CN107732930A - 一种适用于地铁牵引供电系统的多功能变流器系统 - Google Patents

一种适用于地铁牵引供电系统的多功能变流器系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于地铁牵引供电系统的多功能变流器系统，包括变压器T 1、变压器T 2，及与地铁牵引供电系统直流侧通过开关K 1相连的交直交变流器，牵引工况时，采集地铁牵引供电系统整流机组输出的直流网压U dc，通过串联APF调节变压器T 1的输出电压V c，实现变压器T 3输入电压V L的调整，进而保证直流网压U dc的恒定；并联APF工作于有源滤波状态，补偿无功功率并消除谐波；再生工况时，开关K 1闭合，并联APF处于并网逆变的状态，将列车再生制动的能量反馈给交流电网。本发明既能保证直流牵引供电电压的基本恒定，避免不同牵引供电所并联时产生环流，且可实现电能质量的治理，降低无功及谐波污染；又能实现列车再生制动能量的回收，降低整个系统的能耗。

Description

一种适用于地铁牵引供电系统的多功能变流器系统
技术领域
本发明涉及地铁牵引供电技术领域，具体为一种适用于地铁牵引供电系统的多功能变流器系统。
背景技术
地铁牵引供电系统一般由主变电所输送来的35kV三相高压交流电经过降压整流之后转变为牵引电力机车所需的1500V或750V低压直流电，之后将其由馈线送至牵引网，由机车受流器受流并传送至机车直流侧，经过车载变流器实现调压调频后供给牵引电机，从而获得前进动力，最后通过机车走行轨构成回路，由回流线将回流引回牵引变电所。其具体结构如附图1所示。牵引变电所有两路35kV进线互为备用，接进牵引变压器，再由整流机组进行整流，将电压变为低压直流电，由馈线送至工作母线，为接触网供电，两个供电区间之间由分相绝缘装置分隔开，为相邻的两个供电臂供电，当一个变电所故障时，相邻牵引变电所可以实现越区“大双边”供电。
牵引变电所是整个系统的核心部分，其作用主要是转换电能，将35kV的三相高压交流电经过降压、整流之后输出1500V或750V的低压直流电。整流变压器(即整流机组)是牵引变电所的关键设备，一般来讲，每个牵引变电所中应装设两台牵引整流机组，为了防止整流过程中产生过多的谐波进入电网，目前我国一般都采用的是12脉波整流或24脉波整流机组。牵引网是将馈线送来的电能供给车辆牵引所用的中间设备，牵引网的正极为接触网，由接触网向列车供电，而牵引网的负极即为列车。从上述介绍可以看出，地铁牵引供电系统采用的是不控整流的硅机组，其具有两个特性：1）其输出电压也即牵引网压会随着负载的变化而在一定范围内变化，比如额定电压为DC1500V的牵引网，其电压会在1000～1800V波动；2）会在网侧产生无功功率及谐波，当然采用24脉波能够使网侧谐波很小，但是在牵引网负载动态变化时，仍然会产生较为明显的谐波电流。
为了治理地铁供电系统产生的无功功率，地铁供电系统通常采用电压型桥式电路的静止同步补偿器STATCOM进行补偿，附图2为电压型STATCOM结构示意图。电压型桥式电路经过滤波电感接于降压变压器的低压侧，变压器的高压侧连接于35kV，控制三相桥式电路即可吸收整个系统产生的无功功率；同时，桥式电路也可以控制来吸收牵引供电系统产生的谐波电流，实现有源滤波的功能。
另外，由于城市轨道交通站间距短，列车在运行中会频繁起、制动，总的制动能量非常可观。因此，回收列车制动能量具有明显的经济价值，其中逆变回馈型是较为常用的一种方式，如附图3所示。图中，有源电力逆变装置包括降压变压器、有源逆变器以及滤波电感等，逆变器的直流侧与地铁牵引供电系统的直流侧相连，在列车再生时将牵引接触网的能量逆变为三相交流电，反馈回三相电网侧。
综上所述，由于地铁牵引供电系统采用不控整流，因此接触网压会随着负载变化而明显波动，目前尚无经济而有效的方法予以解决；地铁牵引供电系统产生的无功及谐波电流需要采用专用设备进行补偿；而列车再生制动能量的回收，也需要专用的变流装置。本发明的目的则是提供了一套综合解决方案，能够利用一套变流装置满足上述要求。
发明内容
本发明的目的在提供一种同时能够避免负载变化产生网压波动，提高整个系统的功率因数及抑制谐波，实现列车再生能量向大电网反馈的适用于地铁牵引供电系统的多功能变流器系统。技术方案如下：
一种适用于地铁牵引供电系统的多功能变流器系统，包括变压器T 1、变压器T 2、变压器T 3、交直交变流器；变压器T 1的一次侧连接到交直交变流器中串联APF的输出端，二次侧与网侧串联后连接到变压器T 3的一次侧；变压器T 2的一次侧连接到交直交变流器中并联APF的输出端，二次侧也连接到变压器T 3的一次侧，变压器T 3的二次侧为交直交变流器供电；交直交变流器还通过开关K 1连接到地铁牵引供电系统直流侧。
一种适用于地铁牵引供电系统的多功能变流器系统的工作方法 ：
交直交变流器采集地铁牵引供电系统整流机组输出的直流网压U dc；
若U dc小于等于设定值时，判断为牵引工况，牵引工况运行模式如下：
根据实际网压与标准网压的误差，生成串联APF的输出参考电压；采集网侧电压V s并利用锁相环获得网压的相位信号，生成满足要求的输出电压V c，从而实现变压器T 3输入电压V L的调整；当牵引供电的负载发生变化进而引起U dc发生变化时，通过调整V L实现直流供电电压的恒定；并联APF部分采集并联端的电流信号以及网压信号，工作于有源滤波状态，实时计算当前供电网的无功分量及谐波分量，实现无功补偿及谐波电流的抑制；
若U dc大于设定值时，判断为再生工况，再生工况运行模式如下：
封锁串联APF部分的脉冲信号，使串联APF部分停止工作；控制开关K 1闭合，使得变流器的中间直流环节与牵引接触网联通，同时控制并联APF处于并网逆变状态，将列车再生制动的能量反馈给交流电网；
当牵引网电压低于设定值时，断开开关K 1，并将变流器转入牵引工况运行模式。
进一步的，所述交直交变流器中间直流电压与地铁牵引供电系统的直流电压相同。
本发明的有益效果是：本发明既能保证在牵引工况时，直流牵引供电电压的基本恒定，避免不同牵引供电所并联时产生环流，且可实现电能质量的治理，降低无功及谐波污染；又能在再生工况时，实现列车再生制动能量的回收，降低整个系统的能耗。
附图说明
图1 为地铁牵引供电系统示意图。
图2 为采用电压型桥式电路STATCOM拓扑结构。
图3 为采用逆变电路进行再生能量回收的结构示意图。
图4 为本发明适用于地铁牵引供电系统的多功能变流器系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行进一步详细说明。如图4所示，一种适用于地铁牵引供电系统的多功能变流器系统，包括变压器T 1、变压器T 2、变压器T 3、交直交变流器；变压器T 1的一次侧连接到交直交变流器中串联APF的输出端，二次侧与网侧串联后连接到变压器T 3的一次侧；变压器T 2的一次侧连接到交直交变流器中并联APF的输出端，二次侧也连接到变压器T 3的一次侧，变压器T 3的二次侧为交直交变流器供电；交直交变流器还通过开关K 1连接到地铁牵引供电系统直流侧。牵引工况时，交直交变流器采集地铁牵引供电系统整流机组输出的直流网压U dc，通过交直交变流器中串联有源电力滤波器部分，调节变压器T 1的输出电压V C，从而实现变压器T 3输入电压V L的调整，进而保证直流网压U dc的恒定，此时变流器中并联有源电力滤波器部分工作于有源滤波状态，用于补偿整流机组工作产生的无功功率并消除谐波；再生工况时，将开关K 1闭合，并控制交直交变流器中并联有源电力滤波器的工况处于并网逆变的状态，将列车再生制动的能量反馈给交流电网，实现列车再生制动能量的利用。
本实施例的变流器系统主要分为两种工作模式：牵引工况和再生工况。具体如下：
1）牵引工况：
牵引工况时，开关K 1处于断开状态，变流器独立运行，串联APF部分工作于逆变状态，为变压器T 1供电；并联APF部分工作于有源滤波状态，从电网侧取电维持变流器中间直流电压稳定，并为变压器T 2供电。
变流器的控制系统采集牵引供电系统的网压U dc反馈给变流器的控制系统，根据网压与标准网压的误差，生成串联APF的输出参考电压；变流器系统同时采集网侧电压V s并利用锁相环获得网压的相位信号，并最终生成满足要求的输出电压V C，该电压与电源电压叠加后形成新的V L供给整流器变压器。这样当牵引供电的负载发生变化进而引起U dc发生变化时，就能通过调整V L的大小，实现直流供电电压的恒定。
变流器的并联APF部分采集并联端的电流信号以及网压信号，工作于有源滤波工况，实时计算当前供电网的无功分量及谐波分量，实现无功补偿及谐波电流的抑制。
2）再生工况：
当变流器的控制系统检测到牵引网直流电压U dc大于设定值（该值需要根据牵引网的电压等级进行设定）时，即可判断牵引接触网有列车处于再生制动工况。此时控制系统封锁串联APF部分的脉冲信号，使串联APF部分停止工作，随后控制开关K 1闭合，使得变流器的中间直流环节与牵引接触网联通，同时控制并联APF处于并网逆变状态，将再生能量逆变至电网侧。当牵引网电压低于设定值时，变流器系统断开开关，并将变流器转入牵引工况运行模式。

Claims (3)

1.一种适用于地铁牵引供电系统的多功能变流器系统，其特征在于，包括变压器T 1、变压器T 2、变压器T 3、交直交变流器；变压器T 1的一次侧连接到交直交变流器中串联APF的输出端，二次侧与网侧串联后连接到变压器T 3的一次侧；变压器T 2的一次侧连接到交直交变流器中并联APF的输出端，二次侧也连接到变压器T 3的一次侧，变压器T 3的二次侧为交直交变流器供电；交直交变流器还通过开关K 1连接到地铁牵引供电系统直流侧。
2.根据权利要求1所述的适用于地铁牵引供电系统的多功能变流器系统的工作方法，其特征在于，包括：
交直交变流器采集地铁牵引供电系统整流机组输出的直流网压U dc；
若U dc小于等于设定值时，判断为牵引工况，牵引工况运行模式如下：
根据实际网压与标准网压的误差，生成串联APF的输出参考电压；采集网侧电压V s并利用锁相环获得网压的相位信号，生成满足要求的输出电压V c，从而实现变压器T 3输入电压V L的调整；当牵引供电的负载发生变化进而引起U dc发生变化时，通过调整V L实现直流供电电压的恒定；并联APF部分采集并联端的电流信号以及网压信号，工作于有源滤波状态，实时计算当前供电网的无功分量及谐波分量，实现无功补偿及谐波电流的抑制；
若U dc大于设定值时，判断为再生工况，再生工况运行模式如下：
封锁串联APF部分的脉冲信号，使串联APF部分停止工作；控制开关K 1闭合，使得变流器的中间直流环节与牵引接触网连通，同时控制并联APF处于并网逆变状态，将列车再生制动的能量反馈给交流电网；
当牵引网电压低于设定值时，断开开关K 1，并将变流器转入牵引工况运行模式。
3.根据权利要求2所述的适用于地铁牵引供电系统的多功能变流器系统的工作方法，其特征在于，所述交直交变流器中间直流电压与地铁牵引供电系统的直流电压相同。
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