一种高速列车应急自走行系统的AC380V电路拓扑结构

摘要

本发明公开了一种高速列车应急自走行系统的AC380V电路拓扑结构，包括主牵引逆变器、牵引电机、辅助变流器、工频变压器、双向充电机、动力电池、及蓄电池，其中辅助变流器采用三相逆变器，双向充电机包括前级三相整流电路和后级双向直‑直变换电路，后级双向直‑直变换电路包括两个及以上结构对称的级联双有源全桥隔离变换器。本发明通过采用多模块级联直‑直变换器拓扑结构代替传统双向充电机中的后级直‑直变换电路，能有效地减小应急自走行系统的体积和重量，提高系统的能量密度和工作效率。

说明书

技术领域

本发明涉及应急自走行系统拓扑技术领域，具体涉及一种高速列车应急自走行系统的AC380V电路拓扑结构。

背景技术

我国高铁经历了引进-消化-再创新的发展历程，已经成为世界上规模最大、运行环境最复杂、列车数量最多的国家。在列车运行的过程中，由于各类设备故障会导致接触网断电，高速列车停止运行。如果无法及时恢复列车的供电，将会影响铁路交通的运营秩序，甚至威胁乘客的安全，因此，为维护铁路的日常运营安全，高速列车应急自走行系统显得尤为重要。

原有的应急自走行系统实在传统的工频隔离变压器后增加了双向充电机、动力电池等相应的设备。其中，双向充电机是通过两个AC/DC模块从380VAC交流母线取电；后级采用了直-直变换电路实现电压等级变换。列车正常运行时，牵引供电系统为列车的运行提供所需能源，当发生故障时，动力电池通过为牵引电机和列车用电设备供电，维持列车内通风、照明等系统的正常运转，并使高速列车低速运行至安全停靠点。

现有的应急自走行系统仅能满足列车安全运行的基本要求，由于系统拓扑并未进行优化，存在功率传输损耗大、功率密度低等问题，严重影响了列车的电能转换效率，造成了较大的资源浪费。

发明内容

针对现有应急自走行系统在工作过程中传输损耗较大和系统效率较低等问题，本发明提供了一种高速列车应急自走行系统的AC380V电路拓扑结构，以实现提高系统的工作效率及功率密度。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

一种高速列车应急自走行系统的AC380V电路拓扑结构，包括主牵引逆变器、牵引电机、辅助变流器、工频变压器、双向充电机、动力电池、及蓄电池；

所述主牵引逆变器和辅助变流器的输入端共同连接在第一直流母线上，所述主牵引逆变器的输出端连接牵引电机；

所述辅助变流器的输出端通过工频变压器与高速列车交流用电设备的输入端连接，并连接在第一交流母线上；

所述双向充电机的输入端连接在第一交流母线上，其输出端与动力电池和蓄电池的输入端连接，并通过第二直流母线与高速列车直流设备的输入端连接。

进一步地，所述辅助变流器采用三相逆变器，所述三相逆变器的输入端连接在第一直流母线上，其输出端与工频变压器的输入端连接。

进一步地，所述三相逆变器包括开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3、开关管Q4、开关管Q5、开关管Q6，所述开关管Q1、开关管Q2和开关管Q3的漏极均连接正输入端，所述开关管Q4、开关管Q5、开关管Q6的源极均连接负输入端，所述开关管Q1的源极与开关管Q4的漏极连接且连接端经过电感L1与三相输出端1连接，所述开关管Q2的源极与开关管Q5的漏极连接且连接端经过电感L2与三相输出端2连接，所述开关管Q3的源极与开关管Q6的漏极连接且连接端经过电感L3与三相输出端3连接。

进一步地，所述双向充电机包括前级三相整流电路和后级双向直-直变换电路，其中后级双向直-直变换电路包括两个及以上结构对称的级联双有源全桥隔离变换器。

进一步地，所述双有源全桥隔离变换器包括开关管Q7、开关管Q8、开关管Q9、开关管Q10、开关管Q11、开关管Q12、开关管Q13和开关管Q14，所述开关管Q7和开关管Q8的漏极均连接正输入端，所述开关管Q9和开关管Q10的源极均连接负输入端，所述开关管Q7的源极与开关管Q9的漏极连接且连接端经过电感L4与变压器T1的端口1连接，所述开关管Q8的源极与开关管Q10的漏极连接且连接端经过电容C1与变压器T1的端口2连接，所述开关管Q11和开关管Q12的漏极均连接正输出端，所述开关管Q13和开关管Q14的源极均连接负输出端，所述开关管Q11的源极与开关管Q13的漏极连接且连接端与变压器T1的端口3连接，所述开关管Q12的源极与开关管Q14的漏极连接且连接端与变压器T1的端口4连接。

本发明具有以下有益效果：

（1）本发明提出了一种用于高速列车应急自走行系统的AC380V电路拓扑，能有效实现接触网故障断电时列车安全运行、方便实施救援等优点，通过采用多模块级联直-直变换器拓扑结构代替传统双向充电机中的后级直-直变换电路，能有效提高系统的工作效率和功率密度。

（2）本发明还提出了采用输入并联输出并联的双向充电机提升系统的输出能力，能够满足后级负载要求；同时，有利于对直-直变换器的控制策略进行优化，进一步提升系统工作性能。

附图说明

图1为本发明的高速列车应急自走行系统的AC380V电路拓扑结构示意图；

图2为本发明中AC380V拓扑正常工况下的电流路径图；

图3为本发明中AC380V拓扑应急自走行工况下的电流路径图；

图4 为本发明中辅助变流器的拓扑结构图；

图5 为本发明中辅助变流器的电路原理图；

图6为本发明中双向充电机的直-直变换器拓扑原理图；

图7为本发明中双向充电机的直-直变换器电路原理图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1所示，本发明实施例提供了一种高速列车应急自走行系统的AC380V电路拓扑结构，包括主牵引逆变器、牵引电机、辅助变流器、工频变压器、双向充电机、动力电池、及蓄电池；

所述主牵引逆变器和辅助变流器的输入端共同连接在第一直流母线上，所述主牵引逆变器的输出端连接牵引电机；

所述辅助变流器的输出端通过工频变压器与高速列车交流用电设备的输入端连接，并连接在第一交流母线上；

所述双向充电机的输入端连接在第一交流母线上，其输出端与动力电池和蓄电池的输入端连接，并通过第二直流母线与高速列车直流设备的输入端连接。

在本实施例中，主牵引逆变器和牵引电机包括直-交逆变电路和牵引电动机以及对应的控制设备。主牵引逆变器输入端连接的第一直流母线具体为DC3000V直流母线。

在本实施例中，辅助变流器采用三相三线制的三相逆变器将直流电源转换为三相交流电源，拓扑为三相半桥，每个桥臂上有两个功率器件，也可认为该电路看成是由三个输出电压相位互差2π/3的单相半桥逆变器组合在一起，所以在分析被控对象模型时，可以以单相半桥式电路来分析。三相逆变器的输入端连接在第一直流母线上，其输出端与工频变压器的输入端连接，工频变压器的输出端连接在第一交流母线上，第一交流母线具体为AC380V交流母线。工频变压器用于进行电压等级变换，为双向充电机和列车交流用电设备供电。

如图4和图5所示，三相逆变器包括开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3、开关管Q4、开关管Q5、开关管Q6，所述开关管Q1、开关管Q2和开关管Q3的漏极均连接正输入端，开关管Q4、开关管Q5、开关管Q6的源极均连接负输入端，开关管Q1的源极与开关管Q4的漏极连接且连接端经过电感L1与三相输出端1连接，开关管Q2的源极与开关管Q5的漏极连接且连接端经过电感L2与三相输出端2连接，开关管Q3的源极与开关管Q6的漏极连接且连接端经过电感L3与三相输出端3连接。三相输出端1、2、3之间分别并联电容C2、电容C3和电容C4。

在本实施例中，双向充电机包括前级三相整流电路和后级双向直-直变换电路，其中后级双向直-直变换电路包括两个及以上结构对称的级联双有源全桥隔离变换器。前级三相整流电路的输入端连接在AC380V交流母线上，前级三相整流电路的输出端与DC650V动力电池输入端连接，并连接在DC650V直流母线上；后级双向直-直变换电路的输入端连接在DC650V直流母线上，后级双向直-直变换电路的输出端与DC110V的蓄电池输入端连接，并通过DC110V的直流母线与高速列车直流设备的输入端连接。

双向充电机从工频变压器输出的AC380V/50HZ交流母线取电，通过前级三相整流电路和后级双向直-直变换电路为动力电池和蓄电池系统供电。其中后级双向直-直变换电路采用级联的DAB拓扑，为两个对称的全桥结构，具有结构简单、能量双向流动、功率密度高、控制灵活等优点，具有广泛的应用价值。

双向直-直变换器均可以结合不同的实际需求采用不同的优化拓扑，具有采用双有源全桥隔离变换器、双向全桥串联谐振变换器、全桥LLC谐振变换器或多模块级联的DC-DC变换器中的一种。

本发明对双向充电机的后级双向直-直变换电路采用双有源全桥隔离变换器（Dual Active Bridge-Isolated Bidirectional DC-DC Converter，DAB）结构，具有能量双向流动、功率密度高等优点，提升充电机的输出能力，能够满足后级负载要求。此外，双有源全桥隔离变换器（DAB）工作模式相对简单，同时能够采用全方面优化控制方法提升其稳态及动态工作性能，可灵活应用于高速列车应急自走行系统。

如图6和图7所示，双有源全桥隔离变换器包括开关管Q7、开关管Q8、开关管Q9、开关管Q10、开关管Q11、开关管Q12、开关管Q13和开关管Q14，开关管Q7和开关管Q8的漏极均连接正输入端，开关管Q9和开关管Q10的源极均连接负输入端，开关管Q7的源极与开关管Q9的漏极连接且连接端经过电感L4与变压器T1的端口1连接，开关管Q8的源极与开关管Q10的漏极连接且连接端经过电容C1与变压器T1的端口2连接，开关管Q11和开关管Q12的漏极均连接正输出端，开关管Q13和开关管Q14的源极均连接负输出端，开关管Q11的源极与开关管Q13的漏极连接且连接端与变压器T1的端口3连接，开关管Q12的源极与开关管Q14的漏极连接且连接端与变压器T1的端口4连接。正输出端与负输出端之间并联电容C5。

如图2所示，本发明中双向充电机保持原有的整流级-直-直变换级结构，三相AC380V交流母线为交流用电设备和双向充电机供电。在稳定工作状态下，DC3000V直流母线通过辅助变流器向工频变压器供电，产生三相AC380V/50Hz的交流电，为后级空调等交流用电设备供电。双向充电机通过AC380V/50Hz交流母线取电，将电压转化为DC650V，为动力电池及后级直-直变换器供电。后级直-直电路将DC650V转换为DC110V，为DC110V蓄电池及直流用电设备供电。

如图3所示，当接触网发生故障或高速列车失电时，列车运行在应急自走行工况下，系统失去外部供电。DC650V动力电池首先与DC650V直流母线相连，通过双向充电机产生稳定AC380V交流母线电压，为交流用电设备供电。当交流用电设备恢复正常工作后，动力电池与DC3000V直流母线之间的继电器闭合，为主牵引逆变器供电，使列车低速运行到安全位置。当列车失去动力源时，应急自走行系统能保证列车低速行驶至安全位置，实施乘客疏散和救援。

与原有的应急自走行系统相比，采用双有源全桥隔离变换器（DAB）对AC380V应急自走行系统拓扑进行优化，能提高双向充电机的输出能力，能够满足后级负载要求。同时，针对单模块DAB变换器，多模块DAB变换器等进行优化控制与设计，可以进一步提升系统工作性能。

本发明的中高频辅助变流器和双向变电机中所有的开关管均为全控型开关器件，包括场效应晶体管或绝缘栅双极型晶体管。

本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。