动车组用动力包及其控制方法与流程

本发明涉及动车组备用供电系统，具体为动车组用动力包及其控制方法。
背景技术：
：动车组极大的方便了人们的生活，当前动车组主要由弓网的25kv供电，但如果失去供电，动车组自身将不能运行。因冬季大雪等自然灾害造成供电故障导致动车组不能运行已多次发生。因此必须提高动车组牵引系统的供电冗余度，降低风险。当前为了提高电力动车组牵引系统的供电冗余性，减去其对供电的依赖，已经有内燃动车组的相关研究。采用内燃动车组，供电方式采用柴油发电机发电，不依赖电网，但这是一种全新设计的动车组。其成本较高，同时运行上也不经济。为了提高电力动车组牵引系统的供电冗余性，也有在电力动车组上增加其它供电方式（如蓄电池供电、柴油发电机供电）的，但为了增加供电方式需对电力动车组进行大幅改变，同时影响或改变正常弓网供电时既有动车组的运行。增加的备用供电设备（如蓄电池、柴油发电机）常设于既有电力动车组上，缺乏灵活性。技术实现要素：本发明解决电力动车组牵引系统的供电冗余性较差的问题，提供一种动车组用动力包及其控制方法。该动力包配置于一节车辆上，该车辆可连接在既有电力动车组上，也可以独立在轨道上运行。当该车辆连接在既有电力动车组上时，当弓网供电异常时，其为动车组供电，并可依靠车辆自身的动力拖动动车组运行。在正常弓网供电时不影响既有电力动车组的运行，且可根据需要选挂配置该动力包，无需大幅改变既有电力动车组，使用灵活、方便。本发明是采用如下技术方案实现的：动车组用动力包，包括一节可以连接在既有电力动车组上的车辆，车辆内配置有柴油发电系统，柴油发电系统输出的交流电经整流器变为直流电，整流器的输出正负极与中间直流母线连接，中间直流母线经开关与既有动车组牵引系统的直流母线连接。弓网正常供电时，柴油发电系统不启动，中间直流母线与动车组牵引系统的直流母线之间的开关断开；弓网供电异常，启动柴油发电系统，并闭合中间直流母线与动车组牵引系统的直流母线之间的开关，由动车组用动力包为动车组的牵引系统供电。当动车组故障时，该动力包配置的车辆可以拖动故障的动车组到适当的区域。进一步地，中间直流母线上还连接有直流储能系统，直流储能系统包括直流储能母线，直流储能母线与中间直流母线之间相互能量传输，直流储能母线上并联有储能单元，储能单元是蓄电池或超级电容器。直流储能系统进一步提高了动车组用动力包的供电冗余性。柴油发电系统故障时，可由直流储能系统短时为动车组紧急供电。直流储能系统还包括双向dc/dc变换器；双向dc/dc变换器用以调节中间直流母线和直流储能母线之间的电压等级，以满足储能单元的充电电压等级和中间直流母线的电压等级。储能单元与直流储能母线连接，双向dc/dc变换器的一端与直流储能母线连接、另一端经开关与中间直流母线连接。当直流储能系统中的储能单元或双向dc/dc变换器发生故障时，断开dc/dc变换器另一端与中间直流母线连接的开关，即可切除该故障的直流储能系统。储能单元配置有一个电压传感器，以采集储能单元的实时电压；储能单元有一个放电上限阈值和一个充电下限阈值，放电上限阈值和充电下限阈值的设定由储能单元的自身放电特性等决定。当储能单元的实时电压大于放电上限阈值时，储能单元处于放电状态，柴油发电系统不工作，储能单元放电，这时供电由储能单元提供；当储能单元的实时电压小于充电下限阈值时，储能单元处于充电状态，柴油发电系统工作，储能单元充电，这时供电由柴油发电系统提供同时也为储能单元充电；当储能单元的实时电压大于等于充电下限阈值、小于等于放电上限阈值时，储能单元处于放电状态，柴油发电系统工作，储能单元也放电，这时供电由柴油发电系统和储能单元共同提供。中间直流母线上还连接有中间母线环节、牵引逆变器和辅助变流器，中间母线环节由支撑电容和斩波单元组成，中间母线环节主要用来稳定中间直流母线电压，斩波单元用来在中间直流母线电压过高时，通过开通斩波单元，将电能消耗在电阻上，从而稳定中间直流母线电压。牵引逆变器为牵引电机供电，牵引电机作为动力源用于驱动车辆，使动车组用动力包具备独立动力，不但为动车组提供供电冗余，还为动车组提供牵引冗余，同时还能使动车组用动力包单独在轨道上运行（不与动车组连接）。辅助变流器为车辆的辅助负载供电。本发明可以提高电力动车组在供电异常时的冗余性能，提高动车组的运行范围，在没有供电线路的情况下依旧可以运行；本发明相比内燃动车组极大的降低了系统的成本，同时提高了整个系统的可靠性；本发明可以灵活组合和搭配，无需大幅改变既有电力动车组，使用十分方便并适用于各种车型。附图说明图1为本发明的动车组用动力包原理及使用状态框图。具体实施方式动力包安装在一台可以在轨道上自由运行的车辆上，其具备车体、司机室、转向架等，可以独立运行。动力包原理如图1所示。动力包由柴油发电系统、整流器、中间直流母线、中间母线环节、牵引逆变器、牵引电机、辅助变流器、辅助负载、储能单元、双向dcdc变换器和部分开关组成。柴油发电系统通过燃烧柴油，输出三相交流电到整流器11中。整流器11将三相交流电转换为直流电，整流器11可以是12脉波整流器也可以是24脉波整流器。整流器的输出通过开关k31连接到中间直流母线udc2上。中间母线环节11由支撑电容和斩波单元组成，中间母线环节主要用来稳定中间直流母线电压，斩波单元用来在母线电压过高时，通过开通斩波单元，将电能消耗在电阻上，从而稳定中间直流母线电压。牵引逆变器11用来将中间直流母线udc2上的电压逆变成三相交流电，驱动牵引电机运行。一台牵引变流器中可以有多台牵引逆变器单元，不同的牵引逆变器输入的直流电都取自于中间直流母线udc2，图1中只画出了一台牵引逆变器。牵引电机组11可以是一台电机也可以是多台电机，其可以是异步牵引电机也可以是永磁同步电机。辅助变流器11连接在直流母线udc2上，为辅助负载11供电，辅助负载11主要是风机水泵等设备。储能单元11与直流储能母线连接，其可以是蓄电池也可以是超级电容器，其输出的为直流电。tv11为电压检测装置，用来检测储能单元两端的电压。双向dc/dc变换器的一端与直流储能母线连接，双向dcdc变换器的另一端通过开关k11连接到中间直流母线udc2上。储能单元11、tv11和双向dc/dc变换器构成了直流储能系统，直流储能系统可以完成能量在双向dc/dc变换器中的双向流动。当储能单元11放电时，通过双向dc/dc变换器将电能传输到中间直流母线udc2上；当储能单元11充电时，通过双向dc/dc变换器将中间直流母线udc2上的电能变换为储能单元11可充电的电压幅值。中间直流母线udc2可以通过开关k21、k22、k23对外输出。动力包上具有多组母线的输出，通过多组开关k21、k22、k23等连接到现有动车组的直流母线上，本发明以一组开关k21为例进行介绍。动车组用动力包工作模式1)动力包独立运行时（即其作为单独的车辆独自运行在轨道上时），动力包并没有和动车组连接，其自身可以满足牵引制动的功能，其工作模式如表1所示。表1运行模式运行模式柴油发电系统储能系统斩波器1动力包静止工作不工作不工作2动力包静止不工作放电不工作3动力包静止工作放电不工作4动力包静止工作充电不工作5动力包牵引运行工作不工作不工作6动力包牵引运行不工作放电不工作7动力包牵引运行工作放电不工作8动力包牵引运行工作充电不工作9动力包制动运行不工作不工作工作10动力包制动运行不工作充电不工作11动力包制动运行不工作充电工作当动力包静止时，虽然动力包牵引不需要供电，但动力包的辅助负载需要供电，动力包的工作模式有4种：模式1、柴油发电系统工作，直流储能系统不工作，这时供电由柴油发电系统提供；模式2、柴油发电系统不工作，直流储能系统放电，这时供电由储能单元供电；模式3、柴油发电系统工作，直流储能系统也放电，这时供电由柴油发电系统和储能单元供电共同进行，此时供电的模式有冗余，当柴油发电系统或直流储能系统突然有故障时，也能够保证供电的持续；模式4、柴油发电系统工作，直流储能系统充电，这时柴油发电系统不仅满足辅助负载同时也为储能单元充电。当动力包静止时，各种控制模式的切换依照以下的控制功能展开：1、动力包操纵人员设定不使用直流储能系统时，这时进入工作模式1，即柴油发电系统工作，直流储能系统不工作，这时供电由柴油发电系统提供，k11断开，k31闭合；2、动力包操纵人员设定使用直流储能系统时，通过判断tv11检测的储能单元的直流电压udc_store，来确定使用哪一种模式，为避免各种控制模式间的频繁切换，这里使用了一种滞环的控制模式。设定两个储能单元直流电压判断阈值udc_store_limit1和udc_store_limit2，且udc_store_limit2>udc_store_limit1。直流电压判断阈值的设定由储能单元的自身放电特性等决定。当储能单元的直流电压udc_store>udc_store_limit2时，这时进入工作模式2，即柴油发电系统不工作，直流储能系统放电，这时供电由储能单元供电，k11闭合，k31断开；当储能单元的直流电压udc_store_limit1≤udc_store≤udc_store_limit2时，这时进入工作模式3，即柴油发电系统工作，直流储能系统也放电，这时供电由柴油发电系统和储能单元共同进行，k11闭合，k31闭合；当储能单元的直流电压udc_store<udc_store_limit1时，这时进入工作模式4，即柴油发电系统工作，直流储能系统充电，这时柴油发电系统不仅满足辅助负载同时也为储能单元充电，k11闭合，k31闭合。当动力包单独牵引运行时，动力包的工作模式有4种：模式1、柴油发电系统工作，直流储能系统不工作，这时供电由柴油发电系统提供；模式2、柴油发电系统不工作，直流储能系统放电，这时供电由储能单元提供；模式3、柴油发电系统工作，直流储能系统也放电，这时供电由柴油发电系统和储能单元共同进行，此时供电的模式有冗余，当柴油发电系统或直流储能系统突然有故障时，也能够保证供电的持续；模式4、柴油发电系统工作，直流储能系统充电，这时柴油发电系统不仅满足辅助负载和牵引运行同时也为储能单元充电。当动力包单独牵引运行时，各种控制模式的切换依照以下的控制功能展开：1、动力包操纵人员设定不使用储能系统时，这时进入工作模式1，即柴油发电系统工作，直流储能系统不工作，这时供电由柴油发电系统提供，k11断开，k31闭合；2、动力包操纵人员设定使用直流储能系统时，通过判断tv11检测的储能单元的直流电压udc_store，来确定使用哪一种模式，为避免各种控制模式间的频繁切换，这里使用了一种滞环的控制模式。设定两个储能单元直流电压判断阈值udc_store_limit1和udc_store_limit2，且udc_store_limit2>udc_store_limit1。直流电压判断阈值的设定由储能单元的自身放电特性等决定。当储能单元的直流电压udc_store>udc_store_limit2时，这时进入工作模式2，即柴油发电系统不工作，直流储能系统放电，这时供电由储能单元供电，k11闭合，k31断开；当储能单元的直流电压udc_store_limit1≤udc_store≤udc_store_limit2时，这时进入工作模式3，即柴油发电系统工作，直流储能系统也放电，这时供电由柴油发电系统和储能单元共同进行，k11闭合，k31闭合；当储能单元的直流电压udc_store<udc_store_limit1时，这时进入工作模式4，即柴油发电系统工作，直流储能系统充电，这时柴油发电系统不仅满足辅助负载和牵引运行同时也为储能单元充电，k11闭合，k31闭合。当动力包制动运行时，动力包的工作模式有3种：模式1、柴油发电系统不工作，直流储能系统不工作，由于中间直流母线udc2的电压因制动会增大，这时斩波单元工作，将电能消耗在电阻上，稳住中间直流母线udc2的电压；模式2、柴油发电系统不工作，直流储能系统充电，这时制动产生的电能由直流储能系统吸收；模式3、柴油发电系统不工作，直流储能系统充电，同时斩波单元工作，将部分电能消耗在电阻上，这适合于制动功率较大的场合，这时制动产生的能量较多，直流储能系统不能完全吸收。当动力包单独制动运行时，各种控制模式的切换依照以下的控制功能展开：1、当储能单元的直流电压udc_store<udc_store_limit1时，直流储能系统充电。这时如果中间直流母线udc2的电压大于阈值udc_store_limit2时，斩波器工作，此时进入模式3；这时如果中间直流母线udc2的电压小于阈值udc_store_limit2时，斩波器不工作，此时进入模式2。2、当储能单元的直流电压udc_store>udc_store_limit1时，直流储能系统不工作，这时进入模式1。2)动力包与动车组联合运行，动力包和动车组连接；当弓网无电时，动车组变流器中的开关k1断开，动力包开关k31、k11和k21闭合，其工作模式如表2所示。表2运行模式运行模式柴油发电系统储能系统斩波器1动力包与动车组静止工作不工作不工作2动力包与动车组静止不工作放电不工作3动力包与动车组静止工作放电不工作4动力包与动车组静止工作充电不工作5动力包与动车组牵引运行工作不工作不工作6动力包与动车组牵引运行不工作放电不工作7动力包与动车组牵引运行工作放电不工作8动力包与动车组牵引运行工作充电不工作9动力包与动车组制动运行不工作不工作工作10动力包与动车组制动运行不工作充电不工作11动力包与动车组制动运行不工作充电工作当动力包与动车组静止时，虽然动力包与动车组牵引不需要供电，但动力包与动车组的辅助负载需要供电，动力包的工作模式有4种：模式1、柴油发电系统工作，直流储能系统不工作，这时供电由柴油发电系统提供，供动力包与动车组的辅助系统运行；模式2、柴油发电系统不工作，直流储能系统放电，这时供电由储能单元供电，供动力包与动车组的辅助系统运行；模式3、柴油发电系统工作，直流储能系统也放电，这时供电由柴油发电系统和储能单元共同进行，供动力包与动车组的辅助系统运行，此时供电的模式有冗余，当柴油发电系统或直流储能系统突然有故障时，也能够保证供电的持续；模式4、柴油发电系统工作，直流储能系统充电，这时柴油发电系统不仅满足动力包与动车组辅助负载同时也为储能单元充电。当动力包与动车组静止时，各种控制模式的切换依照以下的控制功能展开：1、动力包操纵人员设定不使用直流储能系统时，这时进入工作模式1，即柴油发电系统工作，直流储能系统不工作，这时供电由柴油发电系统提供，k11断开，k31闭合；2、动力包操纵人员设定使用直流储能系统时，通过判断tv11检测的储能单元的直流电压udc_store，来确定使用哪一种模式，为避免各种控制模式间的频繁切换，这里使用了一种滞环的控制模式。设定两个储能单元直流电压判断阈值udc_store_limit1和udc_store_limit2，且udc_store_limit2>udc_store_limit1。直流电压判断阈值的设定由储能单元的自身放电特性等决定。当储能单元的直流电压udc_store>udc_store_limit2时，这时进入工作模式2，即柴油发电系统不工作，直流储能系统放电，这时供电由储能单元提供，k11闭合，k31断开；当储能单元的直流电压udc_store_limit1≤udc_store≤udc_store_limit2时，这时进入工作模式3，即柴油发电系统工作，直流储能系统也放电，这时供电由柴油发电系统和储能单元共同进行，k11闭合，k31闭合；当储能单元的直流电压udc_store<udc_store_limit1时，这时进入工作模式4，即柴油发电系统工作，直流储能系统充电，这时柴油发电系统不仅满足辅助负载同时也为储能单元充电，k11闭合，k31闭合。当动力包与动车组牵引运行时，动力包的工作模式有4种：模式1、柴油发电系统工作，直流储能系统不工作，这时供电由柴油发电系统提供，供动力包与动车组的牵引辅助系统运行；模式2、柴油发电系统不工作，直流储能系统放电，这时供电由储能单元提供，供动力包与动车组的牵引辅助系统运行；模式3、柴油发电系统工作，直流储能系统也放电，这时供电由柴油发电系统和储能单元共同进行，此时供电的模式有冗余，当柴油发电系统或直流储能系统突然有故障时，也能够保证供电的持续；模式4、柴油发电系统工作，直流储能系统充电，这时柴油发电系统不仅满足牵引辅助负载和牵引运行同时也为储能单元充电。当动力包与动车组牵引运行时时，各种控制模式的切换依照以下的控制功能展开：1、动力包操纵人员设定不使用直流储能系统时，这时进入工作模式1，即柴油发电系统工作，直流储能系统不工作，这时供电由柴油发电系统提供，k11断开，k31闭合；2、动力包操纵人员设定使用直流储能系统时，通过判断tv11检测的储能单元的直流电压udc_store，来确定使用哪一种模式，为避免各种控制模式间的频繁切换，这里使用了一种滞环的控制模式。设定两个储能单元直流电压判断阈值udc_store_limit1和udc_store_limit2，且udc_store_limit2>udc_store_limit1。直流电压判断阈值的设定由储能单元的自身放电特性等决定。当储能单元的直流电压udc_store>udc_store_limit2时，这时进入工作模式2，即柴油发电系统不工作，直流储能系统放电，这时供电由储能单元供电，k11闭合，k31断开；当储能单元的直流电压udc_store_limit1≤udc_store≤udc_store_limit2时，这时进入工作模式3，即柴油发电系统工作，直流储能系统也放电，这时供电由柴油发电系统和储能单元共同进行，k11闭合，k31闭合；当储能单元的直流电压udc_store<udc_store_limit1时，这时进入工作模式4，即柴油发电系统工作，直流储能系统充电，这时柴油发电系统不仅满足牵引辅助负载和牵引运行同时也为储能单元充电，k11闭合，k31闭合。当动力包与动车组制动运行时，动力包的工作模式有3种：模式1、柴油发电系统不工作，直流储能系统不工作，由于动力包与动车组的中间直流母线的电压因制动会增大，这时动力包与动车组的斩波单元工作，将电能消耗在电阻上，稳住中间直流母线电压；模式2、柴油发电系统不工作，直流储能系统充电，这时动力包与动车组制动产生的电能由动力包的直流储能系统吸收；模式3、柴油发电系统不工作，动力包的直流储能系统充电，同时斩波单元工作，将部分电能消耗在电阻上，这适合于制动功率较大的场合，这时制动产生的能量较多，直流储能系统不能完全吸收。当动力包与动车组制动运行时，各种控制模式的切换依照以下的控制功能展开：1、当储能单元的直流电压udc_store<udc_store_limit1时，直流储能系统充电。这时如果中间直流母线udc2的电压大于阈值udc_store_limit2时，斩波单元工作，此时进入模式3；这时如果中间直流母线udc2的电压小于阈值udc_store_limit2时，斩波单元不工作，此时进入模式2。2、当储能单元的直流电压udc_store>udc_store_limit1时，直流储能系统不工作，这时进入模式1。3)本发明同样也可以应用在动车组有弓网有电的条件下，动车组和动力包连接在一起运行，这时供电系统的冗余较高，可以提前预防供电突然中断的情况。当动车组和动力包静止时，为了节约柴油发电系统中的柴油，减少柴油加注次数，使用弓网上电能对动力包的辅助系统供电或对直流储能系统充电。这时动车组牵引变流器的开关k1闭合，动力包开关k31断开、k11闭合，开关k21闭合。当储能单元的直流电压udc_store<udc_store_limit1时，直流储能系统充电。当动车组和动力包处于牵引或制动状态时，为了避免动力包对既有动车组的影响，开关k21必须断开，这时动力包与动车组电气上没有连接，机械上有连接，各自单独运行。动力包在此时的运行方式与动力包单独运行时的牵引制动方式相同。当电网突然中断时，通过断开动车组牵引变流器的开关k1，闭合动力包开关k21，可以将运行模式切换到上一模式。4）本发明同样也可以应用在动车组故障的条件下，动车组和动力包连接在一起运行，当动车组故障时，动力包配置的车辆可以拖动故障的动车组到适当的区域。当前第1页1 2 3 

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