CN108054929B - 一种电气化铁路地面自动过分相系统的变流装置 - Google Patents

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    • H02J3/06—Controlling transfer of power between connected networks; Controlling sharing of load between connected networks

Abstract

本发明提供了一种电气化铁路地面自动过分相系统的变流装置，包括整流侧单相多绕组整流变压器T1、逆变侧单相多绕组逆变变压器T2和背靠背四象限变流器；所述装置用于对接入的α相和β相牵引母线电源进行交‑直‑交变换，再为接触网电分相中性区段供电；T1原边设置有一个高压绕组，次边设置有n个低压绕组，以及1个高压绕组；T2原边设置有n个低压绕组，次边设置有一个高压绕组；次边高压绕组与次边高压绕组串联后合成电压给中性段供电。本发明以先进的电力电子变流装置及特种变压器作为核心部件，能够实现接触网电分相中性段的连续供电，使得列车可不断电过分相，且不会产生电弧和过电压。

Description

一种电气化铁路地面自动过分相系统的变流装置
技术领域
本发明涉及铁路供电技术领域，具体涉及一种电气化铁路地面自动过分相系统的变流装置。
背景技术
我国电气化铁路牵引网采用分相分段式单相工频交流供电，每隔30～60km都存在约200～900m的带中性区段的电分相，在三相变压器供电条件下分区所处的电分相两侧接触网设计相位相同，但是由不同变电所馈线供电，因此相位差较小；另外，同一变电所母线馈出的不同馈线供电的接触网系统间设置了隔离不同电压的作为电分相功能的电气分段关节，这些称为虚拟电分相。随着我国高速铁路和重载铁路的发展，大功率变流牵引的列车运行工况使得牵引网中的电气分布差异较大，接触网虚拟电分相除了影响运输的舒适性和总的运行时间、降低铁路运输能力外，更是因此带来操作过电压的拉弧，有可能引发列车高压设备损伤或接触网烧断故障，同时，频繁过分相容易导致司机操作疲劳，因此接触网电分相一直都是机电、弓网配合的高发故障区域，接触网电分相和虚拟电分相已成为我国铁路朝着高速和重载发展的一个关键制约因素。
为了解决电气化铁路列车断电过分相问题，我国曾经引进过两种接触网电分相自动过分相技术，一种是以瑞士AF公司为代表的柱上开关自动断电过分相技术，一种是以日本为代表的地面开关自动切换过分相技术。
其中，柱上开关自动断电过分相设备在试验过程中出现过拉弧、烧弓、线路跳闸等现象，应用不成功。
基于地面机械开关自动切换的过分相设备在我国有少量应用，但实际应用也表现出了如下几个缺陷：1)机械开关切换不能精确控制相位，存在过电压和过电流冲击；2)机械开关切换时间长，换相过程中中性段存在较长的无电死区；3)存在较高的过电压和过电流冲击，需要修改列车的控制软件和保护整定值；4)机械开关寿命低，需要定期检修维护和更换，后期运营成本高。近年来，地面机械开关自动切换过分相设备换相失败导致接触网相间短路的问题也时有发生。
针对地面机械开关自动切换过分相技术存在的某些缺陷，近年来也有相关机构开展了基于地面电子开关的自动切换过分相技术研究，该技术的特点是采用电子开关替代机械开关，但由于其切换过分相的基本原理没有改变，因此换相过程中中性段必然还是会存在无电死区，由此也依然会给列车带来过电压和过电流冲击等问题。
发明内容
针对现有技术中存在的上述缺陷，本发明提供一种电气化铁路地面自动过分相系统的变流装置。
本发明提供的电气化铁路地面自动过分相系统的变流装置，其特征在于，包括：整流侧单相多绕组整流变压器T1 1、一台逆变侧单相多绕组逆变变压器T2 3和背靠背四象限变流器2；所述装置用于对接入的α相和β相牵引母线电源进行交-直-交变换，再为接触网电分相中性区段N供电；其中，所述的整流侧单相多绕组整流变压器T1 1原边设置有一个高压绕组AX，次边设置有n个低压绕组a1x1、a2x2至anxn，以及1个高压绕组wx；其中，n为大于1的自然数；所述的逆变侧单相多绕组逆变变压器T23原边设置有n个低压绕组c1x1、c2x2至cnxn，次边设置有一个高压绕组CX；所述的次边高压绕组wx与次边高压绕组CX串联后合成电压给中性段N供电。
其中，所述的背靠背四象限变流器2包括整流变换单元4、直流母线单元5和逆变变换单元6；整流变换单元4和逆变变换单元6分别包括n个功率模块，每个功率模块均采用相同的H桥变换电路；整流变换单元4的n个H桥功率模块的交流端与整流侧单相多绕组整流变压器T1 1的a1x1、a2x2至anxn绕组的输出端连接；逆变变换单元6的n个H桥功率模块的交流端与逆变侧单相多绕组逆变变压器T2 3的c1x1、c2x2至cnxn绕组的输入端连接。
其中，所述的功率模块采用两电平H桥变换电路，每个功率模块的直流侧设置有一个正直流母线和一个负直流母线；所述的正直流母线并联形成一个总的公共正直流母线，所述的负直流母线并联形成一个总的公共负直流母线。
其中，所述的功率模块采用三电平H桥变换电路，每个功率模块的直流侧设置有一个正直流母线、一个零电平直流母线和一个负直流母线；所述的正直流母线并联形成一个总的公共正直流母线，所述的零电平直流母线并联形成一个总的公共零电平直流母线，所述的负直流母线并联形成一个总的公共负直流母线。
其中，所述的功率模块采用两电平H桥变换电路，所述的背靠背四象限变流器2包括n个电气上完全独立的背靠背四象限变流单元；所述的变流单元包括一个整流功率模块和一个逆变功率模块，每个功率模块的直流侧设置有一个正直流母线和一个负直流母线；所述的正直流母线并联形成一个总的公共正直流母线，所述的负直流母线并联形成一个总的公共负直流母线。
其中，所述的功率模块采用三电平H桥变换电路，所述的背靠背四象限变流器2包括n个电气上完全独立的背靠背四象限变流单元；所述的变流单元包括一个整流功率模块和一个逆变功率模块，每个功率模块的直流侧设置有一个正直流母线、一个零电平直流母线和一个负直流母线；所述的正直流母线并联形成一个总的公共正直流母线，所述的零电平直流母线并联形成一个总的公共零电平直流母线，所述的负直流母线并联形成一个总的公共负直流母线。
其中，所述功率模块采用基于IGBT的两电平H桥变换电路，所述基于IGBT的两电平H桥变换电路主要由支撑电容61、IGBT及反并联二极管62、电流传感器63和输出熔断器64组成。
其中，所述功率模块采用基于IGBT或IGCT的三电平H桥变换电路；所述基于IGBT的三电平H桥变换电路主要由支撑电容71、箝位二极管72、IGBT及反并联二极管73、电流传感器74和输出熔断器75组成；所述基于IGCT的三电平H桥变换电路主要由吸收电容81、DC-LINK环节限流电感82、DC-LINK环节二极管83、DC-LINK环节电阻84、箝位二极管85、IGCT及反并联二极管86、电流传感器87和输出熔断器88组成。
本发明提供的电气化铁路地面自动过分相系统的变流装置，以先进的电力电子变流装置及特种变压器作为核心部件，能够实现接触网电分相中性段的连续供电，使得列车可不断电过分相，且不会产生电弧和过电压、过电流冲击等。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的电气化铁路地面自动过分相系统的变流装置的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的电气化铁路地面自动过分相系统的变流装置的主电路图；
图3为本发明实施例提供的功率模块采用的基于IGBT的两电平H桥电路的拓扑图；
图4为本发明实施例提供的电气化铁路地面自动过分相系统的变流装置的第二种实现方式的主电路图；
图5为本发明实施例提供的功率模块采用的基于IGBT的三电平H桥电路的拓扑图；
图6为本发明实施例提供的功率模块采用的基于IGCT的三电平H桥电路的拓扑图；
图7为本发明实施例提供的电气化铁路地面自动过分相系统的变流装置第三种实现方式的主电路图；
图8为本发明实施例提供的电气化铁路地面自动过分相系统的变流装置第四种实现方式的主电路图。
附图标记为：1—整流侧单相多绕组整流变压器T1，2—背靠背四象限变流器，3—逆变侧单相多绕组逆变变压器T2，4—整流变换单元，5—直流母线单元，6—逆变变换单元，PM—功率模块，61—支撑电容，62—IGBT及反并联二极管，63—电流传感器，64—输出熔断器，71—支撑电容，72—箝位二极管，73—IGBT及反并联二极管，74—电流传感器，75—输出熔断器，81—吸收电容，82—DC-LINK环节限流电感，83—DC-LINK环节二极管，84—DC-LINK环节电阻，85—箝位二极管，86—IGCT及反并联二极管，87—电流传感器，88—输出熔断器。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提出了一种电气化铁路地面自动过分相系统的变流装置，与背景技术中提到的其它自动过分相技术相比，采用先进的基于电力电子变流器装置和特种变压器作为核心部件，实现虚拟电分相接触网电分相的平滑连续换相供电，适用于电气化铁路列车不断电过分相、虚拟同相供电、电气化铁路柔性供电、柔性过分相等应用场合。
图1为本发明实施例提供的电气化铁路地面自动过分相系统的变流装置的结构示意图，包括：整流侧单相多绕组整流变压器T1 1、一台逆变侧单相多绕组逆变变压器T2 3和背靠背四象限变流器2；所述装置用于对接入的α相和β相牵引母线电源进行交-直-交变换，再为接触网电分相中性区段N供电；其中，所述的整流侧单相多绕组整流变压器T1 1原边设置有一个高压绕组AX，次边设置有n个低压绕组a1x1、a2x2至anxn，以及1个高压绕组wx；其中，n为大于1的自然数；所述的逆变侧单相多绕组逆变变压器T23原边设置有n个低压绕组c1x1、c2x2至cnxn，次边设置有一个高压绕组CX；所述的次边高压绕组wx与次边高压绕组CX串联后合成电压给中性段N供电。
整流侧单相多绕组整流变压器T1 1的AX绕组的A端子接第一断路器的馈出母线(第一断路器的馈入母线连接α相牵引母线，第二断路器的馈入母线连接β相牵引母线，第一断路器和第二断路器的馈出母线连接在一起，形成一个公共连点并连接到AX绕组的A端子)，X端子接大地。整流侧单相多绕组整流变压器T1的wx绕组的x端子接大地，w端子连接逆变侧单相多绕组逆变变压器T2 3高压侧的X端子，逆变侧单相多绕组逆变变压器T2的C端子接断路器第三断路器的馈入母线，通过第三断路器连接接触网电分相的中性段N。根据系统设计需要，整流侧单相多绕组整流变压器T1 1的次边也可设计其它辅助绕组，比如用来对变压器预充磁等。
本发明实施例没有限定所有变压器低压侧功率绕组的数量，整流侧单相多绕组整流变压器T1 1次边低压侧也可包含非功率变换的辅助绕组，也没有限定功率模块的数量，这需要根据实际的容量需求进行匹配，任何具体绕组数量和功率模块数量的地面电分相供电变流装置都在本发明实施例的保护范围内。
在上述任一实施例的基础上，所述的背靠背四象限变流器2包括整流变换单元4、直流母线单元5和逆变变换单元6；整流变换单元4和逆变变换单元6分别包括n个功率模块，每个功率模块均采用相同的H桥变换电路；整流变换单元4的n个H桥功率模块的交流端与整流侧单相多绕组整流变压器T1 1的a1x1、a2x2至anxn绕组的输出端连接；逆变变换单元6的n个H桥功率模块的交流端与逆变侧单相多绕组逆变变压器T2 3的c1x1、c2x2至cnxn绕组的输入端连接。
背靠背四象限变流器2由通过整流侧单相多绕组整流变压器T11磁场并联运行的多功率模块(PM)交流-直流(AC/DC)整流变换单元4、直流母线单元5、通过逆变侧单相多绕组逆变变压器T2 3磁场并联运行的多功率模块(PM)直流-交流(DC/AC)逆变变换单元6组成。
整流侧单相多绕组整流变压器T1 1的原边高压绕组将由高压开关单元的断路器选通并馈出的α或β相牵引母线高压电源分别降压成n个低压交流电后送入到整流变换单元4的n个整流功率模块的交流输入端，整流功率模块通过整流侧单相多绕组整流变压器T1 1的磁场并联高频整流运行，得到的稳定的直流母线电压。
根据列车方向及位置检测单元检测到列车到达的位置及方向，适时的启动n个逆变功率模块工作输出电压，连接到逆变侧单相多绕组逆变变压器T2 3的n个原边低压交流绕组，通过逆变变压器的磁场并联运行在逆变侧单相多绕组逆变变压器T2 3次边高压绕组上输出一相电压后再与整流侧单相多绕组整流变压器T1 1的次边高压绕组串联后合成一相特定幅值和相位的电压，通过高压开关单元的一个高压断路器馈出到接触网中性段N，在列车过分相期间为中性段N连续供电。
如图2所示，作为本发明实施例中背靠背四象限变流器2的一种实现方式，所述的功率模块采用两电平H桥变换电路，每个功率模块的直流侧有一个正直流母线和一个负直流母线；所述的正直流母线并联形成一个总的公共正直流母线，所述的负直流母线并联形成一个总的公共负直流母线。公共直流母线由支撑电容、放电电路等组成。整流侧单相多绕组整流变压器T1 1的AX绕组的A端子接断路器的馈出母线，X端子接大地。
如图4所示，作为图2所示的地面电分相供电变流装置的一种改进，将装置的功率模块(PM)换成三电平H桥变换电路；所述的功率模块采用三电平H桥变换电路，每个功率模块的直流侧设置有一个正直流母线、一个零电平直流母线和一个负直流母线；所述的正直流母线并联形成一个总的公共正直流母线，所述的零电平直流母线并联形成一个总的公共零电平直流母线，所述的负直流母线并联形成一个总的公共负直流母线。
如图7所示，作为对第一种实现方式的改进，第三种实现方式是：所述的功率模块采用两电平H桥变换电路，所述的背靠背四象限变流器2包括n个电气上完全独立的背靠背四象限变流单元组成；所述的变流单元包括一个整流功率模块和一个逆变功率模块，每个功率模块的直流侧设置有一个正直流母线和一个负直流母线；所述的正直流母线并联形成一个总的公共正直流母线，所述的负直流母线并联形成一个总的公共负直流母线。
如图8所示，作为第三种实现方式的改进，第四种实现方式的特征是：所述的功率模块采用三电平H桥变换电路，所述的背靠背四象限变流器2包括n个电气上完全独立的背靠背四象限变流单元组成；所述的变流单元包括一个整流功率模块和一个逆变功率模块，每个功率模块的直流侧设置有一个正直流母线、一个零电平直流母线和一个负直流母线；所述的正直流母线并联形成一个总的公共正直流母线，所述的零电平直流母线并联形成一个总的公共零电平直流母线，所述的负直流母线并联形成一个总的公共负直流母线。
基于上述4种实现方式，功率模块有两电平H桥变换电路和三电平H桥变换电路两种电路形式，实施中两电平H功率模块的开关器件选取为IGBT器件，三电平H桥功率模块的开关器件可以选择IGBT也可以选择IGCT器件，但不局限上述器件，可以是其它满足功能的开关器件，如IEGT、智能IPM模块等。功率模块典型结构中的主要器件并不局限实施方式中所述的组成器件，各种用于提高模块性能的器件亦可是其组成部件，如提高功率模块电磁兼容性能的直流母线吸收电容、减小交流输出dv/dt的滤波器等，实际情况可根据系统需要增减功率模块构件。
应当说明的是，以上四种实现方式的直流单元特征是包含直流放电电路，也可包含其他检测等功能的电路，本发明的实施方式中只提供了一种较佳的直流放电电路，但不是对本发明的限制，任何具有放电功能的电路都应在本发明实施例的保护范围内。
如图3所示，在上述任一实施例的基础上，所述功率模块采用基于IGBT的两电平H桥变换电路，所述基于IGBT的两电平H桥变换电路主要由支撑电容61、IGBT及反并联二极管62、电流传感器63和输出熔断器64组成。
如图5所示，为所述三电平功率模块PM的一种电路图，是基于IGBT三电平H桥变换结构的功率模块，主要由支撑电容71、箝位二极管72、IGBT及反并联二极管73、电流传感器74、输出熔断器75等组成。
如图6所示，为所述三电平功率模块PM另一种电路图，是基于IGCT三电平H桥变换结构的功率模块，主要由吸收电容81、DC-LINK环节限流电感82、DC-LINK环节二极管83、DC-LINK环节电阻84、箝位二极管85、IGCT及反并联二极管86、电流传感器87、输出熔断器88等组成。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种电气化铁路地面自动过分相系统的变流装置，其特征在于，包括：整流侧单相多绕组整流变压器T1(1)、一台逆变侧单相多绕组逆变变压器T2(3)和背靠背四象限变流器(2)；所述装置用于对接入的α相和β相牵引母线电源进行交-直-交变换，再为接触网电分相中性区段N供电；
其中，所述的整流侧单相多绕组整流变压器T1(1)原边设置有一个高压绕组AX，其中，AX绕组的A端子通过第一断路器与α相牵引母线连接，并通过第二断路器与β相牵引母线连接；次边设置有n个低压绕组a1x1、a2x2至anxn，以及1个高压绕组wx；其中，n为大于1的自然数；所述的逆变侧单相多绕组逆变变压器T2(3)原边设置有n个低压绕组c1x1、c2x2至cnxn，次边设置有一个高压绕组CX；所述的次边高压绕组wx与次边高压绕组CX串联后合成电压给中性段N供电。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，
所述的背靠背四象限变流器(2)包括整流变换单元(4)、直流母线单元(5)和逆变变换单元(6)；
整流变换单元(4)和逆变变换单元(6)分别包括n个功率模块，每个功率模块均采用相同的H桥变换电路；
整流变换单元(4)的n个H桥功率模块的交流端与整流侧单相多绕组整流变压器T1(1)的a1x1、a2x2至anxn绕组的输出端连接；
逆变变换单元(6)的n个H桥功率模块的交流端与逆变侧单相多绕组逆变变压器T2(3)的c1x1、c2x2至cnxn绕组的输入端连接。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，
所述的功率模块采用两电平H桥变换电路，每个功率模块的直流侧设置有一个正直流母线和一个负直流母线；
所述的正直流母线并联形成一个总的公共正直流母线，所述的负直流母线并联形成一个总的公共负直流母线。
4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，
所述的功率模块采用三电平H桥变换电路，每个功率模块的直流侧设置有一个正直流母线、一个零电平直流母线和一个负直流母线；
所述的正直流母线并联形成一个总的公共正直流母线，所述的零电平直流母线并联形成一个总的公共零电平直流母线，所述的负直流母线并联形成一个总的公共负直流母线。
5.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，
所述的功率模块采用两电平H桥变换电路，所述的背靠背四象限变流器(2)包括n个电气上完全独立的背靠背四象限变流单元；
所述的变流单元包括一个整流功率模块和一个逆变功率模块，每个功率模块的直流侧设置有一个正直流母线和一个负直流母线；
所述的正直流母线并联形成一个总的公共正直流母线，所述的负直流母线并联形成一个总的公共负直流母线。
6.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，
所述的功率模块采用三电平H桥变换电路，所述的背靠背四象限变流器(2)包括n个电气上完全独立的背靠背四象限变流单元；
所述的变流单元包括一个整流功率模块和一个逆变功率模块，每个功率模块的直流侧设置有一个正直流母线、一个零电平直流母线和一个负直流母线；
所述的正直流母线并联形成一个总的公共正直流母线，所述的零电平直流母线并联形成一个总的公共零电平直流母线，所述的负直流母线并联形成一个总的公共负直流母线。
7.根据权利要求3或5所述的装置，其特征在于，
所述功率模块采用基于IGBT的两电平H桥变换电路，所述基于IGBT的两电平H桥变换电路主要由支撑电容(61)、IGBT及反并联二极管(62)、电流传感器(63)和输出熔断器(64)组成。
8.根据权利要求4或6所述的装置，其特征在于，
所述功率模块采用基于IGBT或IGCT的三电平H桥变换电路；
所述基于IGBT的三电平H桥变换电路主要由支撑电容(71)、箝位二极管(72)、IGBT及反并联二极管(73)、电流传感器(74)和输出熔断器(75)组成；
所述基于IGCT的三电平H桥变换电路主要由吸收电容(81)、DC-LINK环节限流电感(82)、DC-LINK环节二极管(83)、DC-LINK环节电阻(84)、箝位二极管(85)、IGCT及反并联二极管(86)、电流传感器(87)和输出熔断器(88)组成。
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