[0001] 本发明涉及电力机车技术领域，尤其涉及一种交流电力机车电能再生供电装置的控制系统。

[0002] 回送途中的交流电力机车蓄电池容量有限，为防止蓄电池亏电，要求交流电力机车内辅助负载不得长时间从蓄电池取电，导致得电力机车的安全性、舒适性及可控制性降低。同时，由于交流电力机车在整备厂和维修库房因无接触网，所以交流电力机车无法实现短距离行驶和移库作业。

[0003] 针对上述问题，急需研制一款既满足辅助负载长时间用电需求，又能实现交流电力机车短距离行驶和移库作业的交流电力机车电能再生智能供电装置。

[0035] 本发明实施例提供了一种交流电力机车电能再生供电装置的控制系统，用于同时满足辅助负载长时间用电需求，以及交流电力机车短距离行驶和移库作业。

[0036] 为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

[0037] 请参阅图1，图1为本申请实施例提供的一种交流电力机车电能再生供电装置的控制系统的整体架构图，系统包括：相互连接的电能变换模组与控制模组；所述电能控制模组包括：依次连接的充电模块3、电池组、第一升压斩波模块5、超级电容模块6、第二升压斩波模块7、第二逆变模块23及第一逆变模块8；

[0038] 所述充电模块3与机车上的辅助变流器1连接，所述充电模块3用于从所述辅助变流器1中获取三相AC380V交流电，并在所述控制模组的控制下，将所述三相AC380V交流电转换为直流电，所述直流电用于为所述电池组充电；

[0039] 所述第一升压斩波模块5用于将所述电池组输出的电池组直流电升压至第一电压区间[200V，270V]，并传输至所述超级电容模块；

[0040] 所述超级电容模块6用于对所述第一升压斩波模块5的输出电压进行滤波，以及在所述电池组的协调控制下，提供瞬间的大电流输出；

[0041] 所述第二升压斩波模块7用于将所述超级电容模块6输出至所述第一逆变模块8的电压升压至第二电压区间；

[0042] 所述第二逆变模块23用于将牵引电机的机械能输出稳定直流电压提供给连接的所述第一逆变模块8；

[0043] 所述第一逆变模块8用于将所述第二升压斩波模块7的输出电压转换为所述三相AC380V交流电，并在所述控制模组的控制下，将所述三相AC380V交流电提供给用电负载22和/或连接的牵引逆变器；以及将所述第二逆变模块23输出的所述直流电压转变成所述三相AC380V交流电，输出至所连接的所述机车的辅助回路。

[0044] 需要说明的是，交流电力机车电能再生供电装置是一种利用制动时所产生的电能进行回馈和转换的设备。当机车制动时，制动能量将被转换为电能，并通过电容器等电力元件储存起来，然后在机车加速时以逆变器的形式将这些储存的电能释放出来，以供给机车牵引系统使用。这种方式可以节省大量的能量，降低排放物的排放量，同时也可以减轻机车的负担，提高机车的效率。

[0045] 交流电力机车的车载设备24包括牵引系统、制动系统、供能系统、信号系统等。其中，牵引系统是最重要的部分，它由牵引逆变器、电机、传动系统等组成，用于控制车辆的加速、制动和行驶方向。

[0046] 牵引逆变器是一种用于电动车和轨道交通系统的逆变器，其主要功能是将直流电源转换为交流电源，以驱动电机运行。牵引逆变器通常由多个功率模块组成，每个功率模块包括一个绝缘栅双极性晶体管和一个自由轮二极管。

[0047] 辅助变流器1是指一种能够改变交流电压和频率的电气设备，通常用于将低电压、低频率的电源转换成高电压、高频率的电源。辅助变流器1通常由变压器和电子元件组成，变压器用于升降电压，电子元件用于改变电压波形和频率。辅助变流器1广泛应用于工业生产、船舶、飞机、车辆等领域，以满足不同设备对电源电压和频率的要求。

[0048] 电容的输入端通常与升压变换器的输出端相连。第一升压斩波模块5将输入电压升高到所需的输出电压时，输出电压会受到各种因素的影响，如噪声、干扰等，从而产生脉动。此时，电容可以在短时间内对这些脉动进行滤波和平稳处理，使得输出电压更加稳定和精确。而电容的输出端则通常与负载相连。负载的特性会对输出电压产生一定的反馈，从而影响输出电压的波形和稳定性。通过将电容与负载并联使用，电容可以充当一个瞬态响应器，对输出电压中的脉动进行滤波和平滑处理，从而使输出电压更加稳定和精确。在本发明实施例中，在电池组和第一逆变模块8之间设有第一升压斩波模块5、超级电容模块6和第二升压斩波模块7，主要是为了实现电池组和超级电容模块6的协调控制，即在电池组持续提供电能的时候，超级电容模块6可以提供瞬间的能量，从而能够执行如机车移库时，瞬间启动大流量等任务。

[0049] 超级电容模块6是一种高能量密度、高功率密度的电子元件，它使用电化学原理将电能存储在两个金属板之间的电介质中。与传统的化学电池相比，超级电容模块6具有更高的充电速度、更长的使用寿命和更大的可循环利用性。超级电容模块6通常由多个电容器组成，可以通过串联或并联的方式实现不同电压和容量的需求。在本发明实施例中，在电力机车正常行驶时，充电模块3从辅助变流器1电路中获取三相AC380V交流电，并按照电能控制模组的指令给电池组与超级电容模块6充电，直至充满为止。其中电池组和超级电容模块6是电力机车应急辅助电源的储能环节，是机车移库和机车辅助负载22自供电时电能的主要来源。在机车无火回送过程中，无火供电装置产生的电能，也可以对电池组和超级电容模块6充能。当机车不升弓时，这部分电能也可以逆变为辅助回路所需的三相电源，给机车上辅助设备供电使用。具体而言，第二逆变模块23连接一台牵引电机的牵引逆变器，该牵引逆变器在机车无火回送或多机重联它车牵引时与牵引电机和测速传感器线路连接，机车无火拖行时，该模块给电机励磁并控制电机发电。通过模块的闭环矢量控制，可以输出DC600V大功率电能，该DC600V大功率电能可经过第一逆变模块8转换为三相380V/50Hz交流电，并连接至机车辅助回路上进行供电，保证机车的空调、电暖器、电热水器等辅助设备得到电能供给。

[0050] 矢量控制是一种利用变频器控制三相交流电机的技术，利用调整变频器的输出频率、输出电压的大小及角度，来控制电机的输出。

[0051] 辅助回路是指牵引逆变器中用于控制和保护电路的辅助电路。其主要作用是监测控制信号、检测故障信号、提供保护和检修功能等。

[0052] 此外，在交流电力机车电能再生供电装置中，电池组可以并入机车电池2，当机车电池2亏电或损坏时，可通过电池组给原机车电池2所在电路供电，实现对机车电池2的冗余控制。

[0053] 进一步地，所述第一电压区间为[200V，270V]。

[0054] 进一步地，所述第二电压区间为[580V，600V]。

[0055] 进一步地，所述第一逆变模块8和所述辅助回路之间连接有滤波单元9。

[0056] 需要说明的是，滤波单元9是指在电子电路中用于滤除杂波或者干扰信号的电路部件。它可以将特定频率范围内的信号通过，同时将其他频率的信号阻塞或衰减，从而实现对信号的滤波和清洗。常见的滤波单元9包括低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器等。

[0057] 进一步地，所述电池组为锂电池组4。

[0058] 需要说明的是，锂电池组4通常包括电芯、保护板、连接器和外壳等组成部分。其中，电芯是组成电池组的最小单位，保护板则是对电芯进行管理和保护的控制电路，连接器用于连接各个电芯和保护板，外壳则为整个电池组提供保护和支撑。

[0059] 概括而言，本发明实施例的电一种交流电力机车电能再生供电装置的控制系统包括四种工作模式，分别为充电储能模式、自供电模式、机车移库模式和自发电模式。具体工作原理如下：

[0060] 正常情况下，电流在辅助回路上的电流走向如图2的交流电力机车电能再生供电装置的辅助回路电流走向所示，而当交流电力机车电能再生供电装置的控制系统处于充电储能模式时，其电流走向如图3的交流电力机车电能再生供电装置的充电储能电能变换流向图所示，具体为：通过充电器3对电池组进行充电储能，其中电池组具有自动控制和手动控制两种运行模式。处于自动模式下本发明的控制系统可通过检测电池组的电池容量，判断电池组是否需要充电，并对电池组进行充电状态管理。处于手动模式下，由司控人员手动投入充电储能。在机车升弓受流时，机车辅助变流器1正常为机车辅助负载22供电，同时可为电池组进行充电，电源来自电力机车上的辅助变流器1。充电模块3负责进行“交‑直”的电能变换，将来自辅助变流器1输入的交流380V变换为额定值为110V(变化范围为DC80～116.8V)直流电输送给电池组储能，电池组将电能存满到额定容量时通过第一升压斩波模块5把DC110V升压为DC270V(变化范围为DC200～288V)给超级电容充电，为供电和机车移库做准备。

[0061] 而当交流电力机车电能再生供电装置的控制系统处于自供电模式时，受电弓不升弓电力机车无电，此时电池组对机车辅助负载22进行供电，具有自动控制和手动控制两种运行模式。处于自动模式下，当本发明的控制系统检测辅助AC25kV网无电，判断需要电池组对机车辅助负载22进行供电，则需要电池组输出电能实现对机车辅助负载22供电。处于手动模式下，由司控人员手动投入应急电源，实现对机车辅助负载22供电，请参阅图4，图4为交流电力机车电能再生供电装置的自供电模式电能变换流向图，当机车在检修时不允许升弓，或者升弓但AC25kV接触网25无电时，便能通过电能再生智能供电电源进行自供电。电力机车自供电的负载单独需要用电时(如开天窗检修作业需要空调、照明等情况)，只需将滤波单元9旁的开关26闭合即可达到用电需求。

[0062] 而当交流电力机车电能再生供电装置的控制系统处于牵车移库模式时，受电弓不升弓电力机车无电，此时电池组对电力机车的牵引电机进行供电。机车牵车移库模式电能变换流向如图4的交流电力机车电能再生供电装置的自供电模式电能变换流向图所示，当机车需要短距离牵车移库时，由司机室发出机车移库指令，控制模组接收后，启动电池组，控制第一升压斩波模块5的开关26器件，并对超级电容模块6发出控制指令，电池组经第一升压斩波模块5和超级电容模块6得以升压和缓冲，控制第二升压斩波模块7对超级电容模块6输出的电能进一步升压处理，送至第一逆变模块8，控制模组经过运算处理后，通过第一逆变模块8将直流电逆变成交流电AC380V，经滤波单元9进一步处理输出理想的电能质量，滤波单元9旁的开关26闭合后电能并入辅助供电网，总控制系统闭合开关26D，给牵引变流器供电，使得机车牵引逆变器24牵引电机启动，实现短距离牵车移库动作。机车牵车移库模式与自供电模式的主要区别为功率大特，需要与超级电容器协调配合工作。第二升压模块7将额定值为DC580V传送给第一逆变模块8为后续模块做准备。

[0063] 而当交流电力机车电能再生供电装置的控制系统处于自发电模式时，受电弓不升弓电力机车无电，牵引电机被拖拽将机械能转为电能，经控制系统处理将电能用于机车辅助负载22供电及应急电源和电池组储能，具有自动控制和手动控制两种运行模式。处于自动模式下，当控制系统检测牵引电机转速达到阈值且机车辅助供电网无电时，控制系统切换为自发电模式。处于手动模式下，由司控人员手动切换应急电源自发电模式，实现对机车牵引电机的能量回收。请参阅图5，图5为交流电力机车电能再生供电装置的自发电模式电能变换流向，自发电模式也分为两种情况，第一种情况是机车在无火回送或多机重联他车牵引时，机车不被允许升弓，此时由车轮带动电机进行旋转运动，将机械能转换为电能，通过第二逆变模块23给定电机励磁使电机进行发电，并将发出的电通过可控整流的形式转换为约DC600V，再由第一逆变模块8将DC600V转换为AC380V，通过滤波单元9滤除掉谐波，再接通滤波单元9旁的开关26供给机车辅助负载22。第二种情况是在第一种正常运行的情况下同时打开充电模块3旁的开关26，由充电模块3按照充电储能模式给电池组及超级电容进行储能充电。

[0064] 进一步地，所述控制模组包括：总控制器系统17及子控制器系统，所述子控制器系统包括：与所述充电模块3与所述电池组连接的充电控制子系统11、与所述第一升压斩波模块5及所述超级电容模块6连接的第一升压斩波控制子系统12、与所述第二升压斩波模块7连接的第二升压斩波控制子系统13、通过所述滤波单元9连接所述第二逆变模块23的第二逆变控制子系统15，以及与所述第一逆变模块8连接的第一逆变控制子系统14。

[0065] 在一个可选实施例中，所述控制模组还包括：本地显示单元18。

[0066] 在一个可选实施例中，所述控制模组还包括：监控室显示单元21。

[0067] 请参阅图6，图6为本发明实施例的一种交流电力机车电能再生供电装置的控制系统的模组模组结构框图，控制模组包括：总控制器系统17、子控制器系统、本地显示单元18和监控室显示单元21。

[0068] 进一步地，所述子控制系统和所述监控室显示单元21，均通过can通信方式与总控制器系统17进行数据通信。

[0069] 需要说明的是，CAN通信是一种高速、可靠的串行通信协议，主要用于工业自动化、汽车电子、航空航天等领域。CAN总线具有很高的抗干扰性和可靠性，支持多节点通信，能够实现分布式控制。

[0070] 进一步地，所述本地显示单元18与所述总控制器系统17间的通信方式为RS485通信。

[0071] RS485通信是一种串行通信协议，主要用于工业自动化、仪器仪表控制等领域。RS485通信采用差分信号传输，与RS232通信相比，它具有更高的传输速率、更远的传输距离和更强的抗干扰能力。RS485通信支持多节点连接，并且每个节点都可以发送数据，因此它适合于大量设备之间的通信。

[0072] 在本发明实施例中，总控制器系统17主要负责与各个子控制器实现通信，接收司机室的调度指令信息和数据交互，通过RS485通信实现本地显示，对整个系统数据进行处理分析，并作出决策，实现对整个控制系统的管理。

[0073] 在具体视线中，总控制器系统17采用ARM芯片处理器，利用其人机交互接口通信控制器的通用性优异性能，总控制器系统17实现电能再生智能供电装置控制系统调度功能：通过CAN通信与司机室进行数据通信，接收司机室发来的控制指令，同时将应急电能再生智能供电装置的信息反馈给司机室监控，供司乘人员实时观测应急电能再生智能供电装置状态。同时通过CAN通信负责调度各个子控制器，接收各个子控制器的当前状态，及时作出决策处理，还可通过RS485通信实现本机显示，在车内通过液晶显示屏实时了解应急电源的运行状况。整个控制系统对充电模块3、第一升压斩波模块5、第二升压斩波模块7、第一逆变模块8和第二逆变模块23根据不同工况进行子控制系统设计，主系统控制处理器采用高性能数据处理器DSP TMS320F28335。充电模块3主要实现将交流电转化为直流电并给锂电池组4充电的功能，斩波模块主要实现将直流电升压处理输出目标直流电，逆变模块主要实现将直流电转为理想的交流电，给机车辅助负载22使用和机车牵引电机实现移库使用。

[0074] 请参阅图7，图7为本发明实施例的一种交流电力机车电能再生供电装置的控制系统的子控制器系统框图，自控制系统主要负责：检测电路对应模拟量输入，将应急辅助电源主电路中各模块的电压、电流和温度信息采集后，送给子控制器芯片内部A/D转换器进行转换，并对其分析和处理；开关26量输入和输出，通过继电器连接应急辅助电源主电路中的各个开关26或接触器；通过CAN通信与总控制器系统17信息交互；RS485接口主要是针对充电模块3子控制器和双向DC/DC模块A子控制器，二者分别连接磷酸铁锂电池组4和超级电容电池组，将接收两个储能装置自身监管系统工作状态的相关数据，同时经过CAN接口传送给总控制器系统17进行汇总处理；驱动电路主要对DSP生成的SVPWM信号或者PWM信号进行放大和隔离，以使其能够对主电路中的IGBT器件进行控制，其中SC表示故障返回信号。

[0075] 本发明将五个电能变换模块的子控制器与总控制器系统17之间、总控制器系统17与司机室监控之间的通信设计为CAN总线通信形式；将锂电池组4监测系统和超级电容模块6监测系统分别与充电控制和第一升压斩波模块5控制设计为RS485通信形式；同时也将本地显示单元18与总控制器系统17设计为RS485通信形式，此种方式不但能够实现数据共享、互联互通的目的，还可以对电源运行工况以及状态参数自动监测，实现电源的全面智能化运行。

[0076] 另外，由于电力机车上的供电系统比较复杂，电磁干扰环境也比常规工业现场复杂多变，为了提高应急辅助供电智能控制系统中通信系统的抗干扰能力，在本设计中研究使用光纤来代替传统的双绞线进行长距离通信，将CAN和RS485转化为光纤通信进行数据传输，使通信系统能够满足应用需求，避免复杂电磁环境的干扰，为此进行两种转换电路的设计。如图8和图9为本发明实施例的一种交流电力机车电能再生供电装置的RS485转光纤通信系统的应用框图，图10为本发明实施例的一种交流电力机车电能再生供电装置的CAN转光纤通信系统的框图，分别以RS485光/电转换器10实现RS485光/电转换，以及以光纤CAN控制器16实现转换功能。

[0077] 本申请实施例提供的一种交流电力机车电能再生供电装置的控制系统，包括：相互连接的电能变换模组与控制模组；所述电能控制模组包括：依次连接的充电模块3、电池组、第一升压斩波模块5、第一逆变模块8及第二逆变模块23；所述充电模块3与机车上的辅助变流器1连接，所述充电模块3用于从所述辅助变流器1中获取三相AC380V交流电，并在所述控制模组的控制下，将所述三相AC380V交流电转换为直流电，所述直流电用于为所述电池组充电；所述第一升压斩波模块5用于将所述电池组输出的电池组直流电升压至DC380V直流电；所述第一逆变模块8用于将所述DC380V直流电转换为所述三相AC380V交流电，并在所述控制模组的控制下，将所述三相AC380V交流电提供至所连接的负载或者牵引逆变器；所述第二逆变模块23用于将所述电池组输出的电池组直流电转换为所述三相AC380V交流电，并将所述三相AC380V交流电输出至所连接的所述机车的辅助回路。通过第一逆变模块8将电池组及超级电容模块6输出的三相AC380V交流电提供至所连接的负载或者牵引逆变器，并通过第一逆变模块8将电池组及超级电容模块6输出的三相AC380V交流电输出至所连接的机车辅助回路，从而可以同时满足辅助负载长时间用电需求，以及交流电力机车短距离行驶和移库作业。

[0078] 机车供电：提出一种智能化的机车自适应供电，可以自动识别机车运行的特殊工况，投入该装置应急处置式的应急供电模式，满足相应特殊工况下的机车供电。

[0079] 提出了一种电力机车电能再生智能供电装置主电路拓扑电路结构，由供电系统模块、自发电系统模块与智能控制系统模块组成。根据交流机车工况，实现多种功能的智能供电装置。

[0080] 采用微机控制系统，实现了故障自诊断、逻辑控制功能，显示屏显示工况，各种数据一目了然，并具有信息储存功能。

[0081] 在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

[0082] 所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

[0083] 另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

[0084] 所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以通过一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(英文全称：Read‑Only Memory，英文缩写：ROM)、随机存取存储器(英文全称：Random Access Memory，英文缩写：RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

[0085] 以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。