牵引供电用级联双星型直流供电与电能品质提升系统的制作方法
【专利摘要】一种牵引供电用级联双星型直流供电与电能品质提升系统，其包括：交流系统，三相交流电经过三相到两相的牵引变压器降压后，输出两个电压分别至T座和M座，T座和M座共用一个接地点，通过接地回流线流入牵引变压器的另一相；变流器子系统通过开关接入交流系统中牵引变压器次边侧，经过连接电抗后接入级联型变流器。经第一直流电变换器整流后共用直流电压，并通过分压电容将整个直流电压分为若干个部分；通过交流电变换器变换得到交流电，所有交流电经过隔离变压器耦合到另一侧的交流；交流电又经第二直流电变换器后逆变成直流，为负载提供直流电。本发明具有功能集成度高、原理简单、安全性和可靠性高、易实现和推广等优点。
【专利说明】牵引供电用级联双星型直流供电与电能品质提升系统
【技术领域】
[0001] 本发明主要涉及到电力电子【技术领域】，特指一种用于改善电能质量的牵引供电用 级联双星型直流供电与电能品质提升系统。
【背景技术】
[0002] 目前，我国机车牵引供电网采用的是交流供电机制，而城轨采用直流供电机制，由 于目前机车是交流取电，而城轨是直流取电，两者由于取流方式的不同而不能混跑。而随 着我国轨道交通的发展，地区铁路与城市轨道交通连接问题已经出现，为了实现地区铁路、 城市郊区铁路和城市轨道交通列车的跨线运行，一种方式是机车可接受多种供电模式，另 外一种是供电站能提供多种供电模式。对于车辆的改变，机车车辆可以通过车载断路器配 合接受城轨直流供电系统，但是城轨车辆需要增加变压器和整流器才能在交流牵引网上取 电，受既有城轨机车空间限制，改造困难，而在现有交流供电网基础上拓展增加可选择的交 流和直流两种供电模式为较好选择，即可满足城轨车辆在现有交流供电网中的直流取电， 同时兼顾电能质量治理。因此通过对交流车配合断路器进行直流取电和在交流网增加直流 供电回路即可解决现有机车车辆的混跑问题。从长远来说，以后将机车车辆改成成直流取 电，这机车供电网和城轨供电都统一成直流供电网即可。因此无论从现有需要，还是长远考 虑，将现有交流电网增加直流供电回路，到完成改成成直流供电方式，基于电力电子技术的 直流供电模式都是实际所需。
【发明内容】
[0003] 本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一 种功能集成度高、原理简单、安全性和可靠性高、易实现和推广的牵引供电用级联双星型直 流供电与电能品质提升系统。
[0004] 为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案： 一种牵引供电用级联双星型直流供电与电能品质提升系统，其包括： 交流系统，三相交流电经过三相到两相的牵引变压器降压后，输出两个电压分别至T 座和M座，T座和M座共用一个接地点，通过接地回流线流入牵引变压器； 变流器子系统，包括第一直流电变换器、分压电容、交流电变换器、隔离变压器和第二 直流电变换器；所述变流器子系统通过开关Kl、K2和K3接入交流系统中牵引变压器次边 侦牝经过连接电抗La、Lb、Lc后接入级联型变流器，即第一直流电变换器。经第一直流电变 换器整流后共用直流电压，并通过分压电容将整个直流电压分为可相等、也可不相等的若 干个部分；接下来，通过交流电变换器变换得到交流电，所有交流电经过隔离变压器耦合到 另一侧的交流；交流电又经第二直流电变换器后逆变成直流，从而为负载提供直流电。
[0005] 作为本发明的进一步改进：所述变流器子系统中还包括一 DC-DC储能单元，挂在 直流母线上，对制动电能进行吸收和释放，实现机车制动发电的就地再利用。
[0006] 作为本发明的进一步改进：还包括切换子系统，用于进行交流供电、直流供电和融 冰模式的模式切换。
[0007] 作为本发明的进一步改进：所述第一直流电变换器采用全桥级联结构、半桥级联 结构或全桥和半桥的混联结构。
[0008] 与现有技术相比，本发明的优点在于： 1、本发明在不改变现有供电设施和保护参数的前提下，通过增加构造合适拓扑结构的 电力电子变流装置可实现交流、直流可选择性供电，这既适合现有体制下的交流取电机车 和城轨机车混跑的要求，也为改造成全直流供电的牵引供电系统提供了解决方案。
[0009] 2、本发明通过交流转换成直流的变流装置，不需要变压器接入，可避免由于变压 器结构带来的占地面积大、损耗大等问题。同时，该装置还可以解决目前交流取电体制下的 负序电流大、谐波和无功补偿等电能质量问题问题；即当不用于直流供电时，其工作为交流 供电模式下的电能质量治理装置。
[0010] 3、本发明还可以被作为直流融冰装置，对于一些容易覆冰的线路，在冬天可进行 快速直流融冰。
[0011] 4、本发明采用全控器件，可实现能量的双向流动，同时还具备储能功能，因此既可 就地吸收机车制动能量，也可将制动能量反馈给电网，起到制动能量的就地再利用，减少对 电网造成干扰的同时为牵引变电所减少了电费支出。同时利用储能装置给负荷提供峰值功 率，减少变压器的安装容量。
【专利附图】
【附图说明】
[0012] 图1是本发明在具体应用实例1中的结构原理示意图。
[0013] 图2a是本发明在具体应用实例中第一直流电变换器采用全H桥级联结构的原理 示意图。
[0014] 图2b是本发明在具体应用实例中第一直流电变换器采用全半桥级联结构的原理 示意图。
[0015] 图2c是本发明在具体应用实例中第一直流电变换器采用全桥和半桥的混联结构 的原理示意图。
[0016] 图3是本发明在具体应用实例中交流电变换器的原理示意图。
[0017] 图4是本发明在具体应用实例中处于两相三线系统的同相供电模式时的原理示 意图。
[0018] 图5是本发明在具体应用实例中处于两相四线系统的同相供电模式时的原理示 意图。
[0019] 图6是本发明在具体应用实例2中的结构原理示意图。
【具体实施方式】
[0020] 以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
[0021] 实施例1 :如图1所示，本发明的牵引供电用级联双星型直流供电与电能品质提升 系统，适用于27. 5kV牵引变电站，其包括： 交流系统，三角交流电经过三相到两相的牵引变压器降压后，输出两个27. 5kV电压， 即为图中的T座和M座，T座和M座共用一个接地点，通过接地回流线流入变压器的另一相。
[0022] 变流器子系统，包括第一直流电变换器1 (级联AC-DC)、分压电容2、交流电变换器 3 (DC-AC)、隔离变压器4和第二直流电变换器5 (AC-DC);变流器子系统通过开关K1、K2 和K3接入交流系统中牵引变压器次边27. 5kV侧，经过连接电抗La、Lb、Lc后接入级联型变 流器，即第一直流电变换器1。经第一直流电变换器1整流后共用直流电压，并通过分压电 容2将整个直流电压分为若干个部分；接下来，通过交流电变换器3变换得到交流电，所有 交流电经过隔离变压器4耦合到另一侧的交流；交流电又经第二直流电变换器5后逆变成 直流，为负载提供直流电。
[0023] 本实施例中，变流器子系统中还包括一 DC-DC储能单元，挂在直流母线上，对制动 电能进行吸收和释放。
[0024] 作为较佳的实施例中，本实施例中，本发明还包括切换子系统，用于进行交流供 电、直流供电和融冰模式的模式切换。
[0025] (A)当属于交流供电模式时，有两种模式： X当变流器子系统不工作时：Kl、K2、K3、K5、K7断开，K4和K6合上，此时即为原有的 交流供电情况。
[0026] @当变流器子系统工作在电能质量治理模式时：K1、K2、K3合上，K5、K7断开，K4 和K6合上，此时供电网处于交流供电状态，但是新增变流器子系统通过和牵引网的功率交 换，实现无功功率、谐波和负序电流的治理，同时兼具通过储能对负荷和牵引网的功率传输 进行缓冲，起到削风填谷的作用。
[0027] (B)当接触网在直流供电模式下时，K1、K2、K3、K5、K7合上，K4和K6断开。
[0028] (C)当属于接触网直流融冰模式下时，K4和K6断开，K1、K2、K3合上，给T座接触 网融冰时，K5、Kk合上；当给M座接触网融冰时，K7、Ka合上。
[0029] 本实施例中，第一直流电变换器1 (级联AC-DC)可根据采用模块结构的不同而出 现不同的结构，至少包括采用全桥级联结构、半桥级联结构、全桥和半桥的混联结构这三种 形式。
[0030] 如图2a所示，采用的是H桥级联结构。为了实现公共直流母线，正常工作时，T1 管是常不触发的，而T3管是一直触发的。整个模块通过控制T2和T4的状态来控制整个模 块时候投入，同时T1和T3、T2和T4是互锁的，防止桥臂直通。这样当T2、T3导通、而T1、 T4关闭时，模块投入运行；而当T4、T3导通、而T1、T2关闭时，模块不投入运行。另外，与模 块交流侧并联的开关K为旁路开关。正常运行时，若整个桥臂AC-DC级联的模块数为2N的 话，则只有N个模块是投入运行的。考虑到图1中的分压电容2上的电压之和与N个模块 的直流电压相当，则故障情况时，通过控制T1、T4导通，而T2和T3关闭，使得模块输出反向 的直流电压值，从而和分压电容上的电压相抵消，从而限制故障电流。也可根据实际情况控 制反向投入的模块个数来控制故障电流。
[0031] 如图2b所示，采用的是半桥级联结构。通过控制T1、T2的状态来控制模块时候投 入，当T1导通、T2关断时，模块投入，而当T2导通、T1关断时，模块退出。
[0032] 如图2c所示，采用的是全桥和半桥的混联结构。其中，全桥和半桥的控制模式和 上述原理一样，在此就不再赘述。
[0033] 如图3所示，为本实施例中交流电变换器3的原理示意图，其主要功能是实现直流 电能向交流电能的转换。通过对H桥控制可以实现输出电压的幅值和相角，可实现能量在 四个象限的流动，可以方便实现能量的输出和回馈，而且等效开关频率较前两者都高，控制 容易，谐波含量少。利用这种H桥的拓扑，能实现储能系统和交流电网的能量流动。
[0034] 实施例2 :如图6所示，本发明的牵引供电用级联双星型直流供电与电能品质提升 系统，适用于55kV电压AT供电。
[0035] 为了减少过分相，延长变压器的供电距离，基于AT供电模式得到了广泛应用。在 这种供电方式中，T座和M座都输出的是55kV，通过自耦变压器中点或者变压器次边线圈拉 出中点的方式构成正27. 5kV母线和负27. 5kV母线，对于变压器有拉出中点接地的场合，可 使用27. 5kV变电所用两相三线制直流供电系统，也可以使用55kV变电所用两相四线直流 供电系统。而对于变压器不接地系统，只能使用55kV变电所用两相四线直流供电系统。
[0036] 在变流器子系统中，没有电气连接的T座和M座分别引出两相，通过La、Lb、Lc、 Ld这4个连接电抗接入变流器的4相桥臂。4个桥臂实现AC-DC变换，与T座连接的两个 桥臂和与M座连接的两个桥臂可单独控制，不互相干扰，即T座的两个桥臂处于整流取电工 况时，与M座相连的两个桥臂可工作在整流取电工况，也可以工作在整流回馈工况，反之亦 然。其他的变流器构造和三相直流供电系统类似。
[0037] 由于接触网不同，每个座分出T馈线、F馈线和回流线，T馈线和F馈线都是可给机 车供电，而回流线是为是电流形成回路的引流线。
[0038] (A)当属于交流供电模式时，根据变流器系统是否投入有两种转换状态： :X:当新增变流器子系统不工作时：Kl、Kll、K3、K31、K5、K51、K52、K7、K71、K72断开， K4、K41和K6、K61合上，此时即为原有的交流供电情况。
[0039] $当新增变流器子系统工作在电能质量治理模式时：K1、Kll、K3、K31合上，K5、 K51、K52、K7、K71、K72断开，K4、K41和K6、K61合上，此时供电网处于交流供电状态，但是 新增变流器子系统通过和牵引网的功率交换，实现无功功率、谐波和负序电流的治理，同时 兼具储能功能。
[0040] (B)当属于直流供电模式时，K4、K41和K6、K61断开，而且所有供电回路中的AT变 压器都断开，K1、K11、K3、K31合上，K5、K51、K52、K7、K71、K72合上，此时T馈线和F馈线都 属于直流供电的高电位，当机车取电后从回流线回到直流侧的另一端。
[0041] (C)当属于接触网直流融冰模式下时，K4、K41和K6、K61断开，给T座接触网T馈 线融冰时，K5、K52、Kkt合上；当给T座接触网F馈线融冰时，K51、K52、Kkf合上；当给M座 接触网T馈线融冰时，K7、K72、Kat合上；当给M座接触网F馈线融冰时，K71、K72、Kaf合 上即可。当然，当直流输出能力够融冰电流时，可同时给多个馈线融冰。
[0042] 采用本发明的上述结构后，当整个供电系统运行于交流供电模式时，变流器子系 统还具备铁路功率调节器的功能，其作用是通过控制T座和M座之间变流器，从而实现T座 和M座有功功率的输出，从而根据变压器的接线方式，联合分别控制T座和M座各自输出的 无功功率。
[0043] 采用本发明的上述结构后，当供电系统工作直流供电模式下，T座和M座均为直流 供电时，就不存在过分相问题，但是当其工作交流供电模式下时，由于，T座和M座的交流电 相位不一致，而出现站内过分相，在没有自动过过分相系统下过分相时，机车需要停电后再 得到，从而导致机车的驱动力和速度下降问题，还有出现过分相的过电压问题，而有了变换 装置后，能够实现同相供电。
[0044] 对于两相三线直流供电系统，其同相供电如图4所示，图中是将原来M座的供电同 相成T座供电，图中原来的分相区间用KTM断路器联通，而M座供电臂增加短路器KMTF形 成断点。开关1(1、1(2、1(3、1(4、1(6闭合，10￥闭合，疆了？、1(7、1(5断开。通过控制变流装置将 M座连接的变流器，实现M座的交流能量转传递给与T座相连接的变流器，通过合适调度有 功功率，并控制各个变流器无功功率的输出量和谐波，发可以实现负序、无功和谐波的同时 治理。
[0045] 对于两相四线制直流供电系统，其同相供电如图5所示，图中是将原来M座的供电 同相成T座供电，图中原来的分相区间用KTM断路器连通，而M座供电臂增加短路器KMTF 形成断点。开关灯、1(11、1(3、1(31闭合连通，1(4、1(41、1(6、1(61闭合连通，1(7、1(71、1(72、1(5、 K51、K52断开。通过控制变流装置将M座连接的变流器的两个桥臂，实现M座的交流能量 转传递给与T座相连接的变流器，通过合适调度有功功率，并控制各个变流器无功功率的 输出量和谐波，发可以实现负序、无功和谐波的同时治理。
[0046] 通过采用本发明的上述系统，具备以下功能和效果： (1)通过增加电力电子变流装置可以实现交、直流的可选择供电，可通过控制分压电容 总的直流电压之和，来控制给接触网的直流电压，满足我国750V和1500V等多种机车取电 需求。
[0047] (2)电压可根据需要调节，满足不同机车的需求。
[0048] (3)利用电力电子器件实现高压交流电在低压场合的应用，避免了变压器加入导 致的占地面积大，损耗大的问题。
[0049] (4)模块化结构，便于制造，扩容方便，只要改变级联单元个数和接地点，便可以满 足我国AT供电中55kV电压等级的要求。
[0050] (5)单个模块开关频率低，可通过合适的调制，提高等效开关频率，网侧输出电压 波形质量好，具备谐波补偿功能。
[0051] (6)直流供电系统能实现两个座的有功能量交换，而交流侧采用全控桥时能进行 无功输出，因此能治理牵引变压器两相供电带来的负序问题；同时由于实现了两个供电臂 的能量流通，可以提高整个变压器的利用率。
[0052] (7)还具备直流融冰的功能，方便对覆冰的快速融化。
[0053] (8)还具备同相供电的功能，能减少交流供电中过分相产生的系列问题。
[0054] (9)带有储能系统，能就地吸收和放出机车制动时产生的制动能量，实现了制动能 量的就地利用，减少了能量传输过程中造成的损耗和对电网的冲击。
[0055] 以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例， 凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本【技术领域】的 普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护 范围。
【权利要求】
1. 一种牵引供电用级联双星型直流供电与电能品质提升系统，其特征在于，包括： 交流系统，三相交流电经过三相到两相的牵引变压器降压后，输出两个电压分别至T 座和M座，T座和M座共用一个接地点，通过接地回流线流入牵引变压器的另一相； 变流器子系统，包括第一直流电变换器、分压电容、交流电变换器、隔离变压器和第二 直流电变换器；所述变流器子系统通过开关Kl、K2和K3接入交流系统中牵引变压器次边 侦牝经过连接电抗La、Lb、Lc后接入第一直流电变换器；经第一直流电变换器整流后共用直 流电压，并通过分压电容将整个直流电压分为若干个部分；通过交流电变换器变换得到交 流电，所有交流电经过隔离变压器耦合到另一侧的交流；交流电又经第二直流电变换器后 逆变成直流，为负载提供供直流电。
2. 根据权利要求1所述的牵引供电用级联双星型直流供电与电能品质提升系统，其特 征在于，所述变流器子系统中还包括一 DC-DC储能单元，挂在直流母线上，对制动电能进行 吸收和释放，实现机车制动发电的就地再利用。
3. 根据权利要求1或2所述的牵引供电用级联双星型直流供电与电能品质提升系统， 其特征在于，还包括切换子系统，用于进行交流供电、直流供电和融冰模式的模式切换。
4. 根据权利要求1或2所述的牵引供电用级联双星型直流供电与电能品质提升系统， 其特征在于，所述第一直流电变换器采用全桥级联结构、半桥级联结构或全桥和半桥的混 联结构。
【文档编号】H02J1/00GK104410061SQ201410107093
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年3月21日 优先权日:2014年3月21日
【发明者】张定华, 张志学, 周方圆, 王卫安, 胡晓东, 刘华东, 黄超, 陈涛 申请人:南车株洲电力机车研究所有限公司