一种智能化能量双向流动的三电平变流器的制作方法

本发明涉及城市轨道交通接触网技术领域，尤其是一种智能化能量双向流动的三电平变流器。

背景技术

随着城市的大力发展，城市人口增多，交通变得拥挤，而城市轨道交通具有快速、运量大、低噪声、舒适安全、高效经济、节能环保等诸多优点，已逐渐成为世界各国解决日益严重的城市交通问题的首选。并且随着我国城市轨道交通的大力发展与建设，城轨交通由于其站间距离短，车辆运行密度又比较大，因此列车在频繁的启动、制动时会产生非常可观的再生制动能量，据统计产生的制动能量可达到牵引列车所需能量的20％-40％以上，部分再生制动的能量可以被线路上相邻车辆和本车辅助用电设备吸收，多余再生制动能量则只能被转换为车载电阻发热消耗或空气制动机械消耗。车载制动电阻虽然能起到吸收多余再生制动能量和限制接触网压升高的作用，但是其产生的大量热量散发在地铁隧道内，会使地铁隧道温度升高。其弊端体现在：一方面白白消耗了再生制动能量，造成电能大量浪费；另一方面，隧道温升加剧，增加了通风设备的用电量；还不能稳定因列车起动而掉落的接触网压。

当列车制动距离长时，制动电阻不能完全消耗掉制动能量时，若没有其他吸收装置来吸收这些能量，这些能量会回馈到直流电网，引起电网电压的升高，这会影响直流供电系统的安全性能，进而影响其他列车的正常运行。可见城市轨道车辆产生的再生制动能量非常可观，外加世界能源危机的加剧，因此对再生制动能量吸收装置的研究也极其重要。

目前再生制动能量的吸收主要分为耗散式、能馈式和储能式三种。其中耗散式吸收方式由于其结构简单可靠、经济性好等优点应用最为广泛，而能馈式和储能式应用相对较少。国外轨道交通的再生制动能量吸收利用技术的研究较早，已经形成一些产品，而国内的研究才刚起步，几乎都在使用耗散式吸收方式，没有能够把多余的再生制动能量有效利用起来。

1耗散式再生制动能量吸收方式

耗散式再生制动能量吸收方式是通过电阻消耗多余的再生制动能量，在这种制动方式下车辆的制动模式将从再生制动模式转化为电阻制动方式。车载式的工作原理如图1所示，其不足之处有：(1)每个车辆编组都装有消耗能量的电阻，增加了车辆的重量，不利于车辆的轻量化，并且增加了车辆的维护工作量；(2)多余能量以热量的形式散发掉，造成能量浪费，从而在一定程度上削弱了再生制动的意义。

2、储能式再生制动能量吸收方式

采用储能器吸收多余的再生制动能量，可以抑制直流电网电压的升高；并且储存的能量在车辆加速起动的时刻释放出来，同时可以给电网提供电压支撑，吸收的能量得到了有效利用还可以防止电网电压跌幅过大。可用于吸收再生制动能量的储能技术主要有：电池储能、飞轮储能、超导储能和超级电容储能等，国外内进行了广泛的研究。

(1)电池储能

电池储能再生制动能量吸收装置的地铁供电系统如图2所示，由于电池有限的充放电循环寿命，在轨道交通这样频繁启制动的应用场合，使用寿命不够长，另外大量使用电池对环境造成污染，因此电池储能系统的使用受到很多限制。

(2)飞轮储能

飞轮储能系统依靠飞轮的转动来储存能量。在储存能量时，飞轮的速度得到增加，而释放能量时，飞轮的速度被减小。飞轮在储存能量时由电动机带动，而在释放能量时由飞轮带动发电机。通过dc/ac变换器与牵引供电系统连接，如图3所示。但飞轮毕竟是高速旋转设备，且采用了密闭环境和特殊制造技术，其使用寿命和可维修性值得进一步研究，国内没有相关成熟产品。

(3)超级电容储能

基于双向dc/dc变流器的超级电容吸收再生制动能量的城市轨道牵引供电系统如图4所示，超级电容器充放电的效率比其他储能方式高，同时可以达到很高的功率密度。采用超级电容储能除了可以快速吸收再生制动能量，还能够稳定接触网直流电压，且改善直流电网供电质量，还可以持续提供一定时间的能量，从而使轨道交通车辆在缺少电网供电的情况下，能够应急运行到站台。但由于超级电容体积庞大，价格昂贵，且设备容量小，不能满足完全吸收再生电能的需求，实际应用较少。

3、逆变回馈型

逆变回馈有二种方式即一种回馈至中压网络10/35kv，另一种回馈至低压配电系统0.4kv,(1)逆变回馈方案的技术难点有成本高经济性差，系统回馈的电能质量较低，电流谐波较大；(2)能量回馈至低压配电系统时,由于单个站内用电设备容量较小，该回馈方式在能量回馈时将产生较大的功率冲击会给低压配电系统的安全运行带来隐患，因此逆变回馈的电能仅可供给对电能质量要求不高的负荷；(3)其前端是二极管整流，由于二极管整流为不控整流，能量只能单向传输，且变压器漏感、二极管压降、线路阻抗等因素的存在会导致变电所输出电压随着列车运行工况的变化出现较大波动，使直流输出电压波动范围大；(4)能量回馈至中压网络10/35kv，由于系统稳定性差，电网公司对再生制动能量回馈电网时电能质量的担忧。

因此，对于上述问题有必要提出一种智能化能量双向流动的三电平变流器。

技术实现要素：

本发明目的是克服了现有技术中的不足，提供了一种智能化能量双向流动的三电平变流器。

为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现：

一种智能化能量双向流动的三电平变流器，包括总控制系统、控制系统1、控制系统2、三相三重斩波电路、双向三电平变流器、接触器和变压器，所述总控制系统通过can总线分别连接控制系统1和控制系统2，所述控制系统1通过连接三相三重斩波电路，所述控制系统2连接双向三电平变流器，所述三相三重斩波电路连接双向三电平变流器，所述双向三电平变流器通过接触器连接变压器，所述变压器连接电网。

优选地，所述三相三重斩波电路包括六个第一斩波器，每个所述第一斩波器均包括第一三极管和第一二极管。

优选地，所述第一三极管的集电极通过第一二极管连接第一三极管的发射极。

优选地，所述第一三极管的发射极均连接有第一电感。

优选地，所述双向三电平变流器包括三个电平变流器，每个所述电平变流器均包括四个第二斩波器。

优选地，每个所述第二斩波器均包括第二二极管和第二三极管，所述第二三极管的集电极通过第二二极管连接第二三极管的发射极。

本发明有益效果：本发明可以提高了整流器的可靠性、高效、高功率密度以及提高了功率因数，降低了总谐波畸变率，降低了成本，拓展了应用范围；提高了电气装备的控制性能；提高了电气装备的安全性能和适应性能；促进了电气装备的节能环保和国民经济的发展等，使用安全节能环保；工作在逆变工况时：其回馈电网的电压电流接近正弦波，谐波含量较少，兼有无功补偿的作用，并且其功率因数接近“-1”，从而减少电网的波动，使列车可以平稳的运行。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是现有技术的车载电阻再生制动能量吸收装置示意图；

图2是现有技术的的电池储能再生制动能量吸收装置示意图；

图3是现有技术的飞轮储能再生制动能量吸收装置示意图；

图4是现有技术的超级电容储能再生制动能量吸收装置示意图；

图5是现有技术的逆变型示意图；

图6是本发明的智能化能量双向流动的三电平变流器示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

如图6所示，一种智能化能量双向流动的三电平变流器，包括总控制系统、控制系统1、控制系统2、三相三重斩波电路、双向三电平变流器、接触器和变压器，所述总控制系统通过can总线分别连接控制系统1和控制系统2，所述控制系统1通过连接三相三重斩波电路，所述控制系统2连接双向三电平变流器，所述三相三重斩波电路连接双向三电平变流器，所述双向三电平变流器通过接触器连接变压器，所述变压器连接电网。

进一步的，所述三相三重斩波电路包括六个第一斩波器，每个所述第一斩波器均包括第一三极管和第一二极管，所述第一三极管的集电极通过第一二极管连接第一三极管的发射极。

其中，所述第一三极管的发射极均连接有第一电感，所述双向三电平变流器包括三个电平变流器，每个所述电平变流器均包括四个第二斩波器。

此外，每个所述第二斩波器均包括第二二极管和第二三极管，所述第二三极管的集电极通过第二二极管连接第二三极管的发射极。

本发明可以提高了整流器的可靠性、高效、高功率密度以及提高了功率因数，降低了总谐波畸变率，降低了成本，拓展了应用范围；提高了电气装备的控制性能；提高了电气装备的安全性能和适应性能；促进了电气装备的节能环保和国民经济的发展等，使用安全节能环保；工作在逆变工况时：其回馈电网的电压电流接近正弦波，谐波含量较少，兼有无功补偿的作用，并且其功率因数接近“-1”，从而减少电网的波动，使列车可以平稳的运行。

1、如图6所示，智能化能量双向流动的三电平变流器由4个部分组成，三相三重降压斩波电路，双向三电平变流器，变压器，以及控制系统组成。本系统的三相三重斩波电路可以实现对直流接触网的稳压作用，双向三电平变流器可以实现城市轨道车辆制动能量回馈电网，也可以实现将电网电压整流成直流接触网所需的直流电压，从而从根本上改善传统牵引供电系统能量单向流动性带来的系列问题，有效抑制现有牵引供电系统在负载变化过程中及不同工况(牵引、制动)下的电压波动问题，进而提高设备利用率高；

2、当城轨列车处于牵引运行或者起动的时候，直流接触网的电压会降低，此时降低部分的电压由能量双向流动的三电平变流器供给：电网→变压器→滤波器→双向三电平变流器→三相三重升压斩波电路→直流接触网→城轨列车；三相三重升压斩波电路可以起到稳定直流接触网电压的作用，同时双向三电平变流器工作在整流工况时还具有功率密度高、输入电流正弦化的优点，以保证电网的质量；

3、当城轨列车处于制动状态时，会引起直流接触网电压升上，此时能量双向流动的三电平变流器就会将能量回馈给电网：直流接触网→三相三重降压斩波电路→双向三电平变流器→滤波器→变压器→电网，进而使直流接触网稳定在一定范围内；

4、能量双向流动三电平的大功率变流器具备功率因数任意可调的能力，可有效地解决中压网络非高峰期间功率因数偏低的问题，提高系统的功率因数，进而可以取代专用的无功补偿装置；

5、双向三相三重斩波电路在城轨列车起动的时候，工作在升压状态，同时工作在恒压模式，提供稳定的直流电压给直流接触器网；当城轨列车制动的时候，工作在降压状态，输出稳定的直流电压给三电平变流器,回馈电网；

6、控制系统1和控制系统2依据检测电网、直流接触网的状态，依据城轨列车的运行状态以及运行停止等指令启动智能化高效运行，自动调整分配功率，同时两控制系统可以经过can总线直接交换数据，自动调整智能化运行；也可以经过总的控制系统，来协调二个控制系统的有效合理运行；

7、控制系统1通过检测直流接触网直流电压的大小，进而控制双向三相三重斩波电路传输能量的大小及方向；控制系统1通过can总线将检测到的信号传输给控制系统2，进而控制双向三电平变流器传输能量的大小和方向；

8、控制系统1和控制系统2的运行状态和所获得的数据经过can总线传输给总控制系统，由总控制系统协调控制系统1和控制系统2的高效合理有序的运行，同时总控制系统具有有线无线功能模块，能够进行智能识别、定位跟踪、故障诊断。；

9、通过合理的控制策略，智能化能量双向流动的三电平变流器供电系统能完成交流电网的谐波抑制和无功补偿功能，改善牵引供电系统的性能；还可以有效应付不同的工作状况和恶劣环境，自动自适应调整功率分配，使双向流动的三电平变流器始终工作在最高的运行效率，不过度使用，保护了电气装备的寿命。尤其是在再生制动的过程中，不会拉低电网电压，还提高了电气装备的寿命，降低了故障类，节能环保。

与现有技术相比本发明的优点在于：运用电力电子技术、全数字化智能化技术，实现城市轨道车辆机车平稳高效运行，智能化能量双向流动的三电平变流器能更加有效的实现城市轨道车辆的各种特殊工况，实现对再生能量的有效利用，满足城市轨道车辆起动瞬间和重载情况下，能量的补充，实现能量的双向流动，实现节能环保，避免了能源的浪费；同时三电平变流器由于电压变化率和电流变化率的减少使得电磁干扰问题大大减少，其等效开关频率为两电平变流器的一半，从而有效的降低了电感电容元件的体积，进而降低了装置的体积和成本，同时减少了开关损耗。这样不仅提高了城市轨道车辆的工作效率，还有极高的性价比，国内市场潜力巨大，具有重要的社会经济意义。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。