一种提高功率密度的电力电子变压器牵引供电系统的制作方法

本发明涉及一种提高功率密度的电力电子变压器牵引供电系统。

背景技术：

目前，中国是世界上高速铁路规模最大、发展速度最快的国家。据国际铁路联盟(uic)统计，截至2016年12月，中国中车产品已经出口到全球六大洲102个国家和地区，覆盖了全球83％拥有铁路的国家和地区。中国高铁运营里程达2.1万km，占全世界高铁总里程的60％以上。最新《中长期铁路网规划》中提出：到2020年，一批重大标志性项目建成投产，铁路网规模达到15万公里，其中高速铁路3万公里，覆盖80％以上的大城市。围绕国家“一带一路”和“走出去”战略实施，中国正在加大境外铁路项目工作力度，推进与周边国家铁路互联互通建设，发展潜力巨大。

如图1所示，牵引变压器是电力机车传动系统的动力源头和重要组成部分，在供电时，交流牵引网1与铁轨2之间连接有受电弓3及牵引变压器6，牵引变压器6通过主变流器4与牵引电动机5相连。

牵引变压器6其体积、重量庞大，占据了很大的乘用空间，且额外损耗了大量的能量。新一代电力电子牵引变压器pett，在由于采用中、高频变压器，不仅拥有传统工频牵引变压器的电气隔离、双向功率传输和电压变换功能，而且具有重量体积减轻50％以上、功率因数高、谐波含量低、污染小等众多优势，受到国际轨道交通领域理论和技术研究的高度重视。

世界著名机车制造厂商相继对pett做出了设计方案和试验样机，而目前对电力电子变压器牵引供电系统功率密度提升方面的研究主要集中在变压器频率的提升，研发高效、高功率密度的变压器牵引供电系统已成为新一代国际轻量化高性能电力机车的战略高地。

技术实现要素：

本发明为了解决上述问题，提出了一种提高功率密度的电力电子变压器牵引供电系统，本发明提供的牵引供电系统的输入级在传统级联h桥的基础上添加有源功率解耦电路，组成的有源功率解耦模块可以在整流的同时抑制二次功率脉动减小滤波电容，提高功率密度；中间级dc/dc变换器采用谐振软开关技术提高变换效率，同时提高功率密度；低压侧直流并联输出，直流母线接有复合储能系统，以改善电能质量；牵引变频器和辅助供电逆变器与低压侧直流母线相连。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种提高功率密度的电力电子变压器牵引供电系统，包括若干组连接在高压交流母线上的电力电子变压器，上述电力电子变压器输出的低压直流侧均并联形成低压直流母线，所述低压直流母线上连接给电动机供电的牵引逆变器和辅助供电逆变器。

进一步的，所述电力电子变压器连接在与高压交流母线相连的受电弓后。

进一步的，所述受电弓上开关处并联有一用于实现电力电子变压器的软启动的电阻。

进一步的，所述受电弓与电力电子变压器之间串联滤波器，当回馈制动的能量大于设定值时，电力电子变压器向牵引网传输能量，滤波器用于对此时的馈送电流滤波。

进一步的，所述低压直流母线上连接混合储能系统。这样的设计，一方面可以在弓网离线时短时间内供能，另一方面，可以吸收回馈制动产生的能量，降低电力电子变压器向牵引网注入的谐波。

优选的，所述混合储能系统包括蓄电池和与其并联的超级电容。

进一步的，所述电力电子变压器的前级整流环节采用级联h桥结构，每个h桥结构均增设有源功率解耦电路，以降低滤波电容并提高其可靠性。

进一步的，整流环节采用spwm调制。

进一步的，所述滤波器为l滤波电路。

进一步的，每个h桥结构的直流侧连接有dc-dc变换器，多组力电子变压器的dc-dc变换器之间并联，多个dc-dc变换器输出的正极线路分别相连，输出的负极线路分别相连，并联形成低压直流母线。

进一步的，所述dc-dc变换器为谐振变换器，由两个h桥结构、谐振电容和一个高频变压器组成，所述高频变压器的两侧各通过一个谐振电容连接有一个h桥结构，所述谐振变换器采用移相控制，谐振变换器输出端并联形成电力电子变压器的低压直流输出端。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)输入级在传统级联h桥的基础上添加有源功率解耦电路，组成的有源功率解耦模块可以在整流的同时抑制二次功率脉动减小滤波电容，提高功率密度。

(2)受电弓上开关处并联一个电阻，可以实现机车电力电子变压器的软启动，降低启动时对电力电子变压器的冲击。

(3)本发明中电力电子变压器dc-dc环节采用高频谐振变换器，既可以降低变压器体积，又可以降低开关损耗。

(4)低压直流母线上连接混合储能装置，可以在弓网离线时短时间内供能。

(5)低压直流母线上连接混合储能装置，可以吸收回馈制动产生的能量，降低电力电子变压器向牵引网注入的谐波。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为传统牵引供电系统结构图；

图2为电力电子变压器结构图；

图3为电力电子变压器牵引供电系统结构图；

其中，1、交流牵引网，2、铁轨，3、受电弓，4、主变流器，5、牵引电动机，6、牵引变压器。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

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。

正如背景技术所介绍的，现有技术下牵引供电系统体积、重量大，存在弓网离线对牵引系统影响大、机车回馈制动时向电网注入的谐波大等不足，为了解决如上的技术问题，本申请提供一种提高功率密度的电力电子变压器牵引供电系统。

本申请的一种典型的实施方式中，提供一种提高功率密度的电力电子变压器牵引供电系统，包括连接在高压交流母线上的电力电子变压器，所述电力电子变压器输出的低压直流侧并联形成低压直流母线，所述低压直流母线上连接给电动机供电的牵引逆变器和辅助供电逆变器。如图3所示，其中虚线框代表一列电力机车，pett结构如图2所示。本发明中受电弓后连接的pett将高压交流电转换为低压直流电，进而由低压直流母线向各个电动机供电，多个牵引逆变器和辅助供电逆变器均并联在低压直流母线上。

本发明在低压直流母线上连接蓄电池与超级电容组成的混合储能系统，在低压直流母线上连接蓄电池与超级电容组成的混合储能系统其目的有两个：1)由于回馈制动过程中会有少量能量回馈到牵引网中，而此回馈电流中包含较大谐波成分，连接的混合储能系统可以吸收该部分回馈能量，降低牵引网中的谐波含量；2)当受电弓因振动、过分相等原因离线时，混合储能装置可以为电力机车提供短时间内的功能，降低弓网离线对电力电子变压器的不利影响。

另外，本申请在受电弓上开关处并联一个电阻，可以实现机车电力电子变压器的软启动；受电弓与电力电子变压器之间串联滤波器，当回馈制动的能量较大时，电力电子变压器向牵引网传输能量，滤波器用于对此时的馈送电流滤波。优选的，滤波器为l滤波电路。

如图2所述，电力电子变压器的前级整流环节采用级联h桥结构，每个h桥均配置有源功率解耦电路，从而降低滤波电容的体积，提高功率密度和系统可靠性；h桥电路的直流侧连接dc-dc变换器，多个dc-dc变换器之间并联，多个dc-dc变换器输出的正极线路分别相连，输出的负极线路分别相连，并联形成低压直流母线；在低压直流母线上连接牵引逆变器给电动机供电，连接辅助供电逆变器给辅助供电系统供电；低压直流母线上连接混合储能系统。dc-dc变换器为谐振变换器。

工作原理：本申请在受电弓后连接pett将高压交流电转换为低压直流电，进而由低压直流母线向各个电动机供电，多个牵引逆变器均并联在低压直流母线上，在低压直流母线上连接蓄电池与超级电容组成的混合储能系统。其中：电力电子牵引变压器如图2所示，其的整流环节由带有源功率解耦电路的级联h桥组成，采用spwm调制；h桥的直流侧均并联电容，其后面接谐振变换器，谐振变换器由两个h桥、两个谐振电容和一个高频变压器组成，谐振变换器采用移相控制；谐振变换器输出端并联形成电力电子变压器的低压直流输出端，进而形成低压直流母线。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。