轨道交通车辆再生制动能量逆变装置

技术领域

本申请涉及轨道交通技术领域，尤其涉及一种轨道交通车辆再生制动能量逆变装置。

背景技术

能馈逆变装置是将轨道交通车辆电气制动时产生的直流电能逆变成交流电能的电力电子装置。逆变输出的交流电与电网交流电同频率、同幅值、同相位，然后由电网输送到用电负载。车辆减速、下坡、进站时需要将车辆的动能转变成机械能或电能消耗掉产生制动力，车辆才能以期望的安全速度下坡，减速，或进站在指定位置停车。

采用机械制动的方式制动运行时，能产生有效的制动力，按期望速度安全运行。但是机械制动的闸瓦摩擦会产生较多粉尘、污染空气。在长陡坡运行时，闸瓦长时间摩擦发热还会发红、甚至起火。在车速低于5km/h时，机械制动最经济有效。

电气制动相对机械制动来说，具有更多优势。电气制动对制动力的控制比较柔和、无级变化，没有粉尘污染空气。但电气制动在低速(5km/h以下)停车时不适用。电气制动又分二种方式：电阻式能量消耗制动和逆变式能量回馈制动。电阻式能量消耗制动就是牵引电机将车辆的动能转换为电能，然后通过电阻产生制动电流(即制动力)，把电能消耗在电阻上，达到制动效果。逆变式能量回馈制动就是牵引电机将车辆的动能转换为电能，然后通过逆变装置产生制动电流(即制动力)，把电能回送到交流电网，达到制动效果。

目前一般通过人工控制逆变装置进行运作，缺乏一种可以自动实现逆变式能量回馈制动的轨道交通车辆再生制动能量逆变装置。

发明内容

本申请提供一种轨道交通车辆再生制动能量逆变装置，用以解决目前缺乏一种可以自动实现逆变式能量回馈制动的轨道交通车辆再生制动能量逆变装置的问题。

本申请提供一种轨道交通车辆再生制动能量逆变装置，包括：

输入单元、逆变单元、滤波单元、并网单元和控制单元；

所述输入单元的输入端与直流电网连接，所述输入单元的输出端与所述逆变单元的输入端连接；

所述逆变单元的输出端与所述滤波单元的输入端连接，所述滤波单元的输出端与所述并网单元的输入端连接，所述并网单元的输出端与交流电网连接；

所述控制单元分别与所述输入单元、所述逆变单元、所述滤波单元以及所述并网单元连接；

所述输入单元用于控制所述轨道交通车辆再生制动能量逆变装置与直流电网的连接，采集直流电网的输入电压值，并将所述输入电压值输出至所述控制单元；

所述逆变单元用于将所述输入电压值逆变成输出交流电压；所述滤波单元用于对逆变成的输出交流电压进行滤波处理；所述并网单元用于控制所述轨道交通车辆再生制动能量逆变装置与交流电网的连接；

所述控制单元用于根据输入电压值控制所述逆变单元进行对应运转。

进一步地，如上所述的轨道交通车辆再生制动能量逆变装置，所述输入单元包括隔离开关和直流电网电压检测模块、直流电流检测模块；

所述隔离开关与所述直流电网连接，用于控制所述轨道交通车辆再生制动能量逆变装置与直流电网的连接；

所述直流电流检测模块一端与所述隔离开关连接；所述直流电流检测模块另一端与所述逆变单元的正极输入端连接；所述直流电流检测模块与所述控制单元通信连接；

所述直流电网电压检测模块一端与所述隔离开关一端连接，所述直流电网电压检测模块另一端与直流电网的负极输入端连接；所述直流电网电压检测模块与所述控制单元通信连接；

所述直流电流检测模块用于检测直流电网的输入电流值；所述直流电网电压检测模块用于检测直流电网的输入电压值。

进一步地，如上所述的轨道交通车辆再生制动能量逆变装置，所述逆变单元为两个；所述滤波单元包括：第一输出电抗器和第二输出电抗器；

两个逆变单元并联连接，且逆变单元的正极输入端与所述直流电流检测模块另一端连接；逆变单元的负极输出端与直流电网的负极输入端连接；

第一输出电抗器的一端与其中一个逆变单元正极输出端连接，第一输出电抗器的另一端与并网单元输入端连接；

第二输出电抗器的一端与另一个逆变单元正极输出端连接，第二输出电抗器的另一端与并网单元输入端连接。

进一步地，如上所述的轨道交通车辆再生制动能量逆变装置，所述并网单元包括并网接触器和交流电网电压检测模块；

并网接触器一端与所述第一输出电抗器的另一端连接，并网接触器一端与所述二输出电抗器的另一端连接，所述并网接触器另一端与交流电网连接；

所述交流电网电压检测模块与所述交流电网连接，用于检测交流电网的电压频率、相位以及幅值；

所述交流电网电压检测模块与所述控制单元通信连接，所述并网接触器与所述控制单元通信连接。

进一步地，如上所述的轨道交通车辆再生制动能量逆变装置，所述控制单元为电子控制单元ECU；

所述电子控制单元ECU具体用于判断输入电压值是否大于预设空载电压值；若输入电压值大于预设空载电压值，则根据输入电压值生成馈送至交流电网的回馈电能功率，并根据所述回馈电能功率控制所述逆变单元进行对应运转。

进一步地，如上所述的轨道交通车辆再生制动能量逆变装置，所述电子控制单元ECU在根据所述回馈电能功率控制所述逆变单元进行对应运转时，具体用于：

判断所述回馈电能功率是否小于所述逆变单元的最大功率；

若确定所述回馈电能功率小于所述逆变单元的最大功率，则控制所述逆变单元工作在稳压状态；

若确定所述回馈电能功率大于或等于所述逆变单元的最大功率，则控制所述逆变单元工作在满功率状态。

进一步地，如上所述的轨道交通车辆再生制动能量逆变装置，所述电子控制单元ECU还用于：

实时判断所述输入电压值是否小于预设截止电压；

若确定所述输入电压值小于预设截止电压，则控制所述逆变单元停止运转。

进一步地，如上所述的轨道交通车辆再生制动能量逆变装置，所述直流电流检测模块还用于将所述输入电流值输出至所述控制单元；

所述交流电网电压检测模块还用于将所述交流电网的电压频率、相位、幅值输出至所述控制单元；

所述控制单元还用于判断所述输入电流值、所述输入电压值、所述交流电网的电压频率、相位、幅值是否都处于对应预设正常数值范围内；

若确定都处于对应预设正常数值范围内，则控制所述输入单元和所述并网单元闭合。

进一步地，如上所述的轨道交通车辆再生制动能量逆变装置，所述控制单元还用于实时判断所述输入电流值是否大于预设安全电流阈值，若确定所述输入电流值大于预设安全电流阈值，则控制所述输入单元和所述并网单元断开，控制所述逆变单元停止运转。

进一步地，如上所述的轨道交通车辆再生制动能量逆变装置，所述逆变单元包括多个绝缘栅双极型晶体管；

各绝缘栅双极型晶体管IGBT的导通时序、导通宽度始终与交流电网的幅值、频率、相位相对应。

本申请提供的一种轨道交通车辆再生制动能量逆变装置，该装置包括：输入单元、逆变单元、滤波单元、并网单元和控制单元；所述输入单元的输入端与直流电网连接，所述输入单元的输出端与所述逆变单元的输入端连接；所述逆变单元的输出端与所述滤波单元的输入端连接，所述滤波单元的输出端与所述并网单元的输入端连接，所述并网单元的输出端与交流电网连接；所述控制单元分别与所述输入单元、所述逆变单元、所述滤波单元以及所述并网单元连接；所述输入单元用于控制所述轨道交通车辆再生制动能量逆变装置与直流电网的连接，采集直流电网的输入电压值，并将所述输入电压值输出至所述控制单元；所述逆变单元用于将所述输入电压值逆变成输出交流电压；所述滤波单元用于对逆变成的输出交流电压进行滤波处理；所述并网单元用于控制所述轨道交通车辆再生制动能量逆变装置与交流电网的连接；所述控制单元用于根据输入电压值控制所述逆变单元进行对应运转。本申请的轨道交通车辆再生制动能量逆变装置，通过输入单元采集直流电网的输入电压值，将所述输入电压值输出至所述控制单元，控制单元根据输入电压值控制所述逆变单元进行对应运转，从而自动实现逆变式能量回馈制动。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。

图1为本申请提供的轨道交通车辆再生制动能量逆变装置的结构示意图；

图2为本申请提供的轨道交通车辆再生制动能量逆变装置的输入电路示意图；

图3为本申请提供的轨道交通车辆再生制动能量逆变装置的逆变单元、输出电路示意图。

通过上述附图，已示出本申请明确的实施例，后文中将有更详细的描述。这些附图和文字描述并不是为了通过任何方式限制本申请构思的范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本申请的概念。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。

下面以具体地实施例对本申请的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例中不再赘述。下面将结合附图，对本申请的实施例进行描述。

如图1所示，本实施例提供的轨道交通车辆再生制动能量逆变装置，包括：

输入单元、逆变单元、滤波单元、并网单元和控制单元；

输入单元的输入端与直流电网连接，输入单元的输出端与逆变单元的输入端连接；

逆变单元的输出端与滤波单元的输入端连接，滤波单元的输出端与并网单元的输入端连接，并网单元的输出端与交流电网连接；

控制单元分别与输入单元、逆变单元、滤波单元以及并网单元连接；

输入单元用于控制轨道交通车辆再生制动能量逆变装置与直流电网的连接，采集直流电网的输入电压值，并将输入电压值输出至控制单元；

逆变单元用于将输入电压值逆变成输出交流电压；滤波单元用于对逆变成的输出交流电压进行滤波处理；并网单元用于控制轨道交通车辆再生制动能量逆变装置与交流电网的连接；

控制单元用于根据输入电压值控制逆变单元进行对应运转。

可选的，本实施例中，直流电网可以为1500V(伏特)，交流电网可以为400V。

可选的，本实施例中，输入单元包括隔离开关和直流电网电压检测模块、直流电流检测模块；

隔离开关与直流电网连接，用于控制轨道交通车辆再生制动能量逆变装置与直流电网的连接；

直流电流检测模块一端与隔离开关连接；直流电流检测模块另一端与逆变单元的正极输入端连接；直流电流检测模块与控制单元通信连接；

直流电网电压检测模块一端与隔离开关一端连接，直流电网电压检测模块另一端与直流电网的负极输入端连接；直流电网电压检测模块与控制单元通信连接；

直流电流检测模块用于检测直流电网的输入电流值；直流电网电压检测模块用于检测直流电网的输入电压值。

可选的，隔离开关可以为直流1500V的隔离开关。

可选的，本实施例中，逆变单元为两个；滤波单元包括：第一输出电抗器和第二输出电抗器；

两个逆变单元并联连接，且逆变单元的正极输入端与直流电流检测模块另一端连接；逆变单元的负极输出端与直流电网的负极输入端连接；

第一输出电抗器的一端与其中一个逆变单元正极输出端连接，第一输出电抗器的另一端与并网单元输入端连接；

第二输出电抗器的一端与另一个逆变单元正极输出端连接，第二输出电抗器的另一端与并网单元输入端连接。

可选的，本实施例中，逆变单元与输入单元之间还可以设置直流电压熔断器，如设置1500V直流电压熔断器，在直流电流过大时，保护电路。

可选的，本实施例中，并网单元包括并网接触器和交流电网电压检测模块；

并网接触器一端与第一输出电抗器的另一端连接，并网接触器一端与二输出电抗器的另一端连接，并网接触器另一端与交流电网连接；

交流电网电压检测模块与交流电网连接，用于检测交流电网的电压频率、相位以及幅值；

交流电网电压检测模块与控制单元通信连接，并网接触器与控制单元通信连接。

可选的，并网接触器与交流电网之间还可以设置交流输出熔断器，进一步保护电路。

可选的，本实施例中，控制单元为电子控制单元ECU(英文全称为：ElectronicControl Unit)；

电子控制单元ECU具体用于判断输入电压值是否大于预设空载电压值；若输入电压值大于预设空载电压值，则根据输入电压值生成馈送至交流电网的回馈电能功率，并根据回馈电能功率控制逆变单元进行对应运转。

预设空载电压值可以设置为1690V，或者根据实际需求进行其他设置。当输入电压值大于预设空载电压值时，代表此时有车辆在电气制动工况运行。

可选的，本实施例中，电子控制单元ECU在根据回馈电能功率控制逆变单元进行对应运转时，具体用于：

判断回馈电能功率是否小于逆变单元的最大功率；

若确定回馈电能功率小于逆变单元的最大功率，则控制逆变单元工作在稳压状态；

若确定回馈电能功率大于或等于逆变单元的最大功率，则控制逆变单元工作在满功率状态。

本实施例中，逆变单元工作在稳压状态时，可以进一步控制逆变单元输出的交流电流大小，将1500V直流电网电压稳定在预设电流值，从而稳定直流电网的电压。预设电流值可以根据实际应用进行设置。逆变单元工作在满功率状态时，为满足车辆的制动力要求，并稳定直流电网，这时ECU发出控制指令给能吸单元，启动能吸，增加车辆制动电流。

可选的，本实施例中，电子控制单元ECU还用于：

实时判断输入电压值是否小于预设截止电压；

若确定输入电压值小于预设截止电压，则控制逆变单元停止运转。

预设截止电压可以根据实际应用进行设置，本实施例对此不作限定。

可选的，本实施例中，直流电流检测模块还用于将输入电流值输出至控制单元；

交流电网电压检测模块还用于将交流电网的电压频率、相位、幅值输出至控制单元；

控制单元还用于判断输入电流值、输入电压值、交流电网的电压频率、相位、幅值是否都处于对应预设正常数值范围内；

若确定都处于对应预设正常数值范围内，则控制输入单元和并网单元闭合。

控制输入单元和并网单元闭合可以使轨道交通车辆再生制动能量逆变装置进入等待状态。

进一步的，控制单元还可以判断输入单元、逆变单元、滤波单元以及并网单元的硬件状态，在硬件状态都正常时，才控制输入单元和并网单元闭合。

可选的，本实施例中，控制单元还用于实时判断输入电流值是否大于预设安全电流阈值，若确定输入电流值大于预设安全电流阈值，则控制输入单元和并网单元断开，控制逆变单元停止运转。

可选的，本实施例中，逆变单元包括多个绝缘栅双极型晶体管；

各绝缘栅双极型晶体管IGBT(英文全称为：Insulated Gate BipolarTransistor)的导通时序、导通宽度始终与交流电网的幅值、频率、相位相对应。

下面将结合附图进一步详细说明，如图2和图3所示轨道交通车辆再生制动能量逆变装置包括输入单元、逆变单元、滤波单元、并网单元和控制单元ECU，其中，输入单元包括：(1)隔离开关QSK，(2)直流电网电压检测模块SV1、SV2，(3)直流电流检测模块SA。逆变单元包括两个，(4)逆变单元NPC1(图中+NB-NPC1)和逆变单元NPC2(图中+NB-NPC2)。并网单元包括(5)并网接触器KM(图中+NB-KM)和(7)交流电网电压检测模块T2(图中+NB-T2)。滤波单元包括：(6)输出电抗器L1(图中+NB-L1)、L2(图中+NB-L2)。(8)控制单元ECU。

(1)隔离开关QSK，用于轨道交通车辆再生制动能量逆变装置退出运行后，将装置与直流电网隔开，确保设备和工作人员安全，不影响直流供电网正常使用。

(2)直流电网电压检测模块SV1、SV2，用于检测直流电网电压值，从而判断运行线路是否有车辆制动。SV1采用电网电压传感器，SV2采用装置电压传感器。XHV指连接高压电源(直流电网提供的电压)。

(3)直流电流检测模块SA，检测轨道交通车辆再生制动能量逆变装置运行时的直流电流大小，判断直流电流值是否在正常范围内，如果有异常就可以停止装置运行。直流电流检测模块SA本实施例中采用电流传感器。

(4)逆变单元NPC1、NPC2，将直流电网电压逆变成交流电压，根据直流电网电压值调节逆变单元回馈到交流电网的功率值。其中，u1、v1、w1以及u2、v2、w2为三相，与交流电网的三相RST对应。

(5)并网接触器KM，逆变单元投入运行时，闭合并网接触器，连通直流电网到交流电网电气通道。本实施例中采用并网合闸真空接触器。

(6)输出电抗器L1、L2，输出滤波、抑制并联功率单元环流。

(7)交流电网电压检测模块T2，检测交流电网电压频率、相位、幅值。本实施例中采用三相交压器，其中Ua、Va、Wa为三相与交流电网三相RST对应。

(8)控制单元ECU，装置的控制中心。

本实施例中，还外接了吸收装置。图2和图3中，直流电网为直流DC(英文全称为：Direct Current)1500V，隔离开关QSK与外接的吸收装置开关柜电抗器L1输入端以及吸收装置开关柜负极输入端连接。同时，本实施例中还设置有图中PV1的电压表，进一步检测直流电网的输入电压，通过串联的分压电阻R1，进行分压保护。还设置有单元熔断器+NB-FU1和+NB-FU2，输出熔断器+NB-FU11、+NB-FU12、+NB-FU13加强电路保护效果。逆变单元NPC1、NPC2如图所示，支持DC1500V/AC1000V。直流电网电压检测模块SV1、SV2以及直流电流检测模块SA在图中都标注了参数规格和连接口。

轨道交通车辆再生制动能量逆变装置的控制方法：

将直流电网电能变送到交流电网的过程定义为馈送电能。

装置启动：

控制单元ECU先接收到下列采集信号，直流电网电压、电流，交流电网电压、电流，IGBT等功率器件状态，并网接触器等电器元件状态。ECU对接收到的数据进行运算处理，所有数据都在有效范围内后，ECU就发出控制指令，闭合输入单元、并网单元电器元件，装置启动完毕，进入等待馈送电能状态，按下列方法控制装置馈送电能。

1、判断是否有车辆在电气制动工况运行

当车辆运行在电气制动工况时，牵引电机处于发电运行状态，牵引电机将车辆的动能转换为电能，再由牵引逆变器将电能输送到直流电网，在装置馈送电能前，直流电网电压会升高。装置中的(2)直流电网电压检测模块SV1、SV2把检测到的直流电压值送给(8)控制单元ECU。ECU将检测的输入电压值与直流电网空载电压比较，检测电压大于空载电压(逆变单元启动电压)时，ECU就认为此时有车辆在电气制动工况运行。

2、逆变单元启动运行

2.1、ECU确认有车辆在电气制动工况运行后，控制单元ECU给逆变单元NPC1、NPC2发出启动信号。

2.2、控制单元ECU根据采集到的直流电网电压值计算出馈送到交流电网的电能功率，然后将计算出的功率进行处理，把处理结果发送给逆变单元NPC1、NPC2。逆变单元NPC1、NPC2开始按ECU给定的回馈功率进行运行。NPC1、NPC2各IGBT的导通时序、导通宽度始终跟随交流电网的幅值、频率、相位。

2.3、对2.2中ECU计算出馈送到交流电网的电能功率处理方法是：当ECU计算出馈送到交流电网的电能功率小于逆变单元最大功率时，逆变单元工作在稳压状态，控制逆变单元的输出交流电流大小，将1500V直流电网电压稳定在期望值。当ECU计算出馈送到交流电网的电能功率大于等于逆变单元最大功率时，逆变单元工作在满功率状态，逆变单元输出最大功率到交流电网。

2.4、装置在2.3的最大输出最大功率运行时，为满足车辆的制动力要求，并稳定直流电网，这时ECU发出控制指令给能吸装置，启动能吸，增加车辆制动电流。

能馈逆变单元停止待机。

2.5、ECU将检测电压1500V直流电网电压小于期望值后，ECU就判断此时电气制动工况结束，按相应流程封锁IGBT功率单元，停止逆变单元工作，本次馈送电能结束。

2.6、逆变单元停止运行后，装置继续监视直流电网电压，等待下次电气制动时直流电网电压升高后，再次馈送电能到交流电网。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本申请实施例的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请实施例的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请实施例的一般性原理并包括本申请实施例未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。

应当理解的是，本申请实施例并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请实施例的范围仅由所附的权利要求书来限制。