一种直流供电系统的制作方法

本发明涉及城市轨道交通供电技术领域，特别是涉及一种直流供电系统。

背景技术：

目前城市轨道交通的直流供电系统一般采用的是基于大功率器件IGBT构成的普通三相PWM整流器供电系统，该系统中，当直流牵引电网出现近端或远端短路时，IGBT中的二极管处于导通状态，由于IGBT器件的短路电流耐受能力较小，故很容易造成功率器件以及其它设备的损坏，无法满足城市轨道交通牵引供电系统高可靠性、高安全等级的要求。

因此，如何提供一种可靠性高的直流供电系统是本领域技术人员目前需要解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种直流供电系统，当后端直流电网出现近端或远端短路时，能够控制IGBT内的二极管截止，避免功率器件以及其它设备的损坏，系统可靠性和安全性高。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种直流供电系统，包括：

一端连接交流电网、另一端分别连接第一交流开关以及预充电电阻的三相输入端的变压器；

其三相输出端分别连接三相逆变桥电路的各相桥臂的中点的所述第一交流开关；

其三相输出端分别对应连接第二交流开关的三相输入端的所述预充电电阻；

其三相输出端分别与所述第一交流开关的三相输出端对应连接的所述第二交流开关；

所述三相逆变桥电路的每个半桥臂均包括相互串联的一个交流电流传感器、一个单相电抗器以及一个功率模块，其中，每个上桥臂中的交流电流传感器与单相电抗器串联后与功率模块的第二端相连，每个下桥臂中的交流电流传感器与单相电抗器串联后与功率模块的第一端相连；

三个所述上桥臂中的三个功率模块的第一端相互连接后与直流开关正极输入端连接；

三个所述上桥臂中的三个功率模块的第二端相互连接后与所述直流开关负极输入端连接；

输出端连接直流电网的所述直流开关；

所述功率模块包括若干个IGBT以及电容，用于在控制装置控制所述IGBT均关断时，自身输入的电流对所述电容充电来控制所述IGBT内的二极管均截止；

分别并联在所述第一交流开关的输入侧的每相上的三个交流电压传感器；

分别串联在所述第一交流开关的输出侧的每相上的三个交流电流传感器；

并联在所述直流开关输出端的直流电压传感器；

串联在所述直流开关输出端的直流电流传感器；

用于控制各个所述功率模块内IGBT的工作情况的控制装置；所述控制装置的输入端分别连接各个所述交流电压传感器、所述直流电压传感器、各个所述交流电流传感器以及所述直流电流传感器；所述控制装置的输出端分别与各个所述IGBT的控制端相连流电压传感器。

优选地，所述功率模块包括四个IGBT以及一个电容；

第一IGBT的发射极与第二IGBT的集电极连接后作为所述功率模块的第一端；

第三IGBT的发射极与第四IGBT的集电极连接后作为所述功率模块的第二端；

所述第一IGBT的集电极、所述第三IGBT的集电极以及所述电容的第一端相连；

所述第二IGBT的发射极、所述第三IGBT的发射极以及所述电容的第二端相连。

优选地，所述功率模块包括三个IGBT、一个电容以及一个二极管；

第一IGBT的发射极与第二IGBT的集电极连接后作为所述功率模块的第一端；

所述第一IGBT的集电极分别与所述电容的第一端以及所述二极管的阴极相连；

所述第二IGBT的发射极、所述电容的第二端以及第三IGBT的发射极连接；

所述二极管的阳极与所述第三IGBT的集电极连接后作为所述功率模块的第二端。

优选地，所述功率模块包括三个IGBT、二个电容以及一个二极管；

第一IGBT的发射极与第二IGBT的集电极连接后作为所述功率模块的第一端；

所述第一IGBT的集电极与第一电容的第一端连接；

所述第一电容的第二端、第二电容的第一端以及所述二极管的阴极相连；

所述第二电容的第二端分别连接所述第二IGBT的发射极与第三IGBT的发射极；

所述第三IGBT的集电极与所述二极管的阳极连接后作为所述功率模块的第二端。

优选地，所述功率模块包括六个IGBT与二个电容；

第一IGBT的发射极与第二IGBT的集电极连接后作为所述功率模块的第一端；

所述第一IGBT的集电极分别连接第一电容的第一端以及第三IGBT的集电极；

所述第二IGBT的发射极分别连接所述第一电容的第二端以及第四IGBT的发射极；

所述第三IGBT的发射极分别连接第二电容的第二端以及第六IGBT的发射极；

所述第四IGBT的集电极分别连接所述第二电容的第一端以及第五IGBT的集电极；

所述第五IGBT的发射极与所述第六IGBT的集电极连接后作为所述功率模块的第二端。

优选地，所述功率模块包括六个IGBT、四个电容以及两个二极管；

第一IGBT的发射极与第二IGBT的集电极连接后作为所述功率模块的第一端；

所述第一IGBT的集电极分别连接第一电容的第一端以及第三IGBT的集电极；

所述第二IGBT的发射极连接第二电容的第二端；

所述第一电容的第二端、所述第二电容的第一端以及第一二极管的阳极连接；

所述第三IGBT的发射极、所述第一二极管的阴极、第二二极管的阳极以及第四IGBT的集电极连接；

所述第二二极管的阴极分别连接第三电容的第二端以及第四电容的第一端；

所述第四IGBT的发射极分别连接所述第四电容的第二端以及第六IGBT的发射极；

所述第三电容的第一端连接第五IGBT的集电极；

所述第五IGBT的发射极与所述第六IGBT的集电极连接后作为所述功率模块的第二端。

优选地，所述单相电抗器具体为干式铁芯电抗器或空芯电抗器。

优选地，所述变压器具体为干式变压器。

本发明提供了一种直流供电系统，包括变压器、第一交流开关、预充电电阻、第二交流开关、三相逆变桥电路、直流开关、控制装置、交流电压传感器、直流电压传感器以及直流电流传感器，三相逆变桥电路每个半桥臂均包括串联的交流电流传感器、单相电抗器以及功率模块。当后端直流电网出现近端或远端短路时，控制装置根据直流电压传感器以及直流电流传感器采集的直流母线电压以及直流母线电流值，确定后端直流电网出现短路，并控制各个功率模块内的IGBT关断，此时每个功率模块输入的电流会对功率模块内的电容充电，当电容两端的直流电压达到预设电压阈值时，会控制IGBT内的二极管截止，从而阻断IGBT内的短路故障电流，避免功率器件以及其它设备的损坏，提高了系统可靠性和安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种直流供电系统的结构示意图；

图2为本发明提供的一种功率模块的结构示意图；

图3为本发明提供的另一种功率模块的结构示意图；

图4为本发明提供的另一种功率模块的结构示意图；

图5为本发明提供的另一种功率模块的结构示意图；

图6为本发明提供的另一种功率模块的结构示意图；

图7为本发明提供的一种控制装置的控制结构示意图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种直流供电系统，当后端直流电网出现近端或远端短路时，能够控制IGBT内的二极管截止，避免功率器件以及其它设备的损坏，系统可靠性和安全性高。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种直流供电系统，参见图1所示，图1为本发明提供的一种直流供电系统的结构示意图；该系统包括：

一端连接交流电网、另一端分别连接第一交流开关KM1以及预充电电阻R1的三相输入端的变压器T；

其中，这里的变压器T具体为干式变压器。当然，本发明并不限定变压器T的具体类型。

其三相输出端分别连接三相逆变桥电路的各相桥臂的中点的第一交流开关KM1；

其三相输出端分别对应连接第二交流开关KM2的三相输入端的预充电电阻R1；

其三相输出端分别与第一交流开关KM1的三相输出端对应连接的第二交流开关KM2；

三相逆变桥电路的每个半桥臂均包括相互串联的一个交流电流传感器(TA1～TA6)、一个单相电抗器(L1～L6)以及一个功率模块(M1～M6)，其中，每个上桥臂中的交流电流传感器(TA1、TA3、TA5)与单相电抗器(L1、L3、L5)串联后与功率模块(M1、M3、M5)的第二端T2相连，每个下桥臂中的交流电流传感器(TA2、TA4、TA6)与单相电抗器(L2、L4、L6)串联后与功率模块(M2、M4、M6)的第一端T1相连；

三个上桥臂中的三个功率模块(M1、M3、M5)的第一端T1相互连接后与直流开关QS1正极输入端连接；

三个上桥臂中的三个功率模块(M2、M4、M6)的第二端T2相互连接后与直流开关QS1负极输入端连接；

输出端连接直流电网的直流开关QS1；

功率模块包括若干个IGBT以及电容，用于在控制装置MC控制IGBT均关断时，自身输入的电流对电容充电来控制IGBT内的二极管均截止；

分别并联在第一交流开关KM1的输入侧的每相上的三个交流电压传感器(V1、V2、V3)；

分别串联在第一交流开关KM1的输出侧的每相上的三个交流电流传感器(TA8、TA9、TA10)；

并联在直流开关QS1输出端的直流电压传感器V4；

串联在直流开关QS1输出端的直流电流传感器TA7；

用于控制各个功率模块内IGBT的工作情况的控制装置MC；控制装置MC的输入端分别连接各个交流电压传感器(V1、V2、V3)、直流电压传感器V4、各个交流电流传感器(TA1～TA6、TA8～TA10)以及直流电流传感器TA7；控制装置MC的输出端分别与各个IGBT的控制端相连流电压传感器。

其中，控制装置MC通过光纤连接各个IGBT的控制端。当然，也可采用其他连接线，本发明对此不作限定。

可以理解的是，三相逆变桥电路中每相桥臂上的交流电流传感器(TA1～TA6)用于检测桥臂电流；串联在第一交流开关KM1的输出侧的三个交流电流传感器(TA8～TA10)用于检测三相交流母线电流；并联在第一交流开关KM1的输入侧的三个交流电压传感器(V1、V2、V3)用于检测三相交流母线电压；直流电压传感器V4用于检测直流母线电压；直流电流传感器TA7用于检测直流母线电流。

这里的第一交流开关KM1与第二交流开关KM2均为三相交流接触器，当然，本发明对此并不做具体限定。

可以理解的是，当功率模块与交流电网之间刚开始导通时，会对功率模块内的电容进行充电，这个过程中会产生自功率模块至交流电网的上电电流，该上电电流会影响系统的正常工作，故需要设置预充电电阻R1对该上电电流进行消耗。因此，本发明的系统的工作过程中应该先闭合第二交流开关KM2，当功率模块完成充电后，闭合第一交流开关KM1，断开第二交流开关KM2，然后闭合直流开关QS1，对直流电网进行充电。

其中，单相电抗器的功能是为了实现限流以及滤除谐波的目的，具体为干式铁芯电抗器或空芯电抗器。当然，本发明不具体限定单相电抗器的类型。

本发明提供了一种直流供电系统，包括变压器、第一交流开关、预充电电阻、第二交流开关、三相逆变桥电路、直流开关、控制装置、交流电压传感器、直流电压传感器以及直流电流传感器，三相逆变桥电路每个半桥臂均包括串联的交流电流传感器、单相电抗器以及功率模块。当后端直流电网出现近端或远端短路时，控制装置根据直流电压传感器以及直流电流传感器采集的直流母线电压以及直流母线电流值，确定后端直流电网出现短路，并控制各个功率模块内的IGBT关断，此时每个功率模块输入的电流会对功率模块内的电容充电，当电容两端的直流电压达到预设电压阈值时，会控制IGBT内的二极管截止，从而阻断IGBT内的短路故障电流，避免功率器件以及其它设备的损坏，提高了系统可靠性和安全性。

在一种优选实施例中，功率模块包括四个IGBT以及一个电容C；参见图2所示，图2为本发明提供的一种功率模块的结构示意图；

第一IGBT S1的发射极与第二IGBT S2的集电极连接后作为功率模块的第一端T1；

第三IGBT S3的发射极与第四IGBT S4的集电极连接后作为功率模块的第二端T2；

第一IGBT S1的集电极、第三IGBT S3的集电极以及电容C的第一端相连；

第二IGBT S2的发射极、第三IGBT S3的发射极以及电容C的第二端相连。

在一种优选实施例中，参见图3所示，图3为本发明提供的另一种功率模块的结构示意图；功率模块包括三个IGBT、一个电容C以及一个二极管D；

第一IGBT S1的发射极与第二IGBT S2的集电极连接后作为功率模块的第一端T1；

第一IGBT S1的集电极分别与电容C的第一端以及二极管D的阴极相连；

第二IGBT S2的发射极、电容C的第二端以及第三IGBT S3的发射极连接；

二极管D的阳极与第三IGBT S3的集电极连接后作为功率模块的第二端T2。

在一种优选实施例中，功率模块包括三个IGBT、二个电容以及一个二极管D；参见图4所示，图4为本发明提供的另一种功率模块的结构示意图；

第一IGBT S1的发射极与第二IGBT S2的集电极连接后作为功率模块的第一端T1；

第一IGBT S1的集电极与第一电容C1的第一端连接；

第一电容C1的第二端、第二电容C2的第一端以及二极管D的阴极相连；

第二电容C2的第二端分别连接第二IGBT S2的发射极与第三IGBT S3的发射极；

第三IGBT S3的集电极与二极管D的阳极连接后作为功率模块的第二端T2。

在一种优选实施例中，功率模块包括六个IGBT与二个电容；参见图5所示，图5为本发明提供的另一种功率模块的结构示意图；

第一IGBT S1的发射极与第二IGBT S2的集电极连接后作为功率模块的第一端T1；

第一IGBT S1的集电极分别连接第一电容C1的第一端以及第三IGBT S3的集电极；

第二IGBT S2的发射极分别连接第一电容C1的第二端以及第四IGBT S4的发射极；

第三IGBT S3的发射极分别连接第二电容C2的第二端以及第六IGBT S6的发射极；

第四IGBT S4的集电极分别连接第二电容C2的第一端以及第五IGBT S5的集电极；

第五IGBT S5的发射极与第六IGBT S6的集电极连接后作为功率模块的第二端T2。

在一种优选实施例中，功率模块包括六个IGBT、四个电容以及两个二极管；参见图6所示，图6为本发明提供的另一种功率模块的结构示意图；

第一IGBT S1的发射极与第二IGBT S2的集电极连接后作为功率模块的第一端T1；

第一IGBT S1的集电极分别连接第一电容C1的第一端以及第三IGBT S3的集电极；

第二IGBT S2的发射极连接第二电容C2的第二端；

第一电容C1的第二端、第二电容C2的第一端以及第一二极管D1的阳极连接；

第三IGBT S3的发射极、第一二极管D1的阴极、第二二极管D2的阳极以及第四IGBT S4的集电极连接；

第二二极管D2的阴极分别连接第三电容C3的第二端以及第四电容C4的第一端；

第四IGBT S4的发射极分别连接第四电容C4的第二端以及第六IGBT S6的发射极；

第三电容C3的第一端连接第五IGBT S5的集电极；

第五IGBT S5的发射极与第六IGBT S6的集电极连接后作为功率模块的第二端T2。

另外，以上各个实施例中，功率模块中的电容可以为直流薄膜电容，二极管可以为快恢复二极管，当然，本发明不限定电容和二极管的具体类型。

可以理解的是，以上各个实施例中，功率模块内的电流流向均可实现双向流动，故采用上述任一种结构均可以在列车起动运行时，使能量从交流电网流向直流电网，在列车制动时，生成的制动能量从直流电网流向交流电网，供其他负载使用，提高能量的利用效率。

当然，以上仅为几种优选实施例，本发明不限定功率模块的具体结构，只要能够实现在直流电网侧短路时，控制IGBT内二极管截止，并且能够实现电流双向流动的目的的功率模块结构均在本发明的保护范围之内。

在一种优选实施例中，参见图7所示，图7为本发明提供的一种控制装置的控制结构示意图。控制装置包括流电压外环控制器CDC、有功电流内环控制器IDPIC、无功电流内环控制器IQPIC以及SPWM调制器，控制装置的控制过程如下：

在列车启动前，轨道交通供电系统默认工作在可控整流供电模式，牵引供电过程中，控制装置不断检测直流供电系统各个传感器采集的三相交流母线电压(UA、UB、UC)、三相交流母线电流(IA、IB、IC)、直流母线电压UDC、直流母线电流(IDC)、6路桥臂电流(IBRIDGE1～IBRIDGE6)数据；

通过直流电压外环控制器CDC获取有功电流内环控制器IDPIC的参考值IDREF，令无功电流内环控制器IQPIC参考值IQREF为0，通过SPWM调制器发出脉宽调制信号控制各个功率模块，进而调节三相交流电流、直流母线电压和直流电流，将直流电压稳定在整流预设值S_VALUE。

列车工作制动过程中，控制装置不断检测直流母线电压UDC，当直流母线电压上升至回馈预设值G_VALUE，控制装置依据预设值调整控制模式至逆变回馈模式，直流电压外环控制器CDC发出逆变回馈电流指令值IDREF至有功电流内环控制器IDPIC，通过SPWM调制器驱动功率模块，将再生制动产生的直流能量回馈至交流电网，直至直流母线电压UDC下降至整流预设值S_VALUE。

当然，以上仅为优选实施例，本发明不限定控制装置内包含的具体控制程序内容。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。