CN108092522A - 一种电气化铁路地面电分相连续供电系统的变流装置 - Google Patents

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李明勇
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李红梅
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高晓峰
殷浩
彭有利
杨帆
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    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60M—POWER SUPPLY LINES, AND DEVICES ALONG RAILS, FOR ELECTRICALLY- PROPELLED VEHICLES
    • B60M3/00—Feeding power to supply lines in contact with collector on vehicles; Arrangements for consuming regenerative power

Abstract

本发明提供一种电气化铁路地面电分相连续供电系统的变流装置，所述装置变流拓扑结构包括：单相多绕组整流变压器、单相多绕组逆变变压器和背靠背四象限变流器组成的交‑直‑交电能变换装置；其中，所述的背靠背四象限变流器包含整流单元、直流单元和逆变变换单元，整流单元和逆变变换单元分别含有n个功率模块，每个功率模块均采用相同的H桥变换电路，所述的整流变压器原边有一个高压绕组，与变电所的电路馈出母线相连，次边有n个给变流器整流单元功率模块供电的低压绕组。本发明提供的装置，为接触网电分相中性段供电实现变流操作，使得列车可以不断电通过电分相。

Description

一种电气化铁路地面电分相连续供电系统的变流装置
技术领域
本发明涉及电气化铁路接触网牵引供电领域，更具体地，涉及一种电气化铁路地面电分相连续供电系统的变流装置。
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的中性电气分相的隔离区，称为电分相。接触网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，更是因此可能带来至少高达80多千伏操作过电压，有可能引发列车高压设备损伤或故障，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
为克服现有技术中，地面机械开关自动切换过分相技术中换相过程中存在无电死区给列车带来过电压和过电流冲击等问题，提供一种电气化铁路地面电分相连续供电系统的变流装置，包括：
单相多绕组整流变压器、单相多绕组逆变变压器和背靠背四象限变流器组成的交-直-交电能变换部件；
其中，所述的背靠背四象限变流器包含整流单元、直流单元和逆变变换单元，所述整流单元和逆变变换单元分别含有n个功率模块，每个功率模块均采用相同的H桥变换电路，所述的整流变压器原边有一个高压绕组AX，与变电所的电路馈出母线相连，次边有n个给变流器整流单元功率模块供电的低压绕组a1x1、a2x2至anxn，单相多绕组逆变变压器原边有n个连接变流器逆变变换单元功率模块的低压绕组c1x1、c2x2至cnxn，次边有一个高压绕组CX连接到接触网电分相中性段；其中，n为大于1的自然数。
其中，每个所述功率模块均采用两电平H桥变换电路，每个所述功率模块的直流侧均包含一个正直流母线和一个负直流母线，所有功率模块的正直流母线并联形成一个总的公共正直流母线，所有功率模块的负直流母线并联形成一个总的公共负直流母线。
其中，每个所述功率模块均采用三电平H桥变换电路，每个所述功率模块的直流侧均包含一个正直流母线、一个零电平直流母线和一个负直流母线，所有功率模块的正直流母线并联形成一个总的公共正直流母线，所有功率模块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，所有功率模块的负直流母线并联形成一个总的公共负直流母线。
其中，所述功率模块均采用两电平H桥变换电路，且逆变变换单元的功率模块数量与整流变换单元的功率模块数量相等，所述背靠背四象限变流器由n个电气上完全独立的背靠背四象限变流子单元组成，所述背靠背四象限变流子单元由一个整流功率模块和一个逆变侧功率模块组成，将这两种功率模块直流侧的正直流母线并联、负直流母线并联得到一个公共的直流母线子单元。
其中，所述功率模块均采用三电平H桥变换电路，且逆变变换单元的功率模块数量与整流变换单元的功率模块数量相等，所述背靠背四象限变流器由n个电气上完全独立背靠背四象限变流子单元的组成，所述背靠背四象限变流子单元由一个整流功率模块和一个逆变侧功率模块组成，每个功率模块的直流侧有一个正直流母线、一个零直流母线和一个负直流母线，将这两种功率模块直流侧的正直流母线并联、零直流母线并联、负直流母线并联得到一个公共的直流母线子单元。
其中，所述的功率模块采用基于IGBT的两电平H桥变换电路，由支撑电容、IGBT、反并联二极管、电流传感器和输出熔断器组成。
其中，所述的功率模块采用基于IGBT二极管箝位型的三电平H桥变换结构，由支撑电容、箝位二极管、反并联二极管、电流传感器以及输出熔断器组成。
其中，所述的功率模块采用基于IGCT二极管箝位型的三电平H桥变换电路，由吸收电容、DC-LINK环节限流电感、DC-LINK环节二极管、DC-LINK环节电阻、箝位二极管、IGCT及反并联二极管、电流传感器以及输出熔断器组成。
本发明提供的装置，基于大功率电力电子器件，用来对接入的牵引母线电源进行交-直-交电能变换，为接触网电分相中性段供电，使得列车可以不断电通过电分相，列车过分相期间无过电压、过电流冲击，无电弧产生。
附图说明
图1为本发明一实施例提供的一种电气化铁路地面电分相连续供电系统的变流装置的主电路图；
图2为本发明一实施例提供的一种电气化铁路地面电分相连续供电系统的变流装置中功率模块电路拓扑图；
图3为本发明另一实施例提供的一种电气化铁路地面电分相连续供电系统的变流装置中地面电分相连续供电变流装置的主电路图；
图4为本发明另一实施例提供的一种电气化铁路地面电分相连续供电系统的变流装置中功率模块电路拓扑图；
图5为本发明又一实施例提供的一种电气化铁路地面电分相连续供电系统的变流装置中功率模块电路拓扑图；
图6为本发明又一实施例提供的一种电气化铁路地面电分相连续供电系统的变流装置中地面电分相连续供电变流装置的主电路图；
图7为本发明再一实施例提供的一种电气化铁路地面电分相连续供电系统的变流装置的又一主电路图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
参考图1，图1为本发明一实施例提供的一种电气化铁路地面电分相连续供电系统的变流装置的主电路图。所述装置包括：单相多绕组整流变压器1、单相多绕组逆变变压器5和背靠背四象限变流器组成的交-直-交电能变换装置。
其中，所述的背靠背四象限变流器包含整流单元2、直流单元3和逆变变换单元4，整流单元2和逆变变换单元4分别含有n个功率模块，每个功率模块均采用相同的H桥变换电路，所述整流变压器1原边有一个高压绕组AX，与变电所的电路馈出母线相连，次边有n个给变流器整流单元功率模块供电的低压绕组a1x1、a2x2至anxn，单相多绕组逆变变压器5原边有n个连接变流器逆变变换单元功率模块的低压绕组c1x1、c2x2至cnxn，次边有一个高压绕组CX连接到接触网电分相中性段；其中，n为大于1的自然数。
具体的，地面电分相连续供电变流装置BLQ，用来对接入的牵引母线电源进行交-直-交电能变换，为接触网电分相中性段N供电，本发明的地面电分相连续供电变流装置BLQ是基于电力电子器件的四象限变流装置，该四象限变流变流装置输入、输出均为牵引母线高压，根据当前的电力电子变流技术发展，有两种变流拓扑，一种拓扑是输入有降压变压器、输出有升压变压器，中间是低压电力电子变流装置的高-低-高变流装置拓扑，另一种是输入、输出均为高压变流器的直接高-高变流器拓扑。
采用高-低-高变流拓扑的地面电分相连续供电变流装置BLQ是由单相多绕组整流变压器T1、单相多绕组逆变变压器和背靠背四象限变流器组成的交-直-交电能变换装置，所述的背靠背四象限变流器包含整流单元和逆变变换单元，整流单元含有n个功率模块，逆变变换单元含有n个逆变功率模块，所述的整流变压器T1原边有一个高压绕组AX，次边有n个给变流器整流单元功率模块供电的低压绕组a1x1、a2x2至anxn，单相多绕组逆变变压器原边有n个连接变流器逆变变换单元功率模块的低压绕组c1x1、c2x2至cnxn，次边有一个高压绕组CX。
对于采用高-低-高变流拓扑的地面电分相连续供电变流装置，一种实现方式如图1所示，主要由单相多绕组整流变压器T11、四象限变流器(包含整流单元2、直流隔离变换单元3和逆变变换单元4)、单相多绕组逆变变压器5组成；四象限变流器的整流单元2和逆变变换单元4分别含有n各功率模块，每个功率模块均采用相同的H桥变换电路；单相多绕组整流变压器T1 1原边为高压绕组AX，与变电所的电路馈出母线相连，次边有n个给变流器整流单元功率模块供电的低压绕组(a1x1、a2x2、…、anxn)，单相多绕组逆变变压器5原边有n个连接变流器逆变变换单元功率模块的低压绕组(c1x1、c2x2、…、cnxn)，次边有一个高压绕组(CX)，每个低压绕组的输出连接到整流单元2对应的n个功率模块(PM1、PM2、…、PMn)的交流输入端，逆变侧n个功率模块的交流输出端连接到单相多绕组逆变变压器5的n个低压绕组上，单相多绕组逆变变压器5次边的高压绕组AX通过断路器连接到列车分相区的中性段。根据系统设计需要，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。
在上述实施例的基础上，每个所述功率模块均采用两电平H桥变换电路，每个所述功率模块的直流侧均包含一个正直流母线和一个负直流母线，所有功率模块的正直流母线并联形成一个总的公共正直流母线，所有功率模块的负直流母线并联形成一个总的公共负直流母线。
具体的，这种高-低-高变流拓扑的背靠背四象限变流器的一种实现方式为整流单元和逆变变换单元所采用的功率模块为两电平H桥变换电路，将整流单元和逆变变换单元的所有功率模块的直流侧正直流母线并联、负直流母线并联，形成一个总的公共正、负直流母线。
在上述各实施例的基础上，每个所述功率模块均采用三电平H桥变换电路，每个所述功率模块的直流侧均包含一个正直流母线、一个零电平直流母线和一个负直流母线，所有功率模块的正直流母线并联形成一个总的公共正直流母线，所有功率模块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，所有功率模块的负直流母线并联形成一个总的公共负直流母线。
在上述实施例的基础上，优选的，如图6所示，所述功率模块均采用两电平H桥变换电路，且逆变变换单元的功率模块数量与整流变换单元的功率模块数量相等，所述背靠背四象限变流器由n个电气上完全独立的背靠背四象限变流子单元组成，所述背靠背四象限变流子单元由一个整流功率模块和一个逆变侧功率模块组成，将这两种功率模块直流侧的正直流母线并联、负直流母线并联得到一个公共的直流母线子单元。
在上述实施例的基础上，如图7所示，对第三种实施方式进行改进，第四种实施方式中所述功率模块均采用三电平H桥变换电路，且逆变变换单元的功率模块数量与整流变换单元的功率模块数量相等，所述背靠背四象限变流器由n个电气上完全独立背靠背四象限变流子单元的组成，所述背靠背四象限变流子单元由一个整流功率模块和一个逆变侧功率模块组成，每个功率模块的直流侧有一个正直流母线、一个零直流母线和一个负直流母线，将这三种功率模块直流侧的正直流母线并联、零直流母线并联、负直流母线并联得到一个公共的直流母线子单元。
通过此装置，增强了变流装置的可靠性，在单个功率模块出现故障的时候，对整体装置影响较小。
在上述各实施例的基础上，所述的功率模块采用基于IGBT的两电平H桥变换电路，由支撑电容61、IGBT62、反并联二极管63、电流传感器64和输出熔断器65组成。
具体的，参考图2，整流单元和逆变变换单元的功率模块PM是基于IGBT两电平H桥变换结构，主要由支撑电容61、IGBT及反并联二极管62、电流传感器63、输出熔断器64等组成。将整流功率模块和逆变功率模块的所有的正直流母线都并联在一起，所有的负直流母线都并联在一起，形成一个公共的直流单元3，直流单元包含支撑电容和放电电路等。
作为图1所示的地面电分相连续供电变流装置的一种改进，将变流装置的功率模块(PM)换成三电平H桥变换电路，则地面电分相连续供电变流装置的改进实现方式如图3所示，所有功率模块的直流侧的正直流母线并联、零直流母线并联、负直流母线并联，形成一个公共的正、零、负直流母线单元3。
在上述各实施例的基础上，所述三电平功率模块PM一种电路如图4所示，是基于IGBT的二极管箝位型三电平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。
在上述各实施例的基础上，所述三电平功率模块PM另一种电路如图5所示，是基于IGCT二极管箝位型的三电平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，本申请的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种电气化铁路地面电分相连续供电系统的变流装置，其特征在于，包括：
单相多绕组整流变压器(1)、单相多绕组逆变变压器(5)和背靠背四象限变流器组成的交-直-交电能变换装置；
其中，所述的背靠背四象限变流器包含整流单元(2)、直流单元(3)和逆变变换单元(4)，整流单元(2)和逆变变换单元(4)分别含有n个功率模块，每个功率模块均采用相同的H桥变换电路，所述整流变压器(1)原边有一个高压绕组AX，与变电所的电路馈出母线相连，次边有n个给变流器整流单元功率模块供电的低压绕组a1x1、a2x2至anxn，单相多绕组逆变变压器(5)原边有n个连接变流器逆变变换单元功率模块的低压绕组c1x1、c2x2至cnxn，次边有一个高压绕组CX连接到接触网电分相中性段；
其中，n为大于1的自然数。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，每个所述功率模块均采用两电平H桥变换电路，每个所述功率模块的直流侧均包含一个正直流母线和一个负直流母线，所有功率模块的正直流母线并联形成一个总的公共正直流母线，所有功率模块的负直流母线并联形成一个总的公共负直流母线。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，每个所述功率模块均采用三电平H桥变换电路，每个所述功率模块的直流侧均包含一个正直流母线、一个零电平直流母线和一个负直流母线，所有功率模块的正直流母线并联形成一个总的公共正直流母线，所有功率模块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，所有功率模块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1所述的一种电气化铁路地面自动过分相连续供电系统，其特征在于，所述功率模块均采用两电平H桥变换电路，且逆变变换单元的功率模块数量与整流变换单元的功率模块数量相等，所述背靠背四象限变流器由n个电气上完全独立的背靠背四象限变流子单元组成，所述背靠背四象限变流子单元由一个整流功率模块和一个逆变侧功率模块组成，将这两种功率模块直流侧的正直流母线并联、负直流母线并联得到一个公共的直流母线子单元。
5.根据权利要求1所述的一种电气化铁路地面自动过分相连续供电系统，其特征在于，所述功率模块均采用三电平H桥变换电路，且逆变变换单元的功率模块数量与整流变换单元的功率模块数量相等，所述背靠背四象限变流器由n个电气上完全独立背靠背四象限变流子单元的组成，所述背靠背四象限变流子单元由一个整流功率模块和一个逆变侧功率模块组成，每个功率模块的直流侧有一个正直流母线、一个零直流母线和一个负直流母线，将这两种功率模块直流侧的正直流母线并联、零直流母线并联、负直流母线并联得到一个公共的直流母线子单元。
6.根据权利要求1、2或4所述的装置，其特征在于，所述的功率模块采用基于IGBT的两电平H桥变换电路，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。
7.根据权利要求1、3或5所述的装置，其特征安在于，所述的功率模块采用基于IGBT二极管箝位型的三电平H桥变换结构，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)以及输出熔断器(75)组成。
8.根据权利要求1、3或5所述的装置，其特征在于，所述的功率模块采用基于IGCT二极管箝位型的三电平H桥变换电路，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)以及输出熔断器(88)组成。
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