高速动车组动力牵引和再生制动的能量储放电系统技术方案

本发明专利技术涉及高速动车组动力牵引和再生制动的能量储放电系统，该系统由车载能量储放电路、车外充电电路和动车组CRH型既有部分电路组成。由车外充电电路经压力开关K1，输入车载能量储放电路的输入端；由主变流器输出的直流电经压力开关K2输至电动机逆变器后，给牵引电动机供电；由发电机变流器通过压力开关K3，输入能量储放电路的输入端；由车载能量储放电路的输出端输出的直流电，通过压力开关K4，并经变压器输至蓄电池充电机，再经可控二极管给蓄电池充电和车内直流用电供电。本发明专利技术电路结构简单，可避免变压器和充电机给列车的载荷负担；车载能量储放电路容量大，制动电能无需反馈至供电网，直接回馈至能量储放电路，可避免制动电阻的能量耗损。

Energy storage and discharge system of power traction and regenerative braking in high speed EMU

The invention relates to an energy storage and discharge system for high speed EMU power traction and regenerative braking, which is composed of an on-board energy storage circuit, an external charging circuit and an CRH part of the EMUs. From the outside of the car charging circuit by K1 pressure switch, the input circuit of the on-board energy storage; the DC converter output by the pressure switch K2 input to the inverter motor, traction motor power supply; by the generator through the pressure switch K3 converter, the input energy storage circuit; the output end of the DC output electric vehicle energy storage by the circuit, the pressure switch K4, and the transformer output to the battery charger, the controllable diode to charge the battery and DC power supply for car. The invention has simple circuit structure, can avoid load burden of transformer and charger to train, vehicle energy storage circuit has large capacity, and braking power does not need to be fed back to power supply network, and is directly fed back to energy storage circuit, which can avoid energy loss of braking resistor.

【技术实现步骤摘要】
高速动车组动力牵引和再生制动的能量储放电系统
：高速动车组的制动是保证动车安全、可靠、有效的重要设施，在设计和实施中既要保证能量尽量回收、线路结构可靠，又要节省人力、物力和财力的原则，已成为当今高速动车的势在必行。本专利技术提出一种高速动车组动力牵引和再生制动的能量储放电系统，属于电气化动车组的制动和节能领域。
技术介绍
：列车运行速度超过200km/h，其制动所需的能量是普通制动能量的4～9倍，当列车运行速度达到或超过350km/h，许多疑难问题暴露出来，便更加复杂。因此，对高速动车组的制动要求与普通列车不同，高速动车组需要更加快捷、有效、安全的制动系统。列车已有的制动方式，主要有闸瓦踏面制动、盘形制动、涡流盘形制动、轨道电磁制动、线性涡流制动、电阻制动及飞轮储能型再生制动、电容储能型再生制动和逆变回馈型再生电制动。盘形制动是在转向架车轴上安装制动轴盘或在车轮上安装制动轮盘，制动时，摩擦闸片夹紧制动盘实现制动。因盘形制动是两侧夹紧，夹紧面积大，所以制动容量大，磨损量小，散热好，现行的制动盘是带有通风，散热筋由高强度合金锻造而成。逆变回馈型再生电制动，是列车制动时，把牵引电动机转变为制动发电机的电能加以利用。要将电能回馈给电网，必须满足再生电能和电网的频率、相序、相位和电网严格相同。要解决电气化高速列车的制动问题，涉及外部供电、内部供电和车载能量储放电的问题。所述外部供电，由发电厂G发出的3.15～20KV三相交流电的电压经升压变压器升压后输至地区变电所，再降为110KV或220KV三相交流电，与三相A、B、C供电网相连，或者由三相高压公用供电网经降压变压器降至110KV或220KV与三相A、B、C供电网相连。由110KV或220KV三相供电网经牵引变压器降为27.5KV(额定电压为25KV)交流电输给牵引供电网，如图5所示。所述内部供电，单相牵引交流电与受电弓T1或T2接触相连，当T1(T2)升起，T2(T1)必须降下。受电弓与切断开关Kα或Kβ相连，经切断开关Kα或Kβ输至动车组的内部动力供电和辅助供电系统。中国现有的CRH型动车组主要有CRH1、CRH2、CRH3型和CRH5四种类型。它们的排列顺序和受电弓设置的车顶不同。它们的内部线路结构和元器件设置基本相同，而且制动系统都是采用盘形+再生电制动方式，以既有的CRH1型8厢动车组线路为例具有代表性，如图4所示。能量储放电路的核心内容是超级电容器和高能蓄电池，以及双向开关。超级电容器最大的优点是功率密度高，可达300W/kg～5000W/kg，相当于普通蓄电池的数十倍，可提供大电流放电功率，超强功率转换效率高，大电流能量循环效率≥90％，充电电流高达1500A～3000A，充满单块超级电容器只需几秒钟，上百块串联在一起充电，只需几十秒钟到6分钟便可充满95％以上。此外，尚有循环使用寿命长，深度充放电循环使用次数可达50万次。温度特性好，使用环境温度范围宽达-40℃～+70℃。使用、储存以及拆解过程均无污染，可在无负载电阻情况下直接充电。超级电容器的比能量虽然远远大于电解电容，但是相对于蓄电池，超级电容器的比能量还是偏低。现有的超级电容器电压超过标称电压时，将会导致电解液分解，寿命缩短。近年来，日本研发的一种新型超级电容器，其标称电压可达100V以上。高能蓄电池的优点是能量密度高，理论比能量可达400W.h/kg，充放电寿命高达1000－5000次。已经研用的锂离子蓄电池，其充电电压可达到4V以上，平均是3.6～3.8V，是镍镉、镍氢蓄电池的3倍左右。而且体积小，重量轻，锂离子蓄电池的体积比能量是300～400Wh/L，重量比能量是120～160Wh/kg。同容量锂离子电池的质量只有镉镍电池的1/3左右，循环充放电特性好，充放电寿命可达500～1000次的充放电，自放电小。在10℃以下，电池放置不用时，锂离子蓄电池的自放电率仅为镍镉、镍氢蓄电池的一半不到，且无记忆效应。但锂电池的性价比和容量重量比高，而且不合理使用会导致电池容量快速下降，滥用可能导致电池出现冒烟、着火，甚至爆炸等隐患。近来，推出了以钛酸锂为负极的锂离子电池(即钛酸锂电池)。其综合性能都有大幅的提升，已成为当今最适宜在动车组上使用的动力源之一。大容量锂离子电池，已在几种电动汽车上试用，一次充电可行驶345km，每次充电前不放电，可随时充电，且无有毒物质。正在研发的新型高能蓄电池中，如石墨烯电池，可把数小时的充电时间缩短到不到一分钟，石墨烯聚合材料电池，其储电量是目前最好产品的3倍。氢燃料电池，只产生水和热，对环境无污染，燃料氢来自水的电解产物和其它碳水化合物的分解产物，是目前最有发展前景的新能源方式。氢的化学特性活跃，可被某些金属或合金化合物吸收，形成一种金属氢化合物，而且氢的含量很高，甚至高于液氢的密度，是一种良好的储氢材料。超级电容组和高能蓄电池组，是以单体并联串联组合而成，先并联达到所需的电能容量，再串联达到所需的额定电压值。超级电容组的功率密度高、高能蓄电池组的能量容量大，两者的组合，既能对高能蓄电池组起到能量缓冲作用，又能发挥超级电容组高功率的供电能力，是再生制动储能结构的最好方式。双向开关由晶闸管T1和晶闸管T2组成，T1、T2是全控型器件，全控型的特点是通过对栅极的控制既可使其开通又可使其关断。以绝缘栅极双极型晶体管(IGBT)为代表的复合型器件，是MOSFET和BJT的复合，IGBT为绝缘栅双极晶体管，是MOSFET和GTR(功率晶管)相结合的产物，其击穿电压可达1200V，集电极最大饱和电流已超过1500A。由IGBT作为逆变器件的变频器的容量达250kVA以上，工作频率可达20kHz。本专利技术人的已授权中国专利技术专利201410239724.1中虽然涉及到再生电制动电路。但是，只在CRH1型线路的主变流器和牵引变流器之间增设了二极管，阻断了制动发电机的电流，经主变流器反馈到供电网。在牵引变流器与辅助变流器之间增设了二极管，阻断了辅助变流器向牵引变流器的电流回流。但是，没有对再生电制动电路具体线路连接和元器件的设置作具体说明，这也是本专利技术必须解决的问题。
技术实现思路
：本专利技术根据
技术介绍
提出的问题，设计动车组制动时无需将电制动能量反馈到电网，也无需设置制动电阻的能量损耗为宗旨，并应用已有可靠技术，尽量节省人力、物力和财力为原则，实现本专利技术的宗旨，完成本专利技术的目的。一种高速动车组动力牵引和再生制动的能量储放电系统，包括车外充电电路、动力牵引电路、制动电路和辅助变流电路，电路箱内的压力开关K1～K4设在箱体的外缘上，所述压力开关K1分别与车外充电电路并通过不控二极管与车载能量储放电路即主电路输入端相连；所述压力开关K2分别与主变流器的输出端和牵引逆变器相连，并通过逆变器给牵引电动机供电；所述压力开关K3分别与发电机变流器并通过不控二极管与主电路输入端相连；所述压力开关K4分别与主电路输出端和辅助逆变器相连，所述辅助逆变器输至变压器、蓄电池充电机后分成两路，一路经可控二极管给蓄电池充电，另一路给车内直流供电。所述车外充电电路的充电架固定在站台上，充电机固连在充电架上；由三相交流电输入充电机交流电，经整流后再经跨接在电路正负极间的中间直流滤波电容Cd，将直流电压Ud，经本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高速动车组动力牵引和再生制动的能量储放电系统，包括车外充电电路、动力牵引电路、制动电路和辅助变流电路，其特征在于：电路箱内的压力开关K1～K4设在箱体的外缘上，所述压力开关K1分别与车外充电电路并通过不控二极管与车载能量储放电路即主电路输入端相连；所述压力开关K2分别与主变流器的输出端和牵引逆变器相连，并通过逆变器给牵引电动机供电；所述压力开关K3分别与发电机变流器并通过不控二极管与主电路输入端相连；所述压力开关K4分别与主电路输出端和辅助逆变器相连，所述辅助逆变器输至变压器、蓄电池充电机后分成两路，一路经可控二极管给蓄电池充电，另一路给车内直流供电。

【技术特征摘要】
1.一种高速动车组动力牵引和再生制动的能量储放电系统，包括车外充电电路、动力牵引电路、制动电路和辅助变流电路，其特征在于：电路箱内的压力开关K1～K4设在箱体的外缘上，所述压力开关K1分别与车外充电电路并通过不控二极管与车载能量储放电路即主电路输入端相连；所述压力开关K2分别与主变流器的输出端和牵引逆变器相连，并通过逆变器给牵引电动机供电；所述压力开关K3分别与发电机变流器并通过不控二极管与主电路输入端相连；所述压力开关K4分别与主电路输出端和辅助逆变器相连，所述辅助逆变器输至变压器、蓄电池充电机后分成两路，一路经可控二极管给蓄电池充电，另一路给车内直流供电。2.根据权利要求1所述的高速动车组动力牵引和再生制动的能量储放电系统，其特征在于：所述车外充电电路的充电架固定在站台上，充电机固连在充电架上；由三相交流电输入充电机交流电，经整流后再经跨接在电路正负极间的中间直流滤波电容Cd，将直流电压Ud，经压力开关K1输至主电路的输入端。3.根据权利要求1所述的高速动车组动力牵引和再生制动的能量储放电系统，其特征在于：所述动力牵引电路是由主变流器输出的直流电经压力开关K2直接输至牵引逆变器，给牵引电动机供电。4.根据权利要求1所述的高速动车组动力牵引和再生制动的能量储放电系统，其特征在于：所述制动电路是由制动发电机发出的交流电，经制动变流器、不控二极管、压力开关K3，将直流电回馈至主电路的输入端，由于制动变流器的电压波动起伏大，引起主电路输入端电压急剧上升，会瞬间击穿电路元件，因此在电路输入端跨接了斩波调阻器。当输入端电压高于电容组的上限电压时，接通斩波器VTd，此时吸能电阻Rd，降低了回馈输入电压。5.根据权利要求1所述的高速动车组动力牵引和再生制动的能量储放电系统，其特征在于：所述辅助变流电路是由主电...

【专利技术属性】
技术研发人员：管晓芳，宋玉泉，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22