CN106300414A - 一种基于串、并联结构的模块化地铁能量回馈装置 - Google Patents
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Abstract
本发明具体涉及一种模块化地铁能量回馈装置，为了克服现有技术存在的不能灵活满足各种功率等级需求的缺点，本发明通过一种基于串、并联结构的模块化地铁能量回馈装置，该装置包括：至少一个DC750V逆变模块组、升压变压器；馈入直流触网的电能通过电压互感器进入所述DC750V逆变模块直流侧，通过DC750V逆变模块将直流电转换成低压交流电，低压交流电经升压变压器变成中压交流电后馈入中压电网，所述DC750V逆变模块组包括至少一个DC750V逆变模块，DC750V逆变模块的交流输出端和升压变压器相连。本发明能够灵活覆盖电压为DC750或1500V、不同电流等级需求，且能够冗余运行、提高可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及城市轨道交通供电系统技术领域，具体涉及一种模块化地铁能量回馈装置。
背景技术
近几年来我国城市轨道交通发展非常迅速，现有的地铁牵引供电方式采用二极管整流机组将35/33kV中压交流电整流成1500V直流，通过直流触网对地铁列车上的牵引电机供电。但是这种供电方式只能实现电能从电网到电机的单向功率流动，而电机在制动过程中工作在发电机状态，列车的机械能转换成电能。为了保证直流触网电压在安全范围内，现在基本采用电阻耗电方式吸收列车制动产生的电能，造成了电能的极大浪费，电阻产生的热量还增加了空调制冷负担，这违背了国家节能减排方针。
随着电力电子技术的发展，能量回馈装置逐渐在地铁里得到了应用。能量回馈装置的基本原理是将电机发出的直流电能逆变成交流电回馈到电网，这样电能就得到了再生利用，有效地提高了能源的利用效率。
国内若干高校和企业对地铁能量回馈装置进行了有益的研究和探索：北京交通大学和北京千驷驭电气有限公司的专利《一种具有无功补偿功能的能馈式牵引供电装置及控制方法》申请号：201010601917.9，即专利1。亚派科技股份有限公司的专利《一种地铁能量回馈装置》，专利号：ZL 2015 2 0606199.2即专利2两篇专利比较具有代表性。
在电路结构上，专利1采用两台DC750V三相半桥逆变器直流侧串联，交流侧分别连接变压器两组三相绕组隔离，通过载波移相180度，达到开关频率倍频效果。该方案的优点是能够兼容DC750/1500V应用，但不能灵活覆盖不同电流等级需求，且只采用单电感滤波，开关纹波将会污染电网。专利2采用三相H桥方案，实现倍频效果，采用变压器三组独立绕组实现H桥所需的相间隔离，并且采用LCL滤波器，纹波污染小。但不能兼容DC750/1500V应用，且同样不能灵活覆盖不同电流等级需求。
综上，上述两种方案都不能灵活满足各种功率等级需求，且没有冗余运行能力，存在可靠性隐患。
发明内容
1、所要解决的技术问题：
为了克服上述技术缺陷，本发明提供一种基于串并、联结构的模块化地铁能量回馈装置，该装置能够灵活覆盖电压为DC750或者1500V、不同电流等级需求，且能够冗余运行、提高可靠性。
2、技术方案：
一种基于串、并联结构的模块化地铁能量回馈装置，该装置包括：至少一个DC750V逆变模块组、升压变压器；馈入直流触网的电能通过电压互感器进入所述DC750V逆变模块直流侧，通过DC750V逆变模块将直流电转换成低压交流电，低压交流电经升压变压器变成中压交流电后馈入中压电网，所述DC750V逆变模块组包括至少一个DC750V逆变模块，DC750V逆变模块的交流输出端和升压变压器相连。
所述DC750V逆变模块包括3相H桥逆变器、交流电流互感器、逆变器侧滤波电感、交流滤波电容、直流滤波电感、直流熔断器、交流断路器；馈入直流触网的电能与 3相H桥逆变器的输入端相连，3相H桥逆变器6个桥臂都串联逆变器侧滤波电感，所述逆变器侧滤波电感输出端与分别与各自对应的交流电流互感器的输入端相连，所述交流电流互感器的输出端分别与各自对应的交流滤波电容相连，各滤波电容与各自相对应的交流断路器的输入端相连，交流断路器输出端即为DC750V逆变模块的交流输出端相连；直流电经开关频率f的3相H桥单极倍频逆变，输出等效开关频率为2f的三相脉冲交流电；该脉冲交流电经过LCL滤波器得到三相正弦低压交流电，低压正弦交流电经变压器升压成中压正弦交流电馈入中压电网。
进一步地，所述DC750V逆变模块组包括N≥1个并联的DC750V逆变模块。通过并联DC750V逆变模块组可以应用于不同电流大小的电路。
进一步地，所述DC750V逆变模块组为两组，两组DC750V逆变模块组在直流触网的直流侧串联。在直流触网的直流侧串联两组DC750V逆变模块组，可以应用于DC1500V的直流触网电路。通过上述并联与串联的电路，可以根据需要适应不同的电压和不同的电流的电路。
进一步地，所述3相H桥逆变器的主功率器件采用全控IGBT器件。
进一步地，所述升压变压器为三相三柱式，高压侧采用三角形接法，低压侧采用一组或两组三相独立绕组。
进一步地，DC750V逆变模块输入端配备直流熔断器，DC750V逆变模块输出端设置交流断路器。
当列车制动时，列车上的牵引电机工作在发电机状态，制动机械能转换成电能馈入直流触网，进入DC750V逆变模块，直流电经直流滤波电感滤波，输入3相H桥逆变器，逆变器采用单极倍频控制得到等效开关频率是实际开关频率两倍的三相脉冲交流电，该脉冲交流电经过逆变器侧滤波电感、交流滤波电容、变压器漏感滤波后得到三相正弦低压交流电。DC750V逆变模块内部的交流电流互感器检测逆变器的三相输出电流，进行快速过流保护；所述总输出电流霍尔传感器用于分别检测各逆变模块并联后的总输出电流，进行电流闭环控制。两组串联DC750V逆变模块的交流输出分别连接变压器的两组三相独立绕组，变压器高压侧采用三角形接法与中压电网连接，三相低压交流电经变压器升压成中压交流电馈入中压电网。
3、有益效果：
（1）灵活覆盖不同功率需求：单独采用一组DC750V逆变模块组可以应用于DC750V地铁系统，采用两组DC750V逆变模块组串联可以应用于DC1500地铁系统；在所述DC750V逆变模块组内并联相应数量的DC750V逆变模块可以满足不同的电流需求。
（2）可靠性高：因为在DC750V逆变模块的输出端设置交流断路器，当出现并联的DC750V逆变模块故障、退出运行的工况下，交流断路器断开，该故障DC750V逆变模块从整个系统中切除，并不会影响其他模块运行，整个装置具有降额运行能力。并且，在3相H桥逆变器6个桥臂交流输出端都串联滤波电感可以防止当电路是多个DC750V逆变模块并联时出现短路的情况。
（3）波形质量好：H桥的逆变输出能够直接达到2倍频的效果，H桥在低压侧就能实现倍频效果，在很大程度上保证了LCL滤波器的可实现性。
（4）减小体积、降低成本：输出开关纹波频率高、幅值小，能够减小输出LCL滤波器尺寸、降低成本；并网变压器为三相三柱式，高压侧三角形接法低压侧两组三相独立绕组，输出电压0.5kV。两组三相独立绕组为逆变模块直流侧串联、3相H桥提供必需的相间隔离，变压器具有6%的短路阻抗，其漏感用作逆变器输出LCL滤波器的网侧电感。所以，变压器一兼三职，具有电压耦合、低压侧相间隔离、网侧滤波电感三重功能，降低装置成本。
附图说明
图1 模块化回馈装置电路拓扑图，
图2 DC750V逆变模块内部电路拓扑图。
具体实施方式
一种基于串、并联结构的模块化地铁能量回馈装置，包括：若干台DC750V逆变模块、升压变压器，馈入直流触网的电能进入逆变模块直流侧，逆变模块将直流电转换成低压交流电，低压交流电经变压器升压成中压交流电馈入中压电网，其中，DC750V逆变模块通过直流侧2模块串联实现DC1500V场合应用，通过直流侧并联满足不同的输入电流要求。DC750V逆变模块包括3相H桥逆变器、交流电流互感器、逆变器侧滤波电感、交流滤波电容、直流滤波电感、直流熔断器、交流断路器，交流输出端和变压器相连。直流电经开关频率f的3相H桥单极倍频逆变，输出等效开关频率为2f的三相脉冲交流电。该脉冲交流电经过LCL滤波器得到三相正弦低压交流电，低压正弦交流电经变压器升压成中压正弦交流电馈入中压电网。变压器为三相三柱式，高压侧采用三角形接法，低压侧采用两组三相独立绕组。DC750V逆变模块中的H桥逆变器输出采用LCL滤波器，逆变器侧滤波电感和交流滤波电容安装在逆变模块中，网侧滤波电感利用变压器漏感实现，无需专门配备。
下面结合附图1、2作进一步说明：
当列车制动时，列车上的牵引电机工作在发电机状态，制动机械能转换成电能馈入直流触网，然后进入DC750V逆变模块，逆变模块将直流转换成交流，变压器将逆变模块输出的低压交流升压成中压馈入中压电网。电路中的各个部件如下：
模块化回馈装置：两组DC750V逆变模块直流侧串联满足DC1500V应用；每组DC750V逆变模块交、直流侧并联，满足不同电流需求。TA1、TB1、TC1和TA2、TB2、TC2分别采样两组串联逆变模块输出总电流，进行电流闭环控制。TV1、TV2为直流电压霍尔传感器，分别采样两组串联逆变模块的直流母线电压，进行稳压控制。
DC750V逆变模块：逆变器为3相H桥，采用单极倍频技术，逆变输出频率是实际开关频率的2倍，且输出1/2Udc、0、-1/2Udc三种电平，相比普通两电平电路的Udc、-Udc输出，能将开关纹波幅值减小一倍。输出开关纹波频率高、幅值小，能够减小输出LCL滤波器尺寸、降低成本；H桥逆变器的每个桥臂交流输出都串联滤波电感，抑制模块并联桥臂间的环流。当主控制器，可以为基于DSP+FPGA控制芯片，检测到直流触网电压高于设定的门槛值，通过光纤控制H桥逆变器把直流触网过来的直流电转换成交流电，送给变压器；CTA、CTB、CTC为交流电流互感器，分别检测逆变器三相输出电流，进行快速过流保护；LA1、LA2、LB1、LB2、LC1、LC2分别是3相H桥逆变器的逆变器侧滤波电感；CA、CB、CC分别是每相的交流滤波电容；K1、K2分别是交流断路器，用于过流保护；F1、F2是直流熔断器，用于短路保护。
变压器：将逆变模块输出的低压交流升压到中压，馈入中压电网；变压器为三相三柱式，高压侧三角形接法，连接35/33kV电网，低压侧为两组三相独立绕组，输出电压0.5kV；两组三相独立绕组为两组DC750V模块串联、3相H桥提供必需的相间隔离。变压器具有6%的短路阻抗，其漏感用作逆变器输出LCL滤波器的网侧电感。所以，变压器一兼三职，具有电压耦合、低压侧相间隔离、网侧滤波电感三重功能；PT1、PT2、PT3是交流电压互感器，用于检测电网电压，给主控制器提供电网同步信号并进行电网电压前馈控制。
下面仅仅对所述装置在不同的电压时进行说明。
实施方式一：
电路中只有一个DC750V逆变模块组，此时直流网测的电压为750V，而在该逆变模块组内部，可以根据实际电流的大小并联一定数量的DC750V逆变模块。
实施方式二：
电路中有两组DC750V逆变模块组，两组逆变模块组为串联，此时共同分担的电压为1500V，如果每组的一个逆变模块无法满足电流要求，根据电流的大小并联一定数量的DC750V逆变模块。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但它们并不是用来限定本发明的，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明之精神和范围内，自当可作各种变化或润饰，因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求保护范围所界定的为准。
Claims (6)
1.一种基于串、并联结构的模块化地铁能量回馈装置，该装置包括：至少一个DC750V逆变模块组、升压变压器；馈入直流触网的电能通过电压互感器进入所述DC750V逆变模块直流侧，通过DC750V逆变模块将直流电转换成低压交流电，低压交流电经升压变压器变成中压交流电后馈入中压电网，所述DC750V逆变模块组包括至少一个DC750V逆变模块，DC750V逆变模块的交流输出端和升压变压器相连；
其特征在于：
所述DC750V逆变模块包括3相H桥逆变器、交流电流互感器、逆变器侧滤波电感、交流滤波电容、直流滤波电感、直流熔断器、交流断路器；馈入直流触网的电能与 3相H桥逆变器的输入端相连，3相H桥逆变器6个桥臂都串联逆变器侧滤波电感，所述侧滤波电感输出端与分别与各自对应的交流电流互感器的输入端相连，所述交流电流互感器的输出端分别与各自对应的交流滤波电容相连，各滤波电容与各自相对应的交流断路器的输入端相连，交流断路器输出端即为DC750V逆变模块的交流输出端相连；直流电经开关频率f的3相H桥单极倍频逆变，输出等效开关频率为2f的三相脉冲交流电；该脉冲交流电经过LCL滤波器得到三相正弦低压交流电，低压正弦交流电经变压器升压成中压正弦交流电馈入中压电网。
2.如权利要求1所述的一种基于串、并联结构的模块化地铁能量回馈装置，其特征在于：所述DC750V逆变模块组包括N≥1个并联的DC750V逆变模块。
3.如权利要求2所述的一种基于串、并联结构的模块化地铁能量回馈装置，其特征在于：所述DC750V逆变模块组为两组，两组DC750V逆变模块组在直流触网的直流侧串联。
4.如权利要求1所述的一种基于串、并联结构的模块化地铁能量回馈装置，其特征在于：所述3相H桥逆变器的主功率器件采用全控IGBT器件。
5.如权利要求1所述的一种基于串、并联结构的模块化地铁能量回馈装置，其特征在于：所述升压变压器为三相三柱式，高压侧采用三角形接法，低压侧采用一组或两组三相独立绕组。
6.如权利要求1所述的一种基于串、并联结构的模块化地铁能量回馈装置，其特征在于：DC750V逆变模块输入端配备直流熔断器，DC750V逆变模块输出端设置交流断路器。
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