CN109256764A - 一种适用于中压直流牵引供电的车载网侧变流器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于中压直流牵引供电的车载网侧变流器，包括至少两个直流变换单元，通过将多个直流变换单元的高压侧串联、低压侧并联，实现将直流牵引供电网侧较高电压的直流电转换为较低电压的直流电供牵引逆变器使用，或者将列车再生制动产生的电能通过变换反馈至直流牵引网。直流变换单元可以根据列车的工况，工作于升压模式或降压模式，从而实现电能在中压直流牵引网与列车牵引传动系统之间的双向可控变换。采用本发明，可以实现电能的按需流动、车载变流器与牵引网的隔离，并且不存在均压均流的问题，能够提高列车牵引传动系统的功率密度及能量转化效率、降低损耗并兼容现有的列车牵引逆变器系统。

Description

一种适用于中压直流牵引供电的车载网侧变流器
技术领域
本发明涉及干线电气化铁路牵引供电技术领域，具体涉及一种适用于中压直流牵引供电的车载网侧变流器。
背景技术
单相工频交流牵引供电系统由牵引变电所和牵引供电网构成，牵引变电所将电力系统的三相110kV或220kV供电通过牵引变压器降压成27.5kV，再供给牵引网，如附图1所示。传统的牵引供电系统为使电力系统三相负荷平衡并提高电源的利用率，其接触网多采用分段换相供电，相与相之间设置有不带电的电分相。牵引供电系统的拓扑结构，决定了其必然存在负序、无功以及电分相等问题。
为了解决传统工频单相牵引供电系统存在的无功、负序、谐波等问题，有学者提出了基于平衡变压器的同相供电系统，如附图2所示。该系统利用电能质量调节器(ActivePower Compensator，APC)，对同一个变电所内部的一个供电臂电压幅值和相位进行补偿，使其输出电压和幅值与另一个供电臂输出电压完全一致，从而实现了三相功率的平衡，避免了负序电流的产生、消除了变电所内部的电分相并能进行无功补偿。但是该系统需要提供全功率的APC容量、成本高，而且无法消除两个变电所之间的电分相。
另外，为了彻底消除传统交流牵引供电系统存在的问题，还有学者提出了基于三相交流-直流-单相交流的贯通式高级同相供电方式，如附图3所示。该系统利用电力电子技术，通过电能变换得到相位幅值完全一样的电压，从而形成贯通式同相供电系统。不过，该系统存在系统复杂成本高等缺点，工程应用难度较大。
列车的牵引传动系统是电力机车/动车组的能量来源，其结构如附图4所示。传统的牵引传动系统，需要由车载变压器将单相AC25kV电压降压，然后经过整流和逆变后，供给牵引电机。整个系统存在系统复杂、重量大、效率低的缺点，不符合未来轻量化的发展方向。因此有学者研究了采用电力电子变压器的传动系统，不过仍然无法彻底解决这些问题。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种适用于中压直流牵引供电的车载网侧变流器解决了直流牵引供电下中压直流到低压直流的双向变换问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种适用于中压直流牵引供电的车载网侧变流器，包括至少两个直流变换单元，所述直流变换单元的一侧包括第一高压侧和第二高压侧，其另一侧包括第一低压侧和第二低压侧，第一个所述直流变换单元的第一高压侧通过主断路器与中压直流牵引供电网连接，最后一个所述直流变换单元的第二高压侧连接到地，其余每个所述直流变换单元的第二高压侧分别与其后一个直流变换单元的第一高压侧串联，每个所述直流变换单元的第一低压侧连接，并与牵引逆变器的输入端正极并联，每个所述直流变换单元的第二低压侧连接，并与牵引逆变器的输入端负极并联，每个所述直流变换单元包括升降压电路和双向全桥可控变换电路。
进一步地：所述升降压电路包括电感L、带反并联二极管Dbo的可控器件Tbo、带反并联二极管Dbu的可控器件Tbu和储能电容C1，所述电感L的一端为直流变换单元的第一高压侧，另一端分别与可控器件Tbu的发射极和可控器件Tbo的集电极连接，所述可控器件Tbu的集电极与储能电容C1的正极连接，所述可控器件Tbo的发射极与储能电容C1的负极连接且为直流变换单元的第二高压侧。
进一步地：所述双向全桥可控变换电路包括带反并联二极管D11的可控器件T11、带反并联二极管D12的可控器件T12、带反并联二极管D13的可控器件T13、带反并联二极管D14的可控器件T14、带反并联二极管D21的可控器件T21、带反并联二极管D22的可控器件T22、带反并联二极管D23的可控器件T23、带反并联二极管D24的可控器件T24和脉冲变压器T，所述可控器件T11的集电极和可控器件T12的集电极均与储能电容C1的正极连接，所述可控器件T13的发射极和可控器件T14的发射极均与储能电容C1的负极连接，所述可控器件T11的发射极和可控器件T13的集电极均与脉冲变压器T的初级线圈A1端连接，所述可控器件T12的发射极和可控器件T14的集电极均与脉冲变压器T的初级线圈的B1端连接，所述脉冲变压器T的次级线圈A2端分别与可控器件T21的发射极和可控器件T23的集电极连接，所述脉冲变压器T的次级线圈B2端分别与可控器件T22的发射极和可控器件T24的集电极连接，所述可控器件T21的集电极和可控器件T22的集电极连接且为直流变换单元的第一低压侧，所述可控器件T23的发射极和可控器件T24的发射极连接且为直流变换单元的第二低压侧。
进一步地：所述直流变换单元的工作模式包括降压斩波器模式和升压斩波器模式，所述降压斩波器模式为列车运行于再生工况时的工作模式，所述升压斩波器模式为列车运行于牵引或惰行工况时的工作模式。
进一步地：所述直流变换单元的第一低压侧与牵引逆变器的输入端之间还并联有电容和电阻。
进一步地：所述牵引逆变器的输出端依次与牵引电机、齿轮变速箱和车轮连接。
本发明的有益效果为：本发明利用由多个在高压侧串联、低压侧并联的直流变换单元构成了适用于DC30kV左右中压直流供电的车载网侧变流器，通过直流变换单元中升、降压模式的可控切换以及双向全桥实现了能量的双向流动，也达到了车载变流器与直流牵引网的电隔离。可以实现中压直流到低压直流的双向变换、车载变流器与牵引网的隔离，并且不存在均压均流的问题，能够提高列车牵引传动系统的功率密度及能量转化效率、降低损耗并兼容现有的列车牵引逆变器系统。
附图说明
图1为传统工频单相牵引供电系统结构示意图；
图2为采用APC的同相牵引供电系统结构示意图；
图3为采用电力电子变换的贯通式同相供电系统结构示意图；
图4为传统的列车牵引传动系统结构示意图；
图5为本发明的列车传动结构示意图；
图6为本发明中直流变换单元的拓扑结构图；
图7为本发明中直流变换单元工作于牵引或惰行工况的等效电气原理图；
图8为本发明中直流变换单元工作于再生工况的等效电气原理图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图5所示，一种适用于DC30kV左右中压直流牵引供电的车载网侧变流器，包括至少两个直流变换单元，所述直流变换单元的一侧包括第一高压侧和第二高压侧，其另一侧包括第一低压侧和第二低压侧，第一个所述直流变换单元的第一高压侧通过主断路器与中压直流牵引供电网连接，最后一个所述直流变换单元的第二高压侧连接到地，其余每个所述直流变换单元的第二高压侧分别与其后一个直流变换单元的第一高压侧串联，每个所述直流变换单元的第一低压侧连接，并与牵引逆变器的输入端正极并联，每个所述直流变换单元的第二低压侧连接，并与牵引逆变器的输入端负极并联，每个所述直流变换单元包括升降压电路和双向全桥可控变换电路。
如图6所示，升降压电路包括电感L、带反并联二极管Dbo的可控器件Tbo、带反并联二极管Dbu的可控器件Tbu和储能电容C1，电感L的一端为直流变换单元的第一高压侧，另一端分别与可控器件Tbu的发射极和可控器件Tbo的集电极连接，可控器件Tbu的集电极与储能电容C1的正极连接，可控器件Tbo的发射极与储能电容C1的负极连接且为直流变换单元的第二高压侧。
如图6所示，双向全桥可控变换电路包括带反并联二极管D11的可控器件T11、带反并联二极管D12的可控器件T12、带反并联二极管D13的可控器件T13、带反并联二极管D14的可控器件T14、带反并联二极管D21的可控器件T21、带反并联二极管D22的可控器件T22、带反并联二极管D23的可控器件T23、带反并联二极管D24的可控器件T24和脉冲变压器T，可控器件T11的集电极和可控器件T12的集电极均与储能电容C1的正极连接，可控器件T13的发射极和可控器件T14的发射极均与储能电容C1的负极连接，可控器件T11的发射极和可控器件T13的集电极均与脉冲变压器T的初级线圈A1端连接，可控器件T12的发射极和可控器件T14的集电极均与脉冲变压器T的初级线圈B1端连接，脉冲变压器T的次级线圈A2端分别与可控器件T21的发射极和可控器件T23的集电极连接，脉冲变压器T的次级线圈B2端分别与可控器件T22的发射极和可控器件T24的集电极连接，可控器件T21的集电极和可控器件T22的集电极连接且为直流变换单元的第一低压侧，可控器件T23的发射极和可控器件T24的发射极连接且为直流变换单元的第二低压侧。
在本发明的一个实施例中，直流变换单元的工作模式包括降压斩波器模式和升压斩波器模式，降压斩波器模式为列车运行于再生工况时的工作模式，升压斩波器模式为列车运行于牵引或惰行工况时的工作模式。
在本发明的一个实施例中，直流变换单元的第一低压侧与牵引逆变器之间还并联有电容和电阻。
在本发明的一个实施例中，牵引逆变器的输出端依次与牵引电机、齿轮变速箱和车轮连接。
当列车的运行状态为牵引或惰行工况时，如图7所示，车载网侧变流器的直流变换单元由电感L、可控器件Tbo、二极管Dbu以及储能电容C1构成升压斩波电路，将直流牵引的能量转移至储能电容C1，随后经过双向全桥变换器的T11～T14、D11～D14、脉冲变压器T以及D21～D24将网侧能量变换至低压侧输出；当列车的运行状态为再生工况时，如图8所示，列车牵引逆变器再生反馈的能量经过双向全桥变换器的T21～T24、D21～D24、脉冲变压器T以及D11～D14将电机侧能量变换至储能电容C1，再经由储能电容C1、可控器件Tbu、二极管Dbo构成的降压斩波电路，将反馈能量经过电感L反馈至电网侧。
在本发明中，直流变换单元的串并联个数是由当前电力电子技术的水平决定的。当前电力电子器件的耐压水平决定了高压侧需要串联的直流变换单元数量；低压侧器件可以承受的电流容量，决定了直流变换单元并联的数量。
当车载网侧变流器的功率器件工作频率足够高时，可以采用软开关技术，从而降低变流器的损耗。
本发明中的电路拓扑结构也适用于其它需要能量双向流动并且为高压侧串联低压侧并联的应用场合。

Claims (6)

1.一种适用于中压直流牵引供电的车载网侧变流器，其特征在于，包括至少两个直流变换单元，所述直流变换单元的一侧包括第一高压侧和第二高压侧，其另一侧包括第一低压侧和第二低压侧，第一个所述直流变换单元的第一高压侧通过主断路器与中压直流牵引供电网连接，最后一个所述直流变换单元的第二高压侧连接到地，其余每个所述直流变换单元的第二高压侧分别与其后一个直流变换单元的第一高压侧串联，每个所述直流变换单元的第一低压侧连接，并与牵引逆变器的输入端正极并联，每个所述直流变换单元的第二低压侧连接，并与牵引逆变器的输入端负极并联，每个所述直流变换单元包括升降压电路和双向全桥可控变换电路。
2.根据权利要求1所述的适用于中压直流牵引供电的车载网侧变流器，其特征在于，所述升降压电路包括电感L、带反并联二极管Dbo的可控器件Tbo、带反并联二极管Dbu的可控器件Tbu和储能电容C1，所述电感L的一端为直流变换单元的第一高压侧，另一端分别与可控器件Tbu的发射极和可控器件Tbo的集电极连接，所述可控器件Tbu的集电极与储能电容C1的正极连接，所述可控器件Tbo的发射极与储能电容C1的负极连接且为直流变换单元的第二高压侧。
3.根据权利要求2所述的适用于中压直流牵引供电的车载网侧变流器，其特征在于，所述双向全桥可控变换电路包括带反并联二极管D11的可控器件T11、带反并联二极管D12的可控器件T12、带反并联二极管D13的可控器件T13、带反并联二极管D14的可控器件T14、带反并联二极管D21的可控器件T21、带反并联二极管D22的可控器件T22、带反并联二极管D23的可控器件T23、带反并联二极管D24的可控器件T24和脉冲变压器T，所述可控器件T11的集电极和可控器件T12的集电极均与储能电容C1的正极连接，所述可控器件T13的发射极和可控器件T14的发射极均与储能电容C1的负极连接，所述可控器件T11的发射极和可控器件T13的集电极均与脉冲变压器T的初级线圈A1端连接，所述可控器件T12的发射极和可控器件T14的集电极均与脉冲变压器T的初级线圈B1端连接，所述脉冲变压器T的次级线圈A2端分别与可控器件T21的发射极和可控器件T23的集电极连接，所述脉冲变压器T的次级线圈B2端分别与可控器件T22的发射极和可控器件T24的集电极连接，所述可控器件T21的集电极和可控器件T22的集电极连接且为直流变换单元的第一低压侧，所述可控器件T23的发射极和可控器件T24的发射极连接且为直流变换单元的第二低压侧。
4.根据权利要求1所述的适用于中压直流牵引供电的车载网侧变流器，其特征在于，所述直流变换单元的工作模式包括降压斩波器模式和升压斩波器模式，所述降压斩波器模式为列车运行于再生工况时的工作模式，所述升压斩波器模式为列车运行于牵引或惰行工况时的工作模式。
5.根据权利要求1所述的适用于中压直流牵引供电的车载网侧变流器，其特征在于，所述直流变换单元的第一低压侧与牵引逆变器的输入端之间还并联有电容和电阻。
6.根据权利要求1所述的适用于中压直流牵引供电的车载网侧变流器，其特征在于，所述牵引逆变器的输出端依次与牵引电机、齿轮变速箱和车轮连接。
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