CN107658875A - 城市轨道交通晶闸管型牵引整流及回馈变流系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种城市轨道交通晶闸管型牵引整流及回馈变流系统，包括12脉波晶闸管整流器、12脉波晶闸管逆变器、移相变压器、自耦变压器，所述移相变压器的一次侧与中压环网连接，所述移相变压器的二次侧与12脉波晶闸管逆变器的交流侧相连，所述12脉波晶闸管逆变器的直流侧与直流母线相连，所述自耦变压器的一次侧与移相变压器的二次侧相连，所述自耦变压器的二次侧与12脉波晶闸管整流器的交流侧相连，所述12脉波晶闸管整流器的直流侧与直流母线相连。本发明解决列车制动能量巨大消耗的问题，推动城轨列车制动能量的回收应用。

Description

城市轨道交通晶闸管型牵引整流及回馈变流系统

技术领域

本发明涉及一种城市轨道交通牵引系统，尤其涉及一种城市轨道交通晶闸管型牵引整流及回馈变流系统，属于电力电子技术领域。

背景技术

城轨交通晶闸管型牵引整流及回馈变流系统主要应用于地铁或轻轨的直流牵引供电系统中，该系统可实现在列车制动时，将再生制动能量吸收利用，在列车处于牵引工况时，为列车牵引提供电能并稳定直流母线电压。据统计，城市轨道交通制动能量可达到牵引能量的20％-40％以上，面对如此巨大的耗电量，加上节能降耗的政策及技术升级的要求使地铁牵引供电公司对于将车辆制动能量反馈利用的需求更加迫切。因此，研究合适的再生制动能量回收利用系统，对实现能源高效利用意义重大。

目前国内制动能量回收装置多采用基于IGBT的逆变回馈方案，少数几家国外公司采用了基于晶闸管的逆变回馈方案，且都只是单向能馈，没有考虑能量的双向流动。目前，在国内还没有厂家生产采用晶闸管技术的中压能馈装置，也没有厂家提出晶闸管型牵引整流及回馈变流系统的技术方案并投入生产。对比两种方案，IGBT能馈方案最突出的优点是谐波含量较低，但是晶闸管能馈方案的成本低，短路能力强，适用于更高的功率配置方案，控制方案相对简单，自然冷却，维护工作量小，而谐波含量高的问题可以通过增加移相变压器进行滤波处理来解决，所以综合对比来看，采用晶闸管能馈方案更加合适。

目前，普遍采用二极管不控整流方式，直流母线电压不可控，在负载变化较大的情况下容易引起直流网压的波动，影响列车控制性能，而基于IGBT的能馈装置本身带有整流功能，因此有相关研究者和业内专家提出打开IGBT能馈装置的整流功能，实现能量的双向流动。在列车牵引时通过IGBT整流功能提供一定牵引能量，稳定直流网压。但是，由于地铁供电标准要求整流装置有一定的过载能力(过载倍数和过载时间要求为：1.5倍过载时间2小时，3倍过载时间1分钟)，因为IGBT器件的过载能力很低，发生过载时IGBT能馈装置很难实现稳定直流母线的目标，这就需要大幅增加IGBT整流装置的额定容量，导致装置的额定容量远远大于实际使用时的容量，造成装置成本的急剧增加。而晶闸管器件的单管额定电流与大功率二级管相当，且过载能力较强，所以采用晶闸管整流装置可以很好地解决过载问题，同时实现母线电压可控的目标。

随着地铁系统的运营里程的逐渐增加，其电能消耗总量也大幅增长，需要一种更为先进的列车制动再生能量回收系统来满足城市轨道交通发展的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种城市轨道交通晶闸管型牵引整流及回馈变流系统，解决列车制动能量巨大消耗的问题，推动城轨列车制动能量的回收应用。

本发明的目的通过以下技术方案予以实现：

一种城市轨道交通晶闸管型牵引整流及回馈变流系统，包括12脉波晶闸管整流器1、12脉波晶闸管逆变器2、移相变压器3、自耦变压器4，所述移相变压器3的一次侧与中压环网连接，所述移相变压器3的二次侧与12脉波晶闸管逆变器2的交流侧相连，所述12脉波晶闸管逆变器2的直流侧与直流母线相连，所述自耦变压器4的一次侧与移相变压器3的二次侧相连，所述自耦变压器4的二次侧与12脉波晶闸管整流器1的交流侧相连，所述12脉波晶闸管整流器1的直流侧与直流母线相连。

本发明的目的还可以通过以下技术措施来进一步实现：

进一步地，所述城市轨道交通晶闸管型牵引整流及回馈变流系统，还包括电感滤波电路5，所述电感滤波电路5串联在移相变压器3的二次侧回路。

进一步地，所述城市轨道交通晶闸管型牵引整流及回馈变流系统，还包括电容无功补偿装置6，所述电容无功补偿装置6并联在移相变压器3的二次侧。

进一步地，所述城市轨道交通晶闸管型牵引整流及回馈变流系统，还包括监控系统，所述监控系统分为站级管理层、网络通信层和间隔设备层三个层次。

进一步地，所述城市轨道交通晶闸管型牵引整流及回馈变流系统，其中监控系统的站级管理层由安装在站内综合自动化终端柜中的主监控单元和显示、打印装置组成，其中网络通信层为工业以太网，其中间隔设备层由晶闸管型牵引整流及回馈变流系统内各开关设备的保护单元及监控单元组成，通过网络通信层相连实现数据通信，并对系统内各开关设备控制、监视和数据采集。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

在本发明中，采用大功率晶闸管模块，通过串并联，实现大功率变流器的容量提升。单个变流器容量可达到MW等级，系统可靠性高、功率密度大、保护功能完善。

在本发明中，基于大功率晶闸管相控整流技术和有源逆变技术，具有列车再生制动能量回馈和牵引供电功能，能量能够任意双向流动。

在本发明中，变流器模块化设计，通过变流器的多重化串并联技术，可以满足1500V及以上电压等级供电制式的需要；系统容量大、扩容方便；可以借助谐波抵消技术大大减小交流谐波含量；系统冗余性好，各变流器能够独立工作；便于生产和维护。

在本发明中，晶闸管型牵引整流及回馈变流系统的监控系统采用分层分布式的结构进行组织，分为站级管理层、网络通信层和间隔设备层三个层次。分层分布式结构基于“设备间隔”的设计思想、按系统内元件和开关等间隔层设备来组织系统。各设备内根据具体需要配置有独立的数据采样、数据输入输出、监控和保护功能。采用分层分布的结构便于对各设备分别进行故障诊断和保护，缩小故障诊断过程处理的故障域，同时也有利于对故障元件实现“定点切除”从而在最大程度上减小故障的影响范围。

在本发明中，基于以太网的实时通信系统。在每个变流器控制箱中设置一个以太网数据采集单元，将变流器所有关键点的电压、电流信号都高速采集后上传到监控器，作为设备状态监视、以及故障诊断的依据。具有丰富的网络接口和软硬件资源，便于模块多重化组网，以及与变电站综合自动化系统进行对接。

附图说明

图1是本发明的工作原理图；

图2是本发明的电路结构图；

图3是本发明的模块化变流器图；

图4是本发明的监控及通信技术方案图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

晶闸管型牵引整流及回馈变流系统基于相控整流和有源逆变技术实现城市轨道交通牵引供电和再生制动能量回收利用，如图1A、B所示，其基本原理为：在原来地铁供电系统中的24脉波整流机组旁并联一组由晶闸管整流器、晶闸管逆变器和变压器组成的晶闸管型牵引整流及回馈变流系统，该系统同时具有逆变回馈、牵引供电两种功能。当地铁列车进站制动时，由于列车采用再生制动，列车的动能将转换为电能回馈至直流接触网，此时晶闸管型牵引整流及回馈变流系统将工作在逆变回馈模式，将再生制动能量回馈至交流电网，这样就大大减少了列车的制动电阻和机械制动的使用，实现了列车再生制动能量的有效回收和再利用。同时，由于晶闸管型牵引整流及回馈变流系统具有能量双向流动性，可工作在牵引供电模式，在列车出站牵引时，通过晶闸管整流机组将电能由交流电网输送到直流母线，为列车牵引提供电能并稳定直流母线电压，同时由于整流机组具有一定过载能力，可以在临近变电站发生故障无法运行时，依靠相邻两组双向牵引变电站的过载能力，保证整条线路正常运行。

相对于现有的再生制动能量吸收系统，晶闸管型牵引整流及回馈变流系统具有如下特点：1.能量双向流动；2.直流母线电压可控；3.制动能量回收，节能效果好；4.成本低，相对于IGBT装置优势明显；5.过载能力强，整流机组满足3倍过载1分钟要求；6.使用寿命长，一般寿命周期为20年；7.控制简单可靠，维护工作量小；8.可以直接集成在牵引变电所，与中压交流侧、直流侧有联结关系。

本发明具体实施方式采用中压隔离并联方案的拓扑方案，如图2所示，12脉波晶闸管整流机组和逆变机组共用一个移相变压器与中压环网连接，组成晶闸管型牵引整流及回馈变流系统，包括12脉波晶闸管整流器1、12脉波晶闸管逆变器2、移相变压器3、自耦变压器4，所述移相变压器3的一次侧与中压环网连接，所述移相变压器3的二次侧与12脉波晶闸管逆变器2的交流侧相连，所述12脉波晶闸管逆变器2的直流侧与直流母线相连，所述自耦变压器4的一次侧与移相变压器3的二次侧相连，所述自耦变压器4的二次侧与12脉波晶闸管整流器1的交流侧相连，所述12脉波晶闸管整流器1的直流侧与直流母线相连。前述城市轨道交通晶闸管型牵引整流及回馈变流系统，还包括电感滤波电路5、电容无功补偿装置6，所述电感滤波电路5串联在移相变压器3的二次侧回路，所述电容无功补偿装置6并联在移相变压器3的二次侧。

当列车牵引时，晶闸管整流机组可以进行整流，以维持直流网压的稳定；当列车再生制动时，晶闸管逆变机组可以全功率回馈再生电能，实现网压抑制和节能。

为减小装置体积并节约成本，晶闸管型牵引整流及回馈变流系统与牵引变电站原有的24脉波整流机组共用一套移相变压器，同时在移相变压器和晶闸管整流逆变机组之间增加滤波装置和自耦变压器。滤波装置由无源器件组成，使晶闸管装置注入电网的谐波电流满足相关标准要求，自耦变压器用于将10kV电压进行升压后配合晶闸管使用。

根据相关标准，地铁1500V系统最高允许直流电压为1800V，移相变压器输出的交流线电压为1180V。本发明中，直流电压最高按1900V设计，为满足晶闸管工作条件，需要用自耦变压器将电压由1180V升高至1630V。具体工况如下：

①牵引工况下，输出的直流母线电压为1500V时对应的导通角为46度，留有一定裕量，可根据负载调节直流母线电压；

②制动工况下，直流母线电压为1800V时对应的逆变导通角为40度，直流母线电压为1900V时对应的逆变导通角为30度，对应最小逆变角。

自耦变压器：

普通的变压器是通过原副边线圈电磁耦合来传递能量，原副边没有直接电气联系，自耦变压器原副有直接电气联系，它的低压线圈就是高压线圈的一部分。同时控制模块设置防止晶闸管型牵引整流及回馈变流系统内部环流，以及其与既有24脉波整流机组系统内环流的问题现象发生。

自耦变压器与普通的双绕组变压器比较有以下优点：

①尺寸小，消耗材料少，成本低。因为变压器所用硅钢片和铜线的量是和绕组的额定感应电势和额定电流有关，也即和绕组的容量有关，自耦变压器的主要尺寸较小，有效材料(硅钢片和导线)和结构材料(钢材)都相应减少，从而降低了成本。

②损耗少，效率高。由于铜线和硅钢片用量减少，在同样的电流密度及磁通密度时，自耦变压器的铜损和铁损都比双绕组变压器减少，因此效益较高。

③便于运输和安装。因为它比同容量的双绕组变压器重量轻，尺寸小，占地面积小。

④提高了变压器的极限制造容量。变压器的极限制造容量一般受运输条件的限制，在相同的运输条件的限制，在相同的运输条件下，自耦变压器容量可比双绕组变压器制造大一些。

滤波装置：

12脉波晶闸管型牵引整流及回馈变流系统的交流侧电流谐波次数为12k±1，k＝1，2，3…，且谐波电流幅值随着谐波次数的增加迅速减小。

可见，谐波电流以低频谐波为主，采用12脉波连接方式本身就可以使电流谐波大幅减小，同时在交流侧增加电感滤波电路，可进一步减小谐波含量，实现电流谐波含有率小于3％的技术指标。

无功补偿装置：

12脉波晶闸管型牵引整流及回馈变流系统的功率因数为λ＝0.9971*cosα，其中α为导通角或逆变角。

牵引工况下，输出的直流母线电压为1500V时对应的导通角为46度，对应的功率因数为0.7，制动工况下，直流母线电压为1800V时对应的逆变导通角为40度，对应的功率因数为-0.76。

可见，无论是整流工况还是逆变工况，功率因数都较低。另一方面，晶闸管装置输出电流总是滞后于电网电压，因此可以在交流侧增加由电容组成无功补偿装置，提高功率因数。

模块化变流器技术方案：

由晶闸管整流机组和逆变机组组成的双向变流器是晶闸管型牵引整流及回馈变流系统的核心，其性能上必须具有容量大、功率密度高、冗余性好、可靠性高，以及便于生产、安装和维护等特点。由于城市轨道交通列车制动时，最大电制动功率通常达到数MW，一般的变流设备很难满足要求。此外，由于系统是安装在地下的牵引变电所内，空间非常有限，因此对设备的功率密度也提出了很高要求。

本系统采用两方面的措施来提高设备容量及功率密度。首先，尽可能提高单个变流器的容量和功率密度。其次，通过变流器的多重化串并联技术，来满足1500V及以上电压等级供电制式的需要；系统容量大、扩容方便；可以借助谐波抵消技术大大减小交流谐波含量；系统冗余性好,各变流器能够独立工作；便于模块化设计、生产和维护。其中模块化变流器方案如图3所示。

监控及通信技术方案：

晶闸管型牵引整流及回馈变流系统的综合自动化系统从其组成结构可以分为两个层次：整个晶闸管型牵引整流及回馈变流装置的中央级综合监控系统以及各牵引变电所的站级综合监控系统,其基本结构如图4所示。

中央级综合监控系统的设置目的,是利用计算机技术和现代通信技术将牵引变电所的交直流保护系统进行功能整合和优化设计，实现牵引变电所的实时、自动监控，从而最终实现无人值守的目的。所内综合自动化系统通过先进的微机控制技术、高速数据采样调理技术、高速网络数据交换技术、虚拟仪器技术和故障诊断技术实现自动监控、自动存储、自动分析、自动诊断、自动保护、自动协调调度等智能化的功能，从而在一定程度上完全代替传统牵引变电所内的操作人员的相关职能，进一步提高牵引供电的可靠性和可控性、提高牵引变电所的自动化控制水平、降低整个牵引供电系统的运营和维护成本。

站级管理层由安装在站内综合自动化终端柜中的主监控单元和必要的显示、打印装置组成。晶闸管型牵引整流及回馈变流系统站内的主监控单元采用单机配置，如此硬件构成简单、安装调试方便、故障率低、投资较少。对于人机接口设备来讲，晶闸管型牵引整流及回馈变流系统以实现无人值守为最终目的，但在整体设计布局上适当考虑设置在变电所运行初期以及调试过程中有人值守时使用的简易工作台。

晶闸管型牵引整流及回馈变流系统的网络通信层，其硬件采用光纤介质的工业以太网。工业以太网是近年来迅速发展起来的应用于工业现场的高速数据通讯网，其充分考虑了工业现场温差变化大、电磁辐射强、潮湿、多尘等恶劣工作环境。此外，由于采用了光纤介质，其受外界的电磁干扰影响小，并且本身不向外辐射电磁干扰，很适合在牵引变电所这种强电磁环境下实现高速、大数据量通讯传输。工业以太网在实际应用中通过TCP/IP协议彻底解决了网络统一性的问题，并且传输误码率低、数据可靠性高。工业以太网可以实现高速宽带通信，进一步增加了数据传输的实时性，传输信息量大。

间隔设备层由晶闸管型牵引整流及回馈变流系统内各开关设备的保护单元及监控单元组成，其通过网络通信层相连实现数据通信，并实现对系统内各开关设备的控制、监视和数据采集。在晶闸管型牵引整流及回馈变流系统中,本发明中间隔层的研究重点集中在交流进线柜(高压开关柜)、直流进线柜(直流开关柜)、变流器柜上。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围内。

Claims (5)

1.一种城市轨道交通晶闸管型牵引整流及回馈变流系统，其特征在于，包括12脉波晶闸管整流器、12脉波晶闸管逆变器、移相变压器、自耦变压器，所述移相变压器的一次侧与中压环网连接，所述移相变压器的二次侧与12脉波晶闸管逆变器的交流侧相连，所述12脉波晶闸管逆变器的直流侧与直流母线相连，所述自耦变压器的一次侧与移相变压器的二次侧相连，所述自耦变压器的二次侧与12脉波晶闸管整流器的交流侧相连，所述12脉波晶闸管整流器的直流侧与直流母线相连。

2.如权利要求1所述的城市轨道交通晶闸管型牵引整流及回馈变流系统，其特征在于，还包括电感滤波电路，所述电感滤波电路串联在移相变压器的二次侧回路。

3.如权利要求1所述的城市轨道交通晶闸管型牵引整流及回馈变流系统，其特征在于，还包括电容无功补偿装置，所述电容无功补偿装置并联在移相变压器的二次侧。

4.如权利要求1所述的城市轨道交通晶闸管型牵引整流及回馈变流系统，其特征在于，还包括监控系统，所述监控系统分为站级管理层、网络通信层和间隔设备层三个层次。

5.如权利要求4所述的城市轨道交通晶闸管型牵引整流及回馈变流系统，其特征在于，所述监控系统的站级管理层由安装在站内综合自动化终端柜中的主监控单元和显示、打印装置组成，所述网络通信层为工业以太网，所述间隔设备层由晶闸管型牵引整流及回馈变流系统内各开关设备的保护单元及监控单元组成，通过网络通信层相连实现数据通信，并对系统内各开关设备控制、监视和数据采集。