一种用于电力机车及电动车组的车载储能装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于电力机车及电动车组的车载储能装置及方法以实现避免电力机车及电动车组在过分相时的牵引力和速度损失的目的，包括：并联于牵引变流器的直流回路上的储能模块，用于接收控制模块的释放能量控制信号，工作于能量释放工作状态，在能量释放工作状态期间，将所释放的能量提供给牵引变流器；以及，接收控制模块的存储能量控制信号，工作于能量存储工作状态，在能量存储工作状态期间，存储所从直流回路上获取的能量；与储能模块连接的控制模块，用于当判断出处于过分相状态时，向储能模块发出释放能量控制信号；以及，当判断出电力机车和/或电动车组处于制动和/或直流回路电压过高时，向储能模块发出存储能量控制信号。
【专利说明】—种用于电力机车及电动车组的车载储能装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电力机车及电动车组领域，特别涉及一种用于电力机车及电动车组的车载储能装置及方法。
【背景技术】
[0002]当前世界能源日趋紧张，节能降耗已成为世界性的研究课题，而能量的回收再利用是节能降耗的有效手段。随着我国电气化铁路高速化、重载化的发展，作为消耗能源重点行业的铁路，在能量的回收再利用方面具有很大潜力。
[0003]目前对电力机车及电动车组制动产生的能量进行回收再利用普遍采用的技术方案分为耗能型和馈能型两种。耗能型方案采用斩波器与制动电阻配合，将制动能量消耗在制动电阻上，能量以热量的形式消耗掉；馈能型方案一般为交直交传动电力机车和电动车组所普遍采用，通过机车牵引变流器将制动能量回馈至牵引供电网。
[0004]其中，制动能量是在电力机车或电动车组行驶过程中减速制动时，牵引电机的转子转速大于牵引电机的同步转速，转子绕组感应电动势与电流方向改变，电磁转矩方向也随之改变并与转子转向相反，列车减速制动，牵引电机工作于发电工况所产生的再生制动电能。
【发明内容】
[0005]但是，现有的能量回收再利用的方案都未解决电力机车及电动车组在过分相时所存在的牵引力和速度损失的问题。过分相是指，电力机车及电动车组行驶通过由于电气化铁路相邻两个牵引供电段电压的相位不同而导致的相邻两个供电段之间的无电区的过程。
[0006]有鉴于此，本发明实施例的主要目的在于提供一种用于电力机车及电动车组的车载储能装置及方法以实现避免电力机车及电动车组在过分相时的牵引力和速度损失的目的。
[0007]为了解决以上技术问题，本发明实施例采取的技术方案是:
[0008]第一方面，本发明实施例提供了一种用于电力机车及电动车组的车载储能装置，所述装置可以包括:
[0009]并联于电力机车和/或电动车组的牵引变流器的直流回路上的储能模块，用于接收控制模块的释放能量控制信号，根据释放能量控制信号工作于能量释放工作状态，在能量释放工作状态期间，将所释放的能量提供给所述牵引变流器；以及，接收控制模块的存储能量控制信号，根据存储能量控制信号工作于能量存储工作状态，在能量存储工作状态期间，存储所从所述直流回路上获取的能量；
[0010]与所述储能模块连接的控制模块，用于当判断出所述电力机车和/或电动车组处于过分相状态时，向所述储能模块发出释放能量控制信号；以及，当判断出所述电力机车和/或电动车组处于制动和/或直流回路电压过高时，向所述储能模块发出存储能量控制信号。[0011]在第一方面的第一种可能的实现方式中，当所述电力机车和/或电动车组中包括两组或两组以上相互独立的牵引变流器的直流回路时，一个所述车载储能装置的储能模块与一组牵引变流器的直流回路并联。
[0012]在第一方面的第二种可能的实现方式中，当所述电力机车和/或电动车组中包括两组或两组以上并联的牵引变流器的直流回路时，一个所述车载储能装置的储能模块与所述两组或两组以上并联的牵引变流器的直流回路并联。
[0013]在第一方面的第三种可能的实现方式中，所述控制模块，还用于在供电电网断电或者电力机车和/或电动车组加速爬坡导致能量消耗超过阈值时，向所述储能模块发出释放能量控制信号。
[0014]在第一方面的第四种可能的实现方式中，所述储能模块，还用于在能量存储工作状态期间，存储通过牵引变流器的四象限整流器从供电电网获取的能量。
[0015]第二方面，本发明实施例提供了一种用于电力机车及电动车组的车载储能方法，所述方法可以包括:
[0016]当控制模块判断出所述电力机车和/或电动车组处于过分相状态时，向储能模块发出释放能量控制信号，其中，所述储能模块并联于电力机车和/或电动车组的牵引变流器的直流回路上，所述储能模块根据所述释放能量控制信号工作于能量释放工作状态，在能量释放工作状态期间，将所释放的能量提供给所述牵引变流器；以及，
[0017]当控制模块判断出所述电力机车和/或电动车组处于制动和/或直流回路电压过高时，向储能模块发出存储能量控制信号，所述储能模块根据所述存储能量控制信号工作于能量存储工作状态，在能量存储工作状态期间，存储从直流回路上获取的能量。
[0018]在第二方面的第一种可能的实现方式中，还可以包括:
[0019]所述控制模块在供电电网断电或者电力机车和/或电动车组加速爬坡导致能量消耗超过阈值时，向所述储能模块发出释放能量控制信号。
[0020]在第二方面的第二种可能的实现方式中，还可以包括:
[0021]所述储能模块在能量存储工作状态期间，存储通过牵引变流器的四象限整流器从供电电网获取的能量。
[0022]可见本发明具有如下有益效果:
[0023]本发明实施例提供的车载储能装置可以在电力机车和/或电动车组制动或直流回路电压升高时，由控制模块控制储能模块存储回收的能量，并在电力机车和/或电动车组过分相时，由控制模块控制储能模块将所存储的能量释放出来提供给牵引变流器，以维持电力机车和/或电动车组短时正常运行，实现了避免电力机车及电动车组在过分相时的牵引力和速度损失的目的。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]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。
[0025]图1是本发明实施例提供的用于电力机车及电动车组的车载储能装置的结构示意图；
[0026]图2是安装了本发明实施例提供的车载储能装置的交直交电力机车及动车组交流传动系统的结构示意图之一；
[0027]图3是安装了本发明实施例提供的车载储能装置的交直交电力机车及动车组交流传动系统的结构示意图之二；
[0028]图4是本发明实施例提供的用于电力机车及电动车组的车载储能方法的流程示意图。
【具体实施方式】
[0029]为使本发明实施例的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和【具体实施方式】对本发明实施例作进一步详细的说明。
[0030]例如，参见图1所示的本发明实施例提供的用于电力机车和/或电动车组的车载储能装置的结构示意图。本发明实施例所述的车载储能装置可以连接于电力机车和/或电动车组的牵引变流器的直流回路上，包括:
[0031]并联于所述电力机车和/或电动车组的牵引变流器的直流回路上的储能模块110，用于接收控制模块120的释放能量控制信号，根据所述释放能量控制信号工作于能量释放工作状态，在能量释放工作状态期间，将所释放的能量提供给所述牵引变流器；以及，接收控制模块120的存储能量控制信号，根据所述存储能量控制信号工作于能量存储工作状态，在能量存储工作状态期间，存储从所述直流回路上获取的能量；
[0032]与所述储能模块110连接的控制模块120，用于当判断出所述电力机车和/或电动车组处于过分相状态时，向所述储能模块110发出释放能量控制信号；以及，当判断出所述电力机车和/或电动车组处于制动和/或直流回路电压过高时，向所述储能模块110发出存储能量控制信号。
[0033]下面对本发明实施例所述的储能模块110的可能的实现方式进行介绍:
[0034]例如，本发明实施例所述的储能模块110可以包括能量变换电路1101与储能元件1102。其中，所述能量变换电路1101，可以用于接收控制模块120的释放能量控制信号，根据释放能量控制信号工作于能量释放工作状态，在能量释放工作状态期间，将所释放的能量转换为所述牵引变流器中的牵引逆变器及辅助逆变器可使用的能量形式，并提供给所述牵引变流器中的牵引逆变器及辅助逆变器使用；以及，用于接收控制模块120的存储能量控制信号，根据存储能量控制信号工作于能量存储工作状态，在能量存储工作状态期间，从直流回路上获取能量，将所获取的能量转换为储能元件1102所需的能量形式存储于储能元件1102中；
[0035]所述储能元件1102，可以用于存储能量，可以是各种电池、超级电容、超导、飞轮、或者多种储能元件的混合，例如可以由其中一种或几种储能元件串并联组成。
[0036]需要说明的是，由于本领域技术人员能够在本发明实施例的启示之下结合公知常识获知控制模块、以及可与牵引变流器进行能量交换的储能模块的各种类型及结构，本文实施例中仅以框图的形式示意出车载储能装置的基本结构，只要该车载储能装置与牵引变流器的连接方式、控制能量存储与释放的时机及目的与本发明实施例相同，都应在本专利申请的保护范围之内。[0037]可见，应用本发明实施例提供的车载储能装置可以在电力机车和/或电动车组制动或直流回路电压升高时，由控制模块120控制储能模块110存储回收的能量，并在电力机车和/或电动车组过分相时，由控制模块120控制储能模块110将所存储的能量释放出来提供给牵引变流器，以维持电力机车和/或电动车组短时正常运行，避免电力机车及电动车组在过分相时的牵引力和速度损失，并且还可以用于维持辅助变流器正常运行，保证空调、照明等必需。
[0038]另外，本发明实施例提供的车载储能装置不仅可以在电力机车和/或电动车组过分相时提供能量，还可以供电电网断电需要紧急救援时、爬坡加速时提供能量。具体地，例如:
[0039]所述控制模块120，还可以用于在供电电网断电或者电力机车和/或电动车组加速爬坡导致能量消耗超过阈值时，向所述储能模块发出释放能量控制信号。
[0040]其中，本发明实施例提供的车载储能装置的储能模块110在能量存储工作状态期间，不仅可以存储从牵引变流器的直流回路上获取的制动能量、由于牵引网电压波动或牵引电机功率波动所引起的直流回路电压过高产生的多余能量，还可以存储通过牵引变流器的四象限整流器从供电电网获取的能量。
[0041 ] 下面，再对本发明实施例的车载储能装置的安装方式进行介绍。
[0042]例如，参见图2，适于安装本发明实施例提供的车载储能装置的交直交电力机车及动车组交流传动系统一般采用多重化结构，包括牵引变压器230、牵引变流器240及交流牵引电机250三部分，另外，辅助逆变器还可以与空调、照明等辅助设备260相连。其中，牵引变流器240又包括四象限整流器2401、直流回路2402、牵引逆变器2403及辅助逆变器2404等。其中，牵引变压器230每个次边绕组连接一重四象限整流器2401，每个牵引逆变器2403连接一个或多个交流牵引电机250。其中，当所述电力机车和/或电动车组中包括两组或两组以上牵引变流器时，多组牵引变流器之间的直流回路可以是相互独立的，也可以相互并联。
[0043]在一种可能的实现方式中，如图2所示，所述电力机车和/或电动车组中包括两组或两组以上相互独立的牵引变流器的直流回路，相应地，一个所述车载储能装置的储能模块210与一组牵引变流器的直流回路并联。也就是每组牵引变流器的直流回路可分别与一个所述车载储能装置的储能模块并联；
[0044]在另一种可能的实现方式中，如图3所示，所述电力机车和/或电动车组中包括两组或两组以上并联的牵引变流器的直流回路，相应地，一个所述车载储能装置的储能模块310与所述两组或两组以上并联的牵引变流器的直流回路并联。在这种结构中，储能模块的储能容量相应需要增大。
[0045]再例如，参见图4所示的本发明实施例提供的用于电力机车及电动车组的车载储能方法的流程示意图。如图所示，该方法实施例可以包括:
[0046]S410、当控制模块判断出电力机车和/或电动车组处于过分相状态时，向储能模块发出释放能量控制信号，其中，所述储能模块并联于电力机车和/或电动车组的牵引变流器的直流回路上；
[0047]S420、所述储能模块根据所述释放能量控制信号工作于能量释放工作状态，在能量释放工作状态期间，将所释放的能量释放出来提供给所述牵引变流器；以及，[0048] S430、当控制模块判断出所述电力机车和/或电动车组处于制动和/或直流回路电压过高时，向储能模块发出存储能量控制信号；
[0049]S440、所述储能模块根据所述存储能量控制信号工作于能量存储工作状态，在能量存储工作状态期间，存储从直流回路上获取的能量。
[0050]其中，判断电力机车和/或电动车组处于制动或过分相状态的具体实现方式例如:可以与电力机车或电动车组的控制系统进行通信，接收制动、或过分相等所需的信号，从而根据所接收的信号判断出电力机车和/或电动车组是否处于制动或过分相状态；例如:可以在电力机车和/或电动车组正常行驶情况下，检测直流回路电压，当判断出电压高于某一阈值时，判断出电力机车和/或电动车组处于制动状态；或者，也可以将根据控制系统的信号判断及根据直流回路的电压判断这两种方式相结合，或者也可以有其他的实现方式，在本发明中并不进行限制。
[0051]另外，本发明实施例不仅可以在电力机车和/或电动车组过分相时提供能量，还可以在需要紧急救援、爬坡加速时提供能量。具体地，例如:
[0052]所述控制模块还可以在供电电网断电或者电力机车和/或电动车组加速爬坡导致能量消耗超过阈值时，向所述储能模块发出释放能量控制信号。
[0053]并且，本发明实施例的储能模块不仅可以存储从直流回路获取的制动能量及由于牵引网电压波动或牵引电机功率波动所引起的直流回路电压过高产生的多余能量，还可以存储通过牵引变流器的四象限整流器从供电电网获取的能量。
[0054]可见，应用本发明实施例提供的方法可以在电力机车和/或电动车组制动或直流回路电压升高时，由控制模块控制储能模块存储回收的能量，并在电力机车和/或电动车组过分相时，由控制模块控制储能模块将所存储的能量释放出来提供给牵引变流器，以维持电力机车和/或电动车组短时正常运行，实现了避免电力机车及电动车组在过分相时的牵引力和速度损失的目的。
[0055]通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法中的全部或部分步骤可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。
[0056]需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
[0057]而且，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0058]以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。
【权利要求】
1.一种用于电力机车及电动车组的车载储能装置，其特征在于，包括: 并联于电力机车和/或电动车组的牵引变流器的直流回路上的储能模块，用于接收控制模块的释放能量控制信号，根据释放能量控制信号工作于能量释放工作状态，在能量释放工作状态期间，将所释放的能量提供给所述牵引变流器；以及，接收控制模块的存储能量控制信号，根据存储能量控制信号工作于能量存储工作状态，在能量存储工作状态期间，存储所从所述直流回路上获取的能量； 与所述储能模块连接的控制模块，用于当判断出所述电力机车和/或电动车组处于过分相状态时，向所述储能模块发出释放能量控制信号；以及，当判断出所述电力机车和/或电动车组处于制动和/或直流回路电压过高时，向所述储能模块发出存储能量控制信号。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，当所述电力机车和/或电动车组中包括两组或两组以上相互独立的牵引变流器的直流回路时，一个所述车载储能装置的储能模块与一组牵引变流器的直流回路并联。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，当所述电力机车和/或电动车组中包括两组或两组以上并联的牵引变流器的直流回路时，一个所述车载储能装置的储能模块与所述两组或两组以上并联的牵引变流器的直流回路并联。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述控制模块，还用于在供电电网断电或者电力机车和/或电动车组加速爬坡导致能量消耗超过阈值时，向所述储能模块发出释放能量控制信号。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述储能模块，还用于在能量存储工作状态期间，存储通过牵引变流器的四象限整流器从供电电网获取的能量。
6.一种用于电力机车及电动车组的车载储能方法，其特征在于，包括: 当控制模块判断出电力机车和/或电动车组处于过分相状态时，向储能模块发出释放能量控制信号，其中，所述储能模块并联于电力机车和/或电动车组的牵引变流器的直流回路上，所述储能模块根据所述释放能量控制信号工作于能量释放工作状态，在能量释放工作状态期间，将所释放的能量提供给所述牵弓I变流器；以及， 当控制模块判断出所述电力机车和/或电动车组处于制动和/或直流回路电压过高时，向储能模块发出存储能量控制信号，所述储能模块根据所述存储能量控制信号工作于能量存储工作状态，在能量存储工作状态期间，存储从直流回路上获取的能量。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括: 所述控制模块在供电电网断电或者电力机车和/或电动车组加速爬坡导致能量消耗超过阈值时，向所述储能模块发出释放能量控制信号。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括: 所述储能模块在能量存储工作状态期间，存储通过牵引变流器的四象限整流器从供电电网获取的能量。
【文档编号】B60L9/00GK103496326SQ201310435092
【公开日】2014年1月8日 申请日期:2013年9月23日 优先权日:2013年9月23日
【发明者】张志学, 罗文广, 尚敬, 倪大成, 章志兵, 陈志博, 孙璐 申请人:南车株洲电力机车研究所有限公司