CN104009657A - 一种直流牵引供电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种直流牵引供电装置，包括依次连接的降压模块、交直流变换模块、分压模块和DC/DC电压转换模块；降压模块通过高压断路器接入三相供电电源，进行三相降压；交直流变换模块将交流电转换为直流电并进行功率传输；分压模块包括多个串联的分压单元，对直流电进行串联分压；DC/DC电压转换模块包括多个并联的DC/DC电压转换单元，每个DC/DC电压转换单元并接在一个分压单元上，对分压单元输出的分压电压进行直流电压转换，各转换后电压并联输出至直流牵引供电系统。本发明适用范围广、节约成本且工程量小，在不改变交流牵引供电网结构同时实现牵引系统直流供电，具有能解决输入电压高、输出电流大应用问题的优点。

Description

一种直流牵引供电装置

技术领域

本发明涉及机车牵引供电技术领域，尤其涉及在交流牵引供电系统中的一种直流牵引供电装置。

背景技术

目前，对于供电制式，欧洲铁路主要有4种，分别是交流15kV/16.7Hz、交流25kV/50Hz、直流1.5kV和直流3kV；而美国铁路采用的供电制式则主要有交流12.5kV/60Hz及25kV/60Hz；欧洲许多相邻的国家和地区之间也往往具有2～4种供电制式。随着多流制机车的发展，同时为了满足跨区域、跨国运输的要求，采用相对于完全统一的铁路网供电制式可以使工作量更小、费用更节省，也更切合实际。

在我国，由于电压等级和电流制的不同，铁路电力机车牵引供电系统和城市轨道交通车辆牵引供电系统采用各自独立的单制式供电，干线铁路（包括高速铁路）和城市轨道交通地铁、轻轨分开运行，两者均为交流传动，只是供电取能方式不同，其中干线铁路采用交流25kV/50Hz供电，而地铁、轻轨使用DC1500V（750V）供电。随着我国轨道交通的发展，地区铁路与城市轨道交通连接的问题已经出现，例如上海轨道交通11号线已经规划延伸到江苏省的昆山市，不排除今后与地区铁路连接；广东省也已经开始规划珠三角城际轨道交通与广州、深圳地铁的兼容问题。

为了实现地区铁路、城市郊区铁路和城市轨道交通列车的跨线运行，且不考虑电网容量，城轨机车、货运机车在有干线铁路和城市轨道的供电网内混跑在双流制供电下，这在未来是可能出现的，尤其在干线铁路跑城轨机车。而对于主机厂，若同时生产交流车和各电压等级的直流车，这些机车进行试验时如果既建交流线又建直流线则投资大。

综上所述，需要在不改变现有交流牵引供电网的结构下，解决现有牵引供电系统的单一供电制式问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构原理简单、适用范围广、节约成本及工程量、不改变现有交流牵引供电网的结构同时实现牵引系统的直流供电、能够解决输入电压高输出电流大的应用问题的一种直流牵引供电装置。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种直流牵引供电装置，包括依次连接的降压模块、交直流变换模块、分压模块和DC/DC电压转换模块；所述降压模块通过高压断路器接入三相供电电源，对三相电进行降压；所述交直流变换模块连接于降压模块低压侧，用于将降压后的交流电压转换为直流电压并进行功率传输；所述分压模块包括多个串联的分压单元，对交直流变换模块输出的直流电压进行串联分压；所述DC/DC电压转换模块包括多个并联的DC/DC电压转换单元，每个所述DC/DC电压转换单元并接在一个分压单元上，对分压单元输出的分压电压进行直流电压转换，各DC/DC电压转换单元将转换后电压并联输出至直流牵引供电系统。

作为本发明的进一步改进：所述交直流变换模块采用基于H桥结构的换流器，所述换流器包括三相，分别接入降压模块输出的三相交流侧，每相包括两个桥臂，每个桥臂由多个功率单元和一个阀电抗器串联构成。

作为本发明的进一步改进：所述功率单元包括呈并联连接的均压电阻R、支撑电容C及H型整流桥，所述H型整流桥包括四个整流单元，每个整流单元均包括一个IGBT开关管和一个二极管，所述二极管与所对应的IGBT开关管反向并联；通过控制各个整流单元中IGBT开关管的导通和关断，控制所述功率单元输出零、U _d 或-U _d 的电压，其中U _d 为支撑电容C的额定电压。

作为本发明的进一步改进：每个所述分压单元采用分压电容，将交直流变换模块输出的直流电压等分为多个电压。

作为本发明的进一步改进：所述DC/DC转换单元包括依次连接的DC/AC变换器、隔离变压器以及AC/DC变换器。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

（1）本发明在不改变现有交流牵引供电网的结构下，将三相交流电源经过降压、直流变换、分压、电压转换后并联输出适用于城轨系统供电的1500V或750V直流电，实现对牵引系统的直流供电，也可以应用于其他直流供电场合，适用范围广泛，解决主机厂的交直流试验线的统一问题，从而实现地铁和城轨铁路接轨时的双流制供电，且能够减少大量的重复建设，以避免巨大的资源浪费、有效节省投资成本及工程量。

（2）本发明采用模块化多电平换流器实现将交流电到直流电的变换，能够灵活扩宽输入电压和输出电流范围并提高可靠性，同时通过直流输电能够降低线路损耗、提高电网的输送能力，从而节约电能；模块化多电平换流器采用基于H桥结构的换流器时，能够输出连续可调的高电压、大电流，可直接用于高压直流输电，也可以用于直流融冰，且其整流电路谐波含量极低，可以解决牵引网三相平衡、功率因数及谐波等一系列问题，保证供电可靠性、提高电网的输电能力。

（3）本发明采用先通过串联的分压单元对直流电进行分压再对各分压后电压进行DC/DC变换，并联输出变换后电流，即实现输入串联、输出并联，能够很好的解决输入电压高、输出电流大的应用问题。

（4）本发明通过采用模块化多电平换流器进行直流变换，并对直流电进行DC/DC电压转换，替换了传统供电系统中的牵引变压器和整流机组，减少了占地面积，能够有效降低谐波含量、提高系统功率因数。

附图说明

图1是本实施例一种直流牵引供电装置拓扑结构示意图。

图2是本实施例中功率单元结构示意图。

图例说明

1、降压变压器；2、换流器；3、分压电容；4、DC/DC转换单元。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

如图1所示，本实施例一种直流牵引供电装置，包括依次连接的降压模块、交直流变换模块、分压模块和DC/DC电压转换模块。降压模块通过高压断路器QF接入三相供电电源，对三相电进行降压；交直流变换模块连接于降压模块低压侧，用于进行交流-直流电压转换、传输功率以及为交流系统提供一定无功功率支撑；分压模块包括多个串联的分压单元，对交直流变换模块输出的直流电压进行串联分压；DC/DC电压转换模块包括多个并联的DC/DC电压转换单元，对每个分压单元输出的分压电压分别进行直流电压转换，各路转换后电压并联输出至直流牵引供电系统；每一个DC/DC电压转换单元并接在一个分压单元上，其中降压模块采用降压变压器1，交直流变换模块采用基于H桥结构的换流器2，分压单元采用分压电容3。

本实施例中，降压变压器1的高压侧通过网侧高压断路器接入三相供电电源，二次侧绕组通过网侧高压断路器QF与交直流变换模块连接。闭合网侧高压断路器QF，降压变压器1的输入端直接接于高压电网，根据实际需求，降压变压器1将三相供电电源降压至合适的电压等级后输出至换流器2。

本实施例采用模块化设计实现将交流电到直流电的变换，通过模块化多电平换流器设置能够灵活扩宽输入电压和输出电流范围，提高可靠性和灵活性，同时将交流电转换为直流输电后还能够降低线路损耗、提高电网的输送能力，从而节约电能。

本实施例中，换流器2包括三相，分别接入降压变压器1的三相交流侧，输入降压后的三相高压交流电，每相分为上、下两个桥臂，且各桥臂包括多个相同结构的功率单元以及一个与功率单元串联的阀电抗器，其中三相的上、下桥臂中功率单元分别为：U1~Un、Un+1~U2n；V1~Vn、Vn+1~V2n；W1~Wn、Wn+1~W2n，阀电抗器分别为：La、Lb和Lc。通过调整功率单元的设置数量，可以灵活改变换流器2的输出电压和功率等级。换流器2的三相将输入的三相高压交流电整流为直流电，构成三个并联的直流电源，阀电抗器用于抑制三个相单元间的环流，还可有效减小换流器2内部或外部故障时的电流上升率。

如图2所示，本实施例中功率单元结构，包括四个IGBT开关管VT1~VT4、四个二极管D1～D4、均压电阻R以及支撑电容C，其中由四个IGBT开关管VT1~VT4和四个二极管D1～D4构成整流桥，四个二极管D1～D4分别与四个IGBT开关管VT1~VT4一一对应进行反向并联，由均压电阻R和支撑电容C构成直流滤波电路，整流桥与直流滤波电路并联。通过控制四个IGBT开关管VT1～VT4的导通和关断，功率单元输出零或U _d 或-U _d 电压，其中U _d 为支撑电容C的额定电压。

本实施例模块化多电平的换流器2作为实现高压直流输电工程化的电压源型换流器拓扑之一，其相比于传统直流输电技术，例如传统的二极管或晶闸管整流器，没有换向失败的问题，可实现有功和无功的快速控制同时谐波含量低，还可以解决牵引网三相平衡、功率因数及谐波等一系列问题，保证供电可靠性、提高电网的输电能力；同时换流器2能够产生任何一种极性的直流输出电压，其功率半导体器件还能够清除换流器2直流侧故障而无需任何额外的开关，可广泛应用于输配电领域。

本实施例中，分压模块包括串联的多个相同结构的分压单元C1~Cm，每个分压单元采用分压电容3，根据实际需求将换流器2转换输出的高压直流电进行串联分压，等分为m个电压。

本实施例中，DC/DC电压转换模块包括并联的m个相同结构的DC/DC转换单元4，每个DC/DC转换单元4相应的并接至一个分压电容3上，由DC/DC转换单元4将分压电容3上的分压电压变换成适合于城轨供电系统的供电电源DC1500V/750V。DC/DC电压转换模块的输出负端通过隔离开关QS接地，进行直流牵引供电时，闭合隔离开关QS，各分压电容3上的分压电压经过DC/DC转换单元4的直流转换后并联输出至城轨供电系统。

本实施例中，DC/DC转换单元4包括依次连接的DC/AC变换器、隔离变压器以及AC/DC变换器，m个DC/DC转换单元4分别对应DC/AC变换器1~m、隔离变压器1~m和AC/DC变换器1~m，每个DC/DC转换单元4对输入直流电执行DC-AC的逆变后再进行AC-DC的整流变换，将各个分压电容3上的分压电压变换为1500V/750V的直流，输出给城轨供电系统进行直流牵引供电。在其他实施例中，还可以根据实际需求变换为DC1500V/750V以外的其他大小的直流电压。

本实施例采用先由分压电容3对直流电进行分压，再对分压后电压分别进行DC/DC变换，并联输出变换后电流，此种输入串联输出并联的拓扑结构便于实现直流电压的变换，可以很好的应用在输入电压高、输出电流大的场合，解决输入电压高、输出电流大的应用问题。

工作时，在闭合网侧高压断路器QF、隔离开关QS后，降压变压器1的输入端直接接于高压电网，降压变压器1进行降压后由换流器2将降压后的三相高压交流电整流成高压直流电，通过多个分压电容3进行串联分压，每个分压电容3两端电压经DC/DC转换单元4变换成适用于给城轨系统供电的1500V或750V直流电源后并联输出。

采用上述结构，本实施例在不改变现有交流牵引供电网的结构下，在交流牵引供电系统中将三相交流电源经过降压、直流变换、分压后并联输出适用于城轨系统供电的1500V或750V直流电，实现对牵引系统的直流供电，从而解决主机厂的交直流试验线的统一问题，从而实现地铁和城轨铁路接轨时的双流制供电，使资源和环境的承载能力相协调、与社会进步相适应；由于在现有交流牵引供电网的结构下进行直流转换，可以减少大量的重复建设，以避免巨大的资源浪费，有效节省投资成本及工程量。在其他实施例中，本发明同样也适用于其他需要直流供电的场合提供直流供电，其原理与上述一致。

上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。 

Claims (5)

1.一种直流牵引供电装置，其特征在于：包括依次连接的降压模块、交直流变换模块、分压模块和DC/DC电压转换模块；所述降压模块通过高压断路器接入三相供电电源，对三相电进行降压；所述交直流变换模块连接于降压模块低压侧，将降压后的交流电压转换为直流电压并进行功率传输；所述分压模块包括多个串联的分压单元，对交直流变换模块输出的直流电进行串联分压；所述DC/DC电压转换模块包括多个并联的DC/DC电压转换单元，每个所述DC/DC电压转换单元并接在一个分压单元上，对分压单元输出的分压电压进行直流电压转换，各DC/DC电压转换单元将转换后电压并联输出至直流牵引供电系统。

2.根据权利要求1所述的一种直流牵引供电装置，其特征在于：所述交直流变换模块采用基于H桥结构的换流器（2），所述换流器（2）包括三相，分别接入降压模块输出的三相交流侧，每相包括两个桥臂，每个桥臂由多个功率单元和一个阀电抗器串联构成。

3.根据权利要求2所述的一种直流牵引供电装置，其特征在于：所述功率单元包括呈并联连接的均压电阻R、支撑电容C及H型整流桥，所述H型整流桥包括四个整流单元，每个整流单元均包括一个IGBT开关管和一个二极管，所述二极管与所对应的IGBT开关管反向并联；通过控制各个整流单元中IGBT开关管的导通和关断，控制所述功率单元输出零、U _d 或-U _d 的电压，其中U _d 为支撑电容C的额定电压。

4.根据权利要求1或2或3中任意一项所述的一种直流牵引供电装置，其特征在于：每个所述分压单元采用分压电容（3），将交直流变换模块输出的直流电压等分为多个电压。

5.根据权利要求1或2或3中任意一项所述的一种直流牵引供电装置，其特征在于：所述DC/DC转换单元（4）包括依次连接的DC/AC变换器、隔离变压器以及AC/DC变换器。