CN112046344B - 一种适用于高速磁悬浮列车直线电机的牵引供电系统 - Google Patents

一种适用于高速磁悬浮列车直线电机的牵引供电系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于高速磁悬浮列车直线电机的牵引供电系统，牵引供电系统的每个供电区间包括第一牵引变电站、第二牵引变电站、第一切换开关站、第二切换开关站、n段第一供电连接母排、n段第二供电连接母排、分段开关、第一直线电机定子、第二直线电机定子及中间连接母排，分段开关中包括2n个开关单元，第一直线电机定子包括2n段第一直线电机定子单元，第二直线电机定子包括2n段第二直线电机定子单元。采用短距加速方式的牵引供电结构，避免长线运行的庞大系统构成，同时也能满足高速磁悬浮列车最高运行速度的需求，本发明可有效降低整个牵引供电系统的成本。

Description

一种适用于高速磁悬浮列车直线电机的牵引供电系统
技术领域
本发明属于磁悬浮牵引供电系统技术领域，具体涉及一种适用于高速磁悬浮列车直线电机的牵引供电系统。
背景技术
由于受空气阻力、轮轨黏着、运行噪声等问题的限制，在现有的技术水平下，传统的轮轨式轨道交通难以经济地实现运营速度大幅度提高。为了满足更高经济运行速度的需求，利用磁悬浮技术将列车悬浮在轨道上并进行导向，再采用直线电机进行加速牵引是未来更高速度轨道交通技术发展的重要方向。高速磁悬浮轨道交通是目前世界上最快的陆上轨道交通工具，其速度介于高铁和飞机之间，当前世界纪录为日本山梨线603km/h。
与传统的轮轨式轨道交通由接触网供电不同，高速磁悬浮牵引供电系统通过给地面直线电机长定子绕组供电提供列车运动所需的电能。正因为高速磁悬浮的牵引驱动系统铺设在地面，运行速度越高，所需的轨道越长，如日本山梨线轨道长达四十几公里，整个牵引供电系统成本也越高。为了满足高速磁悬浮列车的最高运行速度达到800km/h以上的需求，若仍采用传统长线的牵引供电系统，加速阶段的轨道长度就至少要六十几公里，整个牵引供电系统的设备及装机容量将大幅提高，且对电网容量的要求较高，再考虑系统运行的冗余性，整个投资成本巨大。
发明内容
本发明的目的是针对上述技术的不足，提供一种适用于高速磁悬浮列车直线电机的牵引供电系统，采用短距加速方式的牵引供电结构，使列车的最高运行速度可达800km/h，解决采用传统长距运行方式投资成本高的难题，同时牵引供电系统还具备容错运行能力。
为实现上述目的，本发明所设计的适用于高速磁悬浮列车直线电机的牵引供电系统，牵引供电系统的每个供电区间包括第一牵引变电站、第二牵引变电站、第一切换开关站、第二切换开关站、n段第一供电连接母排、n段第二供电连接母排、分段开关、第一直线电机定子、第二直线电机定子及中间连接母排，分段开关中包括2n个开关单元，第一直线电机定子包括2n段第一直线电机定子单元，第二直线电机定子包括2n段第二直线电机定子单元；
所述第一牵引变电站的输出端通过第一切换开关站均与n段第一供电连接母排相连，第二牵引变电站的输出端通过第二切换开关站均与n段第二供电连接母排相连；n段第一供电连接母排分别与分段开关中的奇数开关单元相连，奇数开关单元与2n段第一直线电机定子中的奇数段第一直线电机定子单元相连；n段第二供电连接母排分别与分段开关中的偶数开关单元相连，偶数开关单元与2n段第一直线电机定子中的偶数段第一直线电机定子单元相连，2n段第一直线电机定子单元与第二直线电机定子中的2n段第二直线电机定子单元一一对应连接，2n段第二直线电机定子单元均与中间连接母排相连。
进一步地，所述第一切换开关内布置有第一三相星形连接点，所述第二切换开关内布置有第二三相星形连接点。
进一步地，所述第一牵引变电站和第二牵引变电站结构相同均包括充电机、蓄电池组、牵引变流器模块和耦合电感，所述牵引变流器模块包括n个相同模块单元，每个模块单元的输入端均与蓄电池组的输出端相连，n个模块单元的输出端与耦合电感中n个耦合电感单元的输入端呈一一对应连接，n个耦合电感单元的输出端并联后形成总输出端。
进一步地，所述牵引变流器模块中的每个模块单元均包括直流支撑电容单元、制动单元、三相功率单元；直流支撑电容单元输入端与蓄电池组的输出端相连；制动单元位于直流支撑电容单元和三相功率单元之间；三相功率单元的输出端与对应的耦合电感单元的输入端相连，其拓扑结构采用三电平中点有源箝位，由三个三电平桥臂构成，其中每个桥臂由六个开关器件IGBT单元组成。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1)采用短距加速方式的牵引供电结构，避免长线运行的庞大系统构成，同时也能满足高速磁悬浮列车最高运行速度的需求，本发明可有效降低整个牵引供电系统的成本；
2)牵引供电系统具备容错运行能力，正常情况下由两套牵引变电站以双端串联方式运行，在其中一台故障情况下可切换为单套牵引变电站单端继续运行，提高了供电的可靠性；
3)牵引变电站拓扑结构大为简化，装机容量可大幅减少，采用储能元件进行能量存储与释放，大大降低了对电网容量的要求。
附图说明
图1为本发明牵引供电系统的供电区间双端串联供电示意图
图2为本发明牵引供电系统的供电区间单端供电示意图；
图3为图1中牵引变电站拓扑结构示意图
图4为图3中模块单元拓扑结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示适用于高速磁悬浮列车直线电机的牵引供电系统，牵引供电系统的每个供电区间包括第一牵引变电站1、第二牵引变电站2、第一切换开关站3、第二切换开关站4、n段第一供电连接母排7、n段第二供电连接母排8、分段开关9、第一直线电机定子10、第二直线电机定子11及中间连接母排12，其中，分段开关9中包括2n个开关单元(如开关单元9-1、开关单元9-2、开关单元9-3、开关单元9-4……)，第一直线电机定子10包括2n段第一直线电机定子单元(如第一直线电机定子单元10-1、第一直线电机定子单元10-2、第一直线电机定子单元10-3、第一直线电机定子单元10-4……)，第二直线电机定子11包括2n段第二直线电机定子单元(如第二直线电机定子单元11-1、第二直线电机定子单元11-2、第二直线电机定子单元11-3、第二直线电机定子单元11-4省略号)。同时，第一切换开关3内布置有第一三相星形连接点5，同理，第二切换开关4内布置有第二三相星形连接点6。
第一牵引变电站1的输出端通过第一切换开关站3均与n段第一供电连接母排7相连，第二牵引变电站2的输出端通过第二切换开关站4均与n段第二供电连接母排8相连；n段第一供电连接母排7分别与分段开关9中的奇数开关单元(即开关单元9-1、开关单元9-3……)相连，奇数开关单元与2n段第一直线电机定子10中的奇数段第一直线电机定子单元(第一直线电机定子单元10-1、第一直线电机定子单元10-3……)相连；n段第二供电连接母排8分别与分段开关9中的偶数开关单元(即开关单元9-2、开关单元9-4……)相连，偶数开关单元与2n段第一直线电机定子10中的偶数段第一直线电机定子单元(第一直线电机定子单元10-2、第一直线电机定子单元10-4……)相连，2n段第一直线电机定子单元与第二直线电机定子11中的2n段第二直线电机定子单元一一对应连接，构成一段双边长初级直线电机定子，同时，2n段第二直线电机定子单元均与中间连接母排12相连，因此，第一牵引变电站1和第二牵引变电站2均采用双端供电方式向双边长初级直线电机定子提供所需电能。
当列车处于第一直线电机定子单元10-1、第一直线电机定子单元10-2(或者第二直线电机定子单元11-1、第二直线电机定子单元11-2)的区间段时，正常情况下，第一切换开关站3于位置a和位置b相连通，第二切换开关站4于位置d和位置e相连通，开关单元9-1和开关单元9-2同时导通，此时第一牵引变电站1、第一切换开关站3、n段第一供电连接母排7、开关单元9-1、第一直线电机定子单元10-1、第二直线电机定子单元11-1、中间连接母排12、第二直线电机定子单元11-2、第一直线电机定子单元10-2、开关单元9-2、n段第二供电连接母排8、第二切换开关站4、第二牵引变电站2形成串联双端供电。
如图2所示，当第二牵引变电站2出现故障需要切除时，第二切换开关站4于位置e和位置f相连，并与第二三相星形连接点6相连通，此时第一牵引变电站1、第一切换开关站3、n段第一供电连接母排7、开关单元9-1、第一直线电机定子单元10-1、第二直线电机定子单元11-1、中间连接母排12、第二直线电机定子单元11-2、第一直线电机定子单元10-2、开关单元9-2、n段第二供电连接母排8、第二切换开关站4、第二三相星形连接点6形成单端供电，确保牵引系统在一端故障情况下仍能继续运行。同样，当第一牵引变电站1出现故障需要切除时，第一切换开关站3于位置b和位置c相连，并与第一三相星形连接点5相连通，同样可以由第二牵引变电站2单端进行供电继续运行。
当列车尾部离开第一直线电机定子单元10-1(或第二直线电机定子单元11-1)时，开关单元9-3导通，同时开关单元9-1断开，此时正常情况下的供电回路与图1类似，由第一牵引变电站1、第一切换开关站3、n段第一供电连接母排7、开关单元9-3、第一直线电机定子单元10-3、第二直线电机定子单元11-3、中间连接母排12、第二直线电机定子单元11-2、第一直线电机定子单元10-2、开关单元9-2、n段第二供电连接母排8、第二切换开关站4、第二牵引变电站2形成串联双端供电；当其中一端牵引变电站出现故障需要切除时，此时供电回路与图2类似，由故障端切换开关站的三相星形连接点与另一端牵引变电站形成单端供电。同理，当列车尾部离开第一直线电机定子单元10-2(或第二直线电机定子单元11-2)时，开关单元9-4导通，同时开关单元9-2断开，以确保列车前进方向至少有两段直线电机定子处于导电状态。
如图3所示，第一牵引变电站1和第二牵引变电站2结构相同均包括充电机101、蓄电池组102、牵引变流器模块103和耦合电感104。高速磁悬浮列车在几秒内所需能量高达几十兆焦，常规电网容量无法满足要求，因此采用储能元件蓄电池组102通过大倍率放电提供所需能量，实验前由电网通过充电机101逐渐将蓄电池组102充满备用。受限于单个电力电子器件容量限制以及降低成本考虑，牵引变流器模块103包括n个相同模块单元，每个模块单元的输入端均与蓄电池组102的输出端相连，n个模块单元的输出端与耦合电感104中n个耦合电感单元的输入端呈一一对应连接，n个耦合电感单元的输出端并联后形成总输出端，不仅可有效提高牵引变流器的输出容量，还能进一步提高等效开关频率，从而降低单个模块的开关损耗。
如图4所示牵引变流器模块103中的每个模块单元均包括直流支撑电容单元201、制动单元202、三相功率单元203。直流支撑电容单元201输入端与蓄电池组102的输出端相连；制动单元202位于直流支撑电容单元201和三相功率单元203之间，用于吸收制动过程中多余的回馈能量；三相功率单元203的输出端与对应的耦合电感单元的输入端相连，其拓扑结构采用三电平中点有源箝位，由3个三电平桥臂构成，其中每个桥臂由6个开关器件IGBT单元(含反并联二极管)组成，通过控制每个桥臂上开关器件的功率损耗分布从而控制其结温，在采用同样的开关器件时，能够比传统中点箝位拓扑输出更高的功率。
以上实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体过程，但本发明的保护范围不限于上述的实施例。

Claims (3)

1.一种适用于高速磁悬浮列车直线电机的牵引供电系统，其特征在于：牵引供电系统的每个供电区间包括第一牵引变电站、第二牵引变电站、第一切换开关站、第二切换开关站、n段第一供电连接母排、n段第二供电连接母排、分段开关、第一直线电机定子、第二直线电机定子及中间连接母排，分段开关中包括2n个开关单元，第一直线电机定子包括2n段第一直线电机定子单元，第二直线电机定子包括2n段第二直线电机定子单元；
所述第一牵引变电站的输出端通过第一切换开关站均与n段第一供电连接母排相连，第二牵引变电站的输出端通过第二切换开关站均与n段第二供电连接母排相连；n段第一供电连接母排分别与分段开关中的奇数开关单元相连，奇数开关单元与2n段第一直线电机定子中的奇数段第一直线电机定子单元相连；n段第二供电连接母排分别与分段开关中的偶数开关单元相连，偶数开关单元与2n段第一直线电机定子中的偶数段第一直线电机定子单元相连，2n段第一直线电机定子单元与第二直线电机定子中的2n段第二直线电机定子单元一一对应连接，2n段第二直线电机定子单元均与中间连接母排相连；
所述第一切换开关站内布置有第一三相星形连接点，所述第二切换开关站内布置有第二三相星形连接点。
2.根据权利要求1所述适用于高速磁悬浮列车直线电机的牵引供电系统，其特征在于：所述第一牵引变电站和第二牵引变电站结构相同均包括充电机、蓄电池组、牵引变流器模块和耦合电感，所述牵引变流器模块包括n个相同模块单元，每个模块单元的输入端均与蓄电池组的输出端相连，n个模块单元的输出端与耦合电感中n个耦合电感单元的输入端呈一一对应连接，n个耦合电感单元的输出端并联后形成总输出端。
3.根据权利要求2所述适用于高速磁悬浮列车直线电机的牵引供电系统，其特征在于：所述牵引变流器模块中的每个模块单元均包括直流支撑电容单元、制动单元、三相功率单元；直流支撑电容单元输入端与蓄电池组的输出端相连；制动单元位于直流支撑电容单元和三相功率单元之间；三相功率单元的输出端与对应的耦合电感单元的输入端相连，其拓扑结构采用三电平中点有源箝位，由三个三电平桥臂构成，其中每个桥臂由六个开关器件IGBT单元组成。
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