CN104022504B - 基于spwm技术的电气化铁路牵引变电所用电源 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于SPWM技术的电气化铁路牵引变电所用电源，其包括电源母线；电源母线通过第一开关连接牵引变压器的原边输入端，牵引变压器的副边输出端通过第二开关与第三开关的一端连接，第三开关的另一端与多绕组连接变压器的原边输入端连接；牵引变压器将27.5KV母线电压降低为10KV电压，多绕组连接变压器将所述10KV电压降压变换后在多绕组连接变压器的副边输出端得到三相电压，三相电压中的每相电压均与电能质量调节电路连接，通过电能质量调节电路消除谐波并得到所需的10KV电压；电能质量调节电路通过第四开关与负载连接。本发明结构紧凑，采用牵引变压器低压测27.5KV作为电力配变电所供电电源，降低谐波干扰，安装方便，改造简单，满足电能质量要求。

Description

基于SPWM技术的电气化铁路牵引变电所用电源

技术领域

本发明涉及一种电源，尤其是一种基于SPWM技术的电气化铁路牵引变电所用电源，属于电力设备设计制造的技术领域。

背景技术

随着我国铁路建设的发展，一大批高标准线路在西部山区开始建设，这些线路往往桥隧比例高、地形条件差，沿线人口稀少，所在区域的35kV、10kV电源十分薄弱，无法满足铁路电力变配电所用电需求。为解决电源薄弱地段铁路电力变配电所供电电源，需对电力系统进行大规模的配套建设，工程投资巨大。

由于目前新建的山区铁路坡度大、牵引质量重，因此牵引负载很大，为满足牵引负载需要，牵引变电所基本推荐采用系统能力强的220kV甚至330kV电源进线供电。经调查220kV/10.5kV或220kV/35kV的电力变压器容量一般在16000kVA以上，而山区电气化铁路电力变配电所的需求负载容量小（基本仅2000~6000kVA），高电压等级小容量的电力变压器制造困难，目前尚无变压器厂家生产；同时如采用共用高压侧电源，则电力配变电所与牵引变电所两者合建构成的综合变电所，场坪面积增加较多，在山区铁路中，工程实施难度很大、工程量巨大、投资很大，技术经济综合指标不划算。

现有技术从牵引变压器低压侧27.5kV取电，通过变压器降至三相10kV作为所用电。但由于27.5kV侧电源因受到铁路影响，存在谐波、电压波动大等现象，导致10kV侧电能质量无法满足要求。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种基于SPWM技术的电气化铁路牵引变电所用电源，其结构紧凑，采用牵引变压器低压测27.5KV作为电力配变电所供电电源，降低谐波干扰，安装方便，改造简单，满足电能质量要求。

按照本发明提供的技术方案，所述基于SPWM技术的电气化铁路牵引变电所用电源，包括27.5KV的电源母线；所述电源母线通过第一开关连接牵引变压器的原边输入端，牵引变压器的副边输出端通过第二开关与第三开关的一端连接，第三开关的另一端与多绕组连接变压器的原边输入端连接；牵引变压器将27.5KV母线电压降低为10KV电压，多绕组连接变压器将所述10KV电压降压变换后在多绕组连接变压器的副边输出端得到三相电压，三相电压中的每相电压均与电能质量调节电路连接，通过电能质量调节电路消除谐波并得到所需的10KV电压；电能质量调节电路通过第四开关与负载连接，以提供负载所需的10KV工作电源。

所述第三开关的两端并联有启动装置。

所述牵引变压器的副边输出端与电源旁路连接，电源旁路一端与牵引变压器的副边输出端连接，另一端与第四开关与负载相连的一端连接；所述电源旁路包括第五开关以及并联在所述第五开关两端的高速晶闸管。

所述电能质量调节电路依次串接第一电流互感器、连接电抗器、连接电容器以及第二电流互感器后与第四开关的一端连接，第四开关的另一端能与负载连接。

所述多绕组连接变压器的副边输出端得到的三相电压包括变压器低压侧A相电压、变压器低压侧B相电压以及变压器低压侧C相电压；所述电能质量调节电路包括十二个采用串联链式结构的功率模块；变压器低压侧A相电压、变压器低压侧B相电压以及变压器低压侧C相电压均与十二个功率模块的输入端连接，每个功率模块对输入的电压进行整流、逆变；十二个功率模块逆变串接后得到所需的10KV电压。

所述功率模块包括整流电路以及与所述整流电路连接的逆变电路；所述整流电路包括第一二极管、第二二极管、第三二极管及第四二极管；第一二极管的阴极端与第二二极管的阴极端连接，第一二极管的阳极端与第三二极管的阴极端连接，第三二极管的阳极端与第四二极管的阳极端连接，第四二极管的阴极端与第二二极管的阳极端连接，第四二极管的阳极端通过第一电容与第二二极管的阴极端连接；

所述逆变电路包括第一IGBT管、第二IGBT管、第三IGBT管以及第四IGBT管；第一IGBT管的发射极端与第三IGBT管的集电极端连接，第一IGBT管的集电极端与第二IGBT管的集电极端连接，且第一IGBT管的集电极端、第二IGBT管的集电极端均与第二二极管的阴极端连接；第三IGBT管的发射极端与第四IGBT管的发射极端连接，且第三IGBT管的发射极端与第三二极管的阳极端以及第四二极管的阳极端连接，第四IGBT管的集电极端与第二IGBT管的发射极端连接；

第一IGBT管的门极端、第二IGBT管的门极端、第三IGBT管的门极端以及第四IGBT管的门极端均与驱动板的输出端连接，所述驱动板输出的SPWM信号驱动第一IGBT管、第二IGBT管、第三IGBT及第四IGBT的导通状态，以输出所需的电压。

所述第一IGBT管的集电极端与第三IGBT管的发射极端通过第二电容连接，第二IGBT管的集电极端与第四IGBT管管的发射极端通过第三电容连接；驱动板的电源端与第一电源及第二电源连接，第一电源及第二电源与电源变压器的副边输出端连接，电源变压器的原边输入端与第一输入连接端、第二输入连接端连接，第一输入连接端与第一二极管的阳极端连接，第二输入连接端与第四二极管的阴极端连接。

所述十二个功率模块中，相邻功率模块间输出电压相位差30度。

本发明的优点：从27.5KV的电源母线上取电，解决特定环境下供电难的问题，牵引变压器对27.5KV的电压降压，牵引变压器的副边输出端通过多绕组连接变压器将单相电压变换得到三相电压，三相电压中每相电压均通过电能质量调节电路整流、逆变等变换处理，以确保对负载供电的稳定性；旁路电源能确保对负载供电的持续性，，降低谐波干扰，安装方便，改造简单，满足电能质量要求。

附图说明

图1为本发明的使用状态图。

图2为本发明多绕组连接变压器的副边输出端与电能质量调节电路的连接示意图。

图3为本发明功率模块的结构示意图。

附图标记说明：1-电源母线、2-牵引变压器、3-启动装置、4-多绕组连接变压器、5-电能质量调节电路、6-第一电流互感器、7-连接电抗器、8-连接电容器、9-第二电流互感器、10-电源变压器、11-第一电源、11-第二电源及13-驱动板。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示：为了能够利用27.5KV的电源实现对电气化铁路牵引变电所用电要求，提高对负载供电质量，本发明包括27.5KV的电源母线1；所述电源母线1通过第一开关S1连接牵引变压器2的原边输入端，牵引变压器2的副边输出端通过第二开关S2与第三开关S3的一端连接，第三开关S3的另一端与多绕组连接变压器4的原边输入端连接；牵引变压器2将27.5KV母线电压降低为10KV电压，多绕组连接变压器4将所述10KV电压降压变换后在多绕组连接变压器4的副边输出端得到三相电压，三相电压中的每相电压均与电能质量调节电路5连接，通过电能质量调节电路5消除谐波并得到所需的10KV电压；电能质量调节电路5通过第四开关S4与负载连接，以提供负载所需的10KV工作电源。

具体地，牵引变压器2用于将电源母线1上27.5KV的高压降低为10KV的低压，第一开关S1用于控制牵引变压器2的原边输入端与电源母线1的连接。多绕组连接变压器4将10KV的电压转换为三相电压，同时对10KV的电压进行降压，以供电能质量调节电路5进行电能的调节处理。电能质量调节电路5将低压进行调节消除滤波后升压得到10KV的电压，以提供10KV负载的工作使用要求。

所述第三开关S3的两端并联有启动装置3。本发明实施例中，启动装置3可以采用启动电阻，在工作时，电流通过启动装置3减小并网时的冲击，当第三开关S3闭合后，将启动装置3短路，不会影响整个电路的工作要求。

所述牵引变压器2的副边输出端与电源旁路连接，电源旁路一端与牵引变压器2的副边输出端连接，另一端与第四开关S4与负载相连的一端连接；所述电源旁路包括第五开关S5以及并联在所述第五开关S5两端的高速晶闸管HSS。本发明实施例中，在多绕组连接变压器4所在的支路故障时，通过电源旁路能为负载进行持续供电，确保负载工作的稳定性以及持续性。

所述电能质量调节电路5依次串接第一电流互感器6、连接电抗器7、连接电容器8以及第二电流互感器9后与第四开关S4的一端连接，第四开关S4的另一端能与负载连接。本发明实施例中，通过第一电流互感器6、第二电流互感器9能够测量电流，并对整个支路进行保护。连接电抗器7具有缓冲作用，连接电容器8采用三角形接法。

如图2所示：所述多绕组连接变压器4的副边输出端得到的三相电压包括变压器低压侧A相电压、变压器低压侧B相电压以及变压器低压侧C相电压；所述电能质量调节电路5包括十二个采用串联链式结构的功率模块；变压器低压侧A相电压、变压器低压侧B相电压以及变压器低压侧C相电压均与十二个功率模块的输入端连接，每个功率模块对输入的电压进行整流、逆变；十二个功率模块逆变串接后得到所需的10KV电压。

所述十二个功率模块中，相邻功率模块间输出电压相位差30度。多绕组连接变压器4将10KV的电压降低到690V，即变压器低压侧A相电压、变压器低压侧B相电压以及变压器低压侧C相电压均为690V；由于变压器低压侧A相电压、变压器低压侧B相电压以及变压器低压侧C相电压均连接十二个功率模块，十二个功率模块对690V电压进行整流、逆变再串接后，分别输出10KV的三相电压。图2中，与变压器低压侧A相电压连接的功率模块分别为A1~A12；与变压器低压侧B相电压连接的功率模块分别为B1~B12，与变压器低压侧C相连接的功率模块分别为C1~C12。图2中示出了功率模块与第一电流互感器6、第二电流互感器9以及连接电容器8的配合示意图。

如图3所示：所述功率模块包括整流电路以及与所述整流电路连接的逆变电路；所述整流电路包括第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3及第四二极管D4；第一二极管D1的阴极端与第二二极管D2的阴极端连接，第一二极管D1的阳极端与第三二极管D3的阴极端连接，第三二极管D3的阳极端与第四二极管D4的阳极端连接，第四二极管D4的阴极端与第二二极管D2的阳极端连接，第四二极管D4的阳极端通过第一电容C1与第二二极管D2的阴极端连接；

所述逆变电路包括第一IGBT管IGBT1、第二IGBT管IGBT2、第三IGBT管IGBT3以及第四IGBT管IGBT4；第一IGBT管IGBT1的发射极端与第三IGBT管IGBT3的集电极端连接，第一IGBT管IGBT1的集电极端与第二IGBT管IGBT2的集电极端连接，且第一IGBT管IGBT1的集电极端、第二IGBT管IGBT2的集电极端均与第二二极管D2的阴极端连接；第三IGBT管IGBT3的发射极端与第四IGBT管IGBT4的发射极端连接，且第三IGBT管IGBT3的发射极端与第三二极管D3的阳极端以及第四二极管D4的阳极端连接，第四IGBT管IGBT4的集电极端与第二IGBT管IGBT2的发射极端连接；

第一IGBT管IGBT1的门极端、第二IGBT管IGBT2的门极端、第三IGBT管IGBT4的门极端以及第四IGBT管IGBT4的门极端均与驱动板13的输出端连接，所述驱动板13输出的SPWM信号驱动第一IGBT管IGBT1、第二IGBT管IGBT2、第三IGBTIGBT3及第四IGBTIGBT4的导通状态，以输出所需的电压。

所述第一IGBT管IGBT1的集电极端与第三IGBT管IGBT3的发射极端通过第二电容C2连接，第二IGBT管IGBT2的集电极端与第四IGBT管IGBT4管的发射极端通过第三电容C3连接；驱动板13的电源端与第一电源11及第二电源12连接，第一电源11及第二电源12与电源变压器10的副边输出端连接，电源变压器10的原边输入端与第一输入连接端、第二输入连接端连接，第一输入连接端与第一二极管D1的阳极端连接，第二输入连接端与第四二极管D4的阴极端连接。第一IGBT管IGBT1的发射极端与第三IGBT管IGBT3的集电极端连接后作为第一输出端，第二IGBT管IGBT2的发射极端与第四IGBT管IGBT4的集电极端连接后作为第二输出端，第一输出端、第二输出端间的电压作为功率模块间的输出端电压值。十二个功率模块串接的电压作为整个电能质量调节电路5的输出电压。

本发明实施例中，外部的互补SPWM信号送入驱动板13，互补的SPWM信号驱动能力有限，不足以直接驱动IGBT工作。当SPWM信号为高电平时，驱动板13根据SPWM的上升沿，进行设定延时（死区时间），然后输出带有死区时间，电压为+15V的驱动信号以驱动IGBT导通。当SPWM信号为低电平时，驱动板13输出电压为-10V的驱动信号以驱动IGBT关断。由于，驱动信号带有死区时间，就保证了同一桥臂的两个IGBT不会同时导通，防止了短路的发生。

第一输入连接端通过第一熔断器F1与第一二极管D1的阳极端以及第三二极管D3的阴极端连接，第二输入连接端直接与第二二极管D2的阳极端以及第四二极管D4的阴极端连接，第一输入连接端与第二输入连接端间的电压为690V。电源变压器10的副边输出端通过第二熔断器F2与第一电源11连接，电源变压器10的副边输出端通过第三熔断器F3与第二电源12连接，第一电源11的第一输出端与第五二极管D5的阳极端连接，第五二极管D5的阴极端与驱动板13的第一电源端连接，第一电源11的第二输出端直接与驱动板13的第二电源端连接。第二电源12的第一输出端与第六二极管D6的阳极端连接，第六二极管D6的阴极端与驱动板13的第一电源端连接，第二电源11的第二输出端直接与驱动板13的第二电源端连接。本发明实施例中，第一电源11与第二电源12互为驱动板13的备用电源，即第一电源11工作时，第二电源12为第一电源11的备用电源，第二电源12工作时，第一电源11为第二电源12的备用电源，以确保对驱动板13供电的稳定性以及可靠性。

工作时，先闭合第一开关S1，使得牵引变压器2的原边输入端与电源母线1连接，以在牵引变压器2的副边输出端得到10KV的电压。此后，闭合电源旁路的第五开关S5，牵引变压器2的副边输出端通过电源旁路对负载进行供电，由电源旁路对负载供电的电源质量较差，谐波大，电压波动大，难以满足负载的工作要求。第五开关S5闭合到设定时间后，闭合第二开关S2以及第四开关S4，多绕组连接变压器4所在的支路中，通过启动装置3减小并网的冲击，通过第一电流互感器6、第二电流互感器9进行检测保护。当通过第一电流互感器6、第二电流互感器9检测多绕组连接变压器4所在支路能满足供电要求时，断开第五开关S5以及闭合开关S3，即将整个供电支路由电源旁路切换到多绕组连接变压器4所在的支路。多绕组连接变压器4将10KV的电压变换得到三相电压，每相电压通过电能质量调节电路5去除谐波，并保证电压的稳定性。

本发明从27.5KV的电源母线1上取电，解决特定环境下供电难的问题，牵引变压器2对27.5KV的电压降压，牵引变压器2的副边输出端通过多绕组连接变压器4将单相电压变换得到三相电压，三相电压中每相电压均通过电能质量调节电路5整流、逆变等变换处理，以确保对负载供电的稳定性；旁路电源能确保对负载供电的持续性，降低谐波干扰，安装方便，改造简单，满足电能质量要求。

Claims (7)

1.一种基于SPWM技术的电气化铁路牵引变电所用电源，包括27.5KV的电源母线（1）；其特征是：所述电源母线（1）通过第一开关（S1）连接牵引变压器（2）的原边输入端，牵引变压器（2）的副边输出端通过第二开关（S2）与第三开关（S3）的一端连接，第三开关（S3）的另一端与多绕组连接变压器（4）的原边输入端连接；牵引变压器（2）将27.5KV母线电压降低为10KV电压，多绕组连接变压器（4）将所述10KV电压降压变换后在多绕组连接变压器（4）的副边输出端得到三相电压，三相电压中的每相电压均与电能质量调节电路（5）连接，通过电能质量调节电路（5）消除谐波并得到所需的10KV电压；电能质量调节电路（5）通过第四开关（S4）与负载连接，以提供负载所需的10KV工作电源；

所述电能质量调节电路（5）依次串接第一电流互感器（6）、连接电抗器（7）、连接电容器（8）以及第二电流互感器（9）后与第四开关（S4）的一端连接，第四开关（S4）的另一端能与负载连接。

2.根据权利要求1所述的基于SPWM技术的电气化铁路牵引变电所用电源，其特征是：所述第三开关（S3）的两端并联有启动装置（3）。

3.根据权利要求1所述的基于SPWM技术的电气化铁路牵引变电所用电源，其特征是：所述牵引变压器（2）的副边输出端与电源旁路连接，电源旁路一端与牵引变压器（2）的副边输出端连接，另一端与第四开关（S4）与负载相连的一端连接；所述电源旁路包括第五开关（S5）以及并联在所述第五开关（S5）两端的高速晶闸管（HSS）。

4.根据权利要求1所述的基于SPWM技术的电气化铁路牵引变电所用电源，其特征是：所述多绕组连接变压器（4）的副边输出端得到的三相电压包括变压器低压侧A相电压、变压器低压侧B相电压以及变压器低压侧C相电压；所述电能质量调节电路（5）包括十二个采用串联链式结构的功率模块；变压器低压侧A相电压、变压器低压侧B相电压以及变压器低压侧C相电压均与十二个功率模块的输入端连接，每个功率模块对输入的电压进行整流、逆变；十二个功率模块逆变串接后得到所需的10KV电压。

5.根据权利要求4所述的基于SPWM技术的电气化铁路牵引变电所用电源，其特征是：所述功率模块包括整流电路以及与所述整流电路连接的逆变电路；所述整流电路包括第一二极管（D1）、第二二极管（D2）、第三二极管（D3）及第四二极管（D4）；第一二极管（D1）的阴极端与第二二极管（D2）的阴极端连接，第一二极管（D1）的阳极端与第三二极管（D3）的阴极端连接，第三二极管（D3）的阳极端与第四二极管（D4）的阳极端连接，第四二极管（D4）的阴极端与第二二极管（D2）的阳极端连接，第四二极管（D4）的阳极端通过第一电容（C1）与第二二极管（D2）的阴极端连接；

所述逆变电路包括第一IGBT管（IGBT1）、第二IGBT管（IGBT2）、第三IGBT管（IGBT3）以及第四IGBT管（IGBT4）；第一IGBT管（IGBT1）的发射极端与第三IGBT管（IGBT3）的集电极端连接，第一IGBT管（IGBT1）的集电极端与第二IGBT管（IGBT2）的集电极端连接，且第一IGBT管（IGBT1）的集电极端、第二IGBT管（IGBT2）的集电极端均与第二二极管（D2）的阴极端连接；第三IGBT管（IGBT3）的发射极端与第四IGBT管（IGBT4）的发射极端连接，且第三IGBT管（IGBT3）的发射极端与第三二极管（D3）的阳极端以及第四二极管（D4）的阳极端连接，第四IGBT管（IGBT4）的集电极端与第二IGBT管（IGBT2）的发射极端连接；

第一IGBT管（IGBT1）的门极端、第二IGBT管（IGBT2）的门极端、第三IGBT管（IGBT3）的门极端以及第四IGBT管（IGBT4）的门极端均与驱动板（13）的输出端连接，所述驱动板（13）输出的SPWM信号驱动第一IGBT管（IGBT1）、第二IGBT管（IGBT2）、第三IGBT（IGBT3）及第四IGBT（IGBT4）的导通状态，以输出所需的电压。

6.根据权利要求5所述的基于SPWM技术的电气化铁路牵引变电所用电源，其特征是：所述第一IGBT管（IGBT1）的集电极端与第三IGBT管（IGBT3）的发射极端通过第二电容（C2）连接，第二IGBT管（IGBT2）的集电极端与第四IGBT管（IGBT4）管的发射极端通过第三电容（C3）连接；驱动板（13）的电源端与第一电源（11）及第二电源（12）连接，第一电源（11）及第二电源（12）与电源变压器（10）的副边输出端连接，电源变压器（10）的原边输入端与第一输入连接端、第二输入连接端连接，第一输入连接端与第一二极管（D1）的阳极端连接，第二输入连接端与第四二极管（D4）的阴极端连接。

7.根据权利要求4所述的基于SPWM技术的电气化铁路牵引变电所用电源，其特征是：所述十二个功率模块中，相邻功率模块间输出电压相位差30度。