CN113119739B - 一种基于矩阵变换器的多流制牵引传动系统拓扑及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于矩阵变换器的多流制牵引传动系统拓扑及方法，利用电力电子电路和高频变压器实现电力机车牵引能量的传输。在交流牵引供电制式下，通过级联式矩阵变换器与牵引供电接触网相连进行降压和升频，再通过高频变压器进行电气隔离和电能耦合，输出绕组与整流器相连，整流器与电机驱动模块相连，其中的三相逆变器输出三相交流电驱动三相异步电机电机运行；在直流牵引供电制式下，高频变压器的输出绕组作为直流滤波电抗器使用，依次通过储能电容和电机驱动模块驱动电机运行。本发明通过设备复用以及替代工频牵引变压器，可有效降低系统体积、重量和成本，提升整体性能。

Description

一种基于矩阵变换器的多流制牵引传动系统拓扑及方法
技术领域
本发明涉及轨道交通牵引传动电能变换技术领域，特别涉及一种采用基于矩阵变换器的中高频电力电子变压器结构的多流制电力机车牵引传动系统拓扑及方法。
背景技术
电力机车的牵引传动系统经由电力传输线从牵引供电系统获取电能并驱动牵引电机，是确保电力机车正常运行的核心系统。在电气化轨道交通发展历程中，由于历史时期中的技术制约和地理空间制约，现今世界上存在多种制式的牵引供电系统。多流制电力机车采用电气设备集成化和复用技术，能够实现在多种供电制式下不停车切换，提升机车跨线运行效率。
目前多流制电力机车均采用工频牵引变压器实现电气隔离以及交流降压的功能，在直流供电制式下，变压器绕组作为变流器网侧的平波电抗器。然而频率较低的供电制式会导致牵引变压器的设计尺寸较大，尤其是频率为16.7Hz的供电制式下，这导致了牵引变压器过多侵占车载空间，增大列车自重，同时也影响了变流性能。
电力电子变压器采用电力电子技术和高频变压器技术，相较传统工频变压器拥有更加灵活的控制性能和更小的体积和重量，减少了矿物金属用量，提高了功率密度，从而进一步实现了电力机车牵引传动系统的功能集成。
目前我国干线铁路和城际铁路均采用25kV交流供电制式，地铁、轻轨等城市轨道交通采用1.5kV直流供电制式，随着我国经济发展和人民生活水平提高，不同轨道交通系统间的互联共通运行需求已经出现。此外，境外地区之间的跨国贸易往来以及轨道交通运营公司的不同地区之间，也存在大量需要跨线运行的场景，研制多流制电力机车牵引传动系统是将中国制造高端装备走向世界的有效途径。
矩阵变换器有能实现四象限运行，网侧功率因数可控，无需大容量储能单元和网侧电流谐波含量低等优点，与MMC和H桥级联相比，无需大容量子模块的电容储能单元，体积和质量减小，可靠性提高，成为高频变压器前级电路的理想选择。
发明内容
本发明提供一种基于矩阵变换器的多流制牵引传动系统拓扑及方法，实现电力机车不停车跨线运行，有效改善传统多流制牵引传动系统存在的不足之处，实现牵引传动系统更高的可靠性、可控性和功率密度。
为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于矩阵变换器的多流制牵引传动系统拓扑，包括受电弓(2)、交流输入电抗器(3)、直流滤波电抗器(4)、轮轨(5)、级联式矩阵变换器(7)、高频变压器(8)、整流器(9)、电机驱动模块(10)以及若干开关单元；
所述受电弓从牵引供电接触网(1)取电，通过开关单元S1与交流输入电抗器(3)的第一端连接，通过开关单元S2与直流滤波电抗器(4)的第一端连接；
所述级联式矩阵变换器(7)由x个矩阵变换器子模块(11)串联构成，每个矩阵变换器子模块由一个电容器和两个桥臂组并联组成桥式结构，每个桥臂组包含上下两个桥臂，每个桥臂由两个带有反并联二极管的全控型器件(13)同向串联而成；级联式矩阵变换器(7)的第一级子模块MTC1的上端与交流输入电抗器(3)的第二端连接，最后一级子模块MTCx的下端与轮轨连接；级联式矩阵变换器(7)的每个子模块均并联一个开关单元S3；
所述高频变压器(8)为x级输入绕组y级输出绕组的高频变压器，x级输入绕组与级联式矩阵变换器(7)的x个矩阵变换器子模块的输出一一对应连接，y级输出绕组串联且每相邻两级输出绕组之间均通过一个开关单元S8连接；所述高频变压器(8)的第一级输出绕组的上端与直流滤波电抗器(4)的第二端连接；
所述整流器(9)包括y个从属整流桥和储能电容(14)，其中从属整流桥由四个带有反并联二极管的全控型器件构成全桥结构；y个从属整流桥的输入端，通过y组开关单元组(15)与高频变压器(8)的y级输出绕组一一对应连接；每个从属整流桥的输出端与储能电容(14)并联；储能电容(14)的第一端通过开关单元S9与高频变压器(8)的最后一级输出绕组的下端连接，储能电容(14)的第二端通过开关单元S10与轮轨连接；每组开关单元组(15)包括三个开关单元S5、S6和S7，开关单元S6并联于输出绕组的两端，开关单元S5和开关单元S7将从属整流桥的两个输入端分别连接到输出绕组的两个输出端上；
所述电机驱动模块(10)包括三相逆变器(12)和三相牵引电机(6)；其中三相逆变器(12)的输入级并联储能电容(14)，输出端与三相牵引电机(6)相连。
在更优的技术方案中，所述带有反并联二极管的全控型器件，可以为IGBT、MOSFET或IGCT。
在更优的技术方案中，所述带有反并联二极管的全控型器件，材料可以为SiC或GaN。
在更优的技术方案中，所述高频变压器的铁芯材料可选用铁氧体、纳米晶或非晶材料。
在更优的技术方案中，所述轮轨通过开关单元S4与最后一级子模块MTCx的下端以及开关单元S10连接。
在更优的技术方案中，任意所述开关单元为断路器、隔离开关、接触器、手动开关或自动开关。
一种基于矩阵变换器的多流制牵引传动方法，采用上述任一技术方案所述的多流制牵引传动系统拓扑，通过改变不同开关单元的开关状态来适应不同的供电制式；
当电力机车运行在交流制式牵引供电接触网时，开关单元S1、开关单元S4、开关单元S5、开关单元S7保持闭合，开关单元S3的开关状态根据供电制式的电压等级确定，其他开关单元的开关状态为关断；
当电力机车运行在直流制式牵引供电接触网时，开关单元S2、开关单元S8、开关单元S9、开关单元S10保持闭合，开关单元S6的开关状态根据直流滤波电感(4)需求确定，其他开关单元的开关状态为关断。
在更优的技术方案中，当电力机车运行在交流制式牵引供电接触网时，当有矩阵变换器子模块发生故障时，闭合相应的开关单元S3，以将故障的矩阵变换器子模块短路。
有益效果
本发明提供了一种基于矩阵变换器的多流制牵引传动系统拓扑及方法，利用电力电子电路和高频变压器实现电力机车牵引能量的传输，实现电力机车不停车跨线运行。在交流牵引供电制式下，通过级联式矩阵变换器与牵引供电接触网相连进行降压和升频，再通过高频变压器进行电气隔离和电能耦合，输出绕组与整流器相连，整流器与电机驱动模块相连，其中的三相逆变器输出三相交流电驱动三相异步电机电机运行；在直流牵引供电制式下，高频变压器的输出绕组作为直流滤波电抗器使用，依次通过储能电容和电机驱动模块驱动电机运行。
因此，本发明技术方案利用设备复用技术，用一套牵引传动系统实现了机车在不同供电制式的供电网络下运行，降低了电气装备的重量体积和制造成本，将传统的牵引变压器替换为高频变压器，进一步缩小了所述牵引传动系统的体积和重量，并有效改善传统多流制牵引传动系统存在的不足之处，实现牵引传动系统更高的可靠性、可控性和功率密度。
附图说明
图1是本发明实施例所述多流制牵引传动系统拓扑图；
标号说明：1-牵引供电接触网、2-受电弓、3-交流输入电抗器、4-直流滤波电抗器、5-轮轨、6-三相牵引电机、7-级联式矩阵变换器、8-高频变压器、9-整流器、10-电机驱动模块、11-矩阵变换器子模块、12-三相逆变器、13-带有反并联二极管的全控型器件、14-储能电容、15-开关单元组。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明的技术方案为依据开展，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，对本发明的技术方案作进一步解释说明。
实施例1
本实施例提供一种基于矩阵变换器的多流制牵引传动系统拓扑，包括受电弓2、交流输入电抗器3、直流滤波电抗器4、轮轨5、级联式矩阵变换器7、高频变压器8、整流器9、电机驱动模块10以及若干开关单元；
所述受电弓从牵引供电接触网1取电，通过开关单元S1与交流输入电抗器3的第一端连接，通过开关单元S2与直流滤波电抗器4的第一端连接；
所述级联式矩阵变换器7由x个矩阵变换器子模块11串联构成，每个矩阵变换器子模块由一个电容器和两个桥臂组并联组成桥式结构，每个桥臂组包含上下两个桥臂，每个桥臂由两个带有反并联二极管的全控型器件13同向串联而成；级联式矩阵变换器7的第一级子模块MTC1的上端与交流输入电抗器3的第二端连接，最后一级子模块MTCx的下端与轮轨连接；级联式矩阵变换器7的每个子模块均并联一个开关单元S3；所述带有反并联二极管的全控型器件，可以为IGBT、MOSFET或IGCT，器件材料可以为SiC或GaN。
所述高频变压器8为x级输入绕组y级输出绕组的高频变压器，x级输入绕组与级联式矩阵变换器7的x个矩阵变换器子模块的输出一一对应连接，y级输出绕组串联且每相邻两级输出绕组之间均通过一个开关单元S8连接；所述高频变压器8的第一级输出绕组的上端与直流滤波电抗器4的第二端连接；高频变压器的铁芯材料可选用铁氧体、纳米晶或非晶材料。
所述整流器9包括y个从属整流桥和储能电容14，其中从属整流桥由四个带有反并联二极管的全控型器件构成全桥结构；y个从属整流桥的输入端，通过y组开关单元组15与高频变压器8的y级输出绕组一一对应连接；每个从属整流桥的输出端与储能电容14并联；储能电容14的第一端通过开关单元S9与高频变压器8的最后一级输出绕组的下端连接，储能电容14的第二端通过开关单元S10与轮轨连接；每组开关单元组15包括三个开关单元S5、S6和S7，开关单元S6并联于输出绕组的两端，开关单元S5和开关单元S7将从属整流桥的两个输入端分别连接到输出绕组的两个输出端上；所述带有反并联二极管的全控型器件，可以为IGBT、MOSFET或IGCT，器件材料可以为SiC或GaN。
所述电机驱动模块10包括三相逆变器12和三相牵引电机6；其中三相逆变器12的输入级并联储能电容14，输出端与三相牵引电机6相连。
所述y级从属整流桥和y级输出绕组的y值，视电力机车型号、容量和牵引动力分布形式确定，本实施例以及附图1均以y为2举例。
所述轮轨通过开关单元S4与其他元件连接，即通过开关单元S4与最后一级子模块MTCx的下端以及开关单元S10连接。
更具体地，任意所述开关单元可选为断路器、隔离开关、接触器、手动开关或自动开关。
实施例2
本实施例提供一种基于矩阵变换器的多流制牵引传动方法，采用实施例1所述的基于矩阵变换器的多流制牵引传动系统拓扑，通过改变不同开关单元的开关状态来适应不同的供电制式；
(1)当电力机车运行在交流制式牵引供电接触网时，开关单元S1、开关单元S4、开关单元S5、开关单元S7保持闭合，开关单元S3的开关状态根据供电制式的电压等级确定，其他开关单元的开关状态为关断。
当电力机车运行在交流制式牵引供电接触网时，牵引供电接触网的供电系统频率高压交流电，通过级联式矩阵变换器7转换为高频且相对低压的交流电，并通过高频变压器8的输入端绕组耦合到两级输出绕组，输送到整流器9的各级从属整流桥，从属整流桥输出侧交错并联一个储能电容14，并与电机驱动模块10中的三相逆变器12相连，三相逆变器12对直流电进行逆变并驱动三相牵引电10机，带动电力机车运行。
当电力机车运行在交流制式牵引供电接触网时，通过改变开关单元S3的通断数量来适应不同的电压等级，电压等级越高，投入的矩阵变换器子模块就越多，调节开关单元S3为开路的越多。
当电力机车运行在交流制式牵引供电接触网时，当有任意的矩阵变换器子模块发生故障时，可以通过闭合相应的开关单元S3将其短路，保障列车运行安全。
(2)当电力机车运行在直流制式牵引供电接触网时，开关单元S2、开关单元S8、开关单元S9、开关单元S10保持闭合，开关单元S6的开关状态根据直流滤波电感4需求确定，其他开关单元的开关状态为关断。
当电力机车运行在直流制式牵引供电接触网时，通过改变开关单元S6的开通和关断数量来获得所需的直流滤波电感量，所需电感值越高，接入的输出绕组数量越多，即关断的开关单元S6越多。
上述的多种牵引供电接触网的供电制式包括：交流25kV/50Hz、25kV/60Hz、20kV/50Hz、20kV/60Hz、15kV/16.7Hz、12.5kV/60Hz、12kV/25Hz等；直流3kV和1.5kV等。
本发明提供一种基于矩阵变换器的多流制牵引传动系统拓扑及方法，为电力机车的跨供电制式运行提供技术方案，并有效克服传统的多流制牵引传动系统的上述不足，获得更高的功率密度，更高的整体效率以及更灵活的能量控制。
以上实施例为本申请的优选实施例，本领域的普通技术人员还可以在此基础上进行各种变换或改进，在不脱离本申请总的构思的前提下，这些变换或改进都应当属于本申请要求保护的范围之内。

Claims (8)

1.一种基于矩阵变换器的多流制牵引传动系统拓扑，其特征在于，包括受电弓(2)、交流输入电抗器(3)、直流滤波电抗器(4)、轮轨(5)、级联式矩阵变换器(7)、高频变压器(8)、整流器(9)、电机驱动模块(10)以及若干开关单元；
所述受电弓从牵引供电接触网(1)取电，通过开关单元S1与交流输入电抗器(3)的第一端连接，通过开关单元S2与直流滤波电抗器(4)的第一端连接；
所述级联式矩阵变换器(7)由x个矩阵变换器子模块(11)串联构成，每个矩阵变换器子模块由一个电容器和两个桥臂组并联组成桥式结构，每个桥臂组包含上下两个桥臂，每个桥臂由两个带有反并联二极管的全控型器件(13)同向串联而成；级联式矩阵变换器(7)的第一级子模块MTC1的上端与交流输入电抗器(3)的第二端连接，最后一级子模块MTCx的下端与轮轨连接；级联式矩阵变换器(7)的每个子模块均并联一个开关单元S3；
所述高频变压器(8)为x级输入绕组y级输出绕组的高频变压器，x级输入绕组与级联式矩阵变换器(7)的x个矩阵变换器子模块的输出一一对应连接，y级输出绕组串联且每相邻两级输出绕组之间均通过一个开关单元S8连接；所述高频变压器(8)的第一级输出绕组的上端与直流滤波电抗器(4)的第二端连接；
所述整流器(9)包括y个从属整流桥和储能电容(14)，其中从属整流桥由四个带有反并联二极管的全控型器件构成全桥结构；y个从属整流桥的输入端，通过y组开关单元组(15)与高频变压器(8)的y级输出绕组一一对应连接；每个从属整流桥的输出端与储能电容(14)并联；储能电容(14)的第一端通过开关单元S9与高频变压器(8)的最后一级输出绕组的下端连接，储能电容(14)的第二端通过开关单元S10与轮轨连接；每组开关单元组(15)包括三个开关单元S5、S6和S7，开关单元S6并联于输出绕组的两端，开关单元S5和开关单元S7将从属整流桥的两个输入端分别连接到输出绕组的两个输出端上；
所述电机驱动模块(10)包括三相逆变器(12)和三相牵引电机(6)；其中三相逆变器(12)的输入级并联储能电容(14)，输出端与三相牵引电机(6)相连。
2.根据权利要求1所述的基于矩阵变换器的多流制牵引传动系统拓扑，其特征在于，所述带有反并联二极管的全控型器件，为IGBT、MOSFET或IGCT。
3.根据权利要求1所述的基于矩阵变换器的多流制牵引传动系统拓扑，其特征在于，所述带有反并联二极管的全控型器件，材料为SiC或GaN。
4.根据权利要求1所述的基于矩阵变换器的多流制牵引传动系统拓扑，其特征在于，所述高频变压器的铁芯材料选用铁氧体、纳米晶或非晶材料。
5.根据权利要求1所述的基于矩阵变换器的多流制牵引传动系统拓扑，其特征在于，所述轮轨通过开关单元S4与最后一级子模块MTCx的下端以及开关单元S10连接。
6.根据权利要求1所述的基于矩阵变换器的多流制牵引传动系统拓扑，其特征在于，任意所述开关单元为断路器、隔离开关、接触器、手动开关或自动开关。
7.一种基于矩阵变换器的多流制牵引传动方法，其特征在于，采用权利要求1-6任一所述的多流制牵引传动系统拓扑，通过改变不同开关单元的开关状态来适应不同的供电制式；
当电力机车运行在交流制式牵引供电接触网时，开关单元S1、开关单元S4、开关单元S5、开关单元S7保持闭合，开关单元S3的开关状态根据供电制式的电压等级确定，其他开关单元的开关状态为关断；
当电力机车运行在直流制式牵引供电接触网时，开关单元S2、开关单元S8、开关单元S9、开关单元S10保持闭合，开关单元S6的开关状态根据直流滤波电感(4)需求确定，其他开关单元的开关状态为关断。
8.根据权利要求7所述的基于矩阵变换器的多流制牵引传动方法，其特征在于，当电力机车运行在交流制式牵引供电接触网时，当有矩阵变换器子模块发生故障时，闭合相应的开关单元S3，以将故障的矩阵变换器子模块短路。
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