适用于电气化铁路的车载智能供电动力包系统技术方案

本申请公开了一种适用于电气化铁路的车载智能供电动力包系统，所述系统包括变流器、牵引逆变器、辅助逆变器和供电动力包；所述变流器通过高压直流母线分别连接牵引逆变器和辅助逆变器，并为其提供直流电源；所述供电动力包与高压直流母线相连，变流器通过高压直流母线给供电动力包提供直流电源，供电动力包通过高压直流母线给牵引逆变器和辅助逆变器提供直流电源。本发明专利技术的有益效果是：在不对原有牵引供电系统大规模改造的同时，实现机车不失电、安全稳定的过分相，还可辅助实现对二次脉动功率的补偿；智能供电动力包可以在牵引网出现故障时，为机车提供应急电力，提升了机车系统的安全性和可靠性；其变换器体积小、重量轻、成本低。成本低。成本低。

【技术实现步骤摘要】
适用于电气化铁路的车载智能供电动力包系统


[0001]本申请涉及电气化铁路供电领域，尤其涉及一种适用于电气化铁路的车载智能供电动力包系统。

技术介绍

[0002]随着电气化铁路的不断发展和长期实践，手动断电过分相已逐渐被淘汰，现在主要有地面自动过分相、车载自动过分相及柱上开关自动切换过分相三种较为成熟的自动过分相方案，目前国内外的高速铁路牵引供电系统普遍采用的过分相方式中，车载自动式需要机车断车载路器频繁的分合闸，且对电分相选址要求较高；地面开关式需要地面传感器对机车的位置精确识别，且地面开关响应时间长、切换过程慢以及寿命有限；柱上开关式需要经常维护，且对机车过分相的速度要求严格，同时难以适应多弓运动的机车。而新型过分相方式中，使用贯通式同相牵引供电装置、接触网连续供电装置需要颠覆现有的牵引供电系统的结构，且造价及维护费用较高；渐进移相式需要复杂的变流器控制电路和机车匹配方式，且可靠性差、实现成本高；柔性自动式在匹配机车运行功率时，需要极大容量的变流设备，大大增加的建设投资成本。因此，常规车载储能方案占地大，成本高，运行损耗大，并不适合电力机车这样对设备体积，效率要求较高的场合。
[0003]随着新能源设备的推广以及大量电力电子器件的应用，尽管其具有快速响应的优点，但是缺乏惯量和阻尼特性，使得电力电子器件会降低整个系统的稳定性。网侧抑制措施多是利用补偿器通过检测电压和电流的实时变化来实现动态补偿。然而上述措施都需要对现有牵引供电系统基础设施进行大规模的投资改建，因此在经济成本和实用性方面，仍然需要进一步研究更优的方案，以最低成本、最具实用性的方案来实现对低频振荡的有效抑制。而现有的机车侧的抑制方法都是对牵引变流器的控制参数及特性进行修改，不同车型难以统一，而且有可能会导致系统更高的功率损耗，或者会改变原有控制器的结构，影响系统正常运行时的动态性能；而且低频振荡会使系统产生负阻尼行为，所以如果采用无源控制，则能量函数矩阵不能在低频范围内保持。因此，需要研究更加高效、易于实现的抑制方案来提升系统的动、稳态性能。
[0004]对于变流器功率二次脉动抑制，现有的硬件方案尽管能够克服体积大，参数漂移等无源硬件方案的缺点，但方案也存在成本增加，电路复杂化等问题。而软件方案需要高带宽的电流环，对于兆瓦级大功率牵引变流器，开关频率不高，难以实现较高带宽的电流环；当直流母线电压脉动剧烈时会产生较大的误差，无法达到比较满意的补偿效果。目前现有的补偿方法能够成功应用在脉动剧烈的直流母线电压工况下的案例并不多，因此是一个值得研究的方向。
[0005]机车在运行过程中，电网向整流器输出的瞬时功率，不仅含有稳态的有功，而且还含有二次脉动分量。此二次脉动功率分量通过直流支撑电容时，会在直流侧产生以二次谐波为主的偶次谐波电压。当三相逆变器在此脉动电压下进行正弦脉宽调制时，会在交流侧产生次谐波电压，即差频电压或者拍频电压。而低频的拍频电压会在异步电机定子侧产生
较大的拍频电流。该拍频电流可能会导致电机转矩脉动，转动噪声过大，机械部件引发谐振以及额外的损耗，降低了系统的稳定性。解决二次功率脉动问题对于铁路系统的安全稳定运行具有重要意义。
[0006]电气化铁路的关键组成部分——电力机车和牵引供电系统，构成了相互联系、相互影响的复杂系统。牵引供电系统和电力机车形成的车
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网耦合系统，其稳定性直接影响着电气化铁路的正常运行，而不稳定现象中的谐波振荡是最常见。随着重载铁路和高速铁路的发展，谐波振荡现象已经成为电气化铁路不容忽视的电能质量问题，有必要对这种现象进行改善，从而保障电气化铁路的正常安全的运行。
[0007]综上所述，未来电气化铁路会朝着高速和重载的方向发展，为了解决电分相和电能质量问题，需从两方面来考虑：一方面，在不对现有的供电牵引系统进行大规模改造的同时，实现过分相不间断供电；另一方面，为实现“碳中和”愿景，需优化电气化铁路用能结构，提升能源综合使用效能，实现电气化铁路的节能高效、低碳绿色与安全可靠供电。因此有必要研究高效率、高灵活性、高安全性、低损耗、低成本、低碳环保的机车过分相不失电，以及增强车
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网耦合系统的方案。

技术实现思路

[0008]本申请正是为了适应电气化铁路的高速化、重载化发展，满足牵引供电系统更高的可靠性与稳定性要求，针对机车过分相不失电、单相变换器二次功率脉动补偿以及提升车
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网耦合系统稳定性问题，而设计的一种适用于电气化铁路的车载智能供电动力包系统。
[0009]本申请解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0010]一种适用于电气化铁路的车载智能供电动力包系统，所述系统包括变流器、牵引逆变器、辅助逆变器和供电动力包；
[0011]所述变流器通过高压直流母线分别连接牵引逆变器和辅助逆变器，并为牵引逆变器和辅助逆变器提供直流电源；
[0012]所述供电动力包与高压直流母线相连，变流器通过高压直流母线给供电动力包提供直流电源，供电动力包通过高压直流母线给牵引逆变器和辅助逆变器提供直流电源。
[0013]所述适用于电气化铁路的车载智能供电动力包系统，所述供电动力包包括电池包和隔离型DC/DC变换器；
[0014]所述电池包正极同时连接隔离型DC/DC变换器的输入正极和输出负极；
[0015]所述电池包负极同时连接隔离型DC/DC变换器的输入负极和高压直流母线的负极供电线；
[0016]所述隔离型DC/DC变换器的输出正极连接高压直流母线的正极供电线。
[0017]所述适用于电气化铁路的车载智能供电动力包系统，所述隔离型DC/DC变换器为双向隔离DC/DC变换器，采用双闭环控制，外环稳定输出电压，内环稳定电感电流；将输出电压实际值与输出电压给定值进行比较，经电压环后作为电感电流的指令，与电感电流实际值进行比较后经电流环产生占空比信号，使用所述占空比信号进行调制。
[0018]所述适用于电气化铁路的车载智能供电动力包系统，所述供电动力包由隔离型DC/DC变换器、H桥变换器和高压锂电池包组成；为满足高压、大功率的使用需求，将多台所述隔离DC/DC变换器输入侧串联，以适应高压电池包的高压，将所述多台隔离DC/DC输出侧
并联后与H桥变换器输入端连接，H桥变换器输出端输出直流。
[0019]所述适用于电气化铁路的车载智能供电动力包系统，所述供电动力包是智能供电动力包，由双向隔离DC/DC变换器、H桥变换器和高压锂电池包组成；采用过分相不间断供电控制策略，实现对二次功率脉动进行补偿。
[0020]所述适用于电气化铁路的车载智能供电动力包系统，所述过分相不间断供电控制策略是自适应下垂控流控制策略，最内环是电感电流环，通过检测双向隔离DC/DC变换器中的H桥变换电路谐振电感上的实时电流I
HL
，负反馈给电流的设定进行PI调节，然后改变占空比，从而实现输出电流接近预期设定电流I
HLref
。
[0021]所述适用于电气本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种适用于电气化铁路的车载智能供电动力包系统，其特征在于：所述系统包括变流器、牵引逆变器、辅助逆变器和供电动力包；所述变流器通过高压直流母线分别连接牵引逆变器和辅助逆变器，并为牵引逆变器和辅助逆变器提供直流电源；所述供电动力包与高压直流母线相连，变流器通过高压直流母线给供电动力包提供直流电源，供电动力包通过高压直流母线给牵引逆变器和辅助逆变器提供直流电源。2.根据权利要求1所述的适用于电气化铁路的车载智能供电动力包系统，其特征在于：所述供电动力包包括电池包和隔离型DC/DC变换器；所述电池包正极同时连接隔离型DC/DC变换器的输入正极和输出负极；所述电池包负极同时连接隔离型DC/DC变换器的输入负极和高压直流母线的负极供电线；所述隔离型DC/DC变换器的输出正极连接高压直流母线的正极供电线。3.根据权利要求2所述的适用于电气化铁路的车载智能供电动力包系统，其特征在于：所述隔离型DC/DC变换器为双向隔离DC/DC变换器，采用双闭环控制，外环稳定输出电压，内环稳定电感电流；将输出电压实际值与输出电压给定值进行比较，经电压环后作为电感电流的指令，与电感电流实际值进行比较后经电流环产生占空比信号，使用所述占空比信号进行调制。4. 根据权利要求2所述的适用于电气化铁路的车载智能供电动力包系统，其特征在于： 所述供电动力包由隔离型DC/DC变换器、H桥变换器和...

【专利技术属性】
技术研发人员：黎明，刘海波，武钰程，姚春丰，张景亮，逯宏坤，
申请(专利权)人：航天长峰朝阳电源有限公司，
类型：发明
国别省市：