CN108111028A - 一种电气化铁路地面柔性自动过分相系统的变流装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电气化铁路地面柔性自动过分相系统的变流装置，包括α相侧单相多绕组整流变压器T1、β相侧单相多绕组整流变压器T2、逆变变压器T3和三端口四象限变流器BLQ；所述三端口四象限变流器BLQ对接入的α相和β相牵引母线电源进行交‑直‑交变换，再通过所述逆变变压器T3的高压绕组输出一路单相电源后与所述α相侧和β相侧单相多绕组整流变压器的次边高压串联后合成电压向接触网电分相中性段N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、过电流冲击等。

Description

一种电气化铁路地面柔性自动过分相系统的变流装置
技术领域
本发明涉及电气化铁路接触网牵引供电技术领域，更具体地，涉及一种电气化铁路地面柔性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
为了解决现有过分相系统存在的换相过程中中性段还是会存在无电死区，进而给列车带来过电压和过电流冲击的问题，本发明提供一种电气化铁路地面柔性自动过分相系统的变流装置。
本发明提供的一种电气化铁路地面柔性自动过分相系统的变流装置，包括α相侧单相多绕组整流变压器T1、β相侧单相多绕组整流变压器T2、逆变变压器T3和三端口四象限变流器BLQ；所述三端口四象限变流器BLQ对接入的α相和β相牵引母线电源进行交-直-交变换，再通过所述逆变变压器T3的高压绕组输出一路单相电源后与所述α相侧和β相侧单相多绕组整流变压器的次边高压串联后合成电压向接触网电分相中性段N供电。
其中，所述α相侧单相多绕组整流变压器T1和β相侧单相多绕组整流变压器T2均有一个原边高压绕组，n个次边低压绕组和一个次边高压绕组；所述逆变变压器T3有m个原边低压绕组和一个次边高压绕组；所述α相侧单相多绕组整流变压器T1的次边高压绕组、β相侧单相多绕组整流变压器T2的次边高压绕组和所述逆变变压器T3的次边高压绕组串联后合成电压向接触网电分相中性段N供电，其中，n和m均为大于1的自然数。
其中，所述三端口四象限变流器BLQ包括：直流母线单元，通过所述α相侧单相多绕组整流变压器T1磁场并联运行的n个功率模块所组成的α相侧整流变换单元，通过所述β相侧单相多绕组整流变压器T2磁场并联运行的n个功率模块所组成的β相侧整流变换单元，以及通过所述逆变变压器T3磁场并联运行的m个功率模块所组成的逆变变换单元；
所述α相侧整流变换单元的n个功率模块的交流端与所述α相侧单相多绕组整流变压器T1的n个次边低压绕组的输出端连接，所述β相侧整流变换单元的n个功率模块的交流端与β相侧单相多绕组整流变压器T2的n个次边低压绕组的输出端连接，所述逆变变换单元的m个功率模块的交流端与逆变变压器T3的m个原边低压绕组连接。
其中，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，所述功率模块均采用基于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，每个所述功率模块均采用基于IGBT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。
其中，每个所述功率模块均采用基于IGCT的三电平H桥变换电路，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。
其中，所述功率模块均采用两电平H桥变换电路，且功率模块数量m与n相等，所述三端口四象限变流器BLQ由n个电气上完全独立的三端口四象限变流子单元组成，所述三端口四象限变流子单元包括一个α相侧整流功率模块、一个β相侧整流功率模块和一个逆变侧功率模块，将所述三端口四象限变流子单元的三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，且功率模块数量m与n相等，所述三端口四象限变流器BLQ由n个电气上完全独立的三端口四象限变流子单元组成，所述三端口四象限变流子单元包括一个α相侧整流功率模块、一个β相侧整流功率模块和一个逆变侧功率模块，将所述三端口四象限变流子单元的三种功率模块直流侧的正直流母线并联、零直流母线并联以及负直流母线并联得到一个公共的直流母线子单元。
本发明提出的一种电气化铁路地面柔性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
图1为本发明一实施例提供的一种电气化铁路地面柔性自动过分相系统的变流装置的结构示意图；
图2为本发明一实施例提供的一种电气化铁路地面柔性自动过分相系统的变流装置的拓扑结构示意图；
图3为根据本发明另一实施例提供的一种功率模块的结构示意图；
图4为根据本发明另一实施例提供的一种电气化铁路地面柔性自动过分相系统的变流装置的拓扑结构示意图；
图5为根据本发明另一实施例提供的功率模块的结构示意图；
图6为根据本发明另一实施例提供的功率模块的结构示意图；
图7为根据本发明一实施例提供的一种电气化铁路地面柔性自动过分相系统的变流装置的拓扑结构示意图；
图8为根据本发明一实施例提供的一种电气化铁路地面柔性自动过分相系统的变流装置的拓扑结构示意图。
附图标记：T1—α相侧单相多绕组整流变压器，T2—β相侧单相多绕组整流变压器，T3—逆变变压器，BLQ—三端口四象限变流器，N—接触网电分相中性段，1—α相侧单相多绕组整流变压器T1，2—α相侧整流变换单元，3—直流母线单元，4—β相侧整流变换单元，5—β相侧单相多绕组整流变压器T2，6—逆变变换单元，7—逆变变压器T3，8—三端口四象限变流子单元，9—直流母线子单元，10—三端口四象限变流子单元，11—直流母线子单元，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、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，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的实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提出了一种电气化铁路地面柔性自动过分相系统的变流装置，属于铁路地面自动过分相领域，可用于铁路列车地面不断电自动过分相、电气化铁路柔性供电、柔性过分相、虚拟同相供电等领域。
如图1所示，为本发明一实施例提供的一种电气化铁路地面柔性自动过分相系统的变流装置的结构示意图，包括：α相侧单相多绕组整流变压器T1、β相侧单相多绕组整流变压器T2、逆变变压器T3和三端口四象限变流器BLQ；所述三端口四象限变流器BLQ对接入的α相和β相牵引母线电源进行交-直-交变换，再通过所述逆变变压器T3的高压绕组输出一路单相电源后与所述α相侧和β相侧单相多绕组整流变压器的次边高压串联后合成电压向接触网电分相中性段N供电。
所述α相侧单相多绕组整流变压器T1和β相侧单相多绕组整流变压器T2均有一个原边高压绕组AX，n个次边低压绕组a1x1,a2x2,…,anxn和一个次边高压绕组wx；所述逆变变压器T3有m个原边低压绕组c1x1,c2x2,…,cmxm和一个次边高压绕组CX；所述α相侧单相多绕组整流变压器T1的次边高压绕组wx、β相侧单相多绕组整流变压器T2的次边高压绕组wx和所述逆变变压器T3的次边高压绕组CX串联后合成电压向接触网电分相中性段N供电，其中，n和m均为大于1的自然数。
所述α相侧单相多绕组整流变压器T1的原边高压绕组AX的A端子通过高压断路器连接α相牵引母线，X端子接大地。所述β相侧单相多绕组整流变压器T2的原边高压绕组AX的A端子通过高压断路器连接β相牵引母线，X端子接大地。α相侧单相多绕组整流变压器T1的次边高压绕组wx的x端子连接逆变变压器T3的次边高压绕组CX的C端子。β相侧单相多绕组整流变压器T2的次边高压绕组wx的w端子连接逆变变压器T3的次边高压绕组CX的X端子。β相侧单相多绕组整流变压器T2的次边高压绕组wx的x端子接大地。α相侧单相多绕组整流变压器T1的次边高压绕组wx的w端子通过高压断路器连接接触网电分相的中性段N。根据系统设计需要，α相侧单相多绕组整流变压器T1、β相侧单相多绕组整流变压器T2的次边也可设计其它辅助绕组，比如用来对其进行预充磁等。
基于上述实施例，所述三端口四象限变流器BLQ包括：直流母线单元，通过所述α相侧单相多绕组整流变压器T1磁场并联运行的n个功率模块所组成的α相侧整流变换单元，通过所述β相侧单相多绕组整流变压器T2磁场并联运行的n个功率模块所组成的β相侧整流变换单元，以及通过所述逆变变压器T3磁场并联运行的m个功率模块所组成的逆变变换单元；
所述α相侧整流变换单元的n个功率模块的交流端与所述α相侧单相多绕组整流变压器T1的n个次边低压绕组a1x1,a2x2,…,anxn的输出端连接，所述β相侧整流变换单元的n个功率模块的交流端与β相侧单相多绕组整流变压器T2的n个次边低压绕组a1x1,a2x2,…,anxn输出端连接，所述逆变变换单元的m个功率模块的交流端与逆变变压器T3的m个原边低压绕组c1x1,c2x2,…,cmxm连接。
如图2所示，为电气化铁路地面柔性自动过分相系统的变流装置的一种实现方式的拓扑结构示意图，包括：α相侧单相多绕组整流变压器T11、通过所述α相侧单相多绕组整流变压器T11磁场并联运行的多个功率模块PM(PM1,PM2,…,PMn)组成的交流-直流(AC/DC)α相侧整流变换单元2，直流母线单元3，所述β相侧单相多绕组整流变压器T25，通过所述β相侧单相多绕组整流变压器T25磁场并联运行的多个功率模块PM组成的交流-直流(AC/DC)β相侧整流变换单元4，逆变变压器T37和通过所述逆变变压器T37磁场并联运行的多个功率模块PM(PM1,PM2,…,PMm)组成的直流-交流(DC/AC)逆变变换单元6。
图2中，每个所述功率模块PM均采用两电平H桥变换电路，将α相侧整流变换单元2、β相侧整流变换单元4、逆变变换单元6的所有功率模块PM的直流侧的正直流母线并联、负直流母线并联，形成一个公共的直流母线单元3。即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，所述公共正直流母线和公共负直流母线则构成了直流母线单元3。
在上述实施例的基础上，如图3所示，为一种功率模块的结构示意图，每个所述功率模块PM均采用基于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。每个上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，所述公共正直流母线和公共负直流母线则构成了直流母线单元3。
如图4所示，为电气化铁路地面柔性自动过分相系统的变流装置的一种改进实现方式的拓扑结构示意图，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。所述公共正直流母线、公共零电平直流母线和公共负直流母线则构成了直流母线单元3。
上述各种直流母线单元3还包括支撑电容、直流放电电路、以及其他具有检测功能的电路等组成部分。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权利要求的保护范围内。
如图5所示，为采用基于IGBT的三电平H桥变换电路的功率模块的结构示意图，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。
如图6所示，为采用基于IGCT的三电平H桥变换电路的功率模块的结构示意图，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。
基于上述实施例可知，本发明的功率模块有两电平H桥变换电路和三电平H桥变换电路两种电路形式，具体实施时两电平功率模块的开关器件选取IGBT器件，三电平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，也可以是其它满足功能的开关器件，如IEGT、智能IPM模块等。另外，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的构件。
作为对所述电气化铁路地面柔性自动过分相系统的变流装置的一种改进，还可以将公共直流母线设计改为n个独立的直流母线。
如图7所示，当功率模块为两电平H桥变换电路时，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，使逆变变换单元6的功率模块数量m与整流变换单元(即α相侧整流变换单元2和β相侧整流变换单元4)的功率模块数量n相等，则所述三端口四象限变流器BLQ由n个电气上完全独立的三端口四象限变流子单元8组成，其中，所述三端口四象限变流子单元8包括一个α相侧整流功率模块、一个β相侧整流功率模块和一个逆变侧功率模块，将每个所述三端口四象限变流子单元8的这三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9，最终形成n个独立的直流母线子单元9。
如图8所示，当功率模块为三电平H桥变换电路时，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，使逆变变换单元的功率模块数量m与整流变换单元(即α相侧整流变换单元2和β相侧整流变换单元4)的功率模块数量n相等，则所述三端口四象限变流器BLQ由n个电气上完全独立的三端口四象限变流子单元10组成，其中，所述三端口四象限变流子单元10包括一个α相侧整流功率模块、一个β相侧整流功率模块和一个逆变侧功率模块，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11，最终形成n个独立的直流母线子单元11。
本发明提出的一种电气化铁路地面柔性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。
最后，本发明上述各实施例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 (10)

1.一种电气化铁路地面柔性自动过分相系统的变流装置，其特征在于，包括α相侧单相多绕组整流变压器(T1)、β相侧单相多绕组整流变压器(T2)、逆变变压器(T3)和三端口四象限变流器(BLQ)；所述三端口四象限变流器(BLQ)对接入的α相和β相牵引母线电源进行交-直-交变换，再通过所述逆变变压器(T3)的高压绕组输出一路单相电源后与所述α相侧和β相侧单相多绕组整流变压器的次边高压串联后合成电压向接触网电分相中性段(N)供电。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述α相侧单相多绕组整流变压器(T1)和β相侧单相多绕组整流变压器(T2)均有一个原边高压绕组、n个次边低压绕组和一个次边高压绕组；所述逆变变压器(T3)有m个原边低压绕组和一个次边高压绕组；所述α相侧单相多绕组整流变压器(T1)的次边高压绕组、β相侧单相多绕组整流变压器(T2)的次边高压绕组和所述逆变变压器(T3)的次边高压绕组串联后合成电压向接触网电分相中性段(N)供电，其中，n和m均为大于1的自然数。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述三端口四象限变流器(BLQ)包括：直流母线单元，通过所述α相侧单相多绕组整流变压器(T1)磁场并联运行的n个功率模块所组成的α相侧整流变换单元，通过所述β相侧单相多绕组整流变压器(T2)磁场并联运行的n个功率模块所组成的β相侧整流变换单元，以及通过所述逆变变压器(T3)磁场并联运行的m个功率模块所组成的逆变变换单元；
所述α相侧整流变换单元的n个功率模块的交流端与所述α相侧单相多绕组整流变压器(T1)的n个次边低压绕组的输出端连接，所述β相侧整流变换单元的n个功率模块的交流端与β相侧单相多绕组整流变压器(T2)的n个次边低压绕组的输出端连接，所述逆变变换单元的m个功率模块的交流端与逆变变压器(T3)的m个原边低压绕组连接。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，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。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述功率模块均采用基于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。
6.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，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。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，每个所述功率模块均采用基于IGBT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。
8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，每个所述功率模块均采用基于IGCT的三电平H桥变换电路，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。
9.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述功率模块均采用两电平H桥变换电路，且功率模块数量m与n相等，所述三端口四象限变流器(BLQ)由n个电气上完全独立的三端口四象限变流子单元组成，所述三端口四象限变流子单元包括一个α相侧整流功率模块、一个β相侧整流功率模块和一个逆变侧功率模块，将所述三端口四象限变流子单元的三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。
10.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述功率模块均采用三电平H桥变换电路，且功率模块数量m与n相等，所述三端口四象限变流器(BLQ)由n个电气上完全独立的三端口四象限变流子单元组成，所述三端口四象限变流子单元包括一个α相侧整流功率模块、一个β相侧整流功率模块和一个逆变侧功率模块，将所述三端口四象限变流子单元的三种功率模块直流侧的正直流母线并联、零直流母线并联以及负直流母线并联得到一个公共的直流母线子单元。
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