专利名称：能馈式牵引供电装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及电力机车的牵引供电技术，尤其涉及ー种具有能量回馈功能的能馈式牵引供电装置。
背景技术：
目前，电カ机车，特别是城市轨道列车普遍采用直流供电，通过变电所的牵引供电装置为列车供电，牵引供电装置采用12或24脉波ニ极管整流机组将交流电网的交流电转换成直流电为列车的直流牵引网供电，现有的ニ极管整流机组的直流输出电压不可控且电压波动范围大；并且，ニ极管整流机组能量只能由交流侧向直流侧单向传输，列车再生制动时的制动能量不能回馈交流电网，需用制动电阻消耗多余能量，造成能源的浪费。申请号为200810103678.7的中国专利文献，公开了ー种混合式牵引供电装置及 控制方法，采用脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，简称PWM)整流机组与ニ极管整流机组并联，充分利用ニ极管整流机组简单可靠、过载能力強，以及PWM整流机组能量双向流动，功率因数可调的优点，既能改善直流电网电压稳定性，提高供电品质，同时也能实现列车制动能量回馈交流电网，避免制动能量在制动电阻上消耗，节约能量。但是，上述技术方案中，如果ニ极管整流机组和PWM整流机组输入的交流电压相同，则PWM整流机组输出的直流电压比ニ极管整流机组输出的直流电压大，因而需要对ニ极管整流机组和PWM整流机组分别配置变压器，导致设备成本较高，同时该变压器的安装需要占用很大空间，使得实际工程应用受到很大限制。
实用新型内容本实用新型提供ー种能馈式牵引供电装置，以解决现有技术中能馈式牵引供电装置需要配置专用变压器，设备成本高且安装空间大的技术缺陷。本实用新型提供ー种能馈式牵引供电装置，包括变压器、ニ极管整流机组和PWM整流机组，该能馈式牵引供电装置还包括双向DC-DC变换器；所述变压器的数量为ー个；所述变压器的原边三相绕组用干与交流电源连接，所述变压器的两个副边三相绕组分别与所述ニ极管整流机组和PWM整流机组的交流侧连接；所述双向DC-DC变换器与所述ニ极管整流机组和PWM整流机组的直流侧连接，用于调整直流侧的输出电压。如上所述的能馈式牵引供电装置，所述原边三相绕组为三角形连接，所述两个副边三相绕组分别为三角形连接和星形连接。如上所述的能馈式牵引供电装置，所述双向DC-DC变换器包括半桥电路、滤波电感和滤波电容；所述滤波电感与所述半桥电路的中点连接，所述滤波电容与所述半桥电路的中点和正极连接；所述半桥电路的正极和负极与所述PWM整流机组的直流侧连接，所述半桥电路的中点和负极与所述ニ极管整流机组的直流侧连接。[0012]如上所述的能馈式牵引供电装置，所述ニ极管整流机组包括两个并联的ニ极管整流器且分别与所述两个副边三相绕组连接。如上所述的能馈式牵引供电装置，所述ニ极管整流器包括三组ニ极管整流単元；每组ニ极管整流単元包括两个串联的ニ极管单元；每组ニ极管整流単元的中点与交流侧的交流母线连接，每组ニ极管整流単元的正极和负极与直流侧的直流母线连接。如上所述的能馈式牵引供电装置，所述ニ极管单元包括多个并联的ニ极管且每个ニ极管串联有熔断器。如上所述的能馈式牵引供电装置，所述PWM整流机组包括两个并联的PWM整流器且分别与所述两个副边三相绕组连接。如上所述的能馈式牵引供电装置，所述PWM整流器包括三组功率器件；每组功率器件包括两个串联的功率模块；每组功率器件的中点与交流侧的交流母线连接，每组功率器件的正极和负极与直流侧的直流母线连接。如上所述的能馈式牵引供电装置，所述PWM整流器还包括交流滤波电容和交流滤波电感；所述交流滤波电容并联在交流侧的交流母线上，所述交流滤波电感分别串联交流侧的交流母线上。如上所述的能馈式牵引供电装置，所述PWM整流器还包括直流支撑电容和直流熔断器；所述直流支撑电容并联在直流侧的直流母线上，所述直流熔断器串联在直流侧的直流母线上。本实用新型提供的能馈式牵引供电装置，通过双向DC-DC变换器实现ニ极管整流机组和PWM整流机组共用一个变压器，可以减少变压器的数量，降低能馈式牵引供电装置的成本，并且能够减小安装空间。
图I为本实用新型实施例提供的能馈式牵引供电装置的示意图；图2为本实用新型实施例提供的变压器的示意图；图3为本实用新型实施例提供的ニ极管整流器的主电路示意图；图4为本实用新型实施例提供的PWM整流器的王电路不意图；图5为本实用新型实施例提供的双向DC-DC变换器的主电路示意图；图6为本实用新型实施例提供的能馈式牵引供电装置的控制框图；图7为本实用新型实施例提供的PWM整流器的控制框图；图8为本实用新型实施例提供的电流环控制框图；图9为本实用新型实施例提供的双向DC-DC变换器的控制框图。
具体实施方式
图I为本实用新型实施例提供的能馈式牵引供电装置的示意图。如图I所示，本实施例提供的能馈式牵引供电装置，包括变压器I、ニ极管整流机组2、PWM整流机组3和双向DC-DC (直流-直流)变换器4。[0033]变压器I的数量为ー个，变压器I的原边三相绕组用干与交流电源连接，该交流电源可以为三相交流电网，变压器I的两个副边三相绕组分别与ニ极管整流机组2和PWM整流机组3的交流侧连接。双向DC-DC变换器4与ニ极管整流机组2和PWM整流机组3的直流侧连接，用于调整ニ极管整流机组2和PWM整流机组3直流侧的输出电压，使得PWM整流机组3的输出电压Vdc2与ニ极管整流机组2的输出电压Vdcl相同，可以并联向列车的直流牵引网供电。ニ极管整流机组2为不控整流器，ニ极管整流机组2将变压器I输出的三相交流电整流后输出直流电压Vdcl。PWM整流机组3为受控整流器，PWM整流机组3的输出特性可以调整，PWM整流机组3将变压器I输出的三相交流电整流后输出直流电压Vdc2，并且可以吸收直流侧的制动能量，通过变压器I回馈给交流电网。双向DC-DC变换器4可以实现能量的双向流动并且输出特性可以调整，PWM整流机组3输出的直流电压Vdc2经过双向DC-DC变换器4的调整，与ニ极管整流机组2输出的直流电压Vdcl保持一致，并且能够并联向列车的直流牵引网供电。列车制动时，列车的制动能量经过双向DC-DC变换器4回馈给PWM整流机组3，再通过变压器I反馈给交流电网，通过双向DC-DC变换器4的调整，能够提高直流电网的电压稳定性并且能够节约能量。本实施例提供的能馈式牵引供电装置，通过双向DC-DC变换器4实现ニ极管整流器2和PWM整流机组3共用一个变压器1，可以减少变压器I的数量，降低能馈式牵引供电装置的成本，并且能够减小安装空间。图2为本实用新型实施例提供的变压器的示意图。如图2所示，进ー步地，变压器I可以为三相移相变压器，该三相移相变压器为环氧树脂浇注的干式变压器。变压器I具有一个原边绕组和两个副边绕组，原边三相绕组为三角形连接，两个副边三相绕组分别为三角形连接和星形连接。变压器I的原边绕组的输入端可以与三相交流电网连接，变压器I的两个副边绕组的输出端与ニ极管整流机组2和PWM整流机组3连接。由于变压器I的两个副边绕组分别为三角形连接和星形连接，因而两个副边绕组的输出电压的相位差为30度，ニ极管整流机组2可以产生12脉波整流，进而可以改善交流电网侧的交流电流波形，减小注入交流电网的谐波电流。进ー步地，ニ极管整流机组2包括两个并联的ニ极管整流器且分别与变压器I的两个副边三相绕组连接。图3为本实用新型实施例提供的ニ极管整流器的主电路示意图。如图3所示，其中，一个ニ极管整流器包括三组ニ极管整流単元，三组ニ极管整流单元构成三相桥式整流电路。每组ニ极管整流単元包括两个串联的ニ极管单元，每个ニ极管整流器共有六个ニ极管单元(Dl D6)。每组ニ极管整流単元的中点与交流侧的交流母线连接，每组ニ极管整流単元的正极和负极与直流侧的直流母线连接。每个ニ极管单元可以包括多个并联的ニ极管且每个ニ极管串联有熔断器，可以提高ニ极管整流机组2的容量和可靠性。图4为本实用新型实施例提供的PWM整流器的王电路不意图；如图4所不，进一步地，PWM整流机组3包括两个并联的PWM整流器且分别与变压器I的两个副边三相绕组连接。每个PWM整流器包括三组功率器件；每组功率器件包括两个串联的功率模块，每个PWM整流器共有六个功率模块(Tl T6)。每组功率器件的中点与交流侧的交流母线连接，每组、功率器件的正极和负极与直流侧的直流母线连接。功率器件可以为半桥式的绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate BipolarTransistor，简称IGBT)功率模块，IGBT功率模块具有驱动、保护和电流測量等功能，采用IGBT功率模块能简化能馈式牵引供电装置的系统结构，提高能馈式牵引供电装置的可靠性。每个PWM整流器还包括交流滤波电容Cf和交流滤波电感L ；交流滤波电容Cf的数量为三个，三个交流滤波电容Cf并联在交流侧的交流母线上。交流滤波电感Ld的数量为三个，分别串联在交流侧的三相交流母线上。交流滤波电容Cf与交流滤波电感L以及变压器I的三相副边绕组自身漏感Lk可以构成LCL(电感-电容-电感)型滤波器，从而可以减小PWM整流机组3注入交流电网的谐波电流。每个PWM整流器还包括直流支撑电容Cd和直流熔断器F ;直流支撑电容Cd并联在直流侧的直流母线上，直流熔断器F串联在直流侧的直流母线上。直流支撑电容Cd可以采用薄膜电容，该直流支撑电容Cd的纹波电流通过能力强，等效阻抗小，寿命长。直流熔断·器F用于在直流输出发生短路时实现对PWM整流器的主电路的保护。图5为本实用新型实施例提供的双向DC-DC变换器的主电路示意图。如图5所示，双向DC-DC变换器4包括半桥电路、滤波电感Lf和滤波电容C ;滤波电感与半桥电路的中点连接，滤波电容C与半桥电路的中点和负极连接。半桥电路可以为IGBT半桥电路，包括串联的第一 IGBT开关管SI和第二 IGBT开关管S2。半桥电路的正极和负极与PWM整流机组3的直流侧连接，半桥电路的中点和负极与ニ极管整流机组2的直流侧连接。PWM整流机组3输出的直流电压Vdc2高于ニ极管整流机组2输出的直流电压Vdcl，因而，IGBT半桥电路的正极和负极为双向DC-DC变换器4的高压输入端，IGBT半桥电路的中点和负极为双向DC-DC变换器4的低压输入端。双向DC-DC变换器4具有能量双向流动的能力。当PWM整流机组3能量正向流动时，控制第一 IGBT开关管SI的导通，双向DC-DC变换器4在降压(BUCK)模式下工作，将PWM整流机组3输出的直流电压Vdc2降压，使得Vdc2与ニ极管整流机组2的输出电压Vdcl相同，进而使得PWM整流机组3与ニ极管整流机组2并联一起对列车的直流牵引网供电。当制动能量回馈电网时，控制第二 IGBT开关管S2的导通，双向DC-DC变换器4在升压(BOOST)模式下工作，将能量通过PWM整流机组3和变压器I回送给交流电网。双向DC-DC变换器4的通过相应的控制策略，使得PWM整流机组3经过DC-DC变换器4后得到的直流电压与ニ极管整流机组2的直流输出电压特性保持一致。下面具体说明上述实施例提供的能馈式牵引供电装置的控制原理及过程上述实施例提供的能馈式牵引供电装置，可以采用控制单元对PWM整流机组3和双向DC-DC变换器4进行控制。具体地，图6为本实用新型实施例提供的能馈式牵引供电装置的控制框图。如图6所示，两个并联的ニ极管整流器直流侧电压vdc;1经过闭环控制输出所有PWM整流器的有功电流指令值I/，之后经过均流控制得到两个PWM整流器的有功电流指令值Idl*、Id2* ;可以通过控制单元给定无功指令电流Iql'1</。变压器I的原边绕组电动势ea、eb和e。经过锁相环(Phase Locked Loop，简称PLL)和dq坐标变换得到变压器I的每组副边电动势的相角θρ θ2及旋转坐标系下电动势的值Ed。上述物理量与每个ニ极管整流器的交流电流、PWM整流器的交流电流共同输入电流环(I_loopl、I_loo2)，经过运算输出控制PWM整流器的开关脉冲gl g6。图7为本实用新型实施例提供的PWM整流器的控制框图。如图7所示，该控制方法包括直流电压环和交流电流环。直流电压环的输入包括直流电压的指令值Vdc*、ニ极管整流机组2输出的直流电压Vdca及直流电流Idc;1、PWM整流机组3输出的直流电压Vtk2及直流电流し。]。 直流电压环的输出为ニ极管整流机组2的有功指令电流I/和PWM整流机组3的有功指令电流Id2'交流电流环的输入包括有ニ极管整流机组2的有功指令电流I/、网侧电动势Ed、无功指令电流I/、电网相角Θ i、ニ极管整流器的电流IA1、IB1和Ia、PWM整流器电流Ial、Ibl和し交流电流环的输出为控制PWM整流器的驱动脉冲gl g6。图8为本实用新型实施例提供的电流环控制框图。如图8所示，以ー个ニ极管整流器为例，变压器I的副边相角Θ i、旋转矢量幅值Ed、有功电流指令值I/和无功指令电流I/，ニ极管整流器交流电流Iai、Ibi和Ια，PWM整流器交流电流Ial、Ibl和Ica，经过运算，可以消除电网电动势和ニ极管整流器的干扰，可以得到PWM整流器的指令输出电压，进而通过空间矢量脉宽调制(Space Vector Pulse Width Modulation，简称SVPWM)得到控制PWM整流器的驱动脉冲gl g6。图9为本实用新型实施例提供的双向DC-DC变换器的控制框图。如图9所示，双向DC-DC变换器4的控制方式如下根据检测到的ニ极管整流机组2输出直流电流Itkl,经过比例、求和电路求出第一 IGBT开关管SI的调制占空比D，与三角载波相比较后得到驱动第一 IGBT开关管SI的PWM信号。该PWM信号经过反相器得到一路反相的PWM信号，用来驱动第二 IGBT开关管S2的导通。本领域普通技术人员可以理解实现上述各方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成。前述的程序可以存储于ー微机控制单元中。该程序在执行时，执行包括上述各方法实施例的步骤；而前述的微机控制単元包括数字处理芯片、单片机等。最后应说明的是以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管參照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。
权利要求1.ー种能馈式牵引供电装置，包括变压器、ニ极管整流机组和PWM整流机组，其特征在于，该能馈式牵引供电装置还包括双向DC-DC变换器；所述变压器的数量为ー个； 所述变压器的原边三相绕组用干与交流电源连接，所述变压器的两个副边三相绕组分别与所述ニ极管整流机组和PWM整流机组的交流侧连接； 所述双向DC-DC变换器与所述ニ极管整流机组和PWM整流机组的直流侧连接，用于调整直流侧的输出电压。
2.根据权利要求I所述的能馈式牵引供电装置，其特征在于，所述原边三相绕组为三角形连接，所述两个副边三相绕组分别为三角形连接和星形连接。
3.根据权利要求I或2所述的能馈式牵引供电装置，其特征在于，所述双向DC-DC变换器包括半桥电路、滤波电感和滤波电容；所述滤波电感与所述半桥电路的中点连接，所述滤波电容与所述半桥电路的中点和正极连接； 所述半桥电路的正极和负极与所述PWM整流机组的直流侧连接，所述半桥电路的中点和负极与所述ニ极管整流机组的直流侧连接。
4.根据权利要求I或2所述的能馈式牵引供电装置，其特征在于，所述ニ极管整流机组包括两个并联的ニ极管整流器且分别与所述两个副边三相绕组连接。
5.根据权利要求4所述的能馈式牵引供电装置，其特征在于，所述ニ极管整流器包括三组ニ极管整流単元； 每组ニ极管整流単元包括两个串联的ニ极管单元； 每组ニ极管整流単元的中点与交流侧的交流母线连接，每组ニ极管整流単元的正极和负极与直流侧的直流母线连接。
6.根据权利要求5所述的能馈式牵引供电装置，其特征在于，所述ニ极管単元包括多个并联的ニ极管且每个ニ极管串联有熔断器。
7.根据权利要求I或2所述的能馈式牵引供电装置，其特征在于，所述PWM整流机组包括两个并联的PWM整流器且分别与所述两个副边三相绕组连接。
8.根据权利要求7所述的能馈式牵引供电装置，其特征在于，所述PWM整流器包括三组功率器件；每组功率器件包括两个串联的功率模块； 每组功率器件的中点与交流侧的交流母线连接，每组功率器件的正极和负极与直流侧的直流母线连接。
9.根据权利要求8所述的能馈式牵引供电装置，其特征在于，所述PWM整流器还包括交流滤波电容和交流滤波电感； 所述交流滤波电容并联在交流侧的交流母线上，所述交流滤波电感分别串联交流侧的交流母线上。
10.根据权利要求7或8所述的能馈式牵引供电装置，其特征在干，所述PWM整流器还包括直流支撑电容和直流熔断器；所述直流支撑电容并联在直流侧的直流母线上，所述直流熔断器串联在直流侧的直流母线上。
专利摘要本实用新型提供一种能馈式牵引供电装置，包括变压器、二极管整流机组和PWM整流机组，该能馈式牵引供电装置还包括双向DC-DC变换器；所述变压器的数量为一个；所述变压器的原边三相绕组用于与交流电源连接，所述变压器的两个副边三相绕组分别与所述二极管整流机组和PWM整流机组的交流侧连接；所述双向DC-DC变换器与所述二极管整流机组和PWM整流机组的直流侧连接，用于调整直流侧的输出电压。本实用新型提供的能馈式牵引供电装置，通过双向DC-DC变换器实现二极管整流机组和PWM整流机组共用一个变压器，可以减少变压器的数量，降低能馈式牵引供电装置的成本，并且能够减小安装空间。
文档编号H02M7/12GK202488369SQ20122009390
公开日2012年10月10日 申请日期2012年3月13日 优先权日2012年3月13日
发明者全恒立, 刁利军, 刘志刚, 张钢, 徐春梅, 杨帆, 林文立, 牟富强, 王磊, 路亮, 阮白水 申请人:北京交通大学, 北京千驷驭电气有限公司