一种基于车载混合储能的多源多流制电力机车牵引传动系统拓扑

本发明涉及轨道交通牵引传动电能变换技术领域，特别涉及一种基于车载混合储能的多源多流制电力机车牵引传动系统拓扑。

背景技术：

由于历史、运输需求不同等原因，目前世界上的轨道交通存在多种供电制式，其中主流的牵引供电制式包括交流25kv/50hz和60hz、交流15kv/16.7hz以及直流3kv和直流1.5kv，不同供电制式的轨道运输系统设立之初，彼此独立运行，但是随着跨国、跨区域运输市场的需求不断扩大，同时降低基础设施的建设成本，提高运输效率，能够跨越不同供电制式的多流制电力机车迅速发展。

对于我国而言，城市圈的扩大城际、市郊、城市轨道交通跨线运行、跨国铁道运输以及机车企业出口国外地区，都需要研制多流制电力机车，而且多流制电力机车存在较长无电区。但是，现有的多流制电力机车，不具备车载储能系统使得在换流无电区无法正常运行，需要调车导致运输效率降低并造成环境污染，而且不同供电制式的牵引传动系统分别使用各自的元器件构成，使得多源多流制电力机车的牵引传动系统整体结构的体积和重量偏大，成本偏高。

技术实现要素：

本发明提供一种基于车载混合储能的多源多流制电力机车牵引传动系统拓扑，降低了多源多流制电力机车的牵引传动系统整体结构的体积和重量，克服了传统的多流制牵引传动系统能量传输方式单一、运输效率低的缺点。

为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于车载混合储能的多源多流制电力机车牵引传动系统拓扑，包括：交流受电弓(1)、直流受电弓(2)、交流主断路器(3)、直流主断路器(4)、牵引变压器(5)、直流平波电抗器(6)、网侧整流器(7)、动力电池(8)、超级电容(9)、动力电池的储能变流器(10)、超级电容的储能变流器(11)、直流环节(12)、牵引逆变器(13)、牵引电机系统(15)以及若干开关单元；

所述交流受电弓(1)的第一端与交流牵引供电接触网相连，第二端通过交流主断路器(3)与牵引变压器(5)的高压侧一端相连，牵引变压器(5)的高压侧另一端与轮轨相连；牵引变压器(5)的低压侧经过网侧整流器(7)输出到直流环节(12)；所述网侧整流器采用单相全桥整流器；

所述直流受电弓(2)的第一端与直流牵引供电接触网相连，第二端通过直流主断路器(4)连接到直流平波电抗器(6)的第一端，直流平波电抗器(6)的第二端通过dc/dc斩波器或者直接输出到直流环节(12)；其中，所述直流平波电抗器，通过开关单元复用牵引变压器(5)的低压侧绕组构成；

所述动力电池(8)和超级电容(9)分别通过各自的储能变流器连接到直流环节(12)；

所述直流环节(12)经由牵引逆变器(13)为牵引电机系统(15)供能。

在更优的技术方案中，直流平波电抗器(6)复用牵引变压器(5)的低压侧绕组的结构为：通过开关断开牵引变压器(5)的低压侧绕组与网侧变压器之间的连接，通过开关将牵引变压器(5)的n个低压绕组串联作为直流平波电抗器(6)，n>＝1。

在更优的技术方案中，在由交流牵引供电接触网供电时，所述直流环节(12)还并联有单调谐的二次滤波支路。

在更优的技术方案中，所述dc/dc斩波器通过复用网侧变流器中的单相全桥整流器和二次滤波支路构成；

所述二次滤波支路包括第一电感l1、第二电感l2、第三电感l3、电容cr；用于dc/dc斩波器复用单相全桥整流器和二次滤波支路中的电感的开关单元包括：开关s1、开关s2、开关s3、开关s4、开关s5、开关s6、开关s7和开关s10；开关s4、开关s5、开关s6和开关s7均为双向开关；

开关s1的一端连接到牵引变压器(5)的低压侧绕组的第一端，开关s1的另一端连接到单相全桥整流器的第一桥臂中点；开关s2和开关s3的一端，分别连接于牵引变压器(5)的低压侧绕组的第二端不同抽头上，开关s2和开关s3的另一端连接到单相全桥整流器的第二桥臂中点；

开关s4的固定端与电感l2的第一端连接，第一触点端与单相全桥整流器的第一桥臂中点连接，第二触点端连接到直流环节(12)的输入端；

开关s5的固定端与电感l1的第一端连接，第一触点端与单相全桥整流器的第二桥臂中点连接，第二触点端连接到直流环节(12)的输入端；

开关s6的固定端，一方面通过开关s10与直流平波电抗器(6)的第二端连接，另一方面串联第三电感l3、电容cr后与轮轨连接；开关s6的第一触点端与电感l1和电感l2的第二端连接；开关s6的第二触点端连接到直流环节(12)的输入端；

开关s7的固定端连接到直流环节(12)的输出端，第一触点端与电感l1和电感l2的第二端连接，第二触点端连接到直流环节(12)的输入端；

单相全桥整流器的桥臂第一共接点连接到直流环节(12)的输入端，桥臂第二共接点与轮轨连接。

在更优的技术方案中，若由直流牵引供电接触网供电、且电压低于牵引逆变器的直流侧需求电压时，开关s1、开关s2和开关s3均断开，开关s10闭合，开关s4和开关s5均闭合于第一触点端，开关s6闭合于第一触点端，开关s7闭合于第二触点端；

若由直流牵引供电接触网供电、且电压低于牵引逆变器的直流侧需求电压时，开关s1、开关s2和开关s3均断开，开关s10闭合，开关s4和开关s5均闭合于第一触点端，开关s6闭合于第二触点端，开关s7闭合于第一触点端；

若由交流牵引供电接触网供电时，开关s1闭合，开关s4和开关s5均闭合于第二触点端，开关s7闭合于第二触点端，根据交流牵引供电接触网的电压确定闭合开关s2或者开关s3，根据交流牵引供电接触网的频率确定开关s6闭合于第一触点端或者第二触点端。

在更优的技术方案中，若直流平波电抗器(6)的第二端直接输出到直流环节(12)，则直流平波电抗器(6)的第二端与直流环节(12)之间设置开关s12；所述二次滤波支路包括依次串联的第四电感l4、第五电感l5、电容cr’；第四电感l4的两端并联有开关s13；

若由直流牵引供电接触网供电，则开关s12闭合；若由交流牵引供电接触网供电，则开关s12断开，且开关s13根据交流牵引供电接触网的频率确定开关状态。

在更优的技术方案中，动力电池(8)采用的类型为磷酸铁锂、锰酸锂或者钛酸锂。

在更优的技术方案中，超级电容(10)采用的类型为ac/ni(oh)2混合水系电容器、锂离子电容器或者双电层电容器。

在更优的技术方案中，还包括电力机车的辅助设备(16)，所述辅助设备(16)通过辅助变流器(14)设置于直流环节(12)的输出端。

在更优的技术方案中，动力电池的储能变流器(10)和超级电容的储能变流器(11)，采用隔离或非隔离型的dc/dc变流器结构。

有益效果

本发明提供的基于车载混合储能的多源多流制电力机车牵引传动系统拓扑，第一可以复用交流供电制式拓扑结构中的牵引变压器低压侧绕组作为直流供电制式中的直流平流电抗器，第二可以复用交流供电制式拓扑结构中的网侧整流器和二次滤波支路作为直流供电制式中的dc/dc斩波器，因此，本发明不但可以使直流环节电压在任意供电制式下均稳定可控，而且可以减少多源多流制电力机车牵引传动系统拓扑的设备数量，进而降低体积和重量，节约成本，满足了一套牵引传动系统在多种供电制式下运行的功能。

对于不复用dc/dc斩波器的多源多流制电力机车牵引传动系统，电力机车的损耗更低，而且在无电区运行时，通过车载混合储能系统与直流环节直接相连，从而实现对机车负载的供电，无需增加调车，提高运行效率。并且车载储能系统能够更好的协调多源多流制电力机车供电制式切换过程的暂态电压、电流冲击，使暂态过程的过度更加平滑，恢复更快。

车载储能系统在受电弓模式下(交流牵引网和直流牵引网供电模式下)运行时，在机车的启动、加速、爬坡、制动、停止和过分相、过分制工况下可以提供能量协调功能，能够降低损耗和提高运行效率。在受电弓出现离网故障工况时，车载混合储能系统也能提供应急牵引能量，直到系统恢复正常，使电力机车的安全性能更高，具备故障穿越能力。

附图说明

图1是本发明实施例1的接线方案示意图；

图2是本发明实施例1的详细接线图；

图3是本本发明实施例2的接线方案示意图；

图4是本发明实施例2的详细接线图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明的技术方案为依据开展，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，对本发明的技术方案作进一步解释说明。

实施例1

本实施例提供一种基于车载混合储能的多源多流制电力机车牵引传动系统拓扑，如图1所示，包括：交流受电弓(1)、直流受电弓(2)、交流主断路器(3)、直流主断路器(4)、牵引变压器(5)、直流平波电抗器(6)、网侧整流器(7)、动力电池(8)、超级电容(9)、动力电池的储能变流器(10)、超级电容的储能变流器(11)、直流环节(12)、牵引逆变器(13)、辅助变流器(14)、牵引电机系统(15)、辅助设备(16)以及若干开关单元。

所述交流受电弓(1)的第一端与交流牵引供电接触网相连，第二端通过交流主断路器(3)与牵引变压器(5)的高压侧一端相连，牵引变压器(5)的高压侧另一端与轮轨相连；牵引变压器(5)的低压侧经过网侧整流器(7)输出到直流环节(12)；所述网侧整流器采用单相全桥整流器；

所述直流受电弓(2)的第一端与直流牵引供电接触网相连，第二端通过直流主断路器(4)连接到直流平波电抗器(6)的第一端，直流平波电抗器(6)的第二端通过dc/dc斩波器输出到直流环节(12)；其中，所述直流平波电抗器，通过开关单元复用牵引变压器(5)的低压侧绕组构成；

所述动力电池(8)和超级电容(9)分别通过各自的储能变流器连接到直流环节(12)；

所述直流环节(12)经由牵引逆变器(13)为牵引电机系统(15)供能，经由辅助变流器(14)为电力机车的辅助设备(16)供能。

本实施例中，交流牵引供电接触网的供电制式为交流25kv/50hz或者15kv/16.7hz，直流牵引供电接触网的供电制式为直流3kv和1.5kv和无电接触网。

交流受电弓(1)和直流受电弓(2)，根据交流牵引网和直流牵引网的耐压、耐流、受力等要求和工艺的不同，可采用双弓或者四弓形式，当然也可以采用能够兼容不同供电制式的受电弓。

牵引主变压器(5)为多绕组单相变压器，高压绕组由多个高压绕组线圈并联连接构成，通过变压器铁芯与低压侧绕组形成磁场耦合，牵引主变压器5的低压绕组由多个低压绕组独立运行，每个低压绕组的匝数可以通过其抽头进行调整，从而调整低压侧输出电压的电压等级。

直流平波电抗器(6)可以由牵引主变压器(5)的低压侧绕组构成，所需电感值越高，接入的低压绕组数量越多。具体地，直流平波电抗器(6)复用牵引变压器(5)的低压侧绕组的结构为：通过开关断开牵引变压器(5)的低压侧绕组与网侧变压器(7)之间的连接，通过开关将牵引变压器(5)的n个低压绕组串联作为直流平波电抗器(6)，n>＝1。比如，在受电弓从供电制式为dc1.5kv的直流牵引供电接触网取电时，通过闭合开关s8和断开所有开关s9，选取牵引变压器(5)的第一个低压绕组(图2中网侧变压器的最顶端低压侧绕组)作为直流平波电抗器(6)；在受电弓从供电制式为dc3kv的直流牵引供电接触网取电时，通过断开开关s8和闭合所有开关s9，选取牵引变压器(5)的所有两个低压绕组作为直流平波电抗器(6)。如果采用交流供电网，则开关s8和所有开关s9均断开，保证牵引变压器(5)的正常变压工作。

所述的网侧整流器(7)采用两电平单相整流器，输入端并联输出绕组，输出端并联直流稳压电容；

动力电池(8)可采用磷酸铁锂、锰酸锂和钛酸锂等电池类型。

超级电容(9)包括超级电容器可采用ac/ni(oh)2混合水系电容器、锂离子电容器(lic)、双电层电容器(edlc)等类型。

储能变流器(10)和(11)包括隔离和非隔离型dc/dc变流器结构，其与直流环节电容相连。

牵引逆变器(13)和辅助变流器(14)为三相全桥逆变器，输入端并联直流稳压电容，输出端接交流牵引电机(15)。

网侧整流器(7)、储能变流器(10)和(11)、牵引逆变器(13)和辅助变流器(14)由反并联二极管的全控型器件构成，所有的变流器全控型器件可以为igbt、mosfet或igct，器件材料可以为si、sic或gan。

牵引电机系统(15)系统包括三相异步电机和永磁同步电机。

在更优的实施例中，通过设置开关在直流环节(12)再并联滤波电容和单调谐的二次滤波支路，用于交流牵引网供电时抑制直流侧电压的二次纹波波动。

在更优的实施例中，直流供电制式拓扑结构中的dc/dc斩波器，可以通过复用交流供电制式拓扑结构中的网侧变流器中的单相全桥整流器和二次滤波支路构成。

具体地，二次滤波支路包括第一电感l1、第二电感l2、第三电感l3、电容cr；用于dc/dc斩波器复用单相全桥整流器和二次滤波支路中的电感的开关单元包括：开关s1、开关s2、开关s3、开关s4、开关s5、开关s6、开关s7和开关s10；开关s4、开关s5、开关s6和开关s7均为双向开关。通过开关切换，拥有不同的组合，使得二次滤波支路适应于不同交流牵引网侧频率，或者适应于不同的直流牵引网电压。本实施例这种复用前级斩波器结构的多源多流制电力机车能够维持直流环节电压的稳定。

开关s1的一端连接到牵引变压器(5)的低压侧绕组的第一端，开关s1的另一端连接到单相全桥整流器的第一桥臂中点；开关s2和开关s3的一端，分别连接于牵引变压器(5)的低压侧绕组的第二端不同抽头上，开关s2和开关s3的另一端连接到单相全桥整流器的第二桥臂中点；

开关s4的固定端与电感l2的第一端连接，第一触点端与单相全桥整流器的第一桥臂中点连接，第二触点端连接到直流环节(12)的输入端；

开关s5的固定端与电感l1的第一端连接，第一触点端与单相全桥整流器的第二桥臂中点连接，第二触点端连接到直流环节(12)的输入端；

开关s6的固定端，一方面通过开关s10与直流平波电抗器(6)的第二端连接，另一方面串联第三电感l3、电容cr后与轮轨连接；开关s6的第一触点端与电感l1和电感l2的第二端连接；开关s6的第二触点端连接到直流环节(12)的输入端；

开关s7的固定端连接到直流环节(12)的输出端，第一触点端与电感l1和电感l2的第二端连接，第二触点端连接到直流环节(12)的输入端；

单相全桥整流器的桥臂第一共接点连接到直流环节(12)的输入端，桥臂第二共接点与轮轨连接。

在具体的实例中，交流受电弓(1)与牵引逆变器(5)之间，直流受电弓(2)与直流平波电抗器(6)之间，均设有电压和电流互感器，互感器与电压检测装置相连，通过电压检测装置能够判断机车当前处于哪一种供电制式。

若由直流牵引供电接触网供电、且电压低于牵引逆变器的直流侧需求电压时，在本实施例中即采用dc1.5kv供电制式时，开关s1、开关s2和开关s3均断开，开关s10闭合，开关s4和开关s5均闭合于第一触点端，开关s6闭合于第一触点端，开关s7闭合于第二触点端；

若由直流牵引供电接触网供电、且电压低于牵引逆变器的直流侧需求电压时，在本实施例中即采用dc3kv供电制式时，开关s1、开关s2和开关s3均断开，开关s10闭合，开关s4和开关s5均闭合于第一触点端，开关s6闭合于第二触点端，开关s7闭合于第一触点端；

若由交流牵引供电接触网供电时，开关s1闭合，开关s4和开关s5均闭合于第二触点端，开关s7闭合于第二触点端，根据交流牵引供电接触网的电压确定闭合开关s2或者开关s3，根据交流牵引供电接触网的频率确定开关s6闭合于第一触点端或者第二触点端。在本实施例中，若采用ac15kv供电制式则断开开关s2，闭合开关s3；若采用ac25kv供电制式则闭合开关s2，断开开关s3。

本发明的多源多流制电力机车牵引传动系统，以直流环节(12)作为能量缓冲装置，将系统分为能量输入侧和能量输出侧。

当系统在牵引供电接触网为交流牵引供电制式时，牵引供电接触网的能量输入是通过牵引变压器(5)将工频高压交流电转换为电压等级相对较低的交流电，并送到各级单相全桥整流器(7)，全桥整流器(7)输出侧并联直流环节(12)。能量输入还包括由动力电池和超级电容及其储能变流器系统。能量输出侧包括并联直流环节(12)的牵引逆变器(13)和辅助变流器(14)，二者输出三相交流电驱动牵引电机系统(15)和辅助设备(16)。

当系统在牵引供电接触网为直流牵引供电制式时，牵引供电接触网提供的直流电通过直流平波器(6)和复用斩波器结构将直流电传输给直流环节(12)。直流环节(12)与牵引逆变器(13)的输入侧并联。能量输入还包括由动力电池和超级电容及其储能变流器系统。能量输出侧包括并联直流环节(12)的牵引逆变器(13)和辅助变流器(14)，二者输出三相交流电驱动牵引电机系统(15)和辅助设备(16)；牵引逆变器输出三相交流电驱动交流牵引电机。

当系统的车载混合储能(即动力电池和超级电容的混合储能ess)通过各自储能变流器的控制，在启动、加速、制动、停止时，对受电弓和牵引负载之间的能量进行协调；当电力机车启动、加速、爬坡、制动和停止等牵引负载功率变换较大的工况下，启动超级电容(9)及其储能变流器(11)，在超级电容(9)电量符合电量要求的前提下，参与牵引负载和受电弓之间的能量协调和分配：牵引供电接触网为无电区时，通过车载混合储能系统为牵引负载提供能量；在制动时，制动能量也由牵引辅助负载和混合储能系统吸收；在跨越不同的牵引供电接触网运行时，通过车载混合储能的协调控制，实现能量在受电弓和车载混合储能系统之间的切换。目前直流电压的协调控制方式有主从控制、下垂控制和电压裕值控制等，通过协调控制维持直流电压稳定的同时，并逐渐减少受电弓的能量输入，当受电弓的能量输入减少为零时，断开受电弓主断路器和闭锁网侧整流器的igbt装置。车载混合储能系统为牵引负载提供能量，并且在制动时，制动能量也由牵引辅助负载和混合储能系统吸收。

在实施例中存在以下几种工作模式：

(1)在车辆启动工况：此时通过交流受电弓(1与交流牵引网接触，然后闭合交流主断路器(3，实现牵引主变压器(5的空载启动。然后通过限流电阻，通过网侧整流器(7的反并联二极管对直流环节进行充电，然后启动网侧整流器(7的控制器启动直流电压，此时可启动辅助变流器系统和牵引逆变器系统，牵引逆变器系统驱动牵引电机实现车辆的启动。

(2)在车辆加速工况；此时由网侧整流器(7维持直流环节电压的稳定。根据牵引电机的速度-力矩曲线，对目前加速度工况下牵引电机系统所需能量进行计算，得出的功率根据能量分配算法，由超级电容和动力电池的混合系统提供牵引功率支撑。本实施例中涉及到的能量计算与分配算法均为现有技术，本发明不再详细阐述。

(3)在车辆制动和停止工况；此时仍然由网侧整流器7维持直流环节电压的稳定。根据牵引电机的速度-力矩曲线，对目前制动工况下牵引电机系统的能量回收进行计算，得出的功率根据能量分配算法，由超级电容和动力电池的混合系统对制动能量进行回收；

当牵引供电接触网为直流牵引供电制式时，牵引主变压器7的输出绕组作为直流平波电抗器(6使用，牵引供电接触网提供的直流电可以通过直流平波电抗器6与直流稳压电容并联；也可以通过复用网侧整流器实现直流环节电压稳定、可控，直流环节与牵引逆变器的输入侧并联，牵引逆变器输出三相交流电驱动交流牵引电机；在实施例中存在和交流牵引供电制式下的工作模式类似。但是启动工况取决于是否采用斩波器结构，无斩波器结构时，直流牵引网直接接入直流环节；有斩波器时，首先得启动斩波器实现直流环节电压稳定。然后启动辅助变流器和牵引电机，在车辆加速和制动工况和交流供电制式下运行方式相同。

当牵引供电接触网为无电区运行时，直流环节的电压由车载混合储能系统维持，牵引逆变器(13)和辅助变流器(14)分别通过各自的控制方式输出三相交流电驱动牵引电机(15)和辅助设备(16)；在实施例中的各个运行工况下，尤其是车辆加速和制动工况的能量提供和回收都是通过储能变流器系统对车载混合储能系统的能量分配和控制实现。

当多源多流制电力机车在不同牵引供电接触网跨越运行时，直流环节的电压控制需要由受电弓控制模式平滑的过度到车载混合储能系统控制模式。同样的牵引逆变器(13)和辅助变流器(14)分别根据各自的工况需求和控制方式，输出三相交流电驱动牵引电机(15)和辅助设备(16)。

本发明提供一种基于车载混合储能的多源多流制牵引传动系统拓扑，为电力机车的跨供电制式运行提供技术方案，并有效克服传统的多流制牵引传动系统的不足，获得无电区运行能力、以及更高的整体效率以及更灵活的能量控制。

实施例2

本实施例提供的基于车载混合储能的多源多流制电力机车牵引传动系统拓扑，如图3、图4所示，与实施例1的区别在于，直流平波电抗器(6)的第二端，无需通过开关s4、s5、s6、s7以复用网侧变压器作为dc/dc斩波器后再输出至直流环节，而是通过闭合开关s12直接输出到直流环节(12)。

在本实施例2中，二次滤波支路包括依次串联的第四电感l4、第五电感l5、电容cr’；第四电感l4的两端并联有开关s13。若由直流牵引供电接触网供电，则开关s12闭合；若由交流牵引供电接触网供电，则开关s12断开，且开关s13根据交流牵引供电接触网的频率确定开关状态。在本实施例中，若交流牵引供电接触网的供电制式为ac25kv/50hz，开关s13闭合；若交流牵引供电接触网的供电制式为ac15kv/16.7hz，开关s13断开。本实施例这种直流供电制式下无斩波器结构的多源多流制电力机车损耗更低。而且在无电区运行时，通过车载混合储能系统与直流环节直接相连，从而实现对机车负载的供电，无需增加调车，提高运行效率。

其他拓扑结构及工作原理，与实施例1相同，此处不再重复阐述。

以上实施例为本申请的优选实施例，本领域的普通技术人员还可以在此基础上进行各种变换或改进，在不脱离本申请总的构思的前提下，这些变换或改进都应当属于本申请要求保护的范围之内。