CN105811786B - 一种能馈变流器装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能馈变流器装置，包括变流器柜体以及安装于变流器柜体内的主电路单元、信号采集单元、控制单元DCU和辅助电路单元；所述主电路单元用来与信号采集单元、控制单元DCU协调工作，完成电能的变换；所述辅助电路单元用来控制冷却风机启停以完成柜体散热功能。本发明具有大功率、模块化、具有通用性、可扩容性、结构紧凑、散热条件良好等优点。

Description

一种能馈变流器装置

技术领域

本发明主要涉及到轨道交通领域，特指一种适用于轨道交通的能馈变流器装置。

背景技术

目前，随着轨道交通快速发展，城轨列车再生制动能量的吸收从早前的电阻消耗向高效节能、具有更高经济价值的能量回馈和存储发展，21世纪的城市轨道交通系统将是追求高效、节能的绿色交通系统。现有的再生制动能量回馈系统主要为低压型和高压型，即通过能量回馈系统完成将列车再生制动的能量回馈到低压、高压配电网。该能馈系统具有很高的经济性和环保性能，对于新近建设开通的城轨线路，优先考虑采用能量回馈系统进行再生制动能量的回收，早年建设的城轨线路也有采用能量回馈系统的趋势。对于地铁站内部，由于场地的特殊性和局限性，为整套能馈系统预留的场地空间并不是很大，而早年建设的线路，安装空间在一定程度上限制了能馈系统的应用。因此，无论新线、老线对能馈系统的占地面积和尺寸均有严格的限制。

城轨系统再生制动能量回馈多采用功率开关器件，如绝缘栅双极型晶体管（Insulate Gate Bipolar Transistor，IGBT），来实现交直流能量的变换。

能量回馈系统一般包括直—交变换部分和变压并网部分，其中直—交变换部分多采用功率开关器件IGBT，通过脉宽调制技术实现。在高压能馈方面涉及的产品不多，且都是采用多个小功率变流器模块并联输出的方式较大功率输出。针对不同牵引网网压、不同再生制动功率等级的城轨线路，其设计的变流柜不具备通用性，通常必须针对特定牵引网压、特定功率等级、特定城轨线路重新进行变流柜设计。当要求兆瓦级大功率输出时多采用多个此种功率等级变流柜并联方式实现扩容。在不改变变流器柜体结构的条件下单个变流柜不具扩容功能，柜体通用性不高。

上述采用多个小功率变流模块并联的变流柜技术方案具有以下缺点：

1、多个小功率变流模块并联输出控制复杂，接线复杂，且其单个变流模块集成风冷散热装置，当柜体内安装多个变流模块时，结构过于紧凑，单柜进风口风量有限，不能有效利用有限的风量，不利于多个变流模块同时散热。

2、多个小功率变流模块并联输出的变流柜，因多个模块所占柜体空间较大，接线复杂，结构过于拥挤，柜体宽度很难做到1.2m以下。在单个柜体宽度不大于1.2m的情况下，其输出功率有限，通常难以做到兆瓦级输出。

3、多个小功率变流模块并联输出的变流柜，无论是新线建设还是老线改造，对于相同供电电压、不同再生制动功率等级，或不同供电电压、不同再生制动功率等级的城轨线路，通常不具备通用性，只能重新设计或采用多个单柜并联的方式实现不同再生制动功率的回馈。若重新设计则增加了投标、设计和试验的成本，且研发周期长，不具通用性和灵活性，市场竞争力不强。若采用多柜并联方式则所占地铁站面积翻倍，对于地铁站预留安装空间小的新老线路不具适用性。

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，本发明提供一种大功率、模块化、具有通用性、可扩容性、结构紧凑、散热条件良好的能馈变流器装置。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种能馈变流器装置，包括变流器柜体以及安装于变流器柜体内的主电路单元、信号采集单元、控制单元DCU和辅助电路单元；所述主电路单元用来与信号采集单元、控制单元DCU协调工作，完成电能的变换；所述辅助电路单元用来控制冷却风机启停以完成柜体散热功能。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述主电路单元包括放电电阻单元、变流模块、预充电单元、交流断路器和滤波器；其中：

所述变流模块主要用来完成逆变功能，将直流电变换成交流电；

所述预充电单元设置在变流模块的交流输出端，用来完成支撑电容器初始电压的建立；

所述滤波器用于交流侧滤波；

所述信号检测单元，用于检测各电压电流信号和网压同步信号。

所述滤波器集成在能馈变压器中，所述能馈变压器置于变压器柜中。

所述变流模块包括呈并联输出的第一变流器模块和第二变流器模块。

所述第一变流器模块和第二变流器模块的单模块功率为500kW～1000kW。

所述变流器柜体内部分成前区、中区和后区；所述变流器柜体的前端设有前柜门，所述变流器柜体的后端设有后柜门；所述中区设有独立风道，所述柜体的前柜门和后柜门上设有底部进风口，所述变流器柜体的顶部设置顶部出风口，所述底部进风口、独立风道及顶部出风口连通以形成冷却风道。

所述中区设有母排走线区域，所述变流器柜体的进出线采取下进、下出的方式，所述主电路单元中各部件之间采用母排连接，变流柜直流侧进线母排安装在变流器柜体前区，所述变流器输出侧母排分布在母排走线区域。

作为本发明的进一步改进：所述前区内设有用来安装变流器模块的多个变流器安装区域、用来安装控制单元DCU的第三区域及用来安装第一冷却风机的第四区域，所述第三区域、多个变流器安装区域、第四区域为上下分层结构，由上至下依次布置。

作为本发明的进一步改进：所述变流器模块的散热器翅片完全置于独立风道中。

作为本发明的进一步改进：所述后区内设置有一个以上的放电单元、一个以上的预充电单元、一个以上的交流断路器，每个变流器模块对应一组放电单元、预充电单元、交流断路器的组合；所述放电单元、预充电单元、交流断路器由上至下依次布置。

作为本发明的进一步改进：所述前柜门上触摸型人机交互模块，用来进行能馈变流柜的控制和人机交互。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明的能馈变流器装置中变流柜采用大功率变流模块，柜体内部设有独立风道，变流模块散热器完全置于风道中，散热效率高，散热效果非常好，其余设备均为自然冷却。柜体内部结构分布均匀合理，主电路接线采用母排，接线简单明了。对于周期工作制的能馈系统，采用较小功率风机即可满足散热要求。

2、本发明的能馈变流器装置中变流柜采用大功率变流模块，单模块功率达500kW～1000kW，两重变流模块并联实现兆瓦级大功率输出，单柜功率可达1MW～2MW兆瓦级大功率输出。

3、本发明的能馈变流器装置，采用大功率变流器模块，在考虑散热性能、器件布局、安装维护等因素后，单柜柜体宽度可做到1.2m以内，节省整套能量回馈系统安装空间，对于不同新旧城轨线路有很强的通用性。

4、本发明的能馈变流器装置采用大功率变流模块，对于不同供电电压、不同再生制动功率等级、不同新老线路，可在同一柜体上轻松方便实现不同功率输出，即实现单柜容量扩展。柜体具有很强的通用性和适用性，易于实现系列化，且研发周期短，采购、试验成本低，投标时具有很强的竞争力。

5、本发明通过更换变流器模块、电压电流传感器等部件，可适用于DC750V和DC1500V不同电压等级城轨线路。

附图说明

图1是本发明的拓扑结构示意图。

图2是本发明在具体应用实例中变流器柜体的主视布局示意图。

图3是本发明在具体应用实例中变流器柜体的侧视布局示意图。

图4是本发明在具体应用实例中变流器柜体的后视布局示意图。

图例说明：

1、变流器柜体；2、第一区域；3、第二区域；4、第三区域；5、第四区域；6、独立风道；601、风道进口；7、母排走线区域；8、后柜门；9、底部进风口；10、顶部出风口；11、前柜门。

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，本发明的能馈变流器装置，包括变流器柜体1以及安装于变流器柜体1内的主电路单元、信号采集单元、控制单元DCU和辅助电路单元；其中，主电路单元用来与信号采集单元、控制单元DCU协调工作，完成电能的变换；辅助电路单元用来控制冷却风机启停，以完成柜体散热功能。

主电路单元包括放电电阻单元、变流模块、预充电单元、交流断路器和滤波器。其中：

变流模块主要用来完成逆变功能，将直流电变换成交流电。本实施例中，采用两个大功率变流模块（第一变流器模块和第二变流器模块）并联输出，单模块功率达500kW～1000kW，两重变流模块并联实现兆瓦级大功率输出，单柜功率可达1MW～2MW兆瓦级大功率输出。

预充电单元设置在变流模块的交流输出端，用来完成支撑电容器初始电压的建立。

滤波器用于交流侧滤波，根据实际需要可以选择采用电感L滤波、电感L和电容C滤波或LCL滤波中的任意一种，本实施例中选择采用L滤波。本发明将滤波器集成在能馈变压器中，高漏感能馈变压器置于变压器柜中，这样可以有效减小变流柜尺寸。

信号检测单元包括直流侧、交流侧电压电流传感器、同步变压器等，用于检测各电压电流信号和网压同步信号，已完成过压、过流、欠压及与高压电网同步功能。

如图2 ～图4所示，本发明的变流器柜体1内部分成前区、中区和后区，变流器柜体1的前端设有前柜门11，变流器柜体1的后端设有后柜门8。

上述中区设有独立风道6和母排走线区域7。在柜体的前柜门11和后柜门8上设有底部进风口9，并在变流器柜体1的顶部设置顶部出风口10，底部进风口9、独立风道6及顶部出风口10连通以形成冷却风道。整个变流器柜体1的进出线采取下进、下出的方式，主电路单元中各部件之间采用母排连接，以减小线路寄生电感和损耗，提高电气性能。变流柜直流侧进线母排安装在变流器柜体1前区左侧，变流器输出侧母排分布在母排走线区域7，变流器柜体1的输出母排安装在交流断路器的下端输出端。

所述前区内设有用来安装第一变流器模块的第一区域2、用来安装第二变流器模块的第二区域3、用来安装控制单元DCU的第三区域4及用来安装第一冷却风机的第四区域5，第三区域4、第一区域2、第二区域3、第四区域5为上下分层结构，由上至下依次布置。以上区域均通过隔板分隔而成，形成各自的腔体。位于第三区域4中的控制单元DCU，采用独立腔体安装，保证了整个DCU的电气隔离。第一冷却风机可以采用高性能离心风机。第一变流器模块、第二变流器模块的散热器翅片完全置于独立风道6中，冷却风从第一冷却风机两侧导风圈吸入，经涡壳改变风向后吹入风道进口601，经变流器模块散热器翅片带走热量，从顶部出风口10吹出。其中，风道进口601为朝下的设计，顶部出风口10处采用防滴水防虫鼠害处理。

所述后区内设置有一个以上的放电单元、一个以上的预充电单元、一个以上的交流断路器及第二冷却风机，放电单元、预充电单元及交流断路器均为变流器模块的前后级器件，每个变流器模块对应一组上述器件。上述放电单元、预充电单元、交流断路器及第二冷却风机由上至下依次布置。本实例中，变流器模块为两个，因此放电单元、预充电单元、交流断路器均为两个，同类型器件位于同一水平线上布置。第二冷却风机可以根据实际需要设置，也可以不用设置。

进一步，本实施例中，在前柜门11上触摸型人机交互模块，方便进行能馈变流柜的控制和人机交互，可通过微型计算机系统下发指令完成对整个能馈系统的监控。

通过上述的优化设计，本发明的能馈变流器装置的柜体宽度根据功率可设计为0.8～1.2m内。本发明的变流柜采用两个大功率变流模块（第一变流器模块和第二变流器模块）并联输出，输出功率可达1MW～2MW。根据客户的需求，能馈变流器装置的功率改变或扩容可通过在同一柜体上更换不同功率变流器模块或多柜并联实现。通过更换变流器模块、电流电压传感器等部件，即可满足DC750V或DC1500V牵引电网的需求。

本发明在综合考虑不同城轨线路牵引网网压、再生制动功率等级不同，并兼顾考虑变流柜中各元器件的位置、散热和接线安装维护等问题后对能馈变流器柜体结构方面做了优化，可以兼顾新建城轨线路和已有线路的改造，以及不同供电电压牵引网、不同再生制动能量功率等级的城轨线路需求。整个装置采用模块化设计，优化结构布局，整个变流器柜体1的宽度可以控制在1.2m以内，结构紧凑，具有良好电气隔离和散热条件，方便安装维护，具有很强的通用性、可扩容性。

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 (7)

1.一种能馈变流器装置，其特征在于，包括变流器柜体（1）以及安装于变流器柜体（1）内的主电路单元、信号采集单元、控制单元DCU和辅助电路单元；所述主电路单元用来与信号采集单元、控制单元DCU协调工作，完成电能的变换；所述辅助电路单元用来控制冷却风机启停以完成柜体散热功能；所述变流器柜体（1）内部分成前区、中区和后区；

所述主电路单元包括放电电阻单元、变流模块、预充电单元、交流断路器和滤波器；所述变流模块包括呈并联输出的第一变流器模块和第二变流器模块，所述第一变流器模块和第二变流器模块的单模块功率为500kW~1000kW；

所述变流器柜体（1）的前端设有前柜门（11），所述变流器柜体（1）的后端设有后柜门（8）；所述中区设有独立风道（6），所述柜体的前柜门（11）和后柜门（8）上设有底部进风口（9），所述变流器柜体（1）的顶部设置顶部出风口（10），所述底部进风口（9）、独立风道（6）及顶部出风口（10）连通以形成冷却风道；

所述前区内设有用来安装变流器模块的多个变流器安装区域、用来安装控制单元DCU的第三区域（4）及用来安装冷却风机的第四区域（5），所述第三区域（4）、多个变流器安装区域、第四区域（5）为上下分层结构，由上至下依次布置。

2.根据权利要求1所述的能馈变流器装置，其特征在于，

所述变流模块主要用来完成逆变功能，将直流电变换成交流电；

所述预充电单元设置在变流模块的交流输出端，用来完成支撑电容器初始电压的建立；

所述滤波器用于交流侧滤波；

还包括信号检测单元，用于检测各电压电流信号和网压同步信号。

3.根据权利要求2所述的能馈变流器装置，其特征在于，所述滤波器集成在能馈变压器中，所述能馈变压器置于变压器柜中。

4.根据权利要求1所述的能馈变流器装置，其特征在于，所述中区设有母排走线区域（7），所述变流器柜体（1）的进出线采取下进、下出的方式，所述主电路单元中各部件之间采用母排连接，变流器直流侧进线母排安装在变流器柜体（1）前区，所述变流器输出侧母排分布在母排走线区域（7）。

5.根据权利要求1所述的能馈变流器装置，其特征在于，所述变流器模块的散热器翅片完全置于独立风道（6）中。

6.根据权利要求1所述的能馈变流器装置，其特征在于，所述后区内设置有一个以上的放电单元、一个以上的预充电单元及一个以上的交流断路器，每个变流器模块对应一组放电单元、预充电单元、交流断路器的组合；所述放电单元、预充电单元、交流断路器由上至下依次布置。

7.根据权利要求1所述的能馈变流器装置，其特征在于，所述前柜门（11）上触摸型人机交互模块，用来进行能馈变流柜的控制和人机交互。