之间的耦合关系，降低装备的技术门槛。最终通过标准化促进高铁装备领域更加细致地专业化分工，提升市场竞争强度和活力，最终显著降低设备成本和维护成本，提升运输企业运营效益。且中压辅助负载省去了传统接入交流系统中的整流环节，简化了系统，提高了效率。该系统是装备层面和器件应用层面的创新平台。近年来各种研究热点，无论是电力电子变压器技术还是新型碳化硅器件的应用，都将得益于该系统的发展。在一个全新系统中充分发挥其技术特点，而不仅是在既有系统中做部件级别的替代，使得未来列车上将具备两套互联网，不仅有用于列车控制的实时以太网，更有以综合直流系统为代表的能源互联网。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例：高压电源装置包括：工频变压器，整流器；

通过工频变压器一次侧连接到列车交流供电接触网，二次侧连接到整流器，将整流器的输出端连接到高压直流母线，用于为列车的负载提供直流电。

具体为，如图2所示，图2为本发明实施例提供的高压电源装置示意图，高压电源装置11是连接列车交流供电接触网和高压直流母线1的电源装置，图中，高压电源装置11包括工频变压器111，整流器112，其中，工频变压器111一次侧连接列车交流供电接触网，即25kv交流供电，二次侧连接整流器112，而整流器112输出端连接到高压直流母线1，为连接至高压直流母线1的列车的负载提供直流电。高压电源装置11包括但不限于由工频变压器111和整流器112组成的电能变换装置或电力电子变压器装置。

本发明实施例通过高压电源装置中的工频变压器和整流器，实现电压的变换和能量的双向流动，实现电气的隔离。

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，通过中压电源装置为高压直流母线供电。

具体为，如图1所示，储能装置24用于电能的存储，在高压线路出现故障时，储能装置24连接高压直流母线1，用于为高压直流母线1供电。储能装置24也可连接中压直流母线2，根据中压电源装置22的功率双方向流动性，此时可以为高压直流母线1供电。需要说明的是，在本发明实施例中，中压电源装置22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。且中压电源装置22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，并和中压电源装置相结合，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。

本发明实施例通过提供的储能装置为高压直流母线供电，并和中压电源装置相结合，根据中压电源装置能够实现电压的控制和能量流动的控制特性，使得列车的牵引和辅助供电统一在能源的互联网中，众多变流器和用电负载能源互联网化，构架灵活，提升可用性，减少电能转换环节，提高了系统效率。

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，通过中压电源装置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储能装置示意图。图中，储能装置包括：储能电能变换装置241和储能元件242，储能元件242包括但不限于动力电池、超级电容。储能电能变换装置241可以实现对储能元件242中电能的流动的控制，储能元件242通过储能电能变换装置241连接到直流母线，当储能电能变换装置241连接到高压直流母线1，根据电能转换，为高压直流母线1供电。储能电能变换装置241连接中压直流母线2时，根据中压电源装置22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，并和中压电源装置相结合，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。

具体为，如图1所示，在高压直流母线上设置分断装置，如高压直流开关装置21，在中压直流母线上设置分断装置，如中压直流开关装置31。其中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。例如：在高压直流母线1的一端发生故障时，关闭高压直流开关装置21，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，故在高压直流母线、中压直流母线上设置分断装置。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：中压电源装置通过电路拓扑结构输出直流电。

具体为，中压电源装置可通过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。本发明实施例不对电路拓扑结构作具体限定。

本发明实施例通过使用中压电源装置，便于列车直流供电的接入、便于储能设备接入、便于变频空调接入，避免了不控整流设备对系统产生的谐波污染。信息的互联网和能源的互联网相互融合，成就未来的智能化高铁列车。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例：还包括：牵引能量转换装置；

牵引能量转换装置连接高压直流母线，用于为高压直流母线供电。

具体为，如图1所示，牵引能量转换装置23作为高压直流母线1的负载，实现电能和机械能的转换，为列车提供牵引力或制动力。

本发明实施例通过牵引能量转换装置，将电源输入高压直流母线，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：牵引能量转换装置包括：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。

1、具体为，如图4所示，图4为本发明实施例提供的牵引能量转换装置示意图，牵引能量转换装置23包括：牵引逆变器231和牵引电机232，并作为高压直流母线1的负载，为列车提供牵引力或制动力。其中，牵引电机232通过牵引逆变器231连接到高压直流母线，实现电能和机械能的转换。牵引逆变器231可实现对牵引电机232的牵引力和电制力的控制。需要说明的是，牵引能量转换装置23包括但不限于由牵引逆变器231和牵引电机232组成的牵引装置。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、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1所示，图中，充电机32位于中压直流母线2和低压直流母线3之间，充电机32接入中压直流母线2，将中压直流母线2中的直流电降压后，为低压直流母线3供电。低压直流母线3贯穿整个列车，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。