CN102774294A - 基于串联补偿变压器的能馈式牵引供电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于串联补偿变压器的能馈式牵引供电装置，包括移相变压器、二极管整流机组和PWM整流机组，还包括串联补偿变压器；移相变压器的数量为一个；移相变压器的原边三相绕组用于与交流电源连接，移相变压器的两个副边三相绕组与二极管整流机组的交流侧连接，移相变压器的两个副边三相绕组还与串联补偿变压器的原边三相绕组连接，串联补偿变压器的副边三相绕组与PWM整流机组的交流侧连接，串联补偿变压器用于调整PWM整流机组的输入电压，以使PWM整流机组与二极管整流机组的输出电压相等。本发明可以减少移相变压器的数量，降低能馈式牵引供电装置的成本，并且能够减小安装空间。
Description
技术领域
本发明涉及电力机车的牵引供电技术，尤其涉及一种具有能量回馈功能的基于串联补偿变压器的能馈式牵引供电装置。
背景技术
目前，电力机车，特别是城市轨道列车普遍采用直流供电，通过变电所的牵引供电装置为列车供电，牵引供电装置采用12或24脉波二极管整流机组将交流电网的交流电转换成直流电为列车的直流牵引网供电，现有的二极管整流机组的直流输出电压不可控且电压波动范围大；并且，二极管整流机组能量只能由交流侧向直流侧单向传输，列车再生制动时的制动能量不能回馈交流电网，需用制动电阻消耗多余能量，造成能源的浪费。
申请号为200810103678.7的中国专利文献，公开了一种混合式牵引供电装置及控制方法，采用脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，简称PWM）整流机组与二极管整流机组并联，充分利用二极管整流机组简单可靠、过载能力强，以及PWM整流机组能量双向流动，功率因数可调的优点，既能改善直流电网电压稳定性，提高供电品质，同时也能实现列车制动能量回馈交流电网，避免制动能量在制动电阻上消耗，节约能量。
但是，上述技术方案中，如果二极管整流机组和PWM整流机组输入的交流电压相同，则PWM整流机组输出的直流电压比二极管整流机组输出的直流电压大，需要对二极管整流机组和PWM整流机组分别配置不同的移相变压器，因而设备成本较高，并且移相变压器的电压等级较大，体积较大，需要占用很大的安装空间。
发明内容
本发明提供一种基于串联补偿变压器的能馈式牵引供电装置，以解决现有技术中能馈式牵引供电装置需要配置多个移相变压器，设备成本高且安装空间大的技术缺陷。
本发明提供一种基于串联补偿变压器的能馈式牵引供电装置，包括移相变压器、二极管整流机组和PWM整流机组，该能馈式牵引供电装置还包括串联补偿变压器；所述移相变压器的数量为一个；
所述移相变压器的原边三相绕组用于与交流电源连接，所述移相变压器的两个副边三相绕组与所述二极管整流机组的交流侧连接，所述移相变压器的两个副边三相绕组还与所述串联补偿变压器的原边三相绕组连接，所述串联补偿变压器的副边三相绕组与所述PWM整流机组的交流侧连接，所述串联补偿变压器用于调整所述PWM整流机组的输入电压，以使所述PWM整流机组与二极管整流机组的输出电压相等。
如上所述的能馈式牵引供电装置，优选地，所述移相变压器的原边三相绕组为三角形连接，所述移相变压器的两个副边三相绕组分别为三角形连接和星形连接。
如上所述的能馈式牵引供电装置，优选地，所述串联补偿变压器的原边三相绕组为星形连接；
所述串联补偿变压器的一个副边三相绕组为独立绕组，该副边三相绕组的同名端与所述串联补偿变压器的原边三相绕组连接，该副边三相绕组的非同名端与所述PWM整流机组的交流侧连连接；
所述串联补偿变压器的另一个副边三相绕组为三角形连接，用于提供三次电流回路。
如上所述的能馈式牵引供电装置，优选地，所述二极管整流机组包括两个并联的二极管整流器且分别与所述移相变压器的两个副边三相绕组连接。
如上所述的能馈式牵引供电装置，优选地，所述二极管整流器包括三组二极管整流单元；
每组二极管整流单元包括两个串联的二极管单元；
每组二极管整流单元的中点与交流侧的交流母线连接，每组二极管整流单元的正极和负极与直流侧的直流母线连接。
如上所述的能馈式牵引供电装置，优选地，所述二极管单元包括多个并联的二极管且每个二极管串联有熔断器。
如上所述的能馈式牵引供电装置，优选地，所述PWM整流机组包括两个并联的PWM整流器，每个PWM整流机组与一个串联补偿变压器的副边三相绕组连接。
如上所述的能馈式牵引供电装置，优选地，所述PWM整流器包括三组功率器件；每组功率器件包括两个串联的功率模块；
每组功率器件的中点与交流侧的交流母线连接，每组功率器件的正极和负极与直流侧的直流母线连接。
如上所述的能馈式牵引供电装置，优选地，所述PWM整流器还包括交流滤波电容和交流滤波电感；
所述交流滤波电容并联在交流侧的交流母线上，所述交流滤波电感分别串联交流侧的交流母线上。
如上所述的能馈式牵引供电装置，优选地，所述PWM整流器还包括直流支撑电容和直流熔断器；所述直流支撑电容并联在直流侧的直流母线上，所述直流熔断器串联在直流侧的直流母线上。
如上所述的能馈式牵引供电装置，优选地，所述能馈式牵引供电装置还包括LC滤波器，所述LC滤波器与所述二极管整流机组和PWM整流机组的直流输出端连接。
本发明提供的基于串联补偿变压器的能馈式牵引供电装置，通过串联补偿变压器实现二极管整流机组和PWM整流机组共用一个移相变压器，可以减少移相变压器的数量，降低能馈式牵引供电装置的成本，并且由于串联补偿变压器的电压等级很小，因而能够减小变压器的安装空间。
附图说明
图1为本发明实施例提供的基于串联补偿变压器的能馈式牵引供电装置的示意图；
图2为本发明实施例提供的移相变压器的示意图；
图3为本发明实施例提供的串联补偿变压器的示意图；
图4为本发明实施例提供的二极管整流器的主电路示意图；
图5为本发明实施例提供的PWM整流器的主电路示意图；
图6为本发明实施例提供的基于串联补偿变压器的能馈式牵引供电装置的控制框图；
图7为本发明实施例提供的PWM整流器的控制框图；
图8为本发明实施例提供的电流环控制框图。
具体实施方式
图1为本发明实施例提供的基于串联补偿变压器的能馈式牵引供电装置的示意图。如图1所示，本实施例提供的基于串联补偿变压器的能馈式牵引供电装置，包括移相变压器1、二极管整流机组2、PWM整流机组3和串联补偿变压器4。
移相变压器1的数量为一个，移相变压器1的原边三相绕组用于与交流电源连接，该交流电源可以为三相交流电网，移相变压器1的两个副边三相绕组分别与二极管整流机组2的交流侧连接。移相变压器1的两个副边三相绕组还与串联补偿变压器4的原边三相绕组连接，串联补偿变压器4的副边三相绕组与PWM整流机组3的交流侧连接，串联补偿变压器4用于调整PWM整流机组3的输入电压，以使PWM整流机组3与二极管整流机组2的输出电压相等。
二极管整流机组2为不控整流器，二极管整流机组2将移相变压器1输出的三相交流电整流后输出直流电压Vdc1。PWM整流机组3为受控整流器，PWM整流机组3将串联补偿变压器4输出的三相交流电整流后输出直流电压Vdc2，通过串联补偿变压器4调节PWM整流机组3的输入电压，进而使得PWM整流机组的输出电压Vdc2与二极管整流机组的输出电压Vdc1相等，并联向列车的直流牵引网供电。PWM整流机组3还可以吸收直流侧的制动能量，通过串联补偿变压器4和移相变压器1回馈给交流电网。
列车制动时，列车的制动能量经过PWM整流机组3回馈给串联补偿变压器4，再通过移相变压器1反馈给交流电网。
本实施例提供的基于串联补偿变压器的能馈式牵引供电装置，通过串联补偿变压器4实现二极管整流器2和PWM整流机组3共用一个移相变压器1，可以减少移相变压器1的数量，降低能馈式牵引供电装置的成本，并且由于串联补偿变压器4的电压等级很小，因而能够减小安装空间。
在上述实施例的基础上，该基于串联补偿变压器的能馈式牵引供电装置还包括LC滤波器Ld，LC（电感-电容）滤波器Ld与二极管整流机组2和PWM整流机组3的直流输出端连接。LC滤波器Ld可以对二极管整流机组2和PWM整流机组3输出的直流电压进行滤波。
图2为本发明实施例提供的移相变压器的示意图。如图2所示，进一步地，移相变压器1可以为三相移相移相变压器，该三相移相移相变压器为环氧树脂浇注的干式移相变压器。
移相变压器1具有一个原边绕组和两个副边绕组，原边三相绕组为三角形连接，两个副边三相绕组分别为三角形连接和星形连接。移相变压器1的原边绕组的输入端可以与三相交流电网连接，移相变压器1的两个副边绕组的输出端与二极管整流机组2连接，并且移相变压器1的输出端通过串联补偿变压器4和PWM整流机组3连接。由于移相变压器1的两个副边绕组分别为三角形连接和星形连接，因而两个副边绕组的输出电压的相位差为30度，二极管整流机组2可以产生12脉波整流，进而可以改善交流电网侧的交流电流波形，减小注入交流电网的谐波电流。
进一步地，二极管整流机组2包括两个并联的二极管整流器且分别与移相变压器1的两个副边三相绕组连接。
图3为本发明实施例提供的串联补偿变压器的示意图。如图3所示，串联补偿变压器4的原边三相绕组为星形连接。
串联补偿变压器4的一个副边三相绕组为独立绕组，该副边三相绕组的同名端(A1、B1、C1)分别与串联补偿变压器4的原边三相绕组的同名端（A、B、C）连接，该副边三相绕组的非同名端（A2、B2、C2）与PWM整流机组3的交流侧连连接；
串联补偿变压器4的另一个副边三相绕组为三角形连接，用于提供三次电流回路，具体地，该副边三相绕组的端子首尾连接。
串联补偿变压器4的上述绕组连接方式，将原边三相绕组的电压与副边三相绕组的电压反向串联，可以实现对原边三相绕组电压的反向抵消，实现降低原边三相绕组的电压，并将其通过副边非同名端端子输出给PWM整流机组3。
图4为本发明实施例提供的二极管整流器的主电路示意图。如图4所示，其中，一个二极管整流器包括三组二极管整流单元，三组二极管整流单元构成三相桥式整流电路。每组二极管整流单元包括两个串联的二极管单元，每个二极管整流器共有六个二极管单元（D1~D6）。
每组二极管整流单元的中点与交流侧的交流母线连接，每组二极管整流单元的正极和负极与直流侧的直流母线连接。每个二极管单元可以包括多个并联的二极管且每个二极管串联有熔断器，可以提高二极管整流机组2的容量和可靠性。
图5为本发明实施例提供的PWM整流器的主电路示意图；如图5所示，进一步地，PWM整流机组3包括两个并联的PWM整流器且分别与移相变压器1的两个副边三相绕组连接。每个PWM整流器包括三组功率器件；每组功率器件包括两个串联的功率模块，每个PWM整流器共有六个功率模块（T1~T6）。每组功率器件的中点与交流侧的交流母线连接，每组功率器件的正极和负极与直流侧的直流母线连接。
功率器件可以为半桥式的绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate BipolarTransistor，简称IGBT）功率模块，IGBT功率模块具有驱动、保护和电流测量等功能，采用IGBT功率模块能简化能馈式牵引供电装置的系统结构，提高能馈式牵引供电装置的可靠性。
每个PWM整流器还包括交流滤波电容Cf和交流滤波电感L；交流滤波电容CF的数量为三个，三个交流滤波电容Cf并联在交流侧的交流母线上。交流滤波电感L的数量为三个，分别串联在交流侧的三相交流母线上。交流滤波电容Cf与交流滤波电感L以及移相变压器1的三相副边绕组自身漏感Lk可以构成LCL(电感-电容-电感)型滤波器，从而可以减小PWM整流机组3注入交流电网的谐波电流。
每个PWM整流器还包括直流支撑电容Cd和直流熔断器F；直流支撑电容Cd并联在直流侧的直流母线上，直流熔断器F串联在直流侧的直流母线上。直流支撑电容Cd可以采用薄膜电容，该直流支撑电容Cd的纹波电流通过能力强，等效阻抗小，寿命长。直流熔断器F用于在直流输出发生短路时实现对PWM整流器的主电路的保护。
下面具体说明上述实施例提供的基于串联补偿变压器的能馈式牵引供电装置的控制原理及过程：
上述实施例提供的基于串联补偿变压器的能馈式牵引供电装置，可以采用控制单元对PWM整流机组3进行控制。具体地，图6为本发明实施例提供的基于串联补偿变压器的能馈式牵引供电装置的控制框图。如图6所示，两个并联的二极管整流器直流侧电压vdc1经过闭环控制输出所有PWM整流器的有功电流指令值Id *，之后经过均流控制得到两个PWM整流器的有功电流指令值Id1 *、Id2 *；
可以通过控制单元给定无功指令电流Iq1 *、Iq2 *。移相变压器1的原边绕组电动势ea、eb和ec经过锁相环（Phase Locked Loop，简称PLL）和dq坐标变换得到移相变压器1的每组副边电动势的相角θ1、θ2及旋转坐标系下电动势的值Ed。上述物理量与每个二极管整流器的交流电流、PWM整流器的交流电流共同输入电流环（I_loop1、I_loo2），经过运算输出控制PWM整流器的开关脉冲g1~g6。
图7为本发明实施例提供的PWM整流器的控制框图。如图7所示，该控制方法包括直流电压环和交流电流环。直流电压环的输入包括直流电压的指令值Vdc*、二极管整流机组2输出的直流电压Vdc1及直流电流Idc1、PWM整流机组3输出的直流电压Vdc2及直流电流Idc2。
直流电压环的输出为二极管整流机组2的有功指令电流Id1*和PWM整流机组3的有功指令电流Id2*。
交流电流环的输入包括有二极管整流机组2的有功指令电流Id1*、网侧电动势Ed、无功指令电流Iq1*、电网相角θ1、二极管整流器的电流IA1、IB1和IC1、PWM整流器电流Ia1、Ib1和Ic1。
交流电流环的输出为控制PWM整流器的驱动脉冲g1~g6。
图8为本发明实施例提供的电流环控制框图。如图8所示，以一个二极管整流器为例，移相变压器1的副边相角θ1、旋转矢量幅值Ed、有功电流指令值Id1 *和无功指令电流Iq1 *，二极管整流器交流电流IA1、IB1和IC1，PWM整流器交流电流Ia1、Ib1和Ic1，经过运算，可以消除电网电动势和二极管整流器的干扰，可以得到PWM整流器的指令输出电压，进而通过空间矢量脉宽调制(Space Vector Pulse Width Modulation，简称SVPWM)得到控制PWM整流器的驱动脉冲g1~g6。
本发明上述实施例提供的基于串联补偿变压器的能馈式牵引供电装置，通过串联补偿变压器4实现二极管整流器2和PWM整流机组3共用一个移相变压器1，可以减少移相变压器1的数量，降低能馈式牵引供电装置的成本，并且由于串联补偿变压器4的电压等级很小，因而能够减小安装空间。
本领域普通技术人员可以理解：实现上述各方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成。前述的程序可以存储于一微机控制单元中。该程序在执行时，执行包括上述各方法实施例的步骤；而前述的微机控制单元包括：数字处理芯片、单片机等。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，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，或者对其中部分或者全部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发明各实施例技术方案的范围。
Claims (11)
1.一种基于串联补偿变压器的能馈式牵引供电装置，包括移相变压器、二极管整流机组和PWM整流机组，其特征在于，该能馈式牵引供电装置还包括串联补偿变压器；所述移相变压器的数量为一个；
所述移相变压器的原边三相绕组用于与交流电源连接，所述移相变压器的两个副边三相绕组与所述二极管整流机组的交流侧连接，所述移相变压器的两个副边三相绕组还与所述串联补偿变压器的原边三相绕组连接，所述串联补偿变压器的副边三相绕组与所述PWM整流机组的交流侧连接，所述串联补偿变压器用于调整所述PWM整流机组的输入电压，以使所述PWM整流机组与二极管整流机组的输出电压相等。
2.根据权利要求1所述的能馈式牵引供电装置，其特征在于，所述移相变压器的原边三相绕组为三角形连接，所述移相变压器的两个副边三相绕组分别为三角形连接和星形连接。
3.根据权利要求1或2所述的能馈式牵引供电装置，其特征在于，所述串联补偿变压器的原边三相绕组为星形连接；
所述串联补偿变压器的一个副边三相绕组为独立绕组，该副边三相绕组的同名端与所述串联补偿变压器的原边三相绕组连接，该副边三相绕组的非同名端与所述PWM整流机组的交流侧连连接；
所述串联补偿变压器的另一个副边三相绕组为三角形连接，用于提供三次电流回路。
4.根据权利要求1或2所述的能馈式牵引供电装置，其特征在于，所述二极管整流机组包括两个并联的二极管整流器且分别与所述移相变压器的两个副边三相绕组连接。
5.根据权利要求4所述的能馈式牵引供电装置，其特征在于，所述二极管整流器包括三组二极管整流单元；
每组二极管整流单元包括两个串联的二极管单元；
每组二极管整流单元的中点与交流侧的交流母线连接，每组二极管整流单元的正极和负极与直流侧的直流母线连接。
6.根据权利要求5所述的能馈式牵引供电装置，其特征在于，所述二极管单元包括多个并联的二极管且每个二极管串联有熔断器。
7.根据权利要求1或2所述的能馈式牵引供电装置，其特征在于，所述PWM整流机组包括两个并联的PWM整流器，每个PWM整流机组与一个串联补偿变压器的副边三相绕组连接。
8.根据权利要求7所述的能馈式牵引供电装置，其特征在于，所述PWM整流器包括三组功率器件；每组功率器件包括两个串联的功率模块；
每组功率器件的中点与交流侧的交流母线连接，每组功率器件的正极和负极与直流侧的直流母线连接。
9.根据权利要求8所述的能馈式牵引供电装置，其特征在于，所述PWM整流器还包括交流滤波电容和交流滤波电感；
所述交流滤波电容并联在交流侧的交流母线上，所述交流滤波电感分别串联交流侧的交流母线上。
10.根据权利要求7或8所述的能馈式牵引供电装置，其特征在于，所述PWM整流器还包括直流支撑电容和直流熔断器；所述直流支撑电容并联在直流侧的直流母线上，所述直流熔断器串联在直流侧的直流母线上。
11.根据权利要求1或2所述的能馈式牵引供电装置，其特征在于，所述能馈式牵引供电装置还包括LC滤波器，所述LC滤波器与所述二极管整流机组和PWM整流机组的直流输出端连接。
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| 张钢: "城市轨道交通能馈式牵引供电变流系统关键技术研究", 《中国博士学位论文全文数据库工程科技Ⅱ辑》, 15 February 2011 (2011-02-15) * |
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