專利名稱：一種應(yīng)用于城市軌道交通的應(yīng)急牽引系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于城市軌道交通的應(yīng)急牽弓I系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
蓄電池、超級(jí)電容器和飛輪作為三種主要應(yīng)用于城市軌道交通的儲(chǔ)能元件，其中蓄電池的能量密度大，功率密度較小，可存儲(chǔ)的能量較多，放電電流平穩(wěn)。但充電時(shí)間長(zhǎng)，充放電電流較小，對(duì)溫度敏感，循環(huán)次數(shù)少，壽命短；而超級(jí)電容器的功率密度高，能量密度較小，充放電電流大，能量轉(zhuǎn)換效率高，循環(huán)壽命長(zhǎng)，安全系數(shù)高，適用溫度范圍寬，綠色環(huán)保；飛輪同樣有大功率密度，長(zhǎng)壽命，對(duì)并環(huán)境友好，能量利用率高，但價(jià)格昂貴，安全性有待提高。在750V網(wǎng)壓下，龐巴迪有將超級(jí)電容器裝車作制動(dòng)能量回收用，也有將蓄電池單獨(dú)安裝作為空車回庫(kù)的動(dòng)力源，但是目前仍未有混合儲(chǔ)能裝置在1500V網(wǎng)壓下的應(yīng)用，同時(shí)利用車載儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)施重載緊急移車在國(guó)內(nèi)也屬首次。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種應(yīng)用于城市軌道交通的應(yīng)急牽引系統(tǒng)。本發(fā)明提出的應(yīng)用于城市軌道交通的應(yīng)急牽引系統(tǒng)，包括供電網(wǎng)絡(luò)10、城軌車輛的輔助系統(tǒng)20、主牽引逆變器30、牽引電機(jī)31、電力變換裝置40、儲(chǔ)能元件41和總控制器 50，供電網(wǎng)絡(luò)10的輸出端分別連接電力變換裝置40、主牽引逆變器30和城軌車輛的輔助系統(tǒng)20 ；所述儲(chǔ)能元件41 一端與供電網(wǎng)絡(luò)10高壓側(cè)連接，一端與供電網(wǎng)絡(luò)10連接；所述電力變換裝置40的高壓側(cè)與主牽引逆變器30和城軌車輛的輔助系統(tǒng)20相連，低壓側(cè)與儲(chǔ)能元件41相連；所述牽引電機(jī)31連接主牽引逆變器30的輸出端，驅(qū)動(dòng)列車運(yùn)行；供電網(wǎng)絡(luò)10、城軌車輛的輔助系統(tǒng)20、主牽引逆變器30、牽引電機(jī)31、電力變換裝置40和儲(chǔ)能元件41分別通過通訊總線連接總控制器50。本發(fā)明中，所述供電網(wǎng)絡(luò)10為牽引變電站或饋電網(wǎng)絡(luò)等中任一種，是列車正常運(yùn)行時(shí)列車牽引吸收功率能量并在制動(dòng)時(shí)反饋功率能量的地方。通常指架空供電線路。其輸出端分別與所述的電力變換裝置、牽引逆變器、輔助系統(tǒng)相連。本發(fā)明中，所述儲(chǔ)能元件41包括在正常運(yùn)營(yíng)時(shí)制動(dòng)能量回收用，在應(yīng)急情況下提供大功率充放電的超級(jí)電容器串并聯(lián)電路，以及用于提供高能量的多節(jié)蓄電池串并聯(lián)電路。其一端與供電網(wǎng)絡(luò)相連，一端與電力變換裝置相連，并通過通訊總線向總控制器提供如剩余荷電狀態(tài)等相應(yīng)數(shù)據(jù)。本發(fā)明中，所述的用于控制能量變換及充放電管理的電力變換裝置，受總控制器的控制，反映能量變換狀態(tài)。其高壓側(cè)與電網(wǎng)、牽引逆變器和輔助系統(tǒng)相連，其低壓側(cè)與不同的儲(chǔ)能元器件相連。本發(fā)明中，所述的用于控制列車工作的牽引電機(jī)接主牽引逆變器的輸出，驅(qū)動(dòng)列車運(yùn)行，并受總控制器監(jiān)控，使其在穩(wěn)定工作條件下運(yùn)行。
本發(fā)明中，所述的用于除牽引功率能量需求外功耗能耗的輔助系統(tǒng)，與供電電網(wǎng)和電力變換裝置相連，并受總控制器控制，用以在正常運(yùn)行中監(jiān)控運(yùn)行并在應(yīng)急條件下適時(shí)切除不需要的輔助負(fù)載以節(jié)省能量。本發(fā)明中，所述的控制以上所有單元的總控制器與上述系統(tǒng)部分均通過通訊總線相連，監(jiān)控不同單元的工作狀態(tài)，診斷故障原因，調(diào)節(jié)能量功率輸出，達(dá)到優(yōu)化控制、節(jié)能及環(huán)境友好的目的。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)
1.本發(fā)明解決了因供電中斷而造成的部分區(qū)間乃至整條線路停運(yùn)問題，利用儲(chǔ)能裝置的事前電力儲(chǔ)備實(shí)施自牽引，按剩余功率能量將車輛移動(dòng)至安全地段。很大程度上降低由供電系統(tǒng)的失效而導(dǎo)致的乘客積壓滯留幾率，避免地下運(yùn)營(yíng)的線路在失去供電后狹小昏暗空間極易導(dǎo)致的恐慌等一些極端情況和次生災(zāi)害及由其導(dǎo)致的公共安全、公共關(guān)系問題。2.本發(fā)明能在更高的網(wǎng)壓下工作，目前已經(jīng)出現(xiàn)的儲(chǔ)能系統(tǒng)一般工作在750V的網(wǎng)壓下，不能滿足國(guó)內(nèi)如上海等地區(qū)的1500V觸網(wǎng)要求。3.本發(fā)明的牽引負(fù)載更大，有別于國(guó)外部分應(yīng)用于小型輕型的有軌列車，本發(fā)明針對(duì)的是城市大客流的軌道交通，面向正線最高AW3負(fù)載下的列車予以牽引。4.本發(fā)明當(dāng)出現(xiàn)觸網(wǎng)故障后根據(jù)剩余功率能量，通過不同控制選擇高速移車或是長(zhǎng)距離移車模式，相應(yīng)節(jié)省調(diào)度車輛救援所需的時(shí)間，加快了救援速度或是相應(yīng)降低了救援難度。5.本發(fā)明在電網(wǎng)正常供電時(shí)，可以大大提高車輛制動(dòng)能量的利用率，通過車載儲(chǔ)能裝置短時(shí)大電流充電將這部分能量進(jìn)行臨時(shí)儲(chǔ)存，并在車輛啟動(dòng)、爬坡運(yùn)行等大功率需求時(shí)予以釋放，降低對(duì)觸網(wǎng)的能耗功耗需求，實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。6.本發(fā)明綜合了超級(jí)電容器與蓄電池的各自優(yōu)點(diǎn)，利用蓄電池高能量比、超級(jí)電容高功率比的特點(diǎn)，限制混合儲(chǔ)能元件的重量、體積，有利于直接將系統(tǒng)安裝在城軌車輛中，提高效率，解決地面級(jí)儲(chǔ)能系統(tǒng)無(wú)法避免的傳輸線路損耗、線路短路斷路而無(wú)法傳遞能
量功率等問題。7.本發(fā)明可以減少新線路上的變電站數(shù)量，節(jié)省新線路的變電站投資，延長(zhǎng)現(xiàn)有變電站級(jí)饋電線路的使用壽命，考慮到日趨上漲的工業(yè)用電費(fèi)用，投資回報(bào)比較明顯，并有綠色環(huán)保作用。


圖1為本發(fā)明的實(shí)施例的示意圖。圖2為本發(fā)明的狀態(tài)流圖。圖3為本發(fā)明的應(yīng)急流程圖。圖中標(biāo)號(hào)10為供電網(wǎng)絡(luò)，20為城軌車輛的輔助系統(tǒng)，30為主牽引逆變器，31為牽弓丨電機(jī)，40為電力變換裝置，41為儲(chǔ)能元件，50為總控制器。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。實(shí)施例1 應(yīng)用于城市軌道交通的應(yīng)急牽引系統(tǒng)。包括用于提供電能的供電網(wǎng)絡(luò)10，用于高能量或是大功率放電的儲(chǔ)能元件41，用于控制能量變換以及充放電管理的電力變換裝置40，用于控制列車工作、驅(qū)動(dòng)列車運(yùn)行的牽引電機(jī)31，用于除牽引功率能量需求外功耗能耗的輔助系統(tǒng)20及用于控制以上所有單元的總控制器50。所述的用于提供電能的供電網(wǎng)絡(luò)10，包括牽引變電站、饋電網(wǎng)絡(luò)等，是列車正常運(yùn)行時(shí)列車牽引吸收功率能量并在制動(dòng)時(shí)反饋功率能量的地方，通常指架空供電線路。其輸出端分別與所述的電力變換裝置40、主牽引逆變器30、城軌車輛的輔助系統(tǒng)20相連。所述的用于高能量、大功率放電的儲(chǔ)能元件20，包括在正常運(yùn)營(yíng)時(shí)制動(dòng)能量回收用，在應(yīng)急情況下提供大功率充放電的超級(jí)電容器串并聯(lián)電路，以及用于提供高能量的多節(jié)蓄電池串并聯(lián)電路。其一端與供電網(wǎng)絡(luò)10相連，一端與電力變換裝置40相連，并通過通訊總線向總控制器提供如剩余荷電狀態(tài)等相應(yīng)數(shù)據(jù)。所述的用于控制能量變換及充放電管理的電力變換裝置40，受總控制器50的控制，反映能量變換狀態(tài)。其高壓側(cè)與供電網(wǎng)絡(luò)10、主牽引逆變器 30和城軌車輛的輔助系統(tǒng)20相連，其低壓側(cè)與不同的儲(chǔ)能元器件相連。所述的用于控制列車工作的交流電機(jī)接牽引逆變器的輸出，驅(qū)動(dòng)列車運(yùn)行，并受總控制器50監(jiān)控，使其在穩(wěn)定工作條件下運(yùn)行。所述的用于除牽引功率能量需求外功耗能耗的輔助系統(tǒng)，與供電網(wǎng)絡(luò) 10和電力變換裝置40相連，并受總控制器50控制，用以在正常運(yùn)行中監(jiān)控運(yùn)行并在應(yīng)急條件下適時(shí)切除不需要的輔助負(fù)載以節(jié)省能量。所述的控制以上所有單元的總控制器50與上述系統(tǒng)部分均通過通訊總線相連，監(jiān)控不同單元的工作狀態(tài)，診斷故障原因，調(diào)節(jié)能量功率輸出，達(dá)到優(yōu)化控制、節(jié)能及環(huán)境友好的目的。本實(shí)施例為本發(fā)明在城市軌道交通制動(dòng)能量回收及應(yīng)急牽引中的應(yīng)用
如圖1所示，10表示的是供電網(wǎng)絡(luò)，其在正常情況下給城軌列車提供所需的功率和能量。20表示的是城軌車輛的輔助系統(tǒng)，它包括了空調(diào)、閉路電視、照明、通訊等多種設(shè)備。 3x(x為(Tl)表示的是城軌車輛的主牽引部分，其中30為主牽引逆變器，31為牽引電機(jī)，一般城市軌道交通車輛一節(jié)動(dòng)車將會(huì)配備1臺(tái)主牽引逆變器和4臺(tái)牽引電機(jī)，在應(yīng)急情況下將根據(jù)能耗、效率、顛覆轉(zhuǎn)矩等多方面因素決定使用的動(dòng)車數(shù)量即選用的電機(jī)數(shù)量。4x(x 為(Tl)表示的是這個(gè)應(yīng)急牽引系統(tǒng)的能量存儲(chǔ)和底層控制部分，其中40表示電力變換裝置，它將41表示的儲(chǔ)能元件所事前存儲(chǔ)的能量變換成牽引部分、輔助系統(tǒng)等所需要的電壓等級(jí)，并在電網(wǎng)正常工作時(shí)將因制動(dòng)等原因?qū)е碌倪^高網(wǎng)壓變換成儲(chǔ)能元件的電壓等級(jí)并由儲(chǔ)能元件存儲(chǔ)多余能量，以備下次啟動(dòng)或是應(yīng)急模式下的能量?jī)?chǔ)備。50表示的是總控制器，它根據(jù)事前的設(shè)定選擇列車的運(yùn)行模式。圖2表示本發(fā)明的狀態(tài)流圖，列車的運(yùn)行模式被分為待機(jī)、充電、放電、停機(jī)、應(yīng)急等五種狀態(tài)，其中充電態(tài)表示列車制動(dòng)時(shí)儲(chǔ)能元件充電的情況，放電態(tài)表示列車啟動(dòng)或上坡等需要大功率時(shí)儲(chǔ)能元件放電的情況，待機(jī)態(tài)表征列車除充電、放電態(tài)以外的正常運(yùn)行情況。停機(jī)態(tài)表示正常關(guān)機(jī)或是電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)列車自切斷與電網(wǎng)聯(lián)系時(shí)的狀態(tài)。應(yīng)急態(tài)表示應(yīng)急牽引時(shí)進(jìn)入的狀態(tài)。圖3是應(yīng)急工況的流程圖。當(dāng)出現(xiàn)故障后首先切斷與觸網(wǎng)間的物理連接以保護(hù)列車本身設(shè)備，同時(shí)打開應(yīng)急通風(fēng)照明。然后對(duì)列車進(jìn)行自檢，如果列車本身牽引系統(tǒng)出現(xiàn)問題，那只能在原地等待救援，但如若只是觸網(wǎng)發(fā)生問題，則由司機(jī)在綜合調(diào)度中心指令、前后方路況及列車自身能源儲(chǔ)備的前提下判斷是否進(jìn)入應(yīng)急移車。進(jìn)入應(yīng)急移車后則對(duì)系統(tǒng)在預(yù)充電后按給定電壓升壓，并由路況等多方面因素確定牽引方案。 然后進(jìn)行移車到站后打開車門進(jìn)行疏散工作。
目前的自牽引系統(tǒng)在750V較低網(wǎng)壓、地鐵空車回庫(kù)、有軌電車等方面有所使用， 但一方面使用的儲(chǔ)能元件單一，工作所需滿足的電壓很低；另一方面能夠驅(qū)動(dòng)的負(fù)載很輕使得減少了對(duì)于功率方面的需求。然而在網(wǎng)壓1500V、正線重載運(yùn)行時(shí)往往就力不從心。本發(fā)明針對(duì)高壓大功率高能量的需求，混合使用不同性質(zhì)的儲(chǔ)能器件，并通過總控制器控制， 能夠滿足在惡劣工況下一定距離內(nèi)的應(yīng)急移車需求，有效地消除眼下城市軌道交通運(yùn)營(yíng)過程中因供電中斷而造成的部分區(qū)間乃至整條線路停運(yùn)現(xiàn)象，避免由地下運(yùn)營(yíng)線路在失去供電后狹小昏暗空間誘發(fā)的恐慌和次生災(zāi)害及由其導(dǎo)致的公共安全、公共關(guān)系問題；本發(fā)明還能應(yīng)用在軌道交通的正常運(yùn)營(yíng)過程中，將大部分被制動(dòng)電阻消耗的能量事先存儲(chǔ)于儲(chǔ)能器件并在必要時(shí)予以釋放，減少對(duì)供電網(wǎng)的功率能量需求，有效提高制動(dòng)能量的利用率，并由此降低對(duì)供電線網(wǎng)的需求，延長(zhǎng)變電站間的間距，減少變電站的數(shù)量，對(duì)節(jié)能減排、環(huán)境保護(hù)、降低運(yùn)營(yíng)成本均具有深刻意義。
權(quán)利要求
1.一種應(yīng)用于城市軌道交通的應(yīng)急牽引系統(tǒng)，包括供電網(wǎng)絡(luò)(10)、城軌車輛的輔助系統(tǒng)(20)、主牽引逆變器(30)、牽引電機(jī)(31)、電力變換裝置(40)、儲(chǔ)能元件(41)和總控制器(50)，其特征在于供電網(wǎng)絡(luò)(10)的輸出端分別連接電力變換裝置(40)、主牽引逆變器 (30)和城軌車輛的輔助系統(tǒng)00)；所述儲(chǔ)能元件Gl) —端與供電網(wǎng)絡(luò)(10)高壓側(cè)連接， 一端與供電網(wǎng)絡(luò)(10)連接；所述電力變換裝置GO)的高壓側(cè)與主牽引逆變器(30)和城軌車輛的輔助系統(tǒng)O0)相連，低壓側(cè)與儲(chǔ)能元件Gl)相連；所述牽引電機(jī)(31)連接主牽引逆變器(30)的輸出端，驅(qū)動(dòng)列車運(yùn)行；供電網(wǎng)絡(luò)(10)、城軌車輛的輔助系統(tǒng)O0)、主牽引逆變器(30)、牽引電機(jī)(31)、電力變換裝置00)和儲(chǔ)能元件Gl)分別通過通訊總線連接總控制器(50)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)用于城市軌道交通的應(yīng)急牽引系統(tǒng)，其特征在于所述供電網(wǎng)絡(luò)(10)為牽引變電站或饋電網(wǎng)絡(luò)中任一種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)用于城市軌道交通的應(yīng)急牽引系統(tǒng)，其特征在于所述儲(chǔ)能元件Gl)包括在正常運(yùn)營(yíng)時(shí)制動(dòng)能量回收用，在應(yīng)急情況下提供大功率充放電的超級(jí)電容器串并聯(lián)電路，或用于提供高能量的多節(jié)蓄電池串并聯(lián)電路。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于城市軌道交通的應(yīng)急牽引系統(tǒng)，包括供電網(wǎng)絡(luò)、城軌車輛的輔助系統(tǒng)、主牽引逆變器、牽引電機(jī)、電力變換裝置、儲(chǔ)能元件和總控制器，供電網(wǎng)絡(luò)的輸出端分別連接電力變換裝置、主牽引逆變器和城軌車輛的輔助系統(tǒng)；所述儲(chǔ)能元件一端與供電網(wǎng)絡(luò)高壓側(cè)連接，一端與供電網(wǎng)絡(luò)連接；所述電力變換裝置的高壓側(cè)與主牽引逆變器和城軌車輛的輔助系統(tǒng)相連，低壓側(cè)與儲(chǔ)能元件相連；所述牽引電機(jī)連接主牽引逆變器的輸出端，驅(qū)動(dòng)列車運(yùn)行；供電網(wǎng)絡(luò)、城軌車輛的輔助系統(tǒng)、主牽引逆變器、牽引電機(jī)、電力變換裝置和儲(chǔ)能元件分別通過通訊總線連接總控制器。本系統(tǒng)適用的電壓等級(jí)更高，體積更小，牽引負(fù)載更大，牽引距離更遠(yuǎn)，可靠性好、控制靈活，壽命長(zhǎng)，應(yīng)用范圍廣，投資回報(bào)時(shí)間較短。
文檔編號(hào)B60L15/00GK102303536SQ20111010883
公開日2012年1月4日 申請(qǐng)日期2011年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月28日
發(fā)明者周巧蓮, 姚勇濤, 李濟(jì)棋, 沈小軍, 袁登科, 韋莉, 顧帥 申請(qǐng)人:同濟(jì)大學(xué)