双向牵引变流器及控制其输出的方法和城轨列车供电系统与流程

1.本发明涉及城轨列车技术领域，尤其是涉及一种双向牵引变流器，以及控制该双向牵引变流器输出的方法和城轨列车供电系统。


背景技术：

2.目前，城市轨道交通中使用的双向牵引变流器通常为两电平或三电平变流器。由于城市轨道交通场合通常整流峰值功率显著高于逆变峰值功率，通常需要设置更高功率的二极管整流器，以满足整流峰值功率的需求。但是，二极管整流器的交流电压等级与双向牵引变流器的交流电压等级并不匹配，例如，对于1500v直流电压等级，二极管整流器通常选择约1180v的交流电压，而双向牵引变流器通常最高选择约950v的交流电压。二者交流电压的差距使得两种变流器不适合连接至牵引变压器的同一绕组使用，需要分别为两种变流器设置独立的变压器，因而增加了额外的设备成本和设备占地。


技术实现要素：

3.本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。
4.为此，本发明的一个目的在于提出一种双向牵引变流器，该双向牵引变流器，可以在直流侧电压低于交流侧电压峰值的条件下工作，从而适用于与二极管整流器等降压整流拓扑共绕组工作，不会增加额外的设备成本和占地。
5.本发明的第二个目的在于提出一种控制双向牵引变流器输出的方法。
6.本发明的第三个目的在于提出一种城轨列车供电系统。
7.为了达到上述目的，本发明的第一方面实施例提出了一种双向牵引变流器，包括：第一电容、第二电容和三相桥臂单元；
8.其中，所述第一电容的正极与每相桥臂单元的第一端子连接以作为直流母线正极，每相桥臂单元的第二端子连接后与所述第一电容的负极连接，每相桥臂单元的第三端子分别为三相交流母线，每相桥臂单元的第四端子连接后与所述第二电容的正极连接，所述第二电容的负极与每相桥臂单元的第五端子连接以作为直流母线负极；
9.所述每相桥臂单元包括多个开关管，所述每相桥臂单元能够根据多个开关管的开关状态输出不同的直流输出电平及不同的交流输出电平；
10.控制单元，与每相桥臂单元连接，用于根据接收到的上层控制信号控制每相桥臂单元的开关管在与不同的直流输出电平及不同的交流输出电平对应的开关状态之间切换，以使所述双向牵引变流器具有不同的直流侧输出以及不同的交流侧输出。
11.本发明实施例的双向牵引变流器，提出一种新型的结构，基于第一电容、第二电容和三相桥臂单元连接的全新结构，控制单元控制每相桥臂单元的开关管通或断，以使每相桥臂单元输出能够输出不同的直流输出电平与不同的交流输出电平，以使双向牵引变流器具有不同的直流侧输出以及不同的交流侧输出，从而使得该双向牵引变流器可以独立控制直流侧输出和交流侧输出，可以使得输出交流电压的瞬时值可以大于等于输出直流电压，
即在交流侧电压峰值高于直流侧电压时仍然可以正常工作，交流侧输出电压不受到直流侧电压的限制，从而可以匹配降压变流器例如二极管变流器的交流电压等级，减小两者之间交流电压的差距，可以依照二极管变流器对交流侧电压的要求来选择相同的交流侧电压，满足与二极管变流器共绕组运行的要求，无需分别设置独立变压器来条件两者电压，不会增加额外的设备成本和占地。
12.在一些实施例中，所述控制单元还用于分别控制不同直流输出电平的时间比及不同交流输出电平的时间比使得双向牵引变流器具有不同的直流侧输出以及不同的交流侧输出。
13.在一些实施例中，每相桥臂单元包括：
14.第一开关管和第二开关管，所述第一开关管的第一端作为桥臂单元的第一端子，所述第一开关管的第二端与所述第二开关管的第一端连接，所述第二开关管的第二端作为桥臂单元的第二端子，所述第一开关管的控制端与所述控制单元连接，所述第二开关管的控制端与所述控制单元连接；
15.第一电感，所述第一电感的第一端分别与所述第一开关管的第二端、所述第二开关管的第一端连接；
16.第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管、第七开关管和第八开关管，所述第三开关管的第二端与所述第一电感的第二端连接，所述第三开关管的第二端与所述第五开关管的第一端连接，所述第三开关管的控制端与所述控制单元连接，所述第四开关管的第一端与所述第一电感的第二端连接，所述第四开关管的第二端与所述第八开关管的第二端、所述第六开关管的第二端分别连接，所述第四开关管的控制端与所述控制单元连接，所述第五开关管的第一端与所述第三开关管的第一端连接，所述第五开关管的第二端与所述第六开关管的第二端连接的第一公共端作为桥臂单元的第三端子，所述第七开关管的第一端分别与所述第三开关管的第二端、所述第五开关管的第一端连接，所述第七开关管的第二端与所述第八开关管的第一端连接，所述第七开关管的控制端与所述控制单元连接，所述第八开关管的控制端与所述控制单元连接；
17.第二电感，所述第二电感的第二端与所述第七开关管的第二端、所述第八开关管的第一端分别连接；
18.第九开关管和第十开关管，所述第九开关管的第一端作为桥臂单元的第四端子，所述第九开关管的第二端与所述第二电感的第一端连接，所述第九开关管的控制端与所述控制单元连接，所述第十开关管的第一端与所述第九开关管的第二端、所述第二电感的第一端分别连接，所述第十开关管的第二端作为桥臂单元的第五端子，所述第十开关管的控制端与所述控制单元连接；
19.第三电容，所述第三电容的正极与所述第三开关管的第一端、所述第五开关管的第一端分别连接，所述第三电容的负极与所述第四开关管的第二端、所述第八开关管的第二端、所述第六开关管的第二端分别连接。
20.在一些实施例中，所述直流输出电平包括e和2e，所述交流输出电平包括-e、0和 e；其中，e为所述第一电容、所述第二电容和所述第三电容的平均电压值。
21.在一些实施例中，所述e的取值满足以下公式：
22.e＜udc＜2e，e＞sqrt(2)＊uac/2，(1+m)e＞udc/2+sqrt(2)＊uac/2；
23.其中，udc为目标直流电压，uac为目标交流电压，m为调制比。
24.在一些实施例中，所述控制单元，用于根据所述上层控制信号从开关状态表中获得每相桥臂单元的开关管在不同的直流输出电平和不同的交流输出电平对应的开关状态；
25.其中，所述开关状态表包括对应每个所述直流输出电平和每个所述交流输出电平的闭合开关管如下表：
[0026][0027]
其中，s1为第一开关管，s2为第二开关管，s3为第三开关管，s4为第四开关管， s5为第五开关管，s6为第六开关管，s7为第七开关管，s8为第八开关管，s9为第九开关管，s10为第十开关管。
[0028]
在一些实施例中，所述第一电容及所述第二电容均为钳位电容。
[0029]
为了达到上述目的，本发明第二方面实施例的控制双向牵引变流器输出的方法，用于所述的双向牵引变流器，所述方法包括：接收上层控制信号；根据所述上层控制信号控制每相桥臂单元的开关管在与不同的直流输出电平及不同的交流输出电平对应的开关状态之间切换。
[0030]
根据本发明实施例的控制双向牵引变流器输出的方法，基于上面实施例的全新结构的双向牵引变流器，控制每相桥臂单元的开关管通或断，以使每相桥臂单元输出能够输出不同的直流输出电平与不同的交流输出电平，以使双向牵引变流器具有不同的直流侧输出以及不同的交流侧输出，从而可以独立控制直流侧输出和交流侧输出，使得输出交流电压的瞬时值可以大于等于输出直流电压，在交流侧电压峰值高于直流侧电压时仍然可以正常工作，从而可以匹配降压变流器例如二极管变流器的交流电压等级，减小两者之间交流电压的差距，可以依照二极管变流器对交流侧电压的要求来选择相同的交流侧电压，从而可以与二极管变流器共绕组运行，无需设置独立变压器，不会增加额外的设备成本和占地。
[0031]
在一些实施例中，所述方法还包括：
[0032]
分别控制不同直流输出电平的时间比及不同交流输出电平的时间比使得双向牵引变流器具有不同的直流侧输出以及不同的交流侧输出。
[0033]
为了达到上述目的，本发明第三方面实施例提出了城轨列车供电系统，包括：牵引变压器；所述的双向牵引变流器，所述双向牵引变流器的直流母线正极和直流母线负极分别连接至接触网的正极和负极，所述双向牵引变流器的三相交流母线分别连接所述牵引变压器的三相绕组；整流器，所述整流器与所述双向牵引变流器连接所述牵引变压器的同一绕组。
[0034]
根据本发明实施例的城轨列车供电系统，通过采用上面实施例的双向牵引变流器，该双向牵引变流器可以在直流侧电压低于交流侧电压峰值的条件下工作，因而可以匹配整流器的交流电压等级，适合于与整流器例如二极管整流器、晶闸管整流器等降压整流
拓扑共绕组工作，从而不会增加设备成本和设备占地。
[0035]
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
[0036]
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
[0037]
图1是相关技术中一种三电平双向变流器的示意图；
[0038]
图2是相关技术中双向变流器与二极管整流器混合使用方式的示意图；
[0039]
图3是根据本发明一个实施例的双向牵引变流器的示意图；
[0040]
图4是根据本发明一个实施例的每相桥臂单元的电路示意图。
具体实施方式
[0041]
下面详细描述本发明的实施例，参考附图描述的实施例是示例性的，下面详细描述本发明的实施例。
[0042]
图1为相关技术中的一种三电平变流器结构的示意图，图2为相关技术中双向变流器与二极管整流器混合使用方式的示意图，相关技术中，由于三电平变流器和二极管整流器不同的交流电压等级需求，需要为设置独立的变压器，因而增加了额外的设备成本和设备占地。
[0043]
本发明实施例提出了全新的双向牵引变流器结构，可以在直流侧电压低于交流侧电压峰值的条件下工作，从而适用于与二极管整流器等降压整流拓扑共绕组工作，不会增加额外的设备成本和占地。
[0044]
下面参考图3和图4描述根据本发明第一方面实施例的双向牵引变流器。
[0045]
图3是根据本发明的一个实施例的双向牵引变流器的示意图，如图3所示，双向牵引变流器10包括第一电容c+、第二电容c-、控制单元(图中未示出)和三相桥臂单元例如图中la、lb和lc。
[0046]
其中，第一电容c+的正极与每相桥臂单元的第一端子t1连接以作为直流母线正极 dc+，每相桥臂单元的第二端子t2连接后与第一电容c+的负极连接，每相桥臂单元的第三端子t3分别为三相交流母线例如acu、acv和acw，每相桥臂单元的第四端子t4连接后与第二电容c-的正极连接，第二电容c-的负极与每相桥臂单元的第五端子t5连接以作为直流母线负极dc-。
[0047]
城轨交通供电系统进行工作，上层控制器会综合运行情况发送上层控制信号给到双向牵引变流器10，通过调节例如d-q调制，使得双向牵引变流器10输出稳定在目标电压范围。
[0048]
每相桥臂单元包括多个开关管，每相桥臂单元能够根据多个开关管的开关状态输出不同的直流输出电平及不同的交流输出电平；
[0049]
控制单元与每相桥臂单元连接，用于接收到上层控制信号，根据上层控制信号控制每相桥臂单元的开关管在不同的直流输出电平及不同的交流输出电平对应的开关状态之间切换，以使双向牵引变流器具有不同的直流侧输出以及不同的交流侧输出。
[0050]
本发明实施例的双向牵引变流器10，提出一种全新的结构，基于第一电容c+、第二电容c-和三相桥臂单元连接的全新结构，控制单元控制每相桥臂单元的开关管通或断，以使每相桥臂单元输出能够输出不同的直流输出电平与不同的交流输出电平，以使双向牵引变流器具有不同的直流侧输出以及不同的交流侧输出，从而使得该双向牵引变流器可以独立控制直流侧输出和交流侧输出，可以使得输出交流电压的瞬时值可以大于等于直流侧输出电压，即在交流侧电压峰值高于直流侧电压时仍然可以正常工作，从而可以匹配降压变流器例如二极管变流器的交流电压等级，减小两者之间交流电压的差距，可以依照二极管变流器对交流侧电压的要求来选择相同的交流侧电压，适用于与二极管变流器共绕组运行，无需设置独立变压器，不会增加额外的设备成本和占地。
[0051]
在实施例中，控制单元还用于分别控制不同直流输出电平的时间比及不同交流输出电平的时间比使得双向牵引变流器具有不同的直流侧输出以及不同的交流侧输出。
[0052]
进一步地，在实施例中，如图4所示，每相桥臂单元包括第一开关管s1、第二开关管s2、第三开关管s3、第四开关管s4、第五开关管s5、第六开关管s6、第七开关管 s7、第八开关管s8、第九开关管s9和第十开关管s10、第一电感lu、第二电感l1和第三电容c。
[0053]
其中，第一开关管s1的第一端作为桥臂单元的第一端子t1，第一开关管s1的第二端与第二开关管s2的第一端连接，第二开关管s2的第二端作为桥臂单元的第二端子t2，第一开关管s1的控制端与控制单元连接，第二开关管s2的控制端与控制单元连接。
[0054]
第一电感lu的第一端分别与第一开关管s1的第二端、第二开关管s2的第一端连接。
[0055]
第三开关管s3的第二端与第一电感lu的第二端连接，第三开关管s3的第二端与第五开关管s5的第一端连接，第三开关管s3的控制端与控制单元连接，第四开关管s4 的第一端与第一电感lu的第二端连接，第四开关管s4的第二端与第八开关管s8的第二端、第六开关管s6的第二端分别连接，第四开关管s4的控制端与控制单元连接，第五开关管s5的第一端与第三开关管s3的第一端连接，第五开关管s5的第二端与第六开关管s6的第一端连接的第一公共端作为桥臂单元的第三端子t3，第七开关管s7的第一端分别与第三开关管s3的第一端、第五开关管s5的第一端连接，第七开关管s7的第二端与第八开关管s8的第一端连接，第七开关管s7的控制端与控制单元连接，第八开关管s8的控制端与控制单元连接。
[0056]
第二电感l1的第二端与第七开关管s7的第二端、第八开关管s8的第一端分别连接。
[0057]
第九开关管s9的第一端作为桥臂单元的第四端子t4，第九开关管s9的第二端与第二电感l1的第一端连接，第九开关管s9的控制端与控制单元连接，第十开关管s10的第一端与第九开关管s9的第二端、第二电感l1的第一端分别连接，第十开关管s10的第二端作为桥臂单元的第五端子t5，第十开关管s10的控制端与控制单元连接。
[0058]
第三电容c的正极与第三开关管s3的第一端、第五开关管s5的第一端分别连接，第三电容c的负极与第四开关管s4的第二端、第八开关管s8的第二端、第六开关管s6 的第二端分别连接。
[0059]
本发明实施例提出了图4所示的全新的桥臂单元的结构，控制单元控制每相桥臂单元的开关管通或断，以使每相桥臂单元输出能够输出不同的直流输出电平与不同的交流输出电平，以使双向牵引变流器具有不同的直流侧输出以及不同的交流侧输出，以使双向
牵引变流器10的交流侧输出电压不受到直流侧电压的限制，可以匹配二极管变流器的交流侧电压需求，适合于与二极管变流器共绕组工作，无需独立设置变压器。
[0060]
在一些实施例中，双向牵引变流器的每相桥臂单元的直流输出电平包括e和2e，交流输出电平包括-e、0和e，即控制单元控制每相桥臂单元中的开关管在e和2e对应的开关状态以及在-e、0和e对应的开关状态切换，以得到目标直流侧输出电压和目标交流侧输出电压，且其中目标交流侧输出电压的瞬时值可以高于目标直流侧输出电压，从而匹配二极管变流器的交流电压等级，实现两者的共绕组运行。其中，e为第一电容c+、第二电容c-和第三电容c的平均电压值。
[0061]
具体来说，正常运行时，双向牵引变流器10的第一电容c+、第二电容c-和各相桥臂的第三电容c的电压接近，记其平均值为e，则通过选择闭合部分开关管，可以使得每相桥臂单元的t1和t5端子间的输出电压(输出直流电压)在e和2e之间切换、使得每相桥臂单元的t3端子与直流侧中点间的电压(输出交流电压)在e、0和-e之间切换。
[0062]
在一些实施例中，对于图4所示的每相桥臂单元结构，e的取值可以满足以下公式：
[0063]
e＜udc＜2e，e＞sqrt(2)＊uac/2，(1+m)e＞udc/2+sqrt(2)＊uac/2；
[0064]
其中，udc为目标直流侧输出电压，uac为目标交流侧输出电压，m为调制比。
[0065]
通过选取合适的电压e，可以使得所提出的双向牵引变流器10在适合于二极管整流器的交流电压下运行，并实现对交流电流和直流电流的有效控制。
[0066]
在实施例中，控制单元，用于根据上层控制信号从开关状态表中获得每相桥臂单元的开关管在不同的直流输出电平和不同的交流输出电平对应的开关状态；其中，开关状态表包括的对应每个直流输出电平和每个交流输出电平的闭合开关管如下表1所示。
[0067]
由于对于交流输出电平和直流输出电平的任意组合，都至少可以通过两种开关状态实现，因此通过在不同的开关状态间切换，双向牵引变流器的直流电压输出和交流电压输出分别可以在e-2e和-e-e的范围内独立调节；并且通过选取某一输出电压对应的不同开关状态，可以实现电容间电压的平衡。
[0068]
表1
[0069][0070]
其中，s1为第一开关管，s2为第二开关管，s3为第三开关管，s4为第四开关管， s5为第五开关管，s6为第六开关管，s7为第七开关管，s8为第八开关管，s9为第九开关管，s10为第十开关管。
[0071]
下面参照图3和图4举例说明，如图3所示，双向牵引变流器10的dc+和dc-分别连接至1500v城轨接触网的正极和负极，acu、acv和acw分别连接至牵引变压器的1180v 三相绕组。
[0072]
为了在直流电压上升至1700v时保证调制比低于0.9(三次谐波注入后)，可以选择
额定电容电压e为890v，在额定电容电压下输出目标直流电压的范围890v～1780v、输出目标交流电压瞬时值的范围为-890v～890v、交流线电压输出最大有效值1254v，从而可以使得交流侧输出电压的最大有效值为1254v。双向牵引变流器10工作过程中，通过调节直流侧输出890v和1780v的状态所占时间的比例，可以实现对直流侧电压的控制。例如，对于开关频率1500hz、直流侧输出电压1500v的工况，可以各相桥臂单元均依次输出210μs的890v和457μs的1780v，从而在经过桥臂中的第一电感lu和第二电感l1的滤波后可以得到稳定的1500v电压。
[0073]
同样地，通过调节交流侧输出-890v、0v和890v的开关状态所占时间的比例，可以实现对交流侧电压的控制，以满足能够与二极管变流器共绕组运行的要求。并进一步通过电流控制环和功率控制环实现对交流端口有功功率和无功功率的控制。城轨列车从双向牵引变流器10直流侧抽取和注入的电流分别会导致双向牵引变流器10电容电压的下降和上升，通过对交流端口有功功率的控制可以使得变流器的电容电压维持恒定在890v 附近。从而，实现对交流侧和直流侧的有效控制。
[0074]
概况来说，本发明实施例的双向牵引变流器10，其交流侧输出电压不受到直流侧输出电压的限制，因此，可以在直流侧输出电压低于交流侧输出电压的峰值的条件下工作，从而适合于与二极管整流器、晶闸管整流器等降压整流拓扑共绕组工作，无需设置独立的变压器，不会增加额外的设备成本和设备占地。
[0075]
基于上述实施例的双向牵引变流器，下面描述本发明第二方面实施例的控制双向牵引变流器输出的方法。
[0076]
本发明实施例的方法用于上面实施例的双向牵引变流器，至少包括：接收到上层控制信号，根据上层控制信号控制每相桥臂单元的开关管在直流输出电平对应的开关状态之间切换，以及控制每相桥臂单元中的开关管在交流输出电平对应的开关状态之间切换。
[0077]
根据本发明实施例的控制双向牵引变流器输出的方法，基于上面实施例的全新结构的双向牵引变流器，控制每相桥臂单元的开关管通或断，可以使得输出交流信号的瞬时值大于等于目标直流信号，从而可以匹配降压变流器例如二极管变流器的交流电压等级，在交流侧电压峰值高于直流侧电压时仍然可以正常工作，可以依照二极管变流器对交流侧电压的要求来选择相同的交流侧电压，从而可以与二极管变流器共绕组运行，无需设置独立变压器，不会增加额外的设备成本和占地。
[0078]
通过选取合适的电压e，可以使得所提出的双向牵引变流器在适合于二极管整流器的交流电压下运行，并实现对交流电流和直流电流的有效控制。
[0079]
在实施例中，在控制每相桥臂单元的开关管切换之前，所述方法还包括：根据所述上层控制信号从开关状态表中获得每相桥臂单元的开关管在每个直流输出电平和所述交流输出电平对应的开关状态；其中，所述开关状态表包括的对应每个所述直流输出电平和每个所述交流输出电平的闭合开关管如表1所示。如表1所示，对于交流输出电压和直流输出电压的任意组合，都至少可以通过两种开关状态实现，因此通过在不同的开关状态间切换，双向牵引变流器的直流电压输出和交流电压输出分别可以在e-2e和-e-e 的范围内独立调节；并且通过选取某一输出电压对应的不同开关状态，可以实现电容间电压的平衡。
[0080]
在实施例中，方法还包括：分别控制不同直流输出电平的时间比及不同交流输出电平的时间比使得双向牵引变流器具有不同的直流侧输出以及不同的交流侧输出。
[0081]
下面描述本发明第三方面实施例的城轨列车供电系统。本发明实施例的城轨列车供电系统包括牵引变压器、上面实施例的双向牵引变流器和整流器。
[0082]
双向牵引变流器的直流母线正极和直流母线负极分别连接至接触网的正极和负极，双向牵引变流器的三相交流母线分别连接牵引变压器的三相绕组；整流器与双向牵引变流器连接牵引变压器的同一绕组。
[0083]
根据本发明实施例的城轨列车供电系统，通过采用上面实施例的双向牵引变流器，该双向牵引变流器可以在直流侧电压低于交流侧电压峰值的条件下工作，因而可以匹配整流器的交流电压等级，适合于与整流器例如二极管整流器、晶闸管整流器等降压整流拓扑共绕组工作，从而不会增加设备成本和设备占地。
[0084]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。
[0085]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。