油電混合動力機車交流電氣傳動系統(tǒng)2013

油電混合動力機車交流電氣傳動系統(tǒng)中國船舶重工集團公司第七一二研究所2013年6月?簡介工礦企業(yè)、港口、鐵路編組站、軌道施工服務單位大量使用調車機車、工程機車和檢修機車（統(tǒng)稱為“調車機車）與干線運輸機車相比，該類機車存在平均負荷率低、運行速度低、載荷變化大、連續(xù)作業(yè)時間短、線路相對固定，機車作業(yè)時頻繁啟停、加速、制動、換向等特點。目前，以上軌道牽引任務幾乎全部由內燃液力傳動調車機車和內燃交直傳動調車機車承擔，由于調車機車的以上作業(yè)特點，造成了機車燃油經濟性差，效率低、能耗高、排放大。然而，隨著能源問題和環(huán)境問題的日趨嚴重和我國轉變經濟發(fā)展方式的不斷深入，工礦企業(yè)對于“節(jié)能減排”的要求越來越強烈。油電混合動力機車（以下簡稱為“機車”）是以“低碳環(huán)?！薄ⅰ肮?jié)能減排”和“實用性，，為指導思想，專門為工礦企業(yè)調車、鐵路救援車、施工車等非干線牽引場合開發(fā)的串聯(lián)式混合動力交流電牽引機車。機車動力系統(tǒng)由柴油發(fā)電機組和動力蓄電池組組成，通過電力電子變流裝置實現(xiàn)二者的能量混合，供給牽引逆變器，進一步驅動牽引電動機，再經過機械傳動裝置實現(xiàn)機車的牽引。機車控制系統(tǒng)根據(jù)機車的使用工況，進行有效的能量管理，實現(xiàn)柴油機和動力電池的最佳功率匹配和制動能量的回收。?組成機車采用串聯(lián)式油電混合動力交直交傳動方案，可配置成集中動力或分散動力方式，主要設備包括發(fā)電柴油機、牽引發(fā)電機、牽引變流器、牽引電動機、充電機、電池管理系統(tǒng)、整車控制器、能量分配器和輔助設備等。圖1機車混合動力系統(tǒng)組成?原理傳統(tǒng)的內燃機液力傳動機車或內燃電傳機車只有柴油機一個動力源，柴油機需滿足機車最大牽引功率需求，然而在調車工況運行時，機車啟停頻繁、牽引功率變化頻繁，站場用調車機車的典型運行工況如圖2所示。從圖中可看出，調車機車的平均牽引功率約占到最大功率的1/2?1/3，因此導致柴油機長期工作在遠離經濟區(qū)的區(qū)域，特別是在怠速時，柴油機發(fā)出的全部能量消耗在機械損失上，效率為零。此外，由于液力傳動箱的效率較低，造成整車效率非常低下，油耗高，排放大。600目―I踽討率]F_平挖功率.co-N膈'圖2典型調車機車的功率分布油電混合動力機車采用一臺小功率柴油發(fā)電機組提供平均功率，結合能量存貯裝置（動力蓄電池組）為機車提供峰值功率。當負載功率低于柴油發(fā)電機組輸出功率或機車制動時，動力蓄電池組吸收并存貯多余的能量；當負載需求功率大于柴油發(fā)電機組的輸出能力時，通過動力蓄電池組釋放儲存的能量補償浮動功率。與傳統(tǒng)的內燃機液力傳動機車相比，混合動力機車可保證較小功率的柴油發(fā)電機組大部分時間工作在經濟特性區(qū)，降低油耗和排放。?特點（1）串聯(lián)混合模式發(fā)動機工作狀態(tài)不受車輛行駛工況的影響，始終在最佳工作區(qū)域內穩(wěn)定運行，因此，發(fā)動機具有良好的經濟性和低排放性能。發(fā)動機與牽引電機之間無機械連接，整車的結構布置自由度較大。與并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)相比，牽引電機的功率大，制動能量回收的潛力大，系統(tǒng)能量利用效率高。（2）直接耦合混合動力方式系統(tǒng)將柴油發(fā)電機組經過整流裝置與動力蓄電池組直接耦合，通過能量控制程序對柴油機、發(fā)電機和整流裝置進行協(xié)調控制，實現(xiàn)柴油發(fā)電機組與動力蓄電池組的功率分配。與常見的混合動力系統(tǒng)相比，該方式減少了動力蓄電池組與直流母線間的大功率DC/DC變換器，從而簡化了系統(tǒng)，同時大大降低了設備投入。（3）共直流母線方式共直流母線方式將機車動力系統(tǒng)分為前功率鏈和后功率鏈兩部分，實現(xiàn)了前后功率鏈的完全解耦，使系統(tǒng)更加簡單易控，為機車完美的動力性能和可靠性創(chuàng)造了有力的基礎。（4）可逆牽引逆變器+變頻牽引電動機傳動方式變頻牽引電動機的特性與機車固有牽引特性完滿結合，充分利用機車軸重和黏著力，通過先進的矢量控制策略實現(xiàn)牽引電動機的四象限運行、轉矩/功率控制模式和機車黏著力控制，使機車具有優(yōu)異的牽引性能，如低速大牽引力、調速范圍大、精度高、最低持續(xù)速度遠低于液力傳動車。變頻牽引電動機運行可靠，重量輕，效率較高而且價格低廉，大大降低了電機成本和維護成本，同時實現(xiàn)了機車的最優(yōu)化運行，和機車減速、下坡、制動時的能量回收。（5）先進的控制系統(tǒng)系統(tǒng)采用自主研發(fā)的牽引發(fā)電機、整流裝置、牽引逆變器、牽引電動機、整車控制器和BMS等，針對機車牽引特點，進行了系統(tǒng)的最優(yōu)化設計。通過先進的控制網(wǎng)絡和程序，實現(xiàn)復雜的控制邏輯、算法和專家系統(tǒng)，大大提高了系統(tǒng)的可靠性、整體效率，有效延長了動力蓄電池組等易損設備的使用壽命。?七一二所簡介中船重工七一二研究所是中國唯一的艦船電力推進裝置專業(yè)軍工研究所，主要從事船舶電力推進系統(tǒng)及設備的研發(fā)、設計、試驗和制造，擁有綜合電力技術國防科技重點實驗室，世界先進水平的電力推進系統(tǒng)試驗室，國家級的永磁電機實驗室，沖擊震動及溫升試驗室，電磁兼容及噪聲試