CN104022630A - 一种多功能混合型牵引供电系统及控制方法 - Google Patents

一种多功能混合型牵引供电系统及控制方法 Download PDF

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周方圆
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吴强
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涂绍平
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吴明水
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Abstract

本发明公开了一种多功能混合型牵引供电系统及控制方法,该系统包括:降压变压器,用来将三相降压;换流器,连接于降压变压器二次侧,用于交-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;DC/DC变换器,并接至高压直流输电端,用于为城轨车辆运行提供电源;高压断路器组和隔离开关组,通过对高压断路器组和隔离开关组的操作,实现了其在牵引网直流供电拓扑、静止无功发生器(SVG)与直流融冰电源拓扑之间进行切换。该控制方法为基于上述系统的具体控制模式。本发明具有结构简单、操作简便、适用范围广、性能稳定可靠等优点。

Description

一种多功能混合型牵引供电系统及控制方法
技术领域
[0001] 本发明主要涉及到机车牵引供电技术领域,特指一种多功能的混合型牵引供电系统及控制方法。
背景技术
[0002]目前,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:铁路电力机车采用交流25kV/50Hz供电,而地铁、轻轨使用DC1500V(750V)供电。随着轨道交通的发展,地区铁路与城市轨道交通连接的问题已经出现;同时为了实现地区铁路、城市郊区铁路和城市轨道交通列车的跨线运行,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,在未来是可能出现的,尤其在干线铁路跑城轨机车。对于主机厂,同时生产交流车和直流车,混合型牵引供电系统可以很好的解决两种供电方式机车的试验电源问题。
发明内容
[0003] 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简单、操作简 便、适用范围广、性能稳定可靠的多功能混合型牵引供电系统及控制方法。
[0004] 为解决上述技术问题,本发明采用以下技术方案:
[0005] 一种多功能混合型牵引供电系统,包括:
[0006] 降压变压器,用来将三相降压;
[0007] 换流器,连接于降压变压器二次侧,可用于交-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;
[0008] DC/DC变换器,并接至高压直流输电端,用于为城轨车辆运行提供电源;
[0009] 高压断路器组包括第一断路器QF1、第二断路器QF2、第三断路器QF3和第四断路器QF4,第一断路器QFl设置于降压变压器与换流器之间,第二断路器QF2设置于牵引变压器低压侧与α供电臂之间,第三断路器QF3设置于牵引变压器低压侧与β供电臂之间,第四断路器QF4设置于两个交流电源系统之间;
[0010] 隔离开关组包括第一隔离开关QS1、第二隔离开关QS2、第三隔离开关QS3、第四隔离开关QS4和第五隔离开关QS5 ;第一隔离开关QSl和第二隔离开关QS2设置于换流器与DC/DC变换器之间,第三隔离开关QS3设置于DC/DC变换器一个输出端与地之间,第四隔离开关QS4设置于DC/DC变换器另一个输出端与α供电臂之间,第五隔离开关QS5设置于DC/DC变换器另一个输出端与β供电臂之间。
[0011] 作为本发明的进一步改进:所述换流器由三相构成,每相分为上下桥臂,各桥臂由η个相同功率模块和阀电抗器串联而成。
[0012] 作为本发明的进一步改进:所述功率模块采用功率模块,所述功率模块包括呈并联连接的均压电阻R、支撑电容C及H型整流桥,H型整流桥包括四个单元,每个单元均包括一个IGBT开关管和一个二极管,二极管与所对应的IGBT开关管反向并联;上层控制系统通过控制各个单元中IGBT开关管的导通和关断,功率模块输出零或Ud或-Ud,其中Ud为支撑电容额定电压。
[0013] 本发明进一步提供一种基于多功能混合型牵引供电系统的控制方法,实施直流牵引网供电模式,闭合第一断路器QF1,断开第二高压断路器QF2、第三断路器QF3、第四断路器QF4,闭合第一隔离开关QS1、第二隔离开关QS2、第三隔离开关QS3以及第四隔离开关QS4或第五隔离开关QS5,即构成了直流牵引网供电模式,其中QS4与QS5不能同时闭合;夕卜部供电电源接入降压变压器的高压侧,降压变压器的二次侧接换流器,换流器三相直流并联输出,再经过DC/DC变换器后变换成适用于给城轨车辆供电的直流电源;若断开直流供电模式,即为牵引网原有交流供电方式。
[0014] 本发明进一步提供一种基于多功能混合型牵引供电系统的控制方法,实施直流融冰电源模式,闭合第一断路器QF1,断开第二高压断路器QF2、第三断路器QF3、第四断路器QF4,闭合第一隔离开关QS1、第二隔离开关QS2,断开第三隔离开关QS3、第四隔离开关QS4、第五隔离开关QS5,从H桥换流器2与DC/DC变换器之间引出构成了直流融冰电源模式。
[0015] 本发明进一步提供一种基于上述多功能混合型牵引供电系统的控制方法,实施静止无功发生器模式,断开第一断路器QF1,闭合高压断路器第二高压断路器QF2、第三断路器QF3、第四断路器QF,断开第一隔离开关QS1、第二隔离开关QS2、第三隔离开关QS3、第四隔离开关QS4和第五隔离开关QS5,构成了静止无功发生器模式。
[0016] 与现有技术相比,本发明的优点在于:
[0017] 1、本发明通过对高压断路器组和隔离开关组的操作,实现了其在牵引网直流供电拓扑、静止无功发生器(SVG)与直流融冰电源拓扑之间进行切换,扩宽了给牵引网进行直流供电的单一功能,使其在非直流供电时可以进行电能质量治理与接触网融冰等。
[0018] 2、本发明在进行直流融冰时,电源输出连续可调的高电压、大电流,适用于不同电压等级、不同参数、不同长度的输电线路。
[0019] 3、本发明在实现静止无功发生器(SVG)时,动态响应快,运行范围宽,输出电压为近似正弦波的多电平阶梯波,随着电平数的增加,输出波形具有更好的谐波频谱。
[0020] 4、本发明通过换流器整流后,可以将交流电整流成直流,直流输电可降压线路损耗,从而提高了电网的输送能力,节约电能。
[0021] 5、本发明通过采用基于H桥的高压整流和DC/DC电压变换,可省掉牵引变压器和整流机组,降低了谐波含量,提高了系统功率因数。同时通过调节DC/DC电压变换器的占空t匕,可以输出多种直流电压。
附图说明
[0022] 图1是本发明的多功能混合型牵引供电系统拓扑结构示意图。
[0023]图2是本发明在具体应用实例中所采用的功率模块的拓扑结构示意图。
[0024] 图例说明:
[0025] 1、降压变压器;2、换流器。具体实施方式
[0026] 以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
[0027] 如图1所示,本发明的多功能混合型牵引供电系统,包括降压变压器1、换流器2、DC/DC变换器、高压断路器组及隔离开关组。其中,降压变压器I用来根据实际需求,将三相AC110kV/220kV降压成合适的电压等级;换流器2,由三相构成,每相分为上下桥臂,各桥臂由多个相同功率单元和阀电抗器串联而成。在具体应用时,可通过变化所使用的功率模块的数量,进而灵活改变换流器的输出电压和功率等级。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内部或外部故障时的电流上升率。DC/DC换流器用来并接至高压直流输电端,通过电力电子装置变换为城轨车辆所需的供电电源(如:1500V/750V)。
[0028] 高压断路器组包括第一断路器QF1、第二断路器QF2、第三断路器QF3和第四断路器QF4,隔离开关组包括第一隔离开关QS1、第二隔离开关QS2、第三隔离开关QS3、第四隔离开关QS4和第五隔离开关QS5 ;第一断路器QFl设置于降压变压器与换流器之间,第二断路器QF2设置于牵引变压器低压侧与α供电臂之间,第三断路器QF3设置于牵引变压器低压侧与β供电臂之间,第四断路器QF4设置于两个交流电源系统之间;第一隔离开关QSl和第二隔离开关QS2设置于换流器与DC/DC变换器之间,第三隔离开关QS3设置于DC/DC变换器一个输出端与地之间,第四隔离开关QS4设置于DC/DC变换器另一个输出端与α供电臂之间,第五隔离开关QS5设置于DC/DC变换器另一个输出端与β供电臂之间。本实施例中,如图2所示,功率模块采用功率模块,其包括呈并联连接的均压电阻R、支撑电容C及H型整流桥,H型整流桥包括四个单元,每个单元均包括一个IGBT开关管(如:VT1~VT4)和一个二极管(如=Dl~D4),二 极管与所对应的IGBT开关管反向并联。通过控制各个单元中IGBT开关管(如:VT1~VT4)的导通和关断,功率模块输出零或Ud或-Ud(Ud为支撑电容额定电压)。
[0029] 本发明的上述系统在具体应用时,其基本原理是通过对高压断路器组和隔离开关组的操作,构成不同的拓扑结构及供电制式,这样既可以提供AC25kV/50Hz电源,也可以提供直流电源,还可以实现静止无功发生器(SVG)和直流融冰功能。具体如下:
[0030] 直流牵引网供电拓扑:闭合第一断路器QF1,断开第二高压断路器QF2、第三断路器QF3、第四断路器QF4,闭合第一隔离开关QS1、第二隔离开关QS2、第三隔离开关QS3以及第四隔离开关QS4或第五隔离开关QS5,即构成了直流牵引网供电系统,其中QS4与QS5不能同时闭合。在该直流牵引网供电拓扑结构中,外部供电电源接入降压变压器I的高压侧,降压变压器I的二次侧接H桥换流器2,H桥换流器2三相直流并联输出,再经过DC/DC变换器后变换成适用于给机车供电的DC1500V(750V)电源。若断开直流供电系统,即为牵引网原有交流供电方式。
[0031] 直流融冰电源拓扑:闭合第一断路器QF1,断开第二高压断路器QF2、第三断路器QF3、第四断路器QF4,闭合第一隔离开关QS1、第二隔离开关QS2,断开第三隔离开关QS3、第四隔离开关QS4、第五隔离开关QS5,从H桥换流器2与DC/DC变换器之间的A、B点引出构成了直流融冰电源拓扑结构。在该直流融冰电源拓扑结构中,H桥换流器2的三相桥臂均是通过一定数量的具有相同结构的H桥功率模块和一个阀电抗器串联组成,仅仅通过变化所使用的功率模块的数量,就可以灵活改变换流器的输出电压和功率等级。当电平数较高时,谐波畸变率很低,往往可以省去交流滤波器,节约成本并降低开关频率使系统损耗大为降低;各功率模块不需要同时导通,减低了桥臂电压变化率和电力变化率,使得开关器件承受的应力大为下降;该11桥换流器2输出的直流电压可以接入接触网。同时,在该拓扑结构中采用直流电流闭环控制方式,实现直流电流的恒定输出,三路直流电源并联输出,形成高电压、大电流和大容量输出的直流融冰电源。
[0032] 静止无功发生器(SVG)拓扑:断开第一断路器QFl,闭合高压断路器第二高压断路器QF2、第三断路器QF3、第四断路器QF,断开第一隔离开关QS1、第二隔离开关QS2、第三隔离开关QS3、第四隔离开关QS4和第五隔离开关QS5,构成了静止无功发生器(SVG)拓扑结构。在该静止无功发生器(SVG)拓扑结构中,通过连接电抗器实现三相电网与链式多电平变流器相连接,链式多电平变流器为星型接线,变流器每相由多个包含H桥的功率单元级联而成。在具体控制时,检测网侧电压和电流信号,通过dq变换实现无功功率计算,采用状态解耦的双闭环控制策略;采用单极倍频载波相移正弦波脉宽调制(CPS-SPWM)方法产生相应的PWM信号,用以驱动相应功率单元中IGBT开关元件动作。
[0033] 以上仅是本发明的优选实施方式,本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例,凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰,应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种多功能混合型牵引供电系统,其特征在于,包括: 降压变压器,用来将三相降压; 换流器,连接于降压变压器二次侧; DC/DC变换器,并接至高压直流输电端,用于为车辆运行提供电源; 高压断路器组,包括第一断路器QF1、第二断路器QF2、第三断路器QF3和第四断路器QF4 ;所述第一断路器QFl设置于降压变压器与换流器之间,所述第二断路器QF2设置于牵引变压器低压侧与α供电臂之间,所述第三断路器QF3设置于牵引变压器低压侧与β供电臂之间,所述第四断路器QF4设置于两个交流电源系统之间; 隔离开关组,包括第一隔离开关QS1、第二隔离开关QS2、第三隔离开关QS3、第四隔离开关QS4和第五隔离开关QS5 ;所述第一隔离开关QSl和第二隔离开关QS2设置于换流器与DC/DC变换器之间,所述第三隔离开关QS3设置于DC/DC变换器一个输出端与地之间,所述第四隔离开关QS4设置于DC/DC变换器另一个输出端与α供电臂之间,所述第五隔离开关QS5设置于DC/DC变换器另一个输出端与β供电臂之间。
2.根据权利要求1所述的多功能混合型牵引供电系统,其特征在于,所述换流器由三相构成,每相分为上下桥臂,各桥臂由多个相同的功率模块和阀电抗器串联而成。
3.根据权利要求2所述的多功能混合型牵引供电系统,其特征在于,所述功率模块包括呈并联连接的均压电阻R、支撑电容C及H型整流桥,H型整流桥包括四个单元,每个单元均包括一个IGBT开关管和一个二极管,二极管与所对应的IGBT开关管反向并联;通过控制各个单元中IGBT开关管的导通和关断,功率模块输出零或Ud或-Ud其中Ud为支撑电容额定电压。
4.根据权利要求1所述多功能混合型牵引供电系统的控制方法,其特征在于,实施直流牵引网供电模式,闭合第一断路器QF1,断开第二高压断路器QF2、第三断路器QF3、第四断路器QF4,闭合第一隔离开关QS1、第二隔离开关QS2、第三隔离开关QS3以及第四隔离开关QS4或第五隔离开关QS5,即构成了直流牵引网供电模式,其中QS4与QS5不能同时闭合;外部供电电源接入降压变压器的高压侧,降压变压器的二次侧接换流器,换流器三相直流并联输出,再经过DC/DC变换器后变换成适用于城轨车辆供电的直流电源;若断开直流供电模式,即为牵引网原有交流供电方式。
5.根据权利要求1所述多功能混合型牵引供电系统的控制方法,其特征在于,实施直流融冰电源模式,闭合第一断路器QF1,断开第二高压断路器QF2、第三断路器QF3、第四断路器QF4,闭合第一隔离开关QS1、第二隔离开关QS2,断开第三隔离开关QS3、第四隔离开关QS4、第五隔离开关QS5,从换流器与DC/DC变换器之间引出构成了直流融冰电源模式。
6.根据权利要求1所述多功能混合型牵引供电系统的控制方法,其特征在于,实施静止无 功发生器模式,断开第一断路器QF1,闭合高压断路器第二高压断路器QF2、第三断路器QF3、第四断路器QF,断开第一隔离开关QS1、第二隔离开关QS2、第三隔离开关QS3、第四隔离开关QS4和第五隔离开关QS5,构成了静止无功模式。
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