CN113708652A - 谐波发电变流器和车载供电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电力电子技术领域，公开了一种谐波发电变流器和车载供电系统。该谐波发电变流器包括：谐波发电机、三相四桥臂变流器、电容和储能单元，谐波发电机包括U相集电线圈、V相集电线圈和W相集电线圈，三相四桥臂变流器包括并联的变流器U相桥臂、变流器V相桥臂、变流器W相桥臂和变流器N相桥臂，变流器U相桥臂与U相集电线圈连接，变流器V相桥臂与V相集电线圈连接，变流器W相桥臂与W相集电线圈连接，变流器N相桥臂与谐波发电机的中性点连接，电容和储能单元并联在三相四桥臂变流器的输出侧，变流器U相桥臂、变流器V相桥臂、变流器W相桥臂和变流器N相桥臂均包括电力电子器件和与电力电子器件反向并联的二极管。

Description

谐波发电变流器和车载供电系统
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种谐波发电变流器和车载供电系统。
背景技术
随着社会的发展，对铁道交通的运行速度的要求也越来越大，对现有接触式供电(接触网+受电弓)提出了更高的要求。与此同时，随着非接触式传能技术的发展，轨道交通车载非接触式发电技术也越来越多的受到各国研究人员的重视。而适合轨道交通车载供电需求的以电磁感应式传能方式居多，而这种方式获得的电能并不能直接被车载各用电设备所使用，因此需要使用变流器对产生的交流电整流成稳定的直流电，为车载供电系统提供能量。
然而，现有的谐波发电技术，通过对谐波发电机的设计，使其产生的反电势三相较为平衡，而磁悬浮设计非接触发电设备时，由于可能存在的各个方面的限制，其产生的三相反电势的三相不平衡度较高，无法使用普通三相变流器进行整流。
发明内容
本发明提供了一种谐波发电变流器和车载供电系统，能够解决上述现有技术中的问题。
本发明提供了一种谐波发电变流器，其中，该谐波发电变流器包括：谐波发电机、三相四桥臂变流器、电容和储能单元，所述谐波发电机包括U相集电线圈、V相集电线圈和W相集电线圈，所述三相四桥臂变流器包括并联的变流器U相桥臂、变流器V相桥臂、变流器W相桥臂和变流器N相桥臂，所述变流器U相桥臂与所述U相集电线圈连接，所述变流器V相桥臂与所述V相集电线圈连接，所述变流器W相桥臂与所述W相集电线圈连接，所述变流器N相桥臂与所述谐波发电机的中性点连接且二者之间的连接线形成中性线，所述电容和所述储能单元并联在所述三相四桥臂变流器的输出侧，所述变流器U相桥臂、所述变流器V相桥臂、所述变流器W相桥臂和所述变流器N相桥臂均包括电力电子器件和与所述电力电子器件反向并联的二极管。
优选地，所述谐波发电机各相集电线圈采用星接方式。
优选地，所述电力电子器件为绝缘栅门极晶体管IGBT或金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET。
优选地，所述MOSFET为SiC-MOSFET。
优选地，所述谐波发电变流器还包括电流采样器，设置在所述谐波发电机和所述三相四桥臂变流器之间，用于对所述谐波发电机的各相集电线圈的电流进行采集。
优选地，所述储能单元为蓄电池组。
本发明还提供了一种车载供电系统，其中，该系统包括上述的谐波发电变流器。
通过上述技术方案，三相四桥臂变流器的直流输出侧经过电容、储能单元与车载用电负载相连，为车载用电设备(例如，磁悬浮列车用电设备)供电；可以通过三相四桥臂电路的N相桥臂与谐波发电机中性点相连接，为三相不平衡电流和三相零序电流提供电流通路，从而解决三相不平衡问题；同时可以为三相集电线圈零序阻尼控制提供电流通路，即过零序电流控制，向谐波发电机的三相集电线圈中注入零序电流，进而实现例如磁悬浮列车(例如，磁悬浮列车采用本发明的谐波发电变流器进行供电的情况下)磁阻尼控制。
附图说明
所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了根据本发明一种实施例的一种谐波发电变流器的原理图；
图2示出了根据本发明一种实施例的一种谐波发电变流器的U相等效图；
图3示出了根据本发明一种实施例的一种谐波发电变流器三相不平衡下仿真示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
图1示出了根据本发明一种实施例的一种谐波发电变流器的原理图。
如图1所示，本发明实施例提供了一种谐波发电变流器，其中，该谐波发电变流器包括：谐波发电机1、三相四桥臂变流器(也可以称为三相四桥臂整流器)、电容7和储能单元8，所述谐波发电机1包括U相集电线圈、V相集电线圈和W相集电线圈，所述三相四桥臂变流器包括并联的变流器U相桥臂3、变流器V相桥臂4、变流器W相桥臂5和变流器N相桥臂6，所述变流器U相桥臂3与所述U相集电线圈连接，所述变流器V相桥臂4与所述V相集电线圈连接，所述变流器W相桥臂5与所述W相集电线圈连接，所述变流器N相桥臂6与所述谐波发电机1的中性点连接且二者之间的连接线形成中性线10，所述电容7和所述储能单元8并联在所述三相四桥臂变流器的输出侧，所述变流器U相桥臂3、所述变流器V相桥臂4、所述变流器W相桥臂5和所述变流器N相桥臂6均包括电力电子器件2和与所述电力电子器件2反向并联的二极管。
举例来讲，每相桥臂可以包括两个电力电子器件2和两个二极管，每个电力电子器件2反向并联一个二极管。
通过上述技术方案，三相四桥臂变流器的直流输出侧经过电容、储能单元与车载用电负载相连，为车载用电设备供电；可以通过三相四桥臂电路的N相桥臂与谐波发电机中性点相连接，为三相不平衡电流和三相零序电流提供电流通路，从而解决三相不平衡问题；同时可以为三相集电线圈零序阻尼控制提供电流通路，即过零序电流控制，向谐波发电机的三相集电线圈中注入零序电流，进而实现例如磁悬浮列车(例如，磁悬浮列车采用本发明的谐波发电变流器进行供电的情况下)磁阻尼控制。
也就是，可以采用三相四桥臂式变流器对谐波发电机产生的电能进行整流，通过变流器将谐波发电机产生的频率、幅值随车速变化而变化的交流电整流成直流电为车载用电负载(与储能单元并联)9供电。
根据本发明一种实施例，所述谐波发电机1各相集电线圈采用星接方式。
根据本发明一种实施例，所述电力电子器件2为绝缘栅门极晶体管IGBT或金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET。
根据本发明一种实施例，所述MOSFET为SiC-MOSFET(碳化硅MOSFET)。
本领域技术人员应当理解，上述关于电力电子器件2的描述仅仅是示例性的，并非用于限定本发明。
图2示出了根据本发明一种实施例的一种谐波发电变流器的U相等效图。
图2为磁悬浮列车谐波发电机变流器U相等效电路图。如图2所示，谐波发电机U相集电线圈等效为理想电压源、电阻和电感构成的电路。其中集电线圈反电势等效为理想电压源E0，线圈自感等效为电感Ls，线圈电阻等效为电阻Rs，根据最大功率传输定律，当PWM变流器与集电线圈内阻抗共轭时，可以获得最大功率。因此高功率因数运行时，PWM变流器可以等效为电容C与电阻Rc串联的电路，电容C满足公式，电阻Rc决定输出功率的大小。
根据本发明一种实施例，所述谐波发电变流器还包括电流采样器11，设置在所述谐波发电机1和所述三相四桥臂变流器之间，用于对所述谐波发电机1的各相集电线圈的电流进行采集。
举例来讲，可以在所述变流器U相桥臂3与所述U相集电线圈之间设置一个电流采样器11用于采集U相集电线圈的电流，可以在所述变流器V相桥臂4与所述V相集电线圈之间设置一个电流采样器11用于采集V相集电线圈的电流，以及可以在所述变流器W相桥臂5与所述W相集电线圈之间设置一个电流采样器11用于采集W相集电线圈的电流。
继续参考图2，电流采样器11采集的电流可以作为控制量参与控制，基于该控制量和相应的控制算法可以得出满足高功率因数和输出功率要求时所需输出电压Uc，以Uc作为调制波与载波(三角波)进行比较可以得到PWM波，通过PWM波控制电力电子器件的导通和关断，从而控制三相四桥臂变流器交流侧输出电压，因此三相四桥臂变流器的U相、V相、W相分别相当于可控三相交流电源。也就是，通过相应的控制算法可以实现交流侧高功率因数和满足直流侧输出功率要求。
其中，相应的控制算法可以采用现有技术中已有的算法，本发明在此不再赘述。
图3示出了根据本发明一种实施例的一种谐波发电变流器三相不平衡下仿真示意图。
如图3所示，通过相应的控制算法，三相四桥臂变流器流过的电流与谐波发电机U相、V相、W相反电势相位基本相同。同时通过引入第四桥臂的N相，为反电势三相不平衡带来的不平衡电流提供通路，使变流器可以在三相不平衡下完成谐波发电机的高内功率因数控制，提高磁悬浮列车非接触供电的效率。
根据本发明一种实施例，所述储能单元8可以为蓄电池组。
本发明还提供了一种车载供电系统，其中，该系统包括上述实施例中所述的谐波发电变流器。
通过在磁悬浮列车上使用本发明所述的车载供电系统，可以为磁悬浮列车的车载用电设备供电；并且，可以为三相不平衡电流和三相零序电流提供电流通路，从而解决三相不平衡问题；同时可以为三相集电线圈零序阻尼控制提供电流通路，进而实现磁悬浮列车磁阻尼控制。
在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (7)

1.一种谐波发电变流器，其特征在于，该谐波发电变流器包括：谐波发电机(1)、三相四桥臂变流器、电容(7)和储能单元(8)，所述谐波发电机(1)包括U相集电线圈、V相集电线圈和W相集电线圈，所述三相四桥臂变流器包括并联的变流器U相桥臂(3)、变流器V相桥臂(4)、变流器W相桥臂(5)和变流器N相桥臂(6)，所述变流器U相桥臂(3)与所述U相集电线圈连接，所述变流器V相桥臂(4)与所述V相集电线圈连接，所述变流器W相桥臂(5)与所述W相集电线圈连接，所述变流器N相桥臂(6)与所述谐波发电机(1)的中性点连接且二者之间的连接线形成中性线(10)，所述电容(7)和所述储能单元(8)并联在所述三相四桥臂变流器的输出侧，所述变流器U相桥臂(3)、所述变流器V相桥臂(4)、所述变流器W相桥臂(5)和所述变流器N相桥臂(6)均包括电力电子器件(2)和与所述电力电子器件(2)反向并联的二极管。
2.根据权利要求1所述的谐波发电变流器，其特征在于，所述谐波发电机(1)各相集电线圈采用星接方式。
3.根据权利要求2所述的谐波发电变流器，其特征在于，所述电力电子器件(2)为绝缘栅门极晶体管IGBT或金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET。
4.根据权利要求3所述的谐波发电变流器，其特征在于，所述MOSFET为SiC-MOSFET。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的谐波发电变流器，其特征在于，所述谐波发电变流器还包括电流采样器(11)，设置在所述谐波发电机(1)和所述三相四桥臂变流器之间，用于对所述谐波发电机(1)的各相集电线圈的电流进行采集。
6.根据权利要求1-4中任一项所述的谐波发电变流器，其特征在于，所述储能单元(8)为蓄电池组。
7.一种车载供电系统，其特征在于，该系统包括上述权利要求1-6中任一项所述的谐波发电变流器。
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