CN109698518A - 一种牵引供电系统及其能量回馈装置 - Google Patents

一种牵引供电系统及其能量回馈装置 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种牵引供电系统的能量回馈装置，单相逆变器的输入端与牵引供电系统的直流母线连接，输出端与高频变压器的一次侧连接，用于对直流母线中的直流电进行单相逆变并输出；高频变压器的二次侧与整流器的输入端连接，用于对接收到的信号进行变压并输出；整流器的输出端与三相逆变器的输入端连接，用于对接收到的信号进行整流并输出；三相逆变器的输出端与牵引供电系统的牵引变压器的二次侧连接，用于对接收到的信号进行三相逆变并输出，以实现能量回馈。本申请利用轻量小型化的高频变压器，既方便施工安装又可避免环流的形成进而提高能量利用效率。本申请所提供的包括上述能量回馈装置的牵引供电系统，同样具有上述有益效果。

Description

一种牵引供电系统及其能量回馈装置
技术领域
本申请涉及牵引供电技术领域，特别涉及一种牵引供电系统及其能量回馈装置。
背景技术
随着地铁等轨道交通的电力系统中的技术进步，能量回馈技术开始出现并得以运用。列车在行驶时，牵引供电系统对列车进行正常供电，而在列车制动时，通过启动牵引供电系统的能量回馈装置，可将制动产生的电能回馈到电网中，实现能源节约。
一般地，列车的牵引供电系统采用牵引变压器-二极管整流机组对列车进行供电。如图1所示，牵引变压器的一次侧与交流母线连接，即接入了交流电网，二次侧与二极管整流机组的输入端连接，而二极管整流机组的输出端与直流母线连接，作为牵引供电系统的输出端为列车供电。
现有技术中的能量回馈装置一般是在图1的基础上增设逆变器和工频变压器，逆变器在列车制动时将直流母线中的直流电逆变为交流电，工频变压器将该交流电再回馈到牵引变压器的一次侧或者二次侧，进而回馈到交流电网中。由于工频变压器本身体积较大十分笨重，因而不便安装，给轨道交通的施工设计带来较大压力。现有技术中还有一种能量回馈装置，将逆变器并联在二极管整流机组两侧，利用原本的牵引变压器将逆变后的交流电回馈至电网中；但是，这种能量回馈装置在工作时会在与二极管整流机组构成的环路中形成环流，降低整个牵引供电系统的能量利用效率。
由此可见，采用何种能量回馈装置以提高能量利用效率并方便施工安装，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本申请的目的在于提供一种牵引供电系统及其能量回馈装置，以便有效地提高能量利用效率并方便施工安装。
为解决上述技术问题，本申请提供一种牵引供电系统的能量回馈装置，包括单相逆变器、高频变压器、整流器和三相逆变器；
其中，所述单相逆变器的输入端与所述牵引供电系统的直流母线连接，输出端与所述高频变压器的一次侧连接，用于在直流母线电压高于预设电压阈值时对所述直流母线中的直流电进行单相逆变并输出；所述高频变压器的二次侧与所述整流器的输入端连接，用于对接收到的信号进行变压并输出；所述整流器的输出端与所述三相逆变器的输入端连接，用于对接收到的信号进行整流并输出；所述三相逆变器的输出端与所述牵引供电系统的牵引变压器的二次侧连接，用于对接收到的信号进行三相逆变并输出，以实现能量回馈。
可选地，所述单相逆变器具体用于：
在所述直流母线电压高于预设电压阈值且直流母线电流高于预设电流阈值时，对所述直流母线中的直流电进行单相逆变并输出。
可选地，多组所述单相逆变器、高频变压器和整流器并联在所述直流母线和所述三相逆变器的输入端之间。
可选地，所述单相逆变器为单相三电平逆变器。
可选地，所述整流器为桥式整流器。
可选地，还包括LLC谐振电路，所述LLC谐振电路的输入端与所述高频变压器的二次侧连接，输出端与所述整流器的输入端连接。
可选地，所述三相逆变器为三相三电平逆变器。
本申请还提供了一种牵引供电系统，包括如以上所述的牵引供电系统的能量回馈装置。
本申请所提供的牵引供电系统的能量回馈装置包括单相逆变器、高频变压器、整流器和三相逆变器；其中，所述单相逆变器的输入端与所述牵引供电系统的直流母线连接，输出端与所述高频变压器的一次侧连接，用于在直流母线电压高于预设电压阈值时对所述直流母线中的直流电进行单相逆变并输出；所述高频变压器的二次侧与所述整流器的输入端连接，用于对接收到的信号进行变压并输出；所述整流器的输出端与所述三相逆变器的输入端连接，用于对接收到的信号进行整流并输出；所述三相逆变器的输出端与所述牵引供电系统的牵引变压器的二次侧连接，用于对接收到的信号进行三相逆变并输出，以实现能量回馈。
可见，相比于现有技术，本申请所提供的牵引供电系统的能量回馈装置中，通过轻量小型化的高频变压器的使用，大大方便了能量回馈装置的施工安装。并且，高频变压器的隔离作用避免了二极管整流机组中环流的形成，从而避免了能量的浪费。由此可见，本申请所提供的牵引供电系统的能量回馈装置，不仅便于施工安装而且可以有效提高能量利用效率。本申请所提供的包括上述能量回馈装置的牵引供电系统，同样具有上述有益效果。
附图说明
为了更清楚地说明现有技术和本申请实施例中的技术方案，下面将对现有技术和本申请实施例描述中需要使用的附图作简要的介绍。当然，下面有关本申请实施例的附图描述的仅仅是本申请中的一部分实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图，所获得的其他附图也属于本申请的保护范围。
图1为牵引供电系统为列车正常供电部分的电路示意图；
图2为本申请实施例所提供的一种牵引供电系统的能量回馈装置的结构框图；
图3为本申请实施例所提供的一种单相三电平逆变器的电路结构图；
图4为本申请实施例所提供的一种带有LLC谐振电路的整流器的电路结构图；
图5为本申请实施例所提供的一种三相三电平逆变器的电路结构图；
图6为本申请实施例所提供的一种牵引供电系统的电路示意图。
具体实施方式
本申请的核心在于提供一种牵引供电系统及其能量回馈装置，以便有效地提高能量利用效率并方便施工安装。
为了对本申请实施例中的技术方案进行更加清楚、完整地描述，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行介绍。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
请参考图2，图2为本申请实施例所提供的一种牵引供电系统的能量回馈装置的结构框图，包括单相逆变器1、高频变压器2、整流器3和三相逆变器4；
其中，所述单相逆变器1的输入端与所述牵引供电系统的直流母线连接，输出端与所述高频变压器2的一次侧连接，用于在直流母线电压高于预设电压阈值时对所述直流母线中的直流电进行单相逆变并输出；所述高频变压器2的二次侧与所述整流器3的输入端连接，用于对接收到的信号进行变压并输出；所述整流器3的输出端与所述三相逆变器4的输入端连接，用于对接收到的信号进行整流并输出；所述三相逆变器4的输出端与所述牵引供电系统的牵引变压器的二次侧连接，用于对接收到的信号进行三相逆变并输出，以实现能量回馈。
具体地，当检测到直流母线电压高于预设电压阈值时，说明列车处于制动状态，制动产生的电能积聚造成直流母线电压抬升。此时，可以启动能量回馈装置，将直流母线中的直流电回馈至交流母线中。这里所说的预设电压阈值，可由本领域技术人员根据实际使用情况自行选择并设置，本申请实施例对此并不进行限定。
能量回馈装置在工作时，首先由单相逆变器1对直流母线中的直流电进行逆变，生成单相交流电，再利用高频变压器2，在实现高频隔离的同时将高频交流电形式的电能输送到整流器3，生成直流电输送至三相逆变器4，由三相逆变器4生成三相工频交流电，输送至牵引变压器二次侧，进而通过牵引变压器将电能回馈至交流母线。
其中，高频变压器2是采用高工作频率的变压器，相对于工频变压器，其体积小重量轻，具有明显的优势。事实上，高频化是电力电子领域中的重要发展方向，开关频率的提升有助于器件的小型化和轻量化，为器件的安装和使用提供巨大方便。当然，为了配合高频变压器2，这里所说的单相逆变器1和整流器3也都工作在高频段，至于采用何种具体的电路结构，可由本领域技术人员自行选择并实现，本申请实施例对此并不进行限定。
可见，本申请实施例所提供的牵引供电系统的能量回馈装置，通过小体积的高频变压器2的使用，大大方便了能量回馈装置的施工安装。并且，高频变压器2的隔离作用避免了二极管整流机组中环流的形成，从而避免了能量的浪费。由此可见，本申请所提供的牵引供电系统的能量回馈装置，不仅便于施工安装而且可以有效提高能量利用效率。
本申请所提供的牵引供电系统的能量回馈装置，在上述实施例的基础上：
作为一种优选实施例，单相逆变器1具体用于：
在直流母线电压高于预设电压阈值且直流母线电流高于预设电流阈值时，对直流母线中的直流电进行单相逆变并输出。
具体地，能量回馈装置启动一段时间后，当能量回馈基本结束时，直流母线电流也下降至很小。当直流母线电流小到一定程度时，基本可以停止能量回馈的过程。因此，本申请所提供的能量回馈装置的启动条件，除了包括“直流母线电压高于预设电压阈值”以外，还可以包括“直流母线电流高于预设电流阈值”，即当两者同时满足时，才启动能量回馈装置。具体可以通过控制开关管启动能量回馈装置，当然，也可以采用其他启动方式，本申请实施例对此并不进行限定。
作为一种优选实施例，多组单相逆变器1、高频变压器2和整流器3并联在直流母线和三相逆变器4的输入端之间。
具体地，考虑到单组单相逆变器1、高频变压器2和整流器3的工作功率有限，而不同地区所使用的交流母线电压不一定相同，可以灵活设置多组单相逆变器1、高频变压器2和整流器3并联使用，共同对直流母线中的直流电进行回馈，提高能量回馈装置的输送功率。事实上，可以进一步将同一组的单相逆变器1、高频变压器2和整流器3进行模块化封装，便于安装和使用。至于具体设置多少个模块，可由本领域技术人员根据实际使用情况自行并设置。
作为一种优选实施例，单相逆变器为单相三电平逆变器。
请参考图3，图3为本申请实施例所提供的一种单相三电平逆变器的电路结构图。
三电平逆变器采用NPC(Neutral Point Clamped，中性点箝位)型拓扑结构，可将输入的DC逆变为AC。如图3所示的单相三电平逆变器中，开关管S1、S2、S5和S6串联，D1和D3为设置在中性点上的一对钳位二极管的三电平逆变器；同理，对于串联的开关管S3、S4、S7和S8，D2和D4为设置在中性点上的一对钳位二极管。
作为多电平逆变器中最简单又最实用的一种电路，三电平逆变器与传统的两电平逆变器相比较主要优点是器件具有2倍的正向阻断电压能力，并能减少谐波和降低开关频率，从而使系统损耗减小，进一步提高能量回馈过程中的能量利用效率。
作为一种优选实施例，整流器为桥式整流器。
桥式整流器是一种使用广泛的整流电路，当然，这里也可以采用如半波整流等其他整流电路，本申请对此并不限定。
作为一种优选实施例，还包括LLC谐振电路，LLC谐振电路的输入端与高频变压器的二次侧连接，输出端与整流器的输入端连接。
LLC谐振电路是由电感、励磁电感和电容串联构成的谐振电路。利用LLC谐振电路的谐振，可以实现电路中开关器件的零电压开通和零电流关断，实现软开关，达到减小开关器件损耗的目的，从而进一步提高能量利用效率。
请参考图4，图4为本申请实施例所提供的一种带有LLC谐振电路的桥式整流器的电路结构图。其中，励磁电感Lm用于与高频变压器互感励磁，并与电感Lr和电容C形成谐振，三者构成了LLC谐振电路。开关管S9、S10、S11和S12构成了桥式整流器。当然，还可以在各个开关管两端并联二极管进行保护，也可以在桥式整流器的输出端并联电容，以抑制整流输出的脉动，本申请实施例对此均不进行限定。
作为一种优选实施例，三相逆变器为三相三电平逆变器。
请参考图5，图5为本申请实施例所提供的一种三相三电平逆变器的电路结构图。三相三电平逆变器的结构和工作原理与单相三电平逆变器类似，这里就不再赘述，不同的地方在于，三相三电平逆变器采用了三组串联的开关管以及对应的二极管，因而可将DC逆变输出三相的AC。
本申请还提供了一种牵引供电系统，包括以上任一实施例所述的牵引供电系统的能量回馈装置。
请参考图6，图6为本申请实施例所提供的一种牵引供电系统的电路示意图。
如图6所示，牵引供电系统在列车正常行驶过程中，可将交流母线中的交流电经牵引变压器和二极管整流机组处理后生成直流电并输送到直流母线。图6中的牵引变压器具体为12脉波整流变压器，包括△/Y型和△/△型2种不同联结形式的变压器，与二极管整流机组构成多脉波二极管整流系统。当然，本领域技术人员也可以根据实际使用情况使用18脉波、24脉波等更复杂的整流变压器，本申请实施例对此并不进行限定。由于列车在启动时的启动电流大，往往是正常行驶的工作电流的数倍，因此，利用过载能力强的多脉波二极管整流系统可以很好地适应列车的高电流启动过程。
并联在二极管整流机组两侧的是由单相逆变器、高频变压器、整流器和三相逆变器构成的能量回馈装置。并且，图6中将单相逆变器、高频变压器和整流器进行了模块化封装，并将封装后的多个模块并联使用。在列车制动时，直流母线中的直流电经能量回馈装置回馈到牵引变压器的二次侧，进而通过牵引变压器回馈至交流母线。
可见，本申请实施例所提供的牵引供电系统，沿用了列车中传统的低损耗的牵引变压器-二极管整流机组供电系统，避免了较大的施工改造。在此基础上，本申请设置了采用高频变压器的能量回馈装置，利用高频变压器轻量小型化的优势，方便了设备的施工安装，并避免了能量回馈装置与二极管整流机组之间形成环流，进一步保障了能量利用效率的提升。
本申请所提供的牵引供电系统的具体实施方式与上文所描述的牵引供电系统的能量回馈装置可相互对应参照，这里就不再赘述。
本申请中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
还需说明的是，在本申请文件中，诸如“第一”和“第二”之类的关系术语，仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或者操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或者操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。此外，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上对本申请所提供的技术方案进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种牵引供电系统的能量回馈装置，其特征在于，包括单相逆变器、高频变压器、整流器和三相逆变器；
其中，所述单相逆变器的输入端与所述牵引供电系统的直流母线连接，输出端与所述高频变压器的一次侧连接，用于在直流母线电压高于预设电压阈值时对所述直流母线中的直流电进行单相逆变并输出；所述高频变压器的二次侧与所述整流器的输入端连接，用于对接收到的信号进行变压并输出；所述整流器的输出端与所述三相逆变器的输入端连接，用于对接收到的信号进行整流并输出；所述三相逆变器的输出端与所述牵引供电系统的牵引变压器的二次侧连接，用于对接收到的信号进行三相逆变并输出，以实现能量回馈。
2.根据权利要求1所述的能量回馈装置，其特征在于，所述单相逆变器具体用于：
在所述直流母线电压高于预设电压阈值且直流母线电流高于预设电流阈值时，对所述直流母线中的直流电进行单相逆变并输出。
3.根据权利要求1所述的能量回馈装置，其特征在于，多组所述单相逆变器、高频变压器和整流器并联在所述直流母线和所述三相逆变器的输入端之间。
4.根据权利要求1至3任一项所述的能量回馈装置，其特征在于，所述单相逆变器为单相三电平逆变器。
5.根据权利要求4所述的能量回馈装置，其特征在于，所述整流器为桥式整流器。
6.根据权利要求5所述的能量回馈装置，其特征在于，还包括LLC谐振电路，所述LLC谐振电路的输入端与所述高频变压器的二次侧连接，输出端与所述整流器的输入端连接。
7.根据权利要求6所述的能量回馈装置，其特征在于，所述三相逆变器为三相三电平逆变器。
8.一种牵引供电系统，其特征在于，包括如权利要求1至7任一项所述的牵引供电系统的能量回馈装置。
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