CN111869032A - 用于向其消耗器提供电力的系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于向第一消耗器(1)提供电力的系统，所述系统包括具有配置为连接至DC能量源的输入端的输入滤波器(6)以及连接至输入滤波器的输出端(14)的DC中间链路(3)。转换器(12)具有连接至DC中间链路的输入端以及连接至所述第一消耗器(1)的输出端。单元(16)控制转换器以独立于DC链路(3)的电压变化获得第一消耗器所请求的电力供给。组件配置为通过控制转换器增加第一功率分量至要提供给消耗器的功率来稳定上述电压。控制第二消耗器(19)来消耗第二功率分量，以协助控制转换器以获得所述稳定性，或单独负责所述稳定性。

Description

用于向其消耗器提供电力的系统和方法

技术领域

本发明涉及一种用于提供电力的系统，该系统包括输入滤波器，该输入滤波器的输入端配置为连接至DC能量源；DC中间链路，该链路连接至该输入滤波器的输出端；转换器，该转换器具有连接至DC中间链路的输入端以及配置为连接至电力的所述第一消耗器的输出端；单元，该单元配置为控制转换器以独立于DC中间链路上的电压变化获得所述第一消耗器所请求的电力供给；以及组件，该组件配置为在DC中间链路上的电压变化时稳定该DC中间链路上的电压。本发明也涉及一种根据所附的独立方法权利要求的前序的提供电力的方法。

电力的第一消耗器可以是电力的任何消耗器，例如电机，并且在所述系统装在有轨车辆上的情况下用于车辆的推进，或者在辅助功率系统中用于供应电力至分配网络，该分配网络向装在该车辆上的插座、照明、暖气和其他设备供电。DC中间链路可以连接到电池形式或DC供电线形式的DC能量源，例如用于给有轨车辆提供电力。转换器可以是任意类型，例如DC/AC或DC/DC转换器，其由所述单元控制来切换，例如通过脉冲宽度调制(PWM)，以转换要提供至所述第一消耗器的功率。

所述输入滤波器被布置用于使来自DC能量源的通过DC中间链路汲取的电流平滑。为了允许通过成本低和能效高的滤波器很好地抑制高频切换谐波，这些滤波器通常是低阻尼的。当转换器在此处表现出恒定功率负载(CPL)行为时，这意味着所述第一消耗器消耗的功率大约与DC中间链路上的电压无关，DC中间链路电压的降低/增加需要消耗电流的增加/降低以保持功耗不受影响。与低阻尼的输入滤波器相关联地，这种行为有可能导致系统不稳定，并由于欠压或过压跳闸而导致系统停机。这就是提供这样的具有配置为在DC中间链路上的电压变化时稳定该电压的组件的系统的原因。然而，稳定的目的不仅在于稳定系统，也在于获得期望的阻尼以避免发生过压和欠压跳闸。

背景技术

可以尝试通过增加诸如附加或更大的滤波器的被动阻尼部件来解决获得所述稳定的问题，但是这将导致增加系统的复杂性、成本、重量、空间和总功率损耗的缺点。这是尝试替代地以所谓的主动稳定的形式获得所述稳定的原因，所述主动稳定通过在DC链路电压发生变化时控制转换器以将第一功率分量增加至要提供给所述第一消耗器的功率来获得DC链路电压的稳定。这种稳定作用不涉及增加滤波器形式的被动部件的所提及的缺点。然而，由于功率负荷的内部高优先级功率控制目标可能会干扰为稳定而产生的功率改造，因此获得所述稳定的这种方式也有缺点。在这种情况下，既不能保证系统的稳定性，也不能保证内部控制目标的实现。内部控制目标包括电流、转矩和功率限制之类的保护功能，还包括需要大控制带宽的性能目标。一个示例是电动车辆的牵引控制，其中可能需要快速功率控制，以在湿滑的道路或轨道条件下将附着力最大化。主动稳定的限制也可以是由功率控制的物理限制引起的，例如阻塞的转换器。在本公开中主要讨论了本发明在有轨车辆中的系统上的应用，以阐明本发明和由此要解决的问题，而不因此将本发明限制于该应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种在引言中定义的类型的系统，该系统通过解决其上述问题相对于已知的此类系统得到了改进。

根据本发明，该目的是通过提供一种具有所附专利权利要求1的特征部分中列出的特征的系统来实现的。

通过配置为感测与系统相关联的至少一个参数(该参数指示控制单元是否能够通过增加所述第一功率分量来获得所述稳定)的装置，可以检测是否出现任意上述情况，其中用于获得所述稳定的转换器的控制改造具有缺陷，并将优选另一稳定程序。在这种情况下，可以控制与转换器并联连接到输入滤波器的输出端的电力的所述第二消耗器，来消耗第二功率分量以达成以下之一：a)协助控制转换器以获得所述稳定性；以及b)当组件无法单独通过在转换器的控制中增加所述第一功率分量来获得稳定性时，单独负责这种稳定性。然后，可以通过代替地使用所述第二消耗器的控制来消耗所述第二功率分量来解决通过使用上述转换器的控制进行稳定的缺点。然而，要指出的是，通过控制转换器进行稳定在其可能的情况下将会被单独使用，因为这样的控制将导致最小或没有额外的功率损耗，但是一旦这种转换器控制不能单独获得所述的稳定性，即以有利的方式，可以通过使用控制所述第二消耗器消耗第二功率分量的选择来获得目标稳定。

根据本发明的实施例，所述第二功率消耗器包括串联连接的电阻和半导体开关，所述半导体开关连接至输入滤波器和转换器之间的DC中间链路，并且系统的所述控制构件配置为通过控制半导体开关通过随后流经电阻的电流来消耗电力来控制所述第二消耗器消耗所述第二功率分量，电阻优选地由电阻器实现。因此，用于获得DC中间链路电压的所述稳定性的所述第二功率分量可以随后通过由流过电阻中的电流在电阻中产生的热量而被消耗。在有轨车辆装有所述系统的情况下，其已有这样的第二电力消耗器并且不必增加，因为它在此作为所谓的制动断开器。这样的断开器能够使存储在DC中间链路(例如在所述输入滤波器中)的能量受控地断电，允许在高DC中间链路电压下的保护，并且可以在车辆制动的情况下被用于消耗电力，而不具有任何将电机形式的所述第一消耗器中产生的功率提供回DC供电线的可能性。后一种可能的用途是将这种消耗器称作制动断开器的原因。

根据本发明的另一实施例，所述装置配置为感测流过所述转换器的电流，并且系统的所述控制构件配置为在感测的电流超过预定值，使得通过增加所述第一功率分量进行的稳定导致可能超过为转换器所允许的最大电流所保留的最小余量时，控制所述第二消耗器消耗所述第二功率分量，以获得所述稳定性。这意味着不需要额外的电流余量，并且借此不需要系统的超尺寸就可以在电流接近转换器允许的最大电流时获得目标稳定性，因为该电流随后将代替地通过控制第二消耗器被偏移以获得所述稳定性。

根据本发明的另一实施例，所述装置配置为感测所述转换器是否被阻塞，并且系统的所述控制构件配置为在转换器被阻塞时控制所述第二消耗器消耗第二功率分量以获得所述稳定性。因此，通过控制所述第二消耗器可以改善转换器被阻塞的系统的阻尼以获得所述稳定性。

根据本发明的另一实施例，系统配置为向电机形式的第一消耗器提供电力。

根据本发明的另一实施例，所述装置配置为感测由电机产生的转矩，并且系统的所述控制构件配置为在感测的转矩超过预定值，使得通过增加所述第一功率分量进行的稳定导致可能超过为电机所允许的最大转矩保留的最小余量时，控制所述第二消耗器消耗所述第二功率分量，以获得所述稳定性。

根据本发明的另一实施例，有轨车辆上装载的这种系统配置为感测电机的转速，并且系统的所述控制构件配置为在感测的速度低于预定值时控制所述第二消耗器消耗所述第二功率分量，以获得所述稳定性。这意味着通过使用所述第二功率消耗器(例如制动断开器)可以在发动机(电机)低速时补偿电机的受限的功率改造可能性，以改善系统的阻尼。

根据本发明的另一实施例，系统配置为向装在有轨车辆上或在车辆的辅助功率系统中的第一消耗器提供电力，装在有轨车辆上的第一消耗器例如用于车辆的推进。

根据本发明的另一实施例，系统配置为提供电力至装在有轨车辆上用于推进车辆的电机，所述装置配置为感测指示所述车辆在其上行驶的轨道湿滑度的参数，并且系统的所述控制构件配置为在感测到需要车辆的侧滑控制的湿滑轨道时控制所述第二消耗器消耗第二功率分量，以获得所述稳定性。这意味着，通过使用所述第二消耗器(例如制动断开器)执行的稳定控制将不会干扰转矩调节(侧滑控制)，该转矩调节是获得在湿滑条件下电机对车辆的车轮的有效影响所必需的。

根据本发明的另一实施例，所述第二消耗器是所谓的制动断开器，其可被控制以在车辆制动时消耗电力，而不具有将电力提供回所述DC能量源的可能性。优选的是使用这样的制动断开器作为所述第二消耗器，因为在任何情况下它都已经存在于有轨车辆中，不增加任何额外的成本。

本发明还涉及根据所附独立方法权利要求的一种用于提供电力的方法。这种方法及在从属权利要求中定义的其实施例的特征和优点在根据本发明的系统的以上讨论中清楚地显现。

本发明还涉及一种用于有轨车辆的驱动装置以及根据所附权利要求的用于这种装置和车辆的有轨车辆。

本发明的进一步的优点和有利特征将在以下描述中显现。

附图说明

参考附图，以下是作为示例引用的本发明实施例的具体描述。

在图中：

图1非常示意性地示出了根据本发明实施例的用于将电力提供至有轨车辆上的电机的系统；

图2示出了本发明所基于的原理；

图3示出了根据本发明实施例的系统中的所述组件通过改变所述第一和第二功率分量的比例所实现的稳压功能；以及

图4a-d是根据本发明的系统中在DC中间链路电压变化时执行的稳定作用的仿真结果曲线图。

具体实施方式

在图1中示意性地示出了系统的总体结构，该系统用于向以装在有轨车辆2上的电机1的形式的电力的第一消耗器提供电力，其中所述电机1用于车辆的推进。系统具有输入滤波器6，该输入滤波器6的输入端配置为连接到以DC供电线5的形式的DC能量源。输入滤波器为LC滤波器6的形式，上述LC滤波器6具有电感器7和电容器10，上述电感器7具有电感8和电阻9。DC中间链路3连接至输入滤波器的输出端14。转换器12(此处是电压源逆变器)具有连接至DC中间链路3的输入端13和输出端15，转换器通过上述输出端15将AC电力输送至电机1。控制单元16配置为通过使用脉冲宽度调制来控制转换器将AC电力提供至电机。转换器的诸如IGBT的功率半导体器件的切换将引起在转换器的输入侧上由所述滤波器6所抑制的谐波。控制单元配置为独立于DC中间链路上的电压变化来获得电机所请求的电力供给。以电阻器17形式的第二电力消耗器与诸如IGBT的半导体开关18串联连接，与LC滤波器6的电容器10并联连接至滤波器的输出端14。这构成了所谓的制动断开器19，通过该制动断开器19可以在没有将在车辆制动时由随后作为发电机的电机1产生的功率提供回DC供电线5的可能性时，消耗该产生的功率。系统的控制构件20配置为控制半导体开关18，并由此所述第二消耗器通过流过并加热电阻器17的电流来消耗电力。控制构件20可以如图1所示集成于控制单元16中，或者可以由单独的单元形成。

系统具有配置为在DC中间链路电压变化时稳定该电压的组件。例如，如果所述电压突然降低，则在控制转换器向电机提供恒定功率的情况下，会导致电流突然增加以保持功率不受影响，这将进一步降低电压，并因此导致DC中间链路电压的不稳定。然而，这种行为可以通过随后使控制单元16控制转换器12增加第一功率分量至要提供给电机的功率来抵消，因此流至电机的电流将不会降低，但提供至该电机的功率会短时间内轻微地增加。这意味着在DC链路电压发生变化时，获得该电压的有效稳定而不引起任何额外的功率损耗。然而，在某些情况下不可能有效地执行这种稳定过程。在这种情况下，控制构件20可以在DC中间链路电压发生变化时代替地控制制动断开器19来消耗第二功率分量，以获得该电压的所述稳定性。系统包括配置为感测与系统相关联的至少一个参数的装置，上述参数指示控制单元是否能够通过增加所述第一分量至转换器的控制来获得所述稳定性。然后，控制单元可以决定如何将两种可能的稳定过程组合。这在图2中示意性地示出，其中示出了30作为用于稳定性的总功率改造，其以被增加至由电机消耗的功率以获得稳定性的功率分量的形式。这可以通过由将被电机消耗的第一功率分量31和/或被制动断开器(第二消耗器)所消耗的第二功率分量32来完成。限制块33的上限和下限随系统的工作点动态地变化，以实现所需的稳定性能，同时将制动断开器的使用最小化以将功率损耗最小化。嵌入形式为“下限至零”的块的限制块34，因为如果制动断开器无法实现负偏差，制动断开器的功率基准将为正。然而，制动断开器控制可以设有偏移，该偏移能使该断开器的功耗动态地降低，并因此获得这种负偏差。

系统包括配置为感测与系统相关联的至少一个参数的装置，上述参数指示控制单元16是否能够通过增加所述第一分量来获得所述稳定性，并且通过图3中由40所指示的箭头，该装置配置为感测流过转换器12的电流。控制构件20配置为当感测电流超过预定值，使得通过增加所述第一分量的稳定性导致可能超过对转换器所允许的最大电流所保留的最小余量时，控制第二消耗器(此处指制动断开器19)来消耗所述第二功率分量以获得所述稳定性。这意味着在控制转换器时，系统不用超尺寸以能够通过增加所述第一功率分量来获得所述稳定性，这会需要额外的电流余量以进行正确的操作。

通过图3中的箭头41，指示装置进一步配置为感测所述转换器12是否被阻塞，并且系统的控制构件20配置为在转换器被阻塞时控制所述第二消耗器(此处指制动断开器19)来消耗第二功率分量，以获得所述稳定性，从而导致改善的系统的阻尼。

通过图3中的箭头42，指示装置进一步配置为感测车辆的速度，并且系统的控制构件20配置为控制所述第二消耗器(此处指制动断开器19)来消耗所述第二功率分量，以在感测的速度低于预定值时获得所述稳定性。如前所述，通过使用所述第二消耗器来改善系统阻尼，可以由此补偿发动机(电机1)在低速时的受限功率改造可能性。

在图3中，箭头43指示装置如何进一步配置为感测指示车辆在其上行驶的轨道湿滑度的参数，并且系统的控制构件20配置为在感测到需要车辆的侧滑控制的湿滑轨道时控制所述第二消耗器(此处指制动断开器19)来消耗第二功率分量，以获得所述稳定性。这意味着稳定作用与对发动机的功率控制是分离的，因此可以仅将其定向为满足侧滑控制的要求。45指示鉴于40-43为获得所述稳定性而要执行的实际控制。

图4a-d是曲线图，其示出了如何通过将转换器的控制(功率发动机控制)和制动断开器(第二消耗器)的控制相结合来获得用于获得所述稳定性的期望的功率改造。图4a示出了相对于时间的DC中间链路电压U_d，以及该电压如何因系统的DC供电电压阶梯式变化而升高和降低。图4b是相对于时间的为了获得所述稳定性的功率改造P_stab的曲线图。图4c是电机1的发动机转矩T相对于时间的曲线图，其示出了如何通过修改发动机转矩基准在电压降低和第一电压升高时实现期望的功率改造，但是在如图4d所示的第二电压升高时，其通过制动断开器实现，所述图4d示出了制动断开器的实际功率P₂(即所述第二功率分量)相对于时间的曲线图。

当然，本发明绝不限于上述实施例，因为在不背离所附权利要求书所限定的发明范围的情况下，对于本领域的技术人员来说，其修改的许多可能性可能是显而易见的。

“电力的消耗器”应被解释为通常消耗电力的构件，但是这种构件在某些情况下也可能产生电力，例如在装在有轨车辆上的电机在车辆制动时的情况下。

所述第一和第二功率分量可以是正的或者负的，这也如在图4b中当DC中间链路电压降低时增加至电机功率控制的第一功率分量所示。

当然，系统可以提供电力至多个第一消耗器，例如铁路车辆中的电机。

所述装置可以被配置为感测任意数量的参数，也可以是仅一个。

输入滤波器可以有任意不同于图1所示的LC滤波器的其他外观。

电机或车辆的“感测速度”不应解释为仅限于测量速度，还应涵盖其估算。

Claims (19)

1.一种将电力提供至电力的第一消耗器(1)的系统，所述系统包括：

·输入滤波器(6)，具有配置为连接至DC能量源的输入端；

·DC中间链路(3)，连接至输入滤波器(6)的输出端(14)；

·转换器(12)，具有连接至DC中间链路(3)的输入端(13)以及配置为连接至所述电力的第一消耗器(1)的输出端(15)；

·单元(16)，配置为控制转换器以独立于DC中间链路(3)上的电压变化获得所述第一消耗器(1)所请求的电力供给；以及

·组件，配置为在DC中间链路上的电压变化时稳定该电压，

所述组件包括所述单元(16)，所述单元(16)配置为控制转换器(12)来增加第一功率分量至要提供给所述第一消耗器的功率，以在DC中间链路电压发生变化时获得该电压的稳定性，

其特征在于：所述系统包括配置为感测与系统相关联的至少一个参数的装置(40-43)，所述参数指示控制单元(16)是否能通过增加所述第一功率分量获得所述稳定性；所述组件进一步包括与转换器(12)并联连接的电力的第二消耗器(19)，所述第二消耗器(19)连接至输入滤波器(6)的输出端(14)；以及系统的控制构件(20)配置为控制所述第二消耗器(19)来消耗第二功率分量以达成以下之一：a)协助控制转换器(12)以获得所述稳定性，以及b)当组件无法单独通过在转换器的控制中增加所述第一功率分量来获得稳定性时，单独负责这种稳定性。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述第二功率消耗器(19)包括串联连接的电阻(17)和半导体开关(18)，所述半导体开关连接至所述输入滤波器(6)和转换器(12)之间的DC中间链路(3)；以及系统的所述控制构件(20)配置为通过控制半导体开关(18)通过随后流经电阻(17)的电流消耗电力来控制所述第二消耗器消耗所述第二功率分量。

3.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于：所述装置(40)配置为感测流经所述转换器(12)的电流；以及系统的所述控制构件(20)配置为当感测的电流超过预定值，使得通过增加所述第一功率分量的稳定化导致可能超过为转换器所允许的最大电流所保留的最小余量时，控制所述第二消耗器(19)来消耗所述第二功率分量，以获得所述稳定性。

4.如前述任一权利要求所述的系统，其特征在于：所述装置(41)配置为感测所述转换器(12)是否被阻塞；以及系统的所述控制构件(20)配置为在转换器被阻塞时控制所述第二消耗器(19)来消耗第二功率分量，以获得所述稳定性。

5.如前述任一权利要求所述的系统，其特征在于，所述系统配置为向以电机(1)形式的第一消耗器提供电力。

6.如权利要求5所述的系统，其特征在于：所述装置(40)配置为感测电机产生的转矩；以及系统的所述控制构件(20)配置为在感测的转矩超过预定值，使得通过增加所述第一分量的稳定化导致可能超过为电机所允许的最大转矩所保留的最小余量时，控制所述第二消耗器(19)来消耗所述第二功率分量，以获得所述稳定性。

7.如权利要求6所述的系统，其特征在于：所述装置(42)配置为感测电机(1)的转速；以及系统的所述控制构件(20)配置为在感测的速度低于预定值时控制所述第二消耗器(19)来消耗所述第二功率分量，以获得所述稳定性。

8.如权利要求5-7中任一项所述的系统，其特征在于，所述系统配置为向以装在有轨车辆(2)上的电机(1)或车辆的辅助功率系统中的电机(1)的形式的第一消耗器提供电力，所述装在有轨车辆(2)上的电机(1)例如用于车辆的推进。

9.如权利要求8所述的系统，其特征在于：所述系统配置为向装在有轨车辆(2)上的电机(1)提供电力以用于车辆的推进；所述装置(43)配置为感测指示所述车辆(2)在其上行驶的轨道湿滑度的参数；以及系统的所述控制构件(20)配置为在感测到需要车辆的侧滑控制的湿滑轨道时控制所述第二消耗器(19)来消耗第二功率分量，以获得所述稳定性。

10.如权利要求8或9所述的系统，其特征在于，所述第二消耗器是所谓的制动断开器(19)，其能够被控制以在车辆(2)制动时消耗电力，而不具有将电力提供回所述DC能量源的可能性。

11.一种通过系统向电力的第一消耗器(1)提供电力的方法，所述系统包括：

·输入滤波器(6)，具有配置为连接至DC能量源的输入端；

·DC中间链路(3)，连接至输入滤波器(6)的输出端(14)；

·转换器(12)，具有连接至DC中间链路(3)的输入端(13)以及配置为连接至所述电力的第一消耗器(1)的输出端(15)；以及

·单元(16)，配置为控制转换器以独立于DC中间链路上的电压的变化获得所述第一消耗器(1)所请求的电力供给，

所述方法包括以下步骤：

a)在DC中间链路(3)上的电压变化时，实施稳定该电压的措施，

其中步骤a)包括以下子步骤：

a₁)控制转换器(12)将第一功率分量增加至要提供给所述第一消费器(1)的功率，以在DC链路电压发生变化时获得该电压的稳定性，

其特征在于，所述系统包括与转换器(12)并联连接的电力的第二消耗器(19)，所述第二消耗器(19)连接至输入滤波器(6)的输出端(14)；以及所述方法还包括以下步骤：

b)感测与系统相关联的至少一个参数，所述参数指示控制单元(16)是否能够通过增加所述第一功率分量来获得所述稳定性；

以及在步骤a)中进一步包括以下子步骤：

a₂)控制所述第二消耗器(19)以消耗第二功率分量以达成以下之一：1)协助控制转换器(12)以获得所述稳定性，以及2)当无法单独通过在控制转换器时增加所述第一功率分量来获得所述稳定性时，单独负责这种稳定性。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于：在步骤b)中感测流经所述转换器(12)的电流；以及在步骤a₂)中在感测的电流超过预定值，使得通过增加所述第一功率分量的稳定化导致可能超过为转换器所允许的最大电流所保留的最小余量时，控制所述第二消耗器(19)来消耗所述第二功率分量，以获得所述稳定性。

13.如权利要求11或12所述的方法，其特征在于：在步骤b)中感测所述转换器(12)是否被阻塞；以及在步骤a₂)中在转换器(12)被阻塞时控制所述第二消耗器(19)来消耗第二功率分量，以获得所述稳定性。

14.如权利要求11-13中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法被实施用于配置为向以电机(1)的形式的第一消耗器(1)提供电力的系统。

15.如权利要求14所述的方法，其特征在于：在步骤b)中感测电机的速度；以及在步骤a₂)中在感测的速度低于预定值时控制所述第二消耗器(19)来消耗所述第二功率分量，以获得所述稳定性。

16.如权利要求14或15所述的方法，其特征在于，所述方法被实施用于以装在有轨车辆(2)上的电机的形式的消耗器(1)。

17.如权利要求16所述的方法，其特征在于：所述方法配置为向装在有轨车辆(2)上的电机(1)提供电力以推进车辆；在步骤b)中感测参数，所述参数指示所述车辆(2)在其上行驶的轨道的湿滑度；以及在步骤a₂)中在感测到需要车辆的侧滑控制的湿滑轨道时控制所述第二消耗器(19)来消耗第二功率分量，以获得所述稳定性。

18.一种用于有轨车辆的驱动装置，其特征在于，所述驱动装置包括根据权利要求1-10中任一项所述的系统，所述系统用于向装在有轨车辆(2)上的电力的第一消耗器(1)提供电力。

19.一种有轨车辆，具有根据权利要求1-10中任一项所述的系统，所述系统向装在车辆(2)上的电力的第一消耗器(1)提供电力。

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