CN108306520A - 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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李明勇
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李红梅
张新民
高晓峰
殷浩
袁双林
杨帆
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Abstract

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，所述装置拓扑结构包括：高压预充电单元、MMC整流单元、中间直流隔离变换单元和MMC逆变变换单元；其中，所述的MMC整流单元和MMC逆变变换单元均包含左右两个桥臂，每个桥臂由对称的上、下半桥组成，所述的上、下半桥分别含有一个电抗器和串联而成的n个功率模块。所述中间直流隔离变换单元由m个直流隔离变换模块DCM在直流侧直接串联组成。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领域，更具体地，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自动过分相系统的变流装置，包括：
预充电单元、MMC整流单元、中间直流隔离变换单元和MMC逆变变换单元组成；所述的预充电单元由主开关QF和预充电电阻R组成；所述的MMC整流单元和MMC逆变变换单元均包含左右两个桥臂，每个桥臂由对称的上、下半桥组成，所述的上、下半桥分别含有一个电抗器和串联而成的n个功率模块；所述的功率模块为基于IGBT功率器件的半桥变换电路，包括IGBT及反并联二极管T1、T2、放电电阻Rd以及支撑电容C。
其中，所述的功率模块还包括并联在所述反并联二极管T2一侧的晶闸管和旁路开关；
所述中间直流隔离变换单元由m个直流隔离变换模块DCM在直流侧直接串联组成。
其中，所述的直流隔离变换模块DCM由整流侧支撑电容Cz、直流-交流-交流-直流隔离变换单元、逆变侧支撑电容Cn组成，所述的其中直流-交流-交流直流隔离变换单元由H桥型DC-AC变换器、电抗器Lr、变压器Tr和AC-DC变换器组成。
其中，为防止变压器Tr中的直流分量，所述的变压器Tr的原本绕组和次变绕组各串联了一个隔直电容Cr。
对于大功率应用场合，为提高装置的容量，所述直流-交流-交流-直流隔离变换单元由k个直流-直流变换器在直流侧并联组成；其中，k为大于1的自然数。
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自动过分相系统的变流装置的实现方式主电路图；
图2为本发明一实施例提供的一种电气化铁路地面自动过分相系统的变流装置中MMC电路整流单元和MMC电路逆变单元功率模块实施方式图；
图3为本发明又一实施例提供的一种电气化铁路地面自动过分相系统的变流装置中MMC电路整流单元和MMC电路逆变单元功率模块实施方式图；
图4为本发明一实施例提供的一种电气化铁路地面自动过分相系统的变流装置中直流隔离变换模块的一种实施方式图；
图5为本发明另一实施例提供的一种电气化铁路地面自动过分相系统的变流装置中直流隔离变换模块的一种实施方式图；
图6为本发明又一实施例提供的一种电气化铁路地面自动过分相系统的变流装置中直流隔离变换模块的一种实施方式图。
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自动过分相系统的变流装置的主电路图。所述的变流装置采用输入、输出均为高压变流器的直接高-高变流器拓扑，由预充电单元11、MMC整流单元12、中间直流隔离变换单元13和MMC逆变变换单元14组成；所述的预充电单元11由主开关QF和预充电电阻R组成；所述的MMC整流单元12和MMC逆变变换单元14均包含左右两个桥臂，每个桥臂由对称的上、下半桥组成，所述的上、下半桥分别含有一个电抗器15和串联而成的n个功率模块16；
所述的功率模块16为如图2所示，为基于IGBT功率器件的半桥变换电路，由IGBT及反并联二极管T1 161、T2、放电电阻Rd 162以及支撑电容C 163组成。
对于需要模块故障时需要退出，且要求具有耐受短时大电流的场合，MMC变流单元的功率模块16的一种改进实施方式如图3所示，主要由IGBT及反并联二极管T1 161、IGBT及反并联二极管T1 161、放电电阻Rd 162、支撑电容C 163、晶闸管164、旁路开关165等器件组成。
中间直流隔离变换单元13根据直流总电压的大小，由m个直流隔离变换模块DCM17在直流侧直接串联组成。
在上述各实施例的基础上，直流隔离变换模块DCM 17的一种实施方式如图4所示，所述的直流隔离变换模块DCM 17由整流侧支撑电容Cz 171、直流-交流-交流-直流隔离变换单元172、逆变侧支撑电容Cn 173组成，其中直流-交流-交流直流隔离变换单元172是由H桥型DC-AC变换器(由T1、T2、T3、T4电力电子开关器件组成)、电抗器Lr、中频(或高频)变压器Tr和AC-DC变换器(由T5、T6、T7、T8电力电子开关器件组成)组成的直流-直流变换器。
为防止的中频(或高频)变压器Tr在工作过程中出现直流偏磁，作为对本发明的改进，直流隔离变换模块DCM 17的另一种实施方式如图5所示，与图4的实施不同的地方是在直流-直流变换器的中频(或高频)变压器Tr的原本绕组和次变绕组各串联了一个隔直电容Cr。
对于大功率应用场合，为提高装置的容量，作为对本发明的改进，直流隔离变换模块DCM 17的一种改进实施方式如图6所示，其特征是直流-交流-交流直流隔离变换单元172是由k个直流-直流变换器在直流侧并联组成。
具体的，采用高-高变流拓扑的装置主要由基于模块化多电平(MMC)拓扑的整流单元、直流隔离变换单元、基于模块化多电平(MMC)拓扑的逆变变换单元组成。装置直接将由高压开关单元的断路器选通并馈出的牵引母线高压电源接入装置，通过整流单元进行高频整流产生总的整流侧直流母线电压。直流隔离变换单元是由多个直流隔离变换模块直流侧串联组成，主要将整流直流母线和逆变直流母线进行电气隔离。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，适时的启动逆变变换单元工作输出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，在列车过分相期间为中性段连续供电。
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 (5)

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：
预充电单元(11)、MMC整流单元(12)、中间直流隔离变换单元(13)和MMC逆变变换单元(14)组成；所述的预充电单元(11)由主开关QF和预充电电阻R组成；所述的MMC整流单元(12)和MMC逆变变换单元(14)均包含左右两个桥臂，每个桥臂由对称的上、下半桥组成，所述的上、下半桥分别含有一个电抗器(15)和串联而成的n个功率模块(16)；所述的功率模块(16)为基于IGBT功率器件的半桥变换电路，包括IGBT及反并联二极管T1(161)、T2、放电电阻Rd(162)以及支撑电容C(163)。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的功率模块(16)还包括并联在所述反并联二极管T2一侧的晶闸管(164)和旁路开关(165)；所述中间直流隔离变换单元(13)由m个直流隔离变换模块DCM(17)在直流侧直接串联组成；
其中，m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，所述的直流隔离变换模块DCM(17)由整流侧支撑电容Cz(171)、直流-交流-交流-直流隔离变换单元(172)、逆变侧支撑电容Cn(173)组成，所述的其中直流-交流-交流直流隔离变换单元(172)由H桥型DC-AC变换器、电抗器Lr、变压器Tr和AC-DC变换器组成。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述的变压器Tr的原本绕组和次变绕组各串联了一个隔直电容Cr。
5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，
所述直流-交流-交流-直流隔离变换单元(172)由k个直流-直流变换器在直流侧并联组成；
其中，k为大于1的自然数。
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