CN114123822B - 一种用于多流制机车的可复用网侧变流器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于多流制机车的可复用网侧变流器，包括多绕组变压器、n个全桥变流器一、n个全桥变流器二和2n个开关S3；多绕组变压器包括2n个高压侧绕组和2n个低压侧绕组；在交流供电时，可复用网侧变流器作为四象限脉冲整流器；在直流供电时，可复用网侧变流器复用作为多重化并联的斩波电路，且复用牵引变压器的次级绕组作为斩波电感。本发明的可复用网侧变流器，相较传统的交流供电制式机车的网侧变流器仅仅增加了两个开关单元，且结构简单，模式切换方便，既节约了列车上有限的空间，也降低了生产成本。
Description
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，特别是指一种用于多流制机车的可复用网侧变流器。
背景技术
电气化轨道交通的牵引供电制式为了适应不同的环境和满足不同的需求主要分为交流25kV/50Hz、15kV/16.7Hz和直流3kV、1.5kV。
其中交流供电制式可提供较大的功率，因此适用于干线铁路(高速铁路)和城际铁路等站间距离远、运输量大且运行速度快的场景；而直流供电制式绝缘要求较低、线路损耗小，因此在城市轨道交通中应用较多。
不同供电制式的轨道运输系统大多独立运行，跨供电制式的运输线路只能通过换乘站连接。于是在一些特殊场景，例如国家或城市群之间快速通行、城市内与城郊快速通行、工厂与矿区快速通行等，对能够以单列车在多种供电制式线路上连续运行的多流制电力机车提出了需求。
目前，对于多流制电力机车，在直流供电的情况下主要有两种拓扑方案。一种是将直流电网通过直流平波电抗器直接接入列车的中间直流环节；另一种是使用网侧变流器实现电网直流电压与列车中间直流环节电压的匹配。对于前者，限制了列车可以接入的电网电压的范围，而且逆变器和牵引电机系统容易受到电网电压波动的影响；对于后者，虽然已有很多现存的方案，但是设计结构比较复杂，且交流、直流供电模式下电气元件的复用程度不高。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种用于多流制机车的可复用网侧变流器，电气元件复用程度高，既节约列车上有限的空间，还能降低生产成本。
为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：
一种用于多流制机车的可复用网侧变流器，包括多绕组变压器、n个全桥变流器一、n个全桥变流器二和2n个开关S3，所述多绕组变压器包括2n个高压侧绕组和2n个低压侧绕组；
所述多绕组变压器的每个高压侧绕组的同名端和另一端，分别作为可复用网侧变流器的第一交流接入端和第二交流接入端；
所述多绕组变压器的第2i-1个低压侧绕组的同名端和另一端，分别出线连接到第i个全桥变流器一的第一桥臂中点和第二桥臂中点；i＝1,2,…,n；
所述多绕组变压器的第2i个低压侧绕组的同名端和另一端，分别出线连接到第i个全桥变流器二的第二桥臂中点和第一桥臂中点；i＝1,2,…,n；
所述全桥变流器一的两个桥臂正极点之间，以及全桥变流器二的两个桥臂正极点之间，均设置开关S3；
所述全桥变流器一的第一桥臂正极点和全桥变流器二的第一桥臂正极点，相互连接一起作为可复用网侧变流器的直流接入端正极；
所述全桥变流器一的第一桥臂负极点和全桥变流器二的第一桥臂负极点，相互连接一起作为可复用网侧变流器的直流接入端负极，用于连接到轮轨；
所述全桥变流器一的第二桥臂正极点和全桥变流器二的第二桥臂正极点，相互连接一起作为可复用网侧变流器的输出端正极；
所述全桥变流器一的第二桥臂负极点和全桥变流器二的第二桥臂负极点，相互连接一起作为可复用网侧变流器的输出端负极，用于连接到轮轨。
进一步地，每个低压侧绕组包括多个中间抽头，用于适配不同电压等级的交流供电网。
进一步地，每个全桥变流器均包括四个带有反并联二极管的全控型器件。
进一步地，所述全控型器件为MOSFET、IGBT或IGCT。
进一步地，所述开关S3的类型为断路器或接触器。
进一步地，当通过直流接入端接入直流供电网、且电网直流电压仅在列车中间直流环节的直流电压之下或之上范围时，开关S3关断，所述可复用网侧变流器作为n套两路配合并联的Boost或Buck斩波器；当通过直流接入端接入直流供电网、且电网直流电压在列车中间直流环节的直流电压上下范围波动时，开关S3关断，所述可复用网侧变流器作为n套两路配合并联的四开关Buck-Boost斩波器；当通过交流接入端接入交流供电网时，开关S3闭合，所述可复用网侧变流器作为2n路四象限脉冲整流器。
进一步地，n可取整数1、2、3，具体取值根据接入的电网电压等级和列车负载功率进行确定。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明以交流供电制式的牵引传统系统拓扑为基础，并基于设备复用的思想，在直流供电制式下复用交流供电制式中的四象限变流器构成多重化并联的直流斩波器，并复用多绕组变压器的低压侧绕组作为斩波电感，较传统的交流供电制式机车仅仅增加了两个开关单元，且结构简单，模式切换方便，既节约了列车上有限的空间，也降低了生产成本。
2、本发明因复用程度高、结构改动小，可以对现有交流供电制式的电力机车进行改造，改造为多流制机车。而且，无论在哪种交流或直流供电制式下，供电网电压均可通过本发明提供的可复用网侧变流器变换为牵引逆变器直流侧的稳定电压，稳定电力机车中间直流环节电压，为列车牵引电机和列车辅助设备提供最优供电条件，并满足多流制电力机车跨国、跨区域和跨供电制式的需求。
附图说明
图1是本发明实施例的整体结构与接线方案示意图；
图2是本发明实施例在交流供电下的结构与接线方案示意图；
图3是本发明实施例在直流供电下的结构与接线方案示意图；
图4是本发明实施例在直流供电下的应用变压器T型等效模型后得到的等效电路图；
图5是本发明实施例在直流供电下的控制总框图；
图6是本发明实施例在直流供电下的解耦等效电路图。
附图标记：1-交流受电弓、2-直流受电弓、3-四绕组变压器、4-轮轨、5-全桥变流器一、6-全桥变流器二、7-直流环节滤波电容、8-牵引逆变器、9-牵引电机。
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。
本发明提供的用于多流制机车的可复用网侧变流器，包括多绕组变压器、n个全桥变流器一(5)、n个全桥变流器二(6)和2n个开关S3，所述多绕组变压器包括2n个高压侧绕组和2n个低压侧绕组；n可取整数1、2、3，具体取值可根据实际接入的电网电压等级和列车负载功率情况来具体确定。本实施例取n＝1为例，牵引供电制式取交流25kV/50Hz、15kV/16.7Hz和直流3kV、1.5kV，多流制机车牵引传动系统的中间直流环节电压取2800V作为参考值。
本实施例将本发明提供的用于多流制机车的可复用网侧变流器置于一个较完整的多流制机车牵引系统中，如图1所示，该多流制机车牵引系统包括交流受电弓(1)、直流受电弓(2)、四绕组变压器(3)、交流主断路器S1、直流主断路器S2、直流主断路器S4、2个断路器S3、轮轨(4)、1个全桥变流器一(5)、1个全桥变流器二(6)、直流环节滤波电容(7)、牵引逆变器(8)、牵引电机(9)以及交直流供电网。
其中，四绕组变压器(3)、全桥变流器一(5)、全桥变流器二(6)、2个断路器S3以及它们之间的连线方式，构成了本发明所述的可复用网侧变流器，通过交流接入端、直流接入端、输出端与系统中其他元器件连接。
四绕组变压器(3)的两个高压侧绕组的同名端，出线连接在一起作为可复用网侧变压器的第一交流接入端，该第一交流接入端通过交流主断路器S1与交流受电弓(1)相连，进而接入交流供电网；四绕组变压器(3)的两个高压侧绕组的另一端，与轮轨(4)相连。
四绕组变压器(3)的两个低压侧绕组含有中间抽头，可根据高压侧输入交流电压大小选择25kV或15kV抽头。
四绕组变压器(3)的第1个低压侧绕组的同名端和另一端，分别出线连接到全桥变流器一(5)的第一桥臂中点和第二桥臂中点。本实施例中，将远离变流器输出端的桥臂视为第一桥臂，将靠近变流器输出端的桥臂视为第二桥臂。
四绕组变压器(3)的第2个低压侧绕组的同名端和另一端，分别出线连接到全桥变流器二(6)的第二桥臂中点和第一桥臂中点。
两个低压侧绕组的桥臂中点接线方式方向相反，其目的是，在直流供电模式下，流过四绕组变压器(3)的两组低压侧绕组的电流方向从同名端来看是相反的，以使得四绕组变压器(3)的两组低压侧绕组产生的激磁磁动势相反而相互抵消，进而保证全桥变流器一(5)、全桥变流器二(6)在以直流斩波模式工作时，其等效斩波电感值在四绕组变压器(3)的绕组漏感数量级附近而满足斩波电路需求。
两个断路器S3分别设置于：全桥变流器一(5)的两个桥臂正极点之间，以及全桥变流器二(6)的两个桥臂正极点之间。
全桥变流器一(5)的第一桥臂正极点和全桥变流器二(6)的第一桥臂正极点，相互连接一起作为可复用网侧变流器的直流接入端正极，即可通过断路器S2连接到直流供电网。
全桥变流器一(5)的第二桥臂正极点和全桥变流器二(6)的第二桥臂正极点，相互连接一起作为可复用网侧变流器的输出端正极，然后与列车中间直流环节正极连接在一起。
全桥变流器一(5)的两个桥臂负极点和全桥变流器二(6)的两个桥臂负极点，全部连接在一起，作为可复用网侧变流器的共地端(可视为直流接入端负极和输出端负极)，一方面与列车中间直流环节负极连接，另一方面通过断路器S4连接到轮轨(4)。
本实施例中的全桥变流器一(5)和全桥变流器二(6)，均采用包括四个带有反并联二极管的全控型器件，全控型器件类型选为IGBT。在其他实施例中，全控型器件还可选用IGBT或IGCT等，所有开关还可选用除断路器以外的其他开关类型，如接触器等。当交流供电网接入时，控制交流主断路器S1和2个断路器S3处于闭合状态(其余关断)，所述可复用网侧变流器作为2路并联的四象限脉冲整流器运作，具体如图2所示。此情况下，可采用瞬态直接电流控制，将交流供电网的输入交流电整流为稳定的直流2800V输出。
当直流供电网电压为1500V或3000V时，控制断路器S2、S4处于闭合状态(其余关断)，所述可复用网侧变流器作为1套两路配合并联的Boost或Buck斩波器运作，具体如图3所示。图3中，四绕组变压器(3)的两低压侧绕组，在上下两斩波电路中构成一个电压变比接近1：1的变压器，应用变压器的T型等效模型可以得到如图4所示的等效电路。
图4中，R1和X1是四绕组变压器(3)连接在全桥变流器一(5)上的低压侧绕组的线路电阻和漏电抗，并令Z1＝R1+X1作为此低压侧绕组的漏阻抗；R2和X2是四绕组变压器(3)连接在全桥变流器二(6)上的低压侧绕组的线路电阻和漏电抗，并令Z2＝R2+X2作为此低压侧绕组的漏阻抗；Rm和Xm是四绕组变压器(3)归算到低压侧的激磁电阻与电抗，并令Zm＝Rm+Xm作为激磁阻抗；I12和I34分别是两低压侧绕组上流过的电流，并令节点①与节点②间的电压为U12，节点③与节点④间的电压为U34；虚线框中的是四绕组变压器(3)的两低压侧绕组构成的变压器的等效模型中的理想变压器，U1与U2分别是此理想变压器两侧的电压，I1和I2分别是此理想变压器两侧的电流，并令k＝U1/U2作为此理想电压器的电压变比，且有k≈1。
在此结构中，上下两斩波电路存在耦合且结构较为复杂，因此需要通过控制的设计消除上下斩波电路耦合带来的影响。
本实施例采用电压外环和电流内环的双闭环控制方式。为了获得与普通的两相并联斩波电路一样的控制性能，本实施例采用“上下两路斩波电路共用一个电流内环PI控制器”的方式，以实现上下两路斩波电路的解耦。电压外环PI控制器输出作为共用的电流内环PI控制器的参考信号；电流内环PI控制器输出则作为调制信号，通过与载波比较获得PWM控制信号。控制总框图如图5所示。
图5中，Uo*表示给定的所述变流器的输出直流电压，此实施例中应等于2800V；Uo是测得实际的所述变流器的输出直流电压；I12和I34是测得的实际的四绕组变压器(3)的两低压侧绕组的电流。
在此控制方式下，上下两路斩波电路的PWM控制信号的将会一致，加之上下两路斩波电路在电路结构中并联，上下两路的桥臂电压U12与U34的波形在时域上将会完全相同，即有：
U12(t)＝U34(t)；
采用复频域分析法，上式经拉式变换，得到：
U12(s)＝U34(s)；
考虑到激磁阻抗一般比漏阻抗大4～6个数量级，可以认为激磁阻抗支路为开路，以简化问题。于是可列写出复频域下简化后的桥臂电路的电路方程：
结合以上公式得到：
考虑到变压器次级绕组中的线路电阻很小，可以忽略，此时有：
此公式表明，忽略线路电阻后，上下两路斩波电路解耦后的桥臂电路都将等效为斩波电感，且斩波电感值等于两变压器次级绕组的漏电感按一定比例的代数之和，且仅当k＝1时，两路的斩波电感值相等。
将两路的斩波电感值分别取为L1和L2，可得到图6所示的最终近似等效电路。
由于k≈1，因此，图6等效电路中的L1、L2与四绕组变压器(3)的两低压侧绕组的漏电感数量级接近。这意味着本发明的可复用网侧变流器在斩波模式下，与普通的两相并联Boost或Buck斩波电路无异，采用传统的电压外环电流内环的双闭环控制，可将直流供电网的输入直流电斩波为稳定的直流2800V输出。
实际上，在控制设计时，可使用小信号建模的分析方法，将桥臂上各电压电流就开关周期T取平均值，滤除在控制时不太重要的高频纹波分量，留下起决定作用的稳态分量，并仅分析对稳态分量的控制。
于是，上下两路的桥臂电压U12与U34的波形在时域上并不需要完全相同，而只需要满足：
<U12(t)>T＝<U34(t)>T；
其中，<X(t)>T表示将X(t)在时间T内取平均值：
此时，在复频域上有：
<U12(s)>T＝<U34(s)>T；
于是经过相同的计算过程(这里省略数学推导过程)，可以得到与前面一样如图6所示的解耦等效电路，且L1和L2的数值结果也会与前面相同。该结论对于后续的针对该发明的控制优化具有指导作用。
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 (7)
1.一种用于多流制机车的可复用网侧变流器，其特征在于，包括多绕组变压器、n个全桥变流器一、n个全桥变流器二和2n个开关S3，所述多绕组变压器包括2n个高压侧绕组和2n个低压侧绕组；
所述多绕组变压器的每个高压侧绕组的同名端和另一端，分别作为可复用网侧变流器的第一交流接入端和第二交流接入端；
所述多绕组变压器的第2i-1个低压侧绕组的同名端和另一端，分别出线连接到第i个全桥变流器一的第一桥臂中点和第二桥臂中点；i＝1,2,…,n；
所述多绕组变压器的第2i个低压侧绕组的同名端和另一端，分别出线连接到第i个全桥变流器二的第二桥臂中点和第一桥臂中点；i＝1,2,…,n；
所述全桥变流器一的两个桥臂正极点之间，以及全桥变流器二的两个桥臂正极点之间，均设置开关S3；
所述全桥变流器一的第一桥臂正极点和全桥变流器二的第一桥臂正极点，相互连接一起作为可复用网侧变流器的直流接入端正极；
所述全桥变流器一的第一桥臂负极点和全桥变流器二的第一桥臂负极点，相互连接一起作为可复用网侧变流器的直流接入端负极，用于连接到轮轨；
所述全桥变流器一的第二桥臂正极点和全桥变流器二的第二桥臂正极点，相互连接一起作为可复用网侧变流器的输出端正极；
所述全桥变流器一的第二桥臂负极点和全桥变流器二的第二桥臂负极点，相互连接一起作为可复用网侧变流器的输出端负极，用于连接到轮轨。
2.根据权利要求1所述的用于多流制机车的可复用网侧变流器，其特征在于，每个低压侧绕组包括多个中间抽头，用于适配不同电压等级的交流供电网。
3.根据权利要求1所述的用于多流制机车的可复用网侧变流器，其特征在于，每个全桥变流器均包括四个带有反并联二极管的全控型器件。
4.根据权利要求1所述的用于多流制机车的可复用网侧变流器，其特征在于，所述全控型器件为MOSFET、IGBT或IGCT。
5.根据权利要求1所述的用于多流制机车的可复用网侧变流器，其特征在于，所述开关S3的类型为断路器或接触器。
6.根据权利要求1所述的用于多流制机车的可复用网侧变流器，其特征在于，当通过直流接入端接入直流供电网、且电网直流电压仅在列车中间直流环节的直流电压之下或之上范围时，开关S3关断，所述可复用网侧变流器作为n套两路配合并联的Boost或Buck斩波器；当通过直流接入端接入直流供电网、且电网直流电压在列车中间直流环节的直流电压上下范围波动时，开关S3关断，所述可复用网侧变流器作为n套两路配合并联的四开关Buck-Boost斩波器；当通过交流接入端接入交流供电网时，开关S3闭合，所述可复用网侧变流器作为2n路四象限脉冲整流器。
7.根据权利要求1所述的用于多流制机车的可复用网侧变流器，其特征在于，n可取整数1、2、3，具体取值根据接入的电网电压等级和列车负载功率进行确定。
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2021
- 2021-12-06 CN CN202111472564.1A patent/CN114123822B/zh active Active
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