CN212518835U - 基于模块化anpc三电平逆变器的地铁双向变流装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了基于模块化ANPC三电平逆变器的地铁双向变流装置包括两组并联的ANPC三电平逆变模块组、变压器;逆变模块组将直流电转换成低压交流电至变压器,变压器输出中压交流电至中压网;每个逆变模块组包括至少一路ANPC三电平逆变模块;每个ANPC三电平逆变模块输出端通过与之串联的交流滤波电感连接至副边双绕组升压变压器的对应副边绕组。本实用新型能够彻底解决NPC三电平逆变器的长回路关断电压尖峰过高问题,提高装置可靠性,模块化任意数量并联灵活覆盖不同电流等级需求,专门的滤波电感降低了变压器噪音和成本。
Description
技术领域
本实用新型涉及城市轨道交通供电系统技术领域,尤其涉及一种基于模块化ANPC三电平逆变器的地铁双向变流装置。
背景技术
近几年来我国城市轨道交通发展非常迅速,为了响应国家节能减排政策,国内地铁牵引供电系统逐步推广二极管整流机组+再生制动能量回馈装置模式来实现降低能耗的目的。但二极管整流机组输出直流牵引网电压随负载增加会出现较大跌落,导致供电距离较短,需要增加牵引供电站数量,增加了地铁建设成本。同时,增加的再生制动能量回馈装置进一步增加了整套牵引供电系统的复杂性和占地面积,提高了整体建设和运维成本。
随着大功率电力电子变流技术的发展,集整流牵引供电和逆变能量回馈功能于一身的双向变流装置逐渐在地铁里得到了应用。国内若干企业对地铁双向变流装置进行了有益的研究和探索。现有技术1徐州中矿大传动与自动化有限公司的专利《轨道交通双向变流柜》(申请号:201710039531.5)、现有技术2株洲中车时代电气股份有限公司的专利《一种轨道交通牵引供电系统及控制方法》(申请号:201710984413.1)两篇专利比较具有代表性。
在电路结构上,现有技术1《轨道交通双向变流柜》采用四台二极管中点钳位(NPC)三电平逆变器交、直流侧直接并联,取消了交流滤波电感,采用高阻抗变压器的漏感对开关纹波进行滤波。该方案的优点是三电平逆变器开关纹波小、损耗低、开关频率高,但NPC三电平逆变器在整流工况下存在长换流回路,IGBT关断电压尖峰较高,影响装置可靠性。其次,取消滤波电感虽然可以减小双向变流柜尺寸,但采用的高阻抗变压器尺寸、噪音均较大,并且四台NPC三电平逆变器之间存在电流分配不均的隐患。
现有技术2《一种轨道交通牵引供电系统及控制方法》采用两台逆变器交流侧串联滤波电感,然后连接到两套独立变压器绕组的电路结构。该方案的优点是两套独立变压器绕组实现了两台逆变器交流侧隔离,能够采用载波移相控制减小输出开关纹波。但这篇专利没有披露采用的具体逆变电路拓扑,并且两台逆变器本身没有进行模块化并联设计,不能灵活覆盖不同电流等级需求。
综上,上述两种现有技术都存在各自的缺陷,不能完全满足实际现场需求。
实用新型内容
1.所要解决的技术问题:
针对上述技术问题,本实用新型提供一种基于模块化ANPC三电平逆变器的地铁双向变流装置,能够彻底解决NPC三电平逆变器的长回路IGBT关断电压尖峰过高问题,提高装置可靠性;模块化并联灵活覆盖不同电流等级需求;专门的滤波电感降低了变压器噪音、体积,提高了均流度。
2.技术方案:
基于模块化ANPC三电平逆变器的地铁双向变流装置,其特征在于:包括两组并联的ANPC三电平逆变模块组、一台副边双绕组升压变压器;所述ANPC三电平逆变模块组与直流电网相连将直流电转换成低压交流电传输至副边双绕组升压变压器,副边双绕组升压变压器输出中压交流电至中压网;
每个ANPC三电平逆变模块组包括至少一路ANPC三电平逆变模块;每个ANPC三电平逆变模块输出端通过与之串联的交流滤波电感连接至副边双绕组升压变压器的对应副边绕组;同一组的ANPC三电平逆变模块交流输出经过滤波电感后均连接到变压器的同一个副方绕组。
进一步地,ANPC三电平逆变模块的每相桥臂均由三只半桥IGBT模块构成的;其中1号IGBT模块包含开关元件T1x、T5x ,二极管D1x、D5x,其中 T1x、T5x分别反向并联D1x、D5x;2号IGBT模块包含开关元件T2x、T3x ,二极管D2x、D3x, 其中T2x、T3x分别反向并联D2x、D3x;3号IGBT模块包含开关元件T4x、T6x ,二极管D4x、D6x, 其中T4x、T6x分别反向并联D4x、D6x;其中x表示a、b、c三相。
进一步地,所述副边双绕组升压变压器为三相三柱式,高压侧采用三角形接法,低压侧采用两组三相星型接法绕组。
进一步地,所述交流滤波电感为三相三柱滤波电感。
3.有益效果:
(1)本装置功率密度高:ANPC三电平逆变拓扑输出纹波小、损耗低、开关频率高,有效减小装置体积。
(2)本装置可靠性高:ANPC三电平逆变拓扑彻底解决传统NPC三电平逆变拓扑的长回路IGBT关断电压尖峰过高问题。
(3)本装置能够灵活覆盖不同功率需求:模块化ANPC三电平逆变模块任意数量并联可以满足不同的电流需求。
(4)本装置输出的电流波形质量好:两组逆变模块之间采用载波移相控制,具有倍增开关频率的效果,减小注入电网的开关纹波电流,提高电流波形质量。
(5)本装置低噪音、低成本:采用交流滤波电感+普通变压器方案相比高阻抗变压器噪音小、成本低。
附图说明
图1为本装置的整体电路拓扑图;
图2为本实用新型中采用的ANPC三电平逆变模块的电路拓扑图;
图3为采用本实用新型的桥臂器件布局、连接实例图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型进行具体的说明。
如附图1所示一种基于模块化ANPC三电平逆变器的地铁双向变流装置,其特征在于:包括两组并联的ANPC三电平逆变模块组、一台副边双绕组升压变压器;所述ANPC三电平逆变模块组与直流电网相连将直流电转换成低压交流电传输至副边双绕组升压变压器,副边双绕组升压变压器输出中压交流电至中压网;
每个ANPC三电平逆变模块组包括至少一路ANPC三电平逆变模块;每个ANPC三电平逆变模块输出端通过与之串联的交流滤波电感连接至副边双绕组升压变压器的对应副边绕组;同一组的ANPC三电平逆变模块交流输出经过滤波电感后均连接到变压器的同一个副方绕组。
如图2所示,进一步地,ANPC三电平逆变模块的每相桥臂均由三只半桥IGBT模块构成的;其中1号IGBT模块包含开关元件T1x、T5x ,二极管D1x、D5x,其中 T1x、T5x分别反向并联D1x、D5x;2号IGBT模块包含开关元件T2x、T3x ,二极管D2x、D3x, 其中T2x、T3x分别反向并联D2x、D3x;3号IGBT模块包含开关元件T4x、T6x ,二极管D4x、D6x, 其中T4x、T6x分别反向并联D4x、D6x;其中x表示a、b、c三相。
进一步地,所述副边双绕组升压变压器为三相三柱式,高压侧采用三角形接法,低压侧采用两组三相星型接法绕组。
进一步地,所述交流滤波电感为三相三柱滤波电感。
具体实施例:
当列车牵引/制动时,地铁双向变流装置自动检测直流母线电压,将装置控制在整流/逆变状态,实现牵引供电/制动能量回馈,如图1、2、3所示的各个部件如下:
模块化双向变流装置:两组ANPC三电平逆变模块组分别连接到升压变压器副方的两套三相星型接法绕组;每组ANPC三电平逆变模块组中的所有ANPC三电平逆变模块的交流侧串联对应相的滤波电感并联、直流侧直接并联,用以满足不同电流需求。滤波电感TA1、TB1、TC1和TA2、TB2、TC2分别采样两组ANPC三电平逆变模块输出总电流,进行电流闭环控制。TV1、TV2为直流电压霍尔传感器,分别采样上、下半直流母线电压,进行稳压控制。
ANPC三电平逆变模块:逆变器为ANPC三电平电路拓扑,输出1/2Udc、0、-1/2Udc三种电平,相比普通两电平电路的Udc、-Udc输出,能将开关纹波幅值减小一倍。并且IGBT只承担1/2Udc母线电压,是普通两电平电路的一半,可以采用较低耐压的IGBT降低开关损耗,提高开关频率。这样输出开关纹波频率高、幅值小,能够减小交流滤波电感尺寸、降低成本。
如附图3所示的实施例,在本实施例中每个ANPC三电平逆变桥臂采用3只英飞凌1700V/1400A半桥IGBT模块构成,其中1号IGBT模块实现T1/D1、T5/D5,2号IGBT模块实现T2/D2、T3/D3,3号IGBT模块实现T4/D4、T6/D6。采用交流电压正半波T2长通,T1、T5互补PWM,T3、T4、T6给长断控制信号;交流电压负半波T3长通,T4、T6互补PWM,T1、T2、T5给长断控制信号的控制方式可以确保换流回路都在1、3号IGBT模块内部,有效降低IGBT关断电压尖峰,保证装置运行可靠性。
为了进一步确保低的换流回路电感,上、下半母线直流电容各4只共8只分成左、右两组和1、3号IGBT模块就近安装,并采用左、右两块正、负平面母排分别将左侧4只上半母线直流电容的正极端子和1号IGBT模块的正极端子相连接,右侧4只下半母线直流电容的负极端子和3号IGBT模块的负极端子相连接。在这两块平面母排下方紧贴安装中线平面母排,它连接上半母线直流电容的负极端子、1号IGBT模块的负极端子、下半母线直流电容的正极端子和3号IGBT模块的正极端子。这样就构成了两个完整的低电感换流回路:(1)上半母线直流电容、正/中线叠层平面母排、1号IGBT模块;(2)下半母线直流电容、负/中线叠层平面母排、3号IGBT模块。
进一步,把1号IGBT模块的半桥输出端子和2号IGBT模块的正极端子相连接、3号IGBT模块的半桥输出端子和2号IGBT模块的负极端子相连接,就构成了完整的ANPC三电平逆变桥臂,其交流输出端子就是2号IGBT模块的半桥输出端子。由于这两个连接不影响换流回路,因此对连接形式没有特殊要求,就不再给出具体示例。
交流滤波电感:每台ANPC三电平逆变器的交流输出都串联滤波电感,该电感不仅滤除开关纹波,还抑制逆变模块并联桥臂间的环流。相比采用高阻抗变压器漏感方案,专门设计的三相三柱铁芯电感体积小、噪音低。
变压器:将ANPC三电平逆变模块输出的低压交流升压到中压,接入中压电网;变压器为三相三柱式,高压侧三角形接法,连接35/33kV电网,低压侧为两组三相星型接法绕组,额定线电压0.95kV;两组三相星型接法绕组为两组ANPC三电平逆变模块的载波移相控制进行隔离,防止产生高频环流。变压器具有6%的短路阻抗,其漏感被用作逆变器输出滤波电感的一部分,由于其感值较小,因此主要还是依靠专门安装的铁芯滤波电感。PT1、PT2、PT3是交流电压互感器,用于检测电网电压,给主控制器(安装在逆变模块中)提供电网同步信号并进行电网电压前馈控制。
虽然本实用新型已以较佳实施例公开如上,但它们并不是用来限定本实用新型的,任何熟习此技艺者,在不脱离本实用新型之精神和范围内,自当可作各种变化或润饰,因此本实用新型的保护范围应当以本申请的权利要求保护范围所界定的为准。
Claims (4)
1.基于模块化ANPC三电平逆变器的地铁双向变流装置,其特征在于:包括两组并联的ANPC三电平逆变模块组、一台副边双绕组升压变压器;所述ANPC三电平逆变模块组与直流电网相连将直流电转换成低压交流电传输至副边双绕组升压变压器,副边双绕组升压变压器输出中压交流电至中压网;
每个ANPC三电平逆变模块组包括至少一路ANPC三电平逆变模块;每个ANPC三电平逆变模块输出端通过与之串联的交流滤波电感连接至副边双绕组升压变压器的对应副边绕组;同一组的ANPC三电平逆变模块交流输出经过滤波电感后均连接到变压器的同一个副方绕组。
2.根据权利要求1所述的基于模块化ANPC三电平逆变器的地铁双向变流装置,其特征在于:ANPC三电平逆变模块的每相桥臂均由三只半桥IGBT模块构成;其中1号IGBT模块包含开关元件T1x、T5x ,二极管D1x、D5x,其中 T1x、T5x分别反向并联D1x、D5x;2号IGBT模块包含开关元件T2x、T3x ,二极管D2x、D3x, 其中T2x、T3x分别反向并联D2x、D3x;3号IGBT模块包含开关元件T4x、T6x ,二极管D4x、D6x, 其中T4x、T6x分别反向并联D4x、D6x;其中x表示a、b、c三相。
3.根据权利要求1所述的基于模块化ANPC三电平逆变器的地铁双向变流装置,其特征在于:所述副边双绕组升压变压器为三相三柱式,高压侧采用三角形接法,低压侧采用两组三相星型接法绕组。
4.根据权利要求1所述的基于模块化ANPC三电平逆变器的地铁双向变流装置,其特征在于:所述交流滤波电感为三相三柱滤波电感。
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