CN212323740U - 一种城轨交通牵引供电系统的综合治理装置 - Google Patents

Abstract

一种城轨交通牵引供电系统的综合治理装置，综合治理装置中将PWM整流单元的交流侧连接二极管整流器的交流侧和整流变压器的低压侧，PWM整流单元的直流侧通过双向DC/DC单元连接二极管整流器的直流侧和直流牵引网；车辆牵引工况时，利用综合治理装置补偿二极管整流器的无功和谐波电流，提出通过向整流变压器提供容性无功电流的方式使得二极管整流器的输出直流电压稳定，在二极管整流器容量不够的情况下还利用综合治理装置与二极管整流器共同向直流牵引网提供功率；车辆制动工况时，综合治理装置能将再生能量输送回交流中压电网；本实用新型还提出通过控制双向DC/DC单元中两个储能电感的电流来消除综合治理装置与二极管整流器之间的环流问题。

Description

一种城轨交通牵引供电系统的综合治理装置

技术领域

本实用新型是属于城轨交通牵引供电控制领域，涉及一种应用于城轨交通牵引供电系统的综合治理装置。

背景技术

城轨交通牵引供电系统的牵引网采用直流供电，最常用电压等级有DC750V和DC1500V。牵引变电所先将AC10kV或AC35kV降压到590V或1180V交流，再通过二极管整流转化为直流电，供给直流牵引网。如图1和图2所示的是常用12脉波和24脉波整流主电路图，图3是图1和图2中二极管整流单元的内部电路图。这种多脉波整流器供电系统有结构简单、效率高、可靠性好、维护方便、交流侧电流畸变小、直流侧电压脉动小的优点，一直沿用到今天。但是，也有如下不足：

其一、城轨车辆站间距较短，启动制动频繁，产生大量的再生制动能量，因为二极管整流器能量只能由交流侧流向直流侧，再生能量除部分为线路上其它牵引车辆吸收外，其它部分的再生能量被车上或地面制动电阻消耗释放在大气中。

其二、二极管整流器不能控制输出电压，随着负载电流增大，二极管整流器的换相重迭角增大，造成直流整流电压损失，同时换相重迭角增大又会导致功率因数降低，引起了整流变压器交流侧电压降，加速了直流牵引网电压下降，增大了接触网电流，增大了接触电网线路损耗。

其三、12或24脉波整虽然能保证整流变压器一次侧交流电流的电能质量，但整流变压器低压侧绕组都含有大量谐波电流，增加了变压器的损耗和噪声，影响变压器寿命。

近年来，人们开始采用能量回馈或储能装置吸收车辆再生制动能量。能量回馈装置采用PWM整流器，通常有两种实现形式：一种形式是另增加一套能馈装置，将再生制动能量回馈到中压或400V低压交流电网，如图4所示；另一种形式是采用PWM整流器取代传统的二极管整流器，可以控制能量在交流电网和直流牵引网双向流动，满足了牵引和制动能量流动要求。

如图4所示是在原有24脉波整流的基础上配中压能馈装置的牵引供电系统结构，能馈装置与二极管整流器在直流侧和中压交流侧并联。图中能馈装置中BR_PWM1和BR_PWM2是PWM整流单元，其内部结构如图5所示，包括三相逆变器、直流滤波电感Ld及交流连接电感La、Lb和Lc。图5所示的PWM整流单元能实现双向能量变换，即有整流和逆变的双重功能：整流时，将交流侧能量送到直流侧；逆变时，能将直流侧能量送到交流侧。无论整流或逆变，均可控制交流侧功率因数，同时控制交流侧电流有较小的畸变率。但是因为整流时的效率较二极管整流低，因此现有的能馈装置通常只是在列车制动时，将再生能量从直流侧转换到交流侧，通过变压器TR3送到中压交流电网。能馈装置中整流变压器TR3接入中压电网时还要配置断路器、隔离开关等电器设备，这样增加了能馈装置的体积和设备成本，尤其是设备体积增加需要增加安装空间，增加了土建费用。

如图6所示的是另一种能馈方案，将PWM整流单元与二极管整流器直接并联，二极管整流器在车辆牵引时将能量从交流侧输送到直流侧，PWM整流器在车辆制动时将能量回馈到交流侧，由整流变压器TR送到中压交流电网。这样可以省去能馈变压器和中压电器开关，大大减小能馈设备的体积和设备成本。但是这种结构能馈装置也存在两个难题：

其一、PWM整流单元与二极管整流器的交直流侧并联，PWM整流单元工作时，会引起环流，增加了损耗，影响了PWM整流单元容量发挥。

其二，要保证PWM整流单元能正常工作，逆变交流电压必须大于输入交流电压，因此需要采用过调制或向电网注入感性无功的方式才能满足这一工作条件。

鉴于上述两个因素，这一方案在实际中并没有得到应用。

实用新型内容

针对将PWM整流单元与城轨交通牵引供电系统二极管整流器交直流侧直接并联方案存在控制复杂和环流控制困难导致无法进行实际应用的问题，本实用新型提出一种综合治理装置与二极管整流器并联，在PWM整流单元的直流侧增加了一级对称结构的三电平双向DC/DC单元再与二极管整流器的直流侧连接，并且设置了环流控制单元用来消除综合治理装置与其并联的二极管整流器之间的环流；在车辆牵引时，综合治理装置能够补偿二极管整流器产生的谐波与无功，并能够保持直流牵引电网稳定，同时利用工作在降压模式的双向DC/DC单元还能够令PWM整流单元与二极管整流器共同作用将能量从交流牵引电网输送至直流牵引网；在车辆制动时，利用工作在升压模式的双向DC/DC单元能够使PWM整流单元将车辆再生制动能量回馈到交流牵引电网，结合环流控制使得本实用新型在实际应用中得以实现。

本实用新型的技术方案为：

一种城轨交通牵引供电系统的综合治理装置，所述综合治理装置并联在所述城轨交通牵引供电系统中二极管整流器的交流侧和直流侧之间，所述综合治理装置包括PWM整流单元、双向DC/DC单元和环流控制单元，所述PWM整流单元的交流侧连接所述二极管整流器的交流侧和所述城轨交通牵引供电系统中整流变压器的低压侧，其直流侧连接所述双向DC/DC单元的高压侧，所述双向DC/DC单元的低压侧连接所述二极管整流器的直流侧和直流牵引网；

所述城轨交通牵引供电系统工作在车辆牵引工况时，所述综合治理装置中PWM整流单元的交流侧输出补偿电流，所述补偿电流与所述综合治理装置并联的二极管整流器交流侧接入的基波无功电流和谐波电流大小相同、相位相反；

所述PWM整流单元和双向DC/DC单元还用于调整所述PWM整流单元的直流侧电压，使得所述PWM整流单元的直流侧电压稳定，且保证所述PWM整流单元直流侧电压的电压值高于所述PWM整流单元的交流侧线电压峰值和所述直流牵引网电压值，保证所述城轨交通牵引供电系统工作在车辆牵引工况时所述双向DC/DC单元能够工作在降压模式；所述城轨交通牵引供电系统工作在车辆制动工况时所述双向DC/DC单元工作在升压模式；

所述双向DC/DC单元为上下对称三电平结构，包括接在其低压侧之前的第一储能电感和第二储能电感；所述环流控制单元通过控制第一储能电感的电流与第二储能电感的电流相等且等于基准电感电流，保证所述综合治理装置与其并联的二极管整流器之间环流为零。

具体的，所述双向DC/DC单元还包括第一电容、第二电容、第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管，第一电容和第二电容串联并连接在所述双向DC/DC单元的高压侧之间；第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管依次串联并连接在所述双向DC/DC单元的高压侧之间，第一开关管和第二开关管的串联点连接第一储能电感的一端，第二开关管和第三开关管的串联点连接第一电容和第二电容的串联点，第三开关管和第四开关管的串联点连接第二储能电感的一端，第一储能电感的另一端和第二储能电感的另一端接在所述双向DC/DC单元的低压侧之间。

具体的，所述城轨交通牵引供电系统工作在车辆牵引工况时将第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管关断，仅通过所述二极管整流器将能量从所述整流变压器输送至所述直流牵引网，所述综合治理装置与其并联的二极管整流器之间环流为零。

具体的，所述城轨交通牵引供电系统工作在车辆牵引工况时，所述双向DC/DC单元工作在降压模式，所述整流变压器低压侧的能量通过所述二极管整流器和所述综合治理装置共同输送至所述直流牵引网。

具体的，所述双向DC/DC单元工作在降压模式或升压模式时，所述综合治理装置与其并联的二极管整流器之间存在环流，利用所述环流控制单元消除所述综合治理装置与其并联的二极管整流器之间的环流；

所述环流控制单元包括第一加法器、第二加法器、第三加法器、第一电流调节器、第二电流调节器、第三电流调节器、三角波发生器、第一比较器、第二比较器、第一反相器和第二反相器，

第三加法器用于将所述第一储能电感的电流与所述第二储能电感的电流相减后送入所述第三电流调节器的输入端；

第一加法器用于将所述基准电感电流减去所述第一储能电感的电流并减去所述第三电流调节器的输出电流后送入所述第一电流调节器的输入端；

第二加法器用于将所述基准电感电流减去所述第二储能电感的电流并加上所述第三电流调节器的输出电流后送入所述第二电流调节器的输入端；

第一比较器的第一输入端连接第二比较器的第一输入端和三角波发生器的输出端，其第二输入端连接第一电流调节器的输出端，其输出端一方面连接第一开关管的控制端，另一方面通过第一反相器后连接第二开关管的控制端；

第二比较器的第二输入端连接第二电流调节器的输出端，其输出端一方面连接第四开关管的控制端，另一方面通过第二反相器后连接第三开关管的控制端。

当所述城轨交通牵引供电系统工作在车辆牵引工况时，还能够通过向所述整流变压器提供容性无功电流，使得所述整流变压器的输出电压在负载增大时保持不变，从而保证所述二极管整流器的输出直流电压不变。

本实用新型的有益效果为：

一、本实用新型提出的综合治理装置与二极管整流器并联并且共用整流变压器，省去了专用的能馈变压器及中压开关设备，节省了设备成本，大大减小了设备体积，节约了大量设备的安装空间，从而节约土建成本。

二、车辆牵引时，综合治理装置能够补偿二极管整流器产生的谐波和无功，提高了整流变压器的负载功率因数，提高了整流变压器的容量利用率(经计算可知能提高约30％左右)，同时还减小了整流变压器绕组电流，特别是减小了谐波电流，从而减小了整流变压器因谐波电流产生的附加铁耗(铁芯谐波磁通产生涡流)和铜耗(谐波电流产生集肤效应)(经计算可知能减小损耗约50％左右)；直流牵引网压提高，减小了二极整流器输出电流，提高二极管整流器容量利用率，同时也减小了接触网的线路损耗。

三、利用双向DC/DC单元在车辆牵引时工作于降压模式，在车辆制动时工作于升压模式，不仅具有再生能量回馈的功能，还能够减小二极管整流器向直流牵引网输送能量的负担；可以在新建线路牵引供电系统中实施，也适合用于既有线牵引供电系统的增装置，尤其适合于运量增加后，牵引供电系统容量不足，直流牵引网压偏低的线路。

四、本实用新型保留了现有二极管整流器的效率高、简单可靠、维护方便等优点，相比传统PWM整流器只增加了双向DC/DC单元，双向DC/DC单元中的储能电感与PWM整流器的进线滤波电感Ld相当，因此主要增加的只是功率开关器件，实现了以较小代价克服了二极管整流器再生能量回馈、直流电压随负载下降较大等问题。

附图说明

图1是传统12脉冲整流器的电路示意图。其中TR是整流变压器，TR的初级接中压10kV或35kV电网，两个次级绕组相差30°；BR1和BR2是三相二极管整流单元，内部结构见图3。

图2是传统24脉冲整流器的电路示意图。其中TR1和TR2是整流变压器，TR1和TR2的初级接中压10kV或35kV电网，TR1和TR2的初级采用延边三角形接法，使得TR1和TR2的对应次级间相位差15°；BR1—BR4是三相二极管整流单元，内部结构见图3。

图3是三相二极管整流单元的内部结构图。其中D1-D6是二极管，三相交流电经整流桥后转化为直流电。

图4是配有中压能馈装置的供电系统的一种实现结构图。其中TR1和TR2是整流变压器，TR1和TR2的初级接中压10kV或35kV电网，TR3是能馈变压器；BR1-BR4是二极管整流单元，BR_PWM1和BR_PWM2是三相PWM整流单元，三相PWM整流单元的内部结构见图5。

图5是三相PWM整流单元的内部结构图。其中La、Lb和Lc是连接电感，T1-T6是6只IGBT构成三相逆变器；Cd为逆变器直流侧支撑电容；Ld为直流侧进线滤波电感；Ud为逆变器直流侧电压。

图6是一种能馈装置与整流器连接的结构图。其中TR是整流变压器，TR的初级接中压10kV或35kV电网，BR1、BR2是二极管整流单元；BR_PWM1和BR_PWM2是三相PWM整流单元。

图7是实施例中将本实用新型提出的综合治理装置应用于城轨交通牵引供电系统中与二极管整流器并联的结构示意图。其中TR是整流变压器，TR的初级接中压10kV或35kV电网，BR1、BR2是二极管整流器；U1、U2是本实用新型提出的综合治理装置，综合治理装置的内部结构见图8。

图8是本实用新型提出的综合治理装置的一种内部实现结构图。其中La、Lb和Lc是连接电感，T1-T6是6只IGBT构成三相逆变器；Cd为逆变器直流侧支撑电容；T7-T10是四只IGBT，L1是第一储能电感，L2是第二储能电感，第一电容Cd1和第二电容Cd2是分压电容，H1、H2是电流传感器，Cd1、Cd2、T7-T10、L1、L2、H1、H2一同构成上下对称结构的三电平双向DC/DC单元；Ud1为逆变器直流侧电压；Ud2为直流牵引网电压。

图9是本实用新型提出的一种城轨交通牵引供电系统的综合治理装置中环流控制单元的内部结构示意图，用于控制双向DC/DC单元中第一储能电感L1和第二储能电感L2的电流。i_{L_ref}是给定的基准电感电流，i_L1、i_L2分别是第一储能电感L1和第二储能电感L2的电流；ADD1、ADD1和ADD3是加法器；PI1、PI2和PI3是比例积分电流调节器；TRI是三角波发生器；COM1和COM2是比较器；NOT1和NOT2是反相器；PT7-PT10对应是T7-T10的驱动逻辑信号。

图10是将本实用新型提出的综合治理装置应用于24脉波结构的城轨交通牵引供电系统时的一种实现电路图。TR1和TR2是整流变压器；BR1-BR4是二极管整流器；U1-U4是本实用新型提出的综合治理装置。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例详细描述本实用新型的技术方案。

基于城轨交通牵引供电系统中二极管整流存在的不足之处，本实用新型在图6所示结构的基础上，将其中的PWM整流单元用综合治理装置代替，如图7所示，本实用新型将综合治理装置并联在城轨交通牵引供电系统中二极管整流器的交流侧和直流侧之间。综合治理装置包括PWM整流单元和双向DC/DC单元，如图8所示，本实用新型通过在PWM整流单元的直流侧增加一级双向DC/DC单元，使得PWM整流单元直流侧不直接与直流牵引网相连，通过控制PWM整流单元或双向DC/DC单元使得PWM整流单元直流侧电压Ud1稳定，且稳定电压值高于交流输入电压的峰值，从而保证PWM整流单元调制度不大于1；同时控制Ud1高于直流牵引网电压Ud2，保证牵引时双向DC/DC单元能够工作在buck降压模式，制动时双向DC/DC单元工作在boost升压模式。

PWM整流单元可以采用两电平逆变器结构，如图8所示，当然也可以采用三电平结构，PWM整流单元的的具体结构不用于限定本实用新型的保护范围。本实用新型采用的对称结构的双向DC/DC单元只能是上下对称结构的三电平双向DC/DC结构，如图8所示，包括第一储能电感L1、第二储能电感L2、第一电容Cd1、第二电容Cd2、第一开关管T7、第二开关管T8、第三开关管T9和第四开关管T10，第一电容Cd1和第二电容Cd2串联并连接在双向DC/DC单元的高压侧之间；第一开关管T7、第二开关管T8、第三开关管T9和第四开关管T10依次串联并连接在双向DC/DC单元的高压侧之间，第一开关管T7和第二开关管T8的串联点连接第一储能电感L1的一端，第二开关管T8和第三开关管T9的串联点连接第一电容Cd1和第二电容Cd2的串联点，第三开关管T9和第四开关管T10的串联点连接第二储能电感L2的一端，第一储能电感L1的另一端和第二储能电感L2的另一端接在双向DC/DC单元的低压侧之间。设置电流传感器H1、H2分部与第一储能电感L1、第二储能电感L2连接，获取第一储能电感L1的电流和第二储能电感L2的电流用于输出电流和环流控制。

下面结合城轨交通牵引供电系统的车辆在牵引和制动两种工况详细描述本实用新型提出的综合治理装置的工作原理和工作过程。图7中有两个二极管整流器BR1和BR2及两个综合治理装置U1和U2，工作原理相同，为了方便，此处就二极管整流器BR1和综合治理装置U1来阐述。

1)车辆牵引工况

车辆牵引时，二极管整流器BR1将来自整流变压器TR低压侧的三相交流整流为直流，输出供给直流牵引网。二极管整流器BR1是非线性负载，其从整流变压器TR交流侧所取电流除基波有功电流外，同时还会吸入基波无功电流(因为二极管整流器的换相重迭角造成的基波电流滞后基波电压)和大量谐波电流。如果不加补偿，负载时的无功和谐波电流导致整流变压器TR低压侧电压降低和畸变，二极管整流器BR1输出电压随负载功率增大而降低。本实用新型利用综合治理装置U1对与其并联的二极管整流器BR1的无功和谐波进行补偿，综合治理装置U1中PWM整流单元的交流侧输出补偿电流，补偿电流是与综合治理装置U1并联的二极管整流器BR1的交流侧输入的基波无功电流和谐波电流大小相同、相位相反的电流，使得整流变压器TR提供的只是基波有功电流，这样相同负载下，整流变压器TR输入和输出电流减小，输出交流电压降也减小，使得二极管整流器BR1直流输出电压降也减小。

一些实施例中通过向整流变压器TR提供超前无功电流(容性无功电流)，完全补偿整流变压器TR的漏抗和电阻压降，使整流变压器TR交流电压随负载不变或稍增加，补偿二极管整流器BR1因负载增大的压降，减小二极管整流器BR1输出电压降或维持不变，保持牵引网压稳定。通常补偿感性无功可以减小整流变压器交流电压随负载的压降，但本实用新型提出补偿超前无功以减小整流器直流电压降，解决了轨道交通整流直流电压降的控制问题。

本实用新型提出的综合治理装置在工作过程中，通过控制PWM整流单元和/或双向DC/DC单元，保持PWM整流单元的直流侧电压Ud1稳定，且Ud1电压高于PWM整流单元交流侧线电压峰值，也高于直流侧输入电压值，即双向DC/DC单元的低压侧电压Ud2，保证PWM整流单元工作在调制度不大于1的可控制状态，使得车辆牵引工况下双向DC/DC单元能够工作在降压模式。这样一来，对于一些早期建成的既有线路，因后期线路运量增大，变压器和二极管整流器BR1的容量不够，一方面通过无功补偿电流，提高输出功率因数，从而提高变压器的容量利用率，另一方面直流电压提高，减小二极管整流器的电流，提高了其容量利用率，同时也可让双向DC/DC单元工作在buck降压模式，通过PWM整流单元和二极管整流器统共同将能量从整流变压器输送至直流牵引网，补偿二极管整流器BR1容量的不足。

如果不需要综合治理装置U1向直流牵引网馈送能量时，将图8中双向DC/DC单元中的第一开关管T7-第四开关管T10关断，因为电压Ud1大于Ud2，第一开关管T7-第四开关管T10体内的反并联二极管截止，综合治理装置U1的直流侧与二极管整流器BR1的直流侧被隔离，二者间不会产生环流。如果需要综合治理装置U1向直流牵引网馈送能量，二极管整流器BR1和其并联的综合治理装置U1交流侧和直流侧直接并联，二者之间会产生环流，此时可利用综合治理装置U1中的环流控制单元分别控制双向DC/DC单元中的第一储能电感L1的电流i_L1和第二储能电感L2的电流i_L2，将二极管整流器BR1和其并联的综合治理装置U1之间的环流控制为0。

环流控制单元控制双向DC/DC单元中电流的原理如图9所示，电流环控制目标为：i_L1＝i_L2＝i_{L_ref}，i_{L_ref}为基准电感电流，是外部给定的电流指令。第一储能电感L1的电流i_L1和第二储能电感L2的电流i_L2跟随电流指令，且第一储能电感L1的电流i_L1和第二储能电感L2的电流i_L2相等，第一储能电感L1的电流i_L1和第二储能电感L2的电流i_L2相等也就是说综合治理装置U1与并联的二极管整流器BR1之间的环流为0。

本实用新型提出的环流控制单元中三个电流调节器PI1-PI3分别实现第一储能电感L1的电流i_L1对电流指令i_{L_ref}跟随、第二储能电感L2的电流i_L2对电流指令i_{L_ref}跟随和i_L1-i_L2对0电流指令的跟随。详细控制原理分析如下：

第一储能电感L1的电流i_L1对电流指令i_{L_ref}跟随控制：i_{L_ref}与i_L1经第一加法器ADD1相减后，差值经第一电流调节器PI1计算，输出经第一比较器COM1与三角波发生器TRI发生的三角波波比产生第一开关T7的触发逻辑信号PT7并经第一反向器NOT1产生第二开关T8的触发逻辑信号PT8。

第二储能电感L2的电流i_L2对电流指令i_{L_ref}跟随控制：i_{L_ref}与i_L2经第二加法器ADD2相减后，差值经第二电流调节器PI2计算，输出经第二比较器COM2与三角波发生器TRI发生的三角波波比产生第四开关T10的触发逻辑信号PT10并经第二反向器NOT2产生第三开关T9的触发逻辑信号PT9。

i_L1-i_L2对0电流指令的跟随控制：i_L1与i_L2经第三加法器ADD3相减后，差值经第三电流调节器PI3计算，第三电流调节器PI3输出的电流在第一加法器ADD1中与i_{L_ref}和i_L1的差值相减后送入第一电流调节器PI1中进行计算，第三电流调节器PI3输出的电流在第二加法器ADD2中与i_{L_ref}和i_L2的差值相加后送入第二电流调节器PI2中进行计算，第一比较器COM1和第二比较器COM2分别将第一电流调节器PI1和第二电流调节器PI2的输出与三角波信号进行比较控制第一开关管T7至第四开关管710的导通和关断从而调节i_L1和i_L2，当i_L1-i_L2＞0时，相当于减小第一储能电感L1电流指令值，同时增大第二储能电感L2电流指令值；当i_L1-i_L2＞0则相反，第一电流调节器PI1的输出增大第一储能电感L1电流指令值，同时第二电流调节器PI2减小第二储能电感L2电流指令值。

可见，通过上述控制过程让可以实现两个电感电流等于指令电流值，同时控制环流为0。

2)车辆制动工况

车辆制动时，车辆将再生制动能量输送到直流牵引网，直流牵引网电压被抬高。当直流网压高于二极管整流器BR1交流侧电压峰值时，二极管整流器BR1输出电流降为0，此时整流变压器TR不再需要PWM整流单元补偿无功和谐波电流。当直流牵引网电压进一步抬高到设定的能量回馈门槛值时，本实用新型提出的综合治理装置U1的双向DC/DC单元工作在boost升压模式，将能量从直流牵引网侧输送到PWM整流单元的直流侧，再经PWM整流单元输送到整流变压器TR的低压交流侧，最后由整流变压器TR升压后送至中压电网。

车辆制动时，双向DC/DC单元工作在boost升压模式，二极管整流器BR1和综合治理装置U1交流侧和直流侧直接并联，二者之间会产生环流，此时同样可根据上述车辆牵引工况中分析的环流控制单元的工作原理，利用环流控制单元分别控制双向DC/DC单元的第一储能电感L1和第二储能电感L2的电流，将环流控制在接近为0。制动时的环流控制原理与牵引时的buck模式下的控制原理完全相同，在此不再赘述。

下面再结合附图详细说明将本实用新型的综合治理装置应用于最典型的24脉波整流DC1500V城轨牵引供电系统时，整体牵引供电系统的工作过程。

如图10所示，TR1和TR2是两个初级延边三角形接法的整流变压器，TR1和TR2的4组低压绕组电压均为1180V，对应的电压相位差15度，BR1-BR4是四个二极管整流器，内部结构见图3，分别接整流变压器TR1和TR2的4组低压绕组；图8所示结构的四个综合治理装置U1-U4分别与四个二极管整流器BR1-BR4并联。

工作过程中，通过控制综合治理装置U1-U4中的PWM整流单元(或双向DC/DC单元)控制每个综合治理装置中支撑电容Cd上电流流向，保持综合治理装置U1-U4中的PWM整流单元直流测电压保持恒定，且稳定电压高于交流侧线电压峰值和直流牵引网的电压值。

车辆牵引时，二极管整流器BR1-BR4整流，将交流电通过整流为直流电供给直流牵引网，此时综合治理装置U1-U4中的PWM整流单元分部补偿对应的二极管整流器BR1-BR4交流侧的无功和谐波电流，甚至可以增大输出适当的容性无功电流，让整流变压器的负载电流显容量，补偿变压器漏抗和电阻压降，减小二极管整流器交流侧电压降，从而减小直流牵引网电压降。在提高直流牵引网电压的同时，因变压器的谐波和无功电流的减小，也减小了变压器的损耗，提高了牵引变压器容量利用率；直流电压提高，减小了直流电流，也提高了二极管整流器的容量利用率，同时减小了接触网的损耗。在用于既有线路时，随线路运量的增大，如果二极管整流器BR1-BR4的容量不够，也可通过让综合治理装置U1-U4的双向DC/DC单元工作在buck降压模式，使得综合治理装置U1-U4向直流牵引网输出功率，减小二极管整流器BR1-BR4的负担。

车辆制动时，再生制动能量回到直流牵引网抬高了直流牵引网侧电压，当直流牵引网侧电压高于二极管整流器BR1-BR4交流侧峰值时，二极管整流器BR1-BR2输出电流为0，不再输出功率。随着直流牵引网电压的进一步抬高，当其值高于设定的能馈电压门槛值时，综合治理装置U1-U4中的双向DC/DC单元工作在boost升压模式，将直流牵引网的能量送到PWM整流单元的直流侧，再由PWM整流单元输送到整流变压器的低压侧，再经整流变压器TR1和TR2输送到中压交流电网。

在双向DC/DC单元不工作时，双向DC/DC单元中的第一开关管T7至第四开关管T10处于关断状态，第一开关管T7至第四开关管T10内的反并联二极管将综合治理装置与二极管整流器隔离，不会产生环流；在双向DC/DC单元工作时，利用环流控制单元将每个综合治理装置U1-U4与其并联的二极管整流器BR1-BR4的环流控制为0。

在图10所示实际应用中，为了保证4台综合治理装装置的负载均衡，彼此之间应有信息交换。

结合以上分析可知，本实用新型将综合治理装置和二极管整流器在交流侧与直流侧均直接并联，与二极管整流器共用整流变压器；综合治理装置在PWM整流单元的直流侧设置了上下对称结构的双向三电平DC/DC单元，双向DC/DC单元高压侧接PWM整流单元直流侧，其低压侧接直流牵引网，双向DC/DC单元可以工作在buck降压和boost升压两种模式，实现高压侧和低压侧的能量双向流动，PWM整流单元可以工作在整流和逆变两种模式，实现交流侧和直流侧双能量双向流动。

在车辆牵引时，本实用新型通过综合治理装置的PWM整流单元交流侧补偿与其并联的二极管整流器交流侧的无功和谐波电流，提高二极管整流器交流侧电压，从而减小直流牵引网负载时的电压降，同时减小整流变压器电流也减小整流变压器损耗，提高了整流变压器和二极管整流器的容量利用率；还提出通过向整流变压器提供容性无功电流的方式使得二极管整流器的输出直流电压稳定；对于二极管整流器容量不够的情况下综合治理装置还可以向直流牵引网提供功率，分担二极管整流器的部分负荷。

在车辆制动时，综合治理装置能将再生能量输送到交流中压电网，双向DC/DC单元通过升压将直流牵引网能量输送到PWM整流单元的直流侧，再由PWM整流器输送到交流侧。

对于双向DC/DC单元工作在降压和升压模式下引出的环流问题，本实用新型还通过对双向DC/DC单元中第一储能电感L1和第二储能电感L2的电流进行独立控制，实现综合治理装置与其并联的二极管整流器之间环流接近为0。因此本实用新型提出的综合治理装置，可用于新建线路，能够减小安装空间，节约土建成本，提升供电性能，得到良好的综合性能指标；也适用于因运量增加导致直流网压低、整流变压器和二极管整流器容量不足的既有线改造，能在有限空间限内进行设备安装，提高整流电源的输出容量，提高了直流牵引网电压，减小牵引网损耗。

本领域的普通技术人员可以根据本实用新型公开的这些技术启示做出各种不脱离本实用新型实质的其他各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本实用新型的保护范围内。

Claims (3)

1.一种城轨交通牵引供电系统的综合治理装置，其特征在于，所述综合治理装置并联在所述城轨交通牵引供电系统中二极管整流器的交流侧和直流侧之间，所述综合治理装置包括PWM整流单元、双向DC/DC单元和环流控制单元，所述PWM整流单元的交流侧连接所述二极管整流器的交流侧和所述城轨交通牵引供电系统中整流变压器的低压侧，其直流侧连接所述双向DC/DC单元的高压侧，所述双向DC/DC单元的低压侧连接所述二极管整流器的直流侧和直流牵引网；

所述城轨交通牵引供电系统工作在车辆牵引工况时，所述综合治理装置中PWM整流单元的交流侧输出补偿电流，所述补偿电流与所述综合治理装置并联的二极管整流器交流侧输入的基波无功电流和谐波电流大小相同、相位相反；

所述PWM整流单元和双向DC/DC单元还用于调整所述PWM整流单元的直流侧电压，使得所述PWM整流单元的直流侧电压稳定，且保证所述PWM整流单元直流侧电压的电压值高于所述PWM整流单元的交流侧线电压峰值和所述直流牵引网电压值，保证所述城轨交通牵引供电系统工作在车辆牵引工况时所述双向DC/DC单元能够工作在降压模式；所述城轨交通牵引供电系统工作在车辆制动工况时所述双向DC/DC单元工作在升压模式；

所述双向DC/DC单元为上下对称三电平结构，包括接在其低压侧之前的第一储能电感和第二储能电感；所述环流控制单元通过控制第一储能电感的电流与第二储能电感的电流相等且等于基准电感电流，保证所述综合治理装置与其并联的二极管整流器之间环流为零。

2.根据权利要求1所述的城轨交通牵引供电系统的综合治理装置，其特征在于，所述双向DC/DC单元还包括第一电容、第二电容、第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管，第一电容和第二电容串联并连接在所述双向DC/DC单元的高压侧之间；第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管依次串联并连接在所述双向DC/DC单元的高压侧之间，第一开关管和第二开关管的串联点连接第一储能电感的一端，第二开关管和第三开关管的串联点连接第一电容和第二电容的串联点，第三开关管和第四开关管的串联点连接第二储能电感的一端，第一储能电感的另一端和第二储能电感的另一端接在所述双向DC/DC单元的低压侧之间。

3.根据权利要求2所述的城轨交通牵引供电系统的综合治理装置，其特征在于，所述环流控制单元包括第一加法器、第二加法器、第三加法器、第一电流调节器、第二电流调节器、第三电流调节器、三角波发生器、第一比较器、第二比较器、第一反相器和第二反相器，

第三加法器用于将所述第一储能电感的电流与所述第二储能电感的电流相减后送入所述第三电流调节器的输入端；

第一加法器用于将所述基准电感电流减去所述第一储能电感的电流并减去所述第三电流调节器的输出电流后送入所述第一电流调节器的输入端；

第二加法器用于将所述基准电感电流减去所述第二储能电感的电流并加上所述第三电流调节器的输出电流后送入所述第二电流调节器的输入端；

第一比较器的第一输入端连接第二比较器的第一输入端和三角波发生器的输出端，其第二输入端连接第一电流调节器的输出端，其输出端一方面连接第一开关管的控制端，另一方面通过第一反相器后连接第二开关管的控制端；

第二比较器的第二输入端连接第二电流调节器的输出端，其输出端一方面连接第四开关管的控制端，另一方面通过第二反相器后连接第三开关管的控制端。

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