CN104393614B - 一种模块化多电平双流制牵引供电及净化系统 - Google Patents

Abstract

一种模块化多电平双流制牵引供电及净化系统，包括：交流供电系统，包括牵引供电变压器，给T座供电臂和M座供电臂供电；直流供电变换装置，为两个且分别与T座供电臂和M座供电臂供电中一个对应；直流供电变换装置中第一交流转直流单元采用模块级联的结构，从接触网上的高压取电，转换成多个电位的直流电能；直流转交流单元用来将第一交流转直流单元与直流转交流单元之间的各个直流电容上的直流电逆变成为交流电；隔离变压器将转化后的交流电能通过变压器实现不同电位的隔离；第二交流转直流单元用来将交流能量再转化成直流能量；电压组合单元用来对经变换后的直流电压进行组合。本发明具有结构原理简单、安全性和可靠性高、易实现和推广等优点。

Description

一种模块化多电平双流制牵引供电及净化系统

技术领域

本发明主要涉及到牵引供电系统领域，特指一种模块化多电平双流制牵引供电及净化系统（Dual-Current Traction Power Supply,DCPY）。

背景技术

目前，我国机车牵引供电网采用的是交流供电机制，而城轨采用直流供电机制，因为目前机车和城轨由于取流方式的不一样而不能混跑。为了充分利用国有基础设施，可通过调配实现机车、城轨能在同一线路运行成为一种需要。同时，原来为了解决交流牵引供电网中的无功功率问题，不得不投入无功补偿装置，而如今交流机车的上线，又面对负序电流大和谐波含量高的问题。另外由于部分地区容易结冰，尤其是客运专线，不能不采用机械等多种方式进行接触网融冰。因此混跑供电、电能质量治理和融冰若是能通过一个装置解决成为一种需求。最后就是由于电网和牵引网的分开管理，在交流机车制动反馈电网的能量对电网来说造成了其的电压波动等影响，而铁路部门并不能得到交流机车制动能量反馈电网所带来的利益，因此需要对制动能量进行就是储存，合适调配释放可以减少对电网的冲击和铁路部门的耗电量。

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、安全性和可靠性高、易实现和推广的模块化多电平双流制牵引供电及净化系统。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种模块化多电平双流制牵引供电及净化系统，包括：

交流供电系统，包括由三相变成两相的牵引供电变压器，给T座供电臂和M座供电臂供电；

直流供电变换装置，为两个且分别与T座供电臂和M座供电臂供电中一个对应；所述直流供电变换装置包括第一交流转直流单元、直流转交流单元、隔离变压器、第二交流转直流单元、电压组合单元；所述第一交流转直流单元采用模块级联的结构，通过电力电子器件模块级联从接触网上的高压取电，将交流电能转换成多个电位的直流电能；所述直流转交流单元，用来将第一交流转直流单元与直流转交流单元之间的各个直流电容上的直流电逆变成为交流电；所述隔离变压器将转化后的交流电能通过变压器实现不同电位的隔离，同时实现能量的快速传递；所述第二交流转直流单元用来将隔离变传过来的交流能量再转化成直流能量；所述电压组合单元用来对经第二交流转直流单元变换后的直流电压进行组合。

作为本发明的进一步改进：还包括一个储能系统，用于就地吸收机车负载制动产生的能量以实现制动能量的就地再利用，以及对负载供电起到削峰填谷的作用。

作为本发明的进一步改进：所述隔离变压器为中频或者高频隔离变压器。

作为本发明的进一步改进：所述隔离变压器为独立型、全部共铁芯型、多变一型、局部共铁芯型或三相共铁芯型。

作为本发明的进一步改进：所述第一交流转直流单元和第二交流转直流单元采用二级管结构、晶闸管结构、全控器件的半桥和半桥的二极管结构、全控器件的H桥结构、或全控器件的多电平结构。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

（1）本发明在不改变交流牵引供电网现有设施及保护的基础上，增加电力电子装置及可实现可选择性的交流供电或者直流供电模式，投资成本小，应用灵活。

（2）本发明不管牵引网运行在直流供电还是交流供电模式下，均可以实现对负序、无功和谐波的同时治理。

（3）本发明不需要变压器而直接接入高压牵引网，成本低，损耗低。

（4）本发明通过中、高频变压器隔离后进行直流电压输出的组合，各个直流电压都较低，整个变换环节的调制比都较高，波形系数好。

（5）本发明还可快速转换成直流融冰装置。

附图说明

图1是本发明在具体应用实例中的结构原理示意图。

图2a是本发明在具体应用实例中AC-DC变换采用二级管形式的原理示意图。

图2b是本发明在具体应用实例中AC-DC变换采用晶闸管形式的原理示意图。

图2c是本发明在具体应用实例中AC-DC变换采用全控器件的半桥和半桥的二极管形式的原理示意图。

图2d是本发明在具体应用实例中AC-DC变换采用全控器件的H桥结构形式的原理示意图。

图2e是本发明在具体应用实例中AC-DC变换采用全控器件的多电平结构形式的原理示意图。

图3a是本发明在具体应用实例中DC-AC变换采用半桥型结构时的原理示意图。

图3b是本发明在具体应用实例中DC-AC变换采用另一种半桥型结构时的原理示意图。

图3c是本发明在具体应用实例中DC-AC变换采用H桥型结构的原理示意图。

图4a是本发明在具体应用实例中隔离变压器采用独立型结构的原理示意图。

图4b是本发明在具体应用实例中隔离变压器采用全部共铁芯型的原理示意图。

图4c是本发明在具体应用实例中隔离变压器采用多变一型的原理示意图。

图4d是本发明在具体应用实例中隔离变压器采用局部共铁芯型的原理示意图。

图4e是本发明在具体应用实例中隔离变压器采用三相共铁芯型的原理示意图。

图5a是本发明在具体应用实例中电压组合单元采用直接并联型结构时的原理示意图。

图5b是本发明在具体应用实例中电压组合单元采用先串后并型结构时的原理示意图。

图5c是本发明在具体应用实例中电压组合单元采用三电平型结构的原理示意图。

图6是本发明在具体应用实例中处于RPC工作模式时的原理示意图。

图7是本发明在具体应用实例中处于APF的功能时的原理示意图。

图8是本发明在具体应用实例中处于单边单独融冰模式时的原理示意图。

图9是本发明在具体应用实例中处于单边集中融冰模式时的原理示意图。

图10是本发明在具体应用实例中处于交错单独融冰模式时的原理示意图。

图11是本发明在具体应用实例中处于双边集中融冰模式时的原理示意图。

图12是本发明在具体应用实例中处于同相供电模式时的原理示意图。

图例说明：

1、第一交流转直流单元；2、直流转交流单元；3、隔离变压器；4、第二交流转直流单元；5、电压组合单元；6、储能系统。

具体实施方式

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。

如图1所示，本发明的一种模块化多电平双流制牵引供电及净化系统，包括：

交流供电系统，它由三相变成两相的牵引供电变压器，给图中1的T座和M座供电，也可叫做T座供电臂和M座供电臂，每个座的牵引网包括馈线和回流线，例如25kV交流供电系统。

直流供电变换装置；由于与T座连接的直流供电部分与M座连接的直流供电部分是对称的，因此以T座侧为例进行介绍，直流供电变换装置包括第一交流转直流单元1（简称AC-DC）、直流转交流单元2（简称DC-AC）、隔离变压器3、第二交流转直流单元4、电压组合单元5；其中，第一交流转直流单元1采用模块级联的结构，通过电力电子器件模块级联来实现在接触网25kV上的高压取电，将25kV侧的交流电能转换成多个电位的直流电能。直流转交流单元2，用来将第一交流转直流单元1与直流转交流单元2之间的各个直流电容上的直流电逆变成为交流电。隔离变压器3根据实际需要采用中频或者高频隔离变压器，其作用是将DC-AC转化后的交流电能通过变压器实现不同电位的隔离，同时利用中、高频变压器高密度特点，实现能量的快速传递。第二交流转直流单元4用来将隔离变传过来的交流能量再转化成直流能量，也是AC-DC变换。电压组合单元5是按照牵引网机车负载对直流电压的要求，通过对第二交流转直流单元4中AC-DC变换后的直流电压进行组合。这样，依次通过上述结构后实现了25kV交流电能到合适直流电压的直流电源的隔离和转换。

本实施例中，进一步还包括一个储能系统6，该系统主要是就地吸收机车负载制动产生的能量，实现制动能量的就地再利用，防止制动能量反馈电网造成的传输损耗浪费，提高制动能量的利用率。储能装置是接到公共直流母线，通过K4或者K6接入不同交流转直流单元4中。

具体应用时，第一交流转直流单元1和第二交流转直流单元4均是用来实现交流电能向直流电能的转换，根据实际需要，可以采用以下几种中的任意一种结构，当然本发明的保护范围也不局限于以下结构形式。

第一种如图2a所示，AC-DC变换采用二级管，利用二极管特性进行自然整流，多个模块级联将从25kV侧交流电网进行取电。这种方式的缺点是由于采用不控器件，对直流侧电流的需求不能快速响应，而且只能给直流侧充电，不能实现将直流侧的能量反馈电网，不能补偿无功功率，而且直流侧波动大，交流电能谐波含量大。

第二种如图2b所示，AC-DC变换采用晶闸管，利用控制晶闸管的导通角度进行快速控制整流电流的大小，多个模块级联将从25kV侧交流电网进行取电。这种方式的缺点是由于采用半控器件进行整流控制，只能给直流侧充电，不能实现将直流侧的能量反馈电网，不能补偿无功功率，交流电能谐波含量大。

第三种如图2c所示，AC-DC变换采用全控器件的半桥和半桥的二极管组成，利用全控器件的PWM控制实现对直流侧的快速充电，谐波含量小，多个模块级联将从25kV侧交流电网进行取电。这种方式的缺点是存在二极管桥臂的正向阻断作用，只能给直流侧充电，不能实现将直流侧的能量反馈电网。

第四种如图2d所示，AC-DC变换采用全控器件的H桥结构，利用全控器件的PWM控制实现对直流侧的快速充电，谐波含量小，多个模块级联将从25kV侧交流电网进行取电。能与电网进行有功、无功交换，而且由于倍频调制等使得级联的等效开关频率高，还可以进行谐波补偿。

第五种如图2e所示，AC-DC变换采用全控器件的多电平结构，图中为三点平结构，该种方式的单个模块输出的电平数多，谐波含量更少，开关器件耐压水平更低，这些是这种二极管箝位的优势，但是随着电平数越多，其结构和控制越复杂。

具体应用时，直流转交流单元2是用来实现直流电能向交流电能的转换，根据实际需要，这种直流到交流的变换结构包括以下三种中的任意一种，当然本发明的保护范围也不局限于以下结构形式。

第一种如图3a 所示，图中有个LC回路，其中L为中频或者高频变压器的等效电抗，而C是利用LC组成的谐振方式来减少回路的阻抗，从而提高能量传输的效率。该种结构是利用电容中点箝位的方式，通过控制上面的全控器件的导通来将直流侧上端电容的能量传递给LC回路，而控制下管的导通实现直流侧下端电容上能量传递给LC回路。该电路的缺点是直流侧电容要分别PWM调制才能将能量传输，能量传输效率不高，不便于实现能量的回馈。

第二种如图3b 所示，该种结构也图3a一样，通过控制全控器件的导通来实现将直流侧的能量传递给隔离变压器，但是直流侧是整个直流电压，相对图3a，PWM调试输出的正半波交流电压有效值增加，能量传输效率增高。也不便于实现能量的回馈。

第三种如图3c 所示，通过Ｈ桥控制可以实现输出电压的正、负方向，可以实现能量在四个象限的流动，可以方便实现能量的输出和回馈，而且等效开关频率较前两者都高，控制容易，谐波含量少。

具体应用时，为了节省隔离变压器3的体积和成本，将其做成中频或者高频变压器，提高功率密度，其结构见图4a～4e，分别为：独立型、全部共铁芯型、多变一型、局部共铁芯型和三相共铁芯型，主要区别在与是否共铁芯和变压器两边的重数。另外，如图4e所示，该种是通过控制直流转交流单元2的控制逆变输出，构造一个三相系统，使得隔离变压器的三相共铁芯，从而减少体积和成本。

具体应用时，电压组合单元5主要是结合机车负载的不同直流侧电压要求来组合电压来满足需要。例如，城轨机车有750V和1500V之分，若每个逆变输出的直流电压为750V，则全部的并可以满足750V的供电需求，如图5a的直接并联型；若直流电压要1500V则采用相邻两个直流电压的串联，然后在并联来满足，如图5b的先串后并型；另外若机车为3电平的结构，则可用图5c的三电平型来满足。

通过采用本发明的上述结构，本发明除了能够实现交流和直流供电外，还具备铁路功率调节器RPC、有源电力滤波器、牵引网直流融冰和同相供电这四个功能：

1、兼具铁路功率调节器（RPC）的功能

若图1中的第一交流转直流单元1（简称AC-DC）、直流转交流单元2（简称DC-AC）、第二交流转直流单元4均采用具备能量可双向流动的变流器结构，如H桥，则DCPY能够控制T座和M座的功率大小，使得负载机车在不同的供电臂上取流，这样可以控制T座和M座的功率输出，使得满足负序电流最小的方式进行功率调度。极端情况是可以将一个供电臂上机车的制动能量传递给另一个臂上的机车用于牵引动力。因此该种工况下的开关状态是：K1、K6、K10、K60和K4、K5属于合闸状态,其他开关断开，见图6所示。

2、兼具APF的功能

若图1中的第一交流转直流单元1采用具备能量可双向流动的变流器结构，如H桥，则DCPY通过控制标注1这个AC-DC变流器，从而实现对机车负载的无功功率的补偿，而且利用级联等效开关频率高的特点实现对谐波的补偿。此时只需的开关状态是：K1和K6闭合即可治理T座的谐波，而K10和K60闭合即可治理M座的谐波，见图7所示。

3、兼做直流融冰的功能

本发明系统中的直流供电装置能输出直流电，可以实现对接触网的直流融冰。具体方法是将图1中Kk闭合，通过控制输出的直流侧的电压来控制直流电流，从而实现融冰。融冰时可以将图1中T座和M座的直流供电装置联通控制输出直流电，也可单独输出控制直流电的输出，具体要看所需的直流电能容量。因此其接线也有以下几种操作方式。

第一种情况是，单边单独融冰，以T座为例，控制断开负荷开关K2，合K1、K6、K3和Kk、Kk0即可，见图8。

第二种情况是，单边集中融冰，以T座为例，控制断开负荷开关K2，合K1、K6、K3和Kk，再合上K4、K5、K10、K60,这样将两座的直流输出装置都在给T座的接触网融冰，见图9。

第三种情况是，交错单独融冰，以T座为例，控制断开负荷开关K2和K1、K6，合Kk，再合上K4、K5、K10、K60,这样将利用M座供电给T座的接触网融冰，见图10。

第四种情况是，双边集中融冰，控制断开负荷开关K2、K20，合Kk和Kk0，合K1、K6、K3和Kk，再合上K4、K5、K10、K60,这样将两座的直流输出装置都在给T座和M座的接触网供电融冰，见图11。

上述四种情况中，第一种和第三种情况是利用其中一个座的容量来实现给一个座的牵引网融冰，这种方式输出的功率容量有限，而且融冰时会产生较大的负序电流，而第二种和第四中情况下由于能合适控制两个座的功率输出，输出功率大，不产生负序电流。

4、兼做同相供电的功能

在本发明系统工作直流供电模式下，T座和M座均为直流供电时，就不存在过分相问题，但是当本发明系统工作交流供电模式下时，由于，T座和M座的交流电相位不一致，而出现站内过分相，在没有自动过过分相系统下过分相时，机车需要经历停电后再得电的过程，从而导致机车一段时间没有供电而使得其驱动力和速度下降问题，还有存在重新得电时的过电压问题。而有了DCPY中的变换装置后，能够实现同相供电，如图12。图中是将原来M座的供电同相成T座供电，图中原来的分相区间用KMT断路器联通，而M座供电臂增加短路器KMm形成断点。开关K1、K6、K10、K60、K4、K5、K2、K20闭合，而直流供电的K3和K30断开。通过控制变流装置DCPY的左半边变流器，即与M座连接的变流器，实现M座的交流能量转换成直流，通过K5和K4传递给与T座相连接的变流器，然后通过控制DCPY的右半边变流器，将直流电你变成交流电，控制逆变输出的频率和相位，与M座牵引供电网同时给给负载供电。通过合适调度有功功率，并控制各个变流器无功功率的输出量和谐波，发可以实现负序、无功和谐波的同时治理。

综上所述，通过采用本发明的上述系统，具备以下功能和效果：

（1）通过增加电力电子装置可以实现交、直流的可选择供电，而且直流供电电压可根据需要调节，满足不同机车的需求。

（2）利用电力电子器件实现高压交流电在低压场合的应用，避免了变压器加入导致的占地面积大，损耗大的问题；

（3）模块化结构，便于制造，扩容方便，只要改变级联单元个数和接地点，便可以满足我国AT供电中55kV电压等级的要求。

（4）单个模块开关频率低，可通过合适的调制，提高等效开关频率，网侧输出电压波形质量好，具备谐波补偿功能。

（5）直流供电系统能实现两个座的有功能量交换，而交流侧采用全控桥时能进行无功输出，因此能治理牵引变压器两相供电带来的负序问题；同时由于实现了两个供电臂的能量流通，可以提高整个变压器的利用率。还具备直流融冰的功能，方便对覆冰的快速融化。

（6）还具备同相供电的功能，能减少交流供电中过分相产生的系列问题。

（7）带有储能系统，能就地吸收和放出机车制动时产生的制动能量，实现了制动能量的就地利用，减少了能量传输过程中造成的损耗和对电网的冲击。

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 (5)

1.一种模块化多电平双流制牵引供电及净化系统，其特征在于，包括：

交流供电系统，包括由三相变成两相的牵引供电变压器，其分别给T座供电臂和M座供电臂供电；

直流供电变换装置，为两个，且T座供电臂和M座供电臂供电分别与其中一个对应；所述直流供电变换装置包括第一交流转直流单元、直流转交流单元、隔离变压器、第二交流转直流单元、电压组合单元；所述第一交流转直流单元采用模块级联的结构，通过电力电子器件模块级联从接触网上的高压取电，将交流电能转换成多个电位的直流电能；所述直流转交流单元，用来将第一交流转直流单元与直流转交流单元之间的各个直流电容上的直流电逆变成为交流电；所述隔离变压器将转化后的交流电能通过变压器实现不同电位的隔离，同时实现能量的快速传递；所述第二交流转直流单元用来将隔离变压器耦合传过来的交流能量再转化成直流能量；所述电压组合单元用来对经第二交流转直流单元变换后的直流电压进行组合成合适电压等级。

2.根据权利要求1所述的模块化多电平双流制牵引供电及净化系统，其特征在于，还包括一个储能系统，用于就地吸收机车负载制动产生的能量以实现制动能量的就地再利用，以及对负载供电起到削峰填谷的作用。

3.根据权利要求1所述的模块化多电平双流制牵引供电及净化系统，其特征在于，所述隔离变压器为中频或者高频隔离变压器。

4.根据权利要求3所述的模块化多电平双流制牵引供电及净化系统，其特征在于，所述隔离变压器为独立型、全部共铁芯型、多变一型、局部共铁芯型或三相共铁芯型。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的模块化多电平双流制牵引供电及净化系统，其特征在于，所述第一交流转直流单元和第二交流转直流单元的结构相同，均采用二级管结构、晶闸管结构、全控器件的半桥和半桥的二极管结构、全控器件的H桥结构、全控器件的多电平结构中的任意一种。