一种混合型地铁牵引双向供电装置

技术领域

本发明涉及城市轨道交通供电系统技术领域，具体涉及一种混合型地铁牵引双向供电装置。

背景技术

近几年来我国城市轨道交通发展非常迅速，为了响应国家节能减排政策，国内地铁牵引供电系统逐步推广二极管整流机组+再生制动能量回馈装置模式来实现降低能耗的目的。但二极管整流机组输出直流牵引网电压随负载增加会出现较大跌落，导致供电距离较短，需要增加牵引供电站数量，提高了地铁建设成本。同时，加入的再生制动能量回馈装置进一步增加了整套牵引供电系统的复杂性和占地面积，提高了整体建设和运维成本。

随着大功率电力电子变流技术的发展，集整流牵引供电和逆变能量回馈功能于一身的双向变流装置逐渐在地铁里得到了应用。国内若干企业对地铁双向变流装置进行了有益的研究和探索。现有技术1徐州中矿大传动与自动化有限公司的专利《轨道交通双向变流柜》（申请号：201710039531.5）、现有技术2南京亚派科技股份有限公司的专利《基于模块化ANPC三电平逆变器的地铁双向变流装置》（申请号：202010674809.8）两篇专利比较具有代表性。

在电路结构上，现有技术申请号为：CN201710039531.5，公开了一种轨道交通双向变流柜，其采用四台二极管中点钳位（NPC）三电平逆变器交、直流侧直接并联，取消了交流滤波电感，采用高阻抗变压器的漏感对开关纹波进行滤波。该方案的优点是三电平逆变器开关纹波小、损耗低、开关频率高，但NPC三电平逆变器在整流工况下存在长换流回路，IGBT（绝缘栅双极型晶体管）关断电压尖峰较高，影响装置可靠性。其次，取消滤波电感虽然可以减小双向变流柜尺寸，但采用的高阻抗变压器尺寸、噪音均较大，并且四台NPC三电平逆变器之间存在电流分配不均的隐患。

现有技术申请号为：CN202021377570.X，公开了一种基于模块化ANPC三电平逆变器的地铁双向变流装置，采用若干台模块化有源中点钳位（ANPC）三电平逆变器交流侧串联滤波电感，然后连接到两套独立变压器绕组的电路结构。该方案的优点是ANPC三电平逆变器消除了NPC三电平逆变器在整流工况下的长换流回路，有效减小了IGBT关断电压尖峰，提升装置可靠性。并且，两套独立变压器绕组实现了两台逆变器交流侧隔离，能够采用载波移相控制减小输出开关纹波，提升电流波形质量。

综上，上述两种现有技术都是基于IGBT（绝缘栅双极型晶体管）的双向变流器，但IGBT器件过载能力有限且价格较贵，通常能够实现两倍短时过载，但面对三倍过载的极端工况需要付出较大的成本代价。

发明内容

1.所要解决的技术问题：

针对上述技术问题，本发明提供一种混合型地铁牵引双向供电装置，采用双向变流器和二极管整流器的混合的地铁牵引双向供电装置，能够在成本增加不多的条件下提供三倍过载能力，保证牵引系统供电可靠性；只需一台多绕组变压器就能满足双向变流器和二极管整流器的电压耦合需求，显著减小了系统体积、重量和成本；变压器副方绕组的连接方式保证了较好的波形质量。

2.技术方案：

一种混合型地铁牵引双向供电装置，其特征在于：包括第一双向变流器、第二双向变流器、第一二极管整流桥、第二二极管整流桥、副边多绕组升压变压器；所述第一双向变流器、第二双向变流器、第一二极管整流桥、第二二极管整流桥的直流侧均与直流电网相连；所述副边多绕组升压变压器设置四个低压绕组，则第一双向变流器、第二双向变流器、第一二极管整流桥、第二二极管整流桥的交流侧均连接至副边多绕组升压变压器对应的其中的一个低压绕组；所述升压变压器高压绕组连接至中压电网。

进一步地，所述双向变流器包括一台双向变流逆变模块以及与之相连的交流滤波电感；所述双向变流逆变模块的直流端与直流电网相连，交流端通过与之相连的交流滤波电感连接至副边多绕组升压变压器的对应副边绕组；其中第一双向变流逆变模块连接的副方绕组为星接；第二双向变流逆变模块连接的副方绕组为角接。

进一步地，所述二极管整流桥的直流端与直流电网相连，交流端连接至副边多绕组升压变压器的对应副边绕组；其中第一二极管整流桥连接的副方绕组为星接、第二二极管整流桥连接的副方绕组为角接。

进一步地，所述副边多绕组升压变压器为三相三柱式，其高压侧为三角形接法，低压侧包括两组三相星型接法绕组、两组三相三角形型接法绕组；副方绕组为双向变流器和二极管整流桥分别提供合适的电压。

3.有益效果：

（1）本装置采用双向变流器与二极管整流桥混合，其中双向变流器能够提供2倍的过载，与二极管整流桥协同出力能够达到3倍过载。

（2）本装置中能够在成本增加不多的条件下提供三倍过载能力，二极管整流桥成本明显低于双向变流器。

（3）本装置体积小，只需一台多绕组变压器就能满足双向变流器和二极管整流器的电压耦合需求，副方多绕组升压变压器同时连接双向变流器和二极管整流桥，无需额外增加变压器。

（4）本装置的电流波形质量好，两台双向变流器之间采用载波移相控制，具有倍增开关频率的效果，减小注入电网的开关纹波电流；两台二极管整流桥可以实现12脉波整流，消除了5、7次谐波。

附图说明

图1为本装置的整体电路拓扑图；

图2为本发明中采用的双向变流逆变模块的电路拓扑图；

图3为本发明采用的二极管整流桥电路拓扑图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行具体的说明。

如附图1所示，一种混合型地铁牵引双向供电装置，包括第一双向变流器、第二双向变流器、第一二极管整流桥、第二二极管整流桥、副边多绕组升压变压器；所述第一双向变流器、第二双向变流器、第一二极管整流桥、第二二极管整流桥的直流侧均与直流电网相连；所述副边多绕组升压变压器设置四个低压绕组，则第一双向变流器、第二双向变流器、第一二极管整流桥、第二二极管整流桥的交流侧均连接至副边多绕组升压变压器对应的其中的一个低压绕组；所述升压变压器高压绕组连接至中压电网。

进一步地，所述双向变流器包括一台双向变流逆变模块以及与之相连的交流滤波电感；所述双向变流逆变模块的直流端与直流电网相连，交流端通过与之相连的交流滤波电感连接至副边多绕组升压变压器的对应副边绕组；其中第一双向变流逆变模块连接的副方绕组为星接；第二双向变流逆变模块连接的副方绕组为角接。

进一步地，所述二极管整流桥的直流端与直流电网相连，交流端连接至副边多绕组升压变压器的对应副边绕组；其中第一二极管整流桥连接的副方绕组为星接、第二二极管整流桥连接的副方绕组为角接。

进一步地，所述副边多绕组升压变压器为三相三柱式，其高压侧为三角形接法，低压侧包括两组三相星型接法绕组、两组三相三角形型接法绕组；副方绕组为双向变流器和二极管整流桥分别提供合适的电压。

具体实施例：

当列车牵引/制动时，混合型地铁牵引双向供电装置实现牵引供电/制动能量回馈功能。在牵引供电状态下，双向变流器承担2倍过载以内的整流功率，2倍到3倍之间的过载功率由二极管整流桥提供。在制动能量回馈状态下，双向变流器承担所有逆变回馈功率。

如图1、2、3所示，其中图2为本发明的双向变流逆变模块的电路拓扑图；图3本发明采用的二极管整流桥电路拓扑图；其中的各个部件如下：

双向变流器：两台ANPC三电平逆变模块组分别连接到副方多绕组升压变压器副方1#、2#绕组；每台ANPC三电平逆变模块的交流侧串联滤波电感后并联、直流侧直接并联。两台ANPC三电平逆变模块进行载波错相控制，减小注入电网的开关纹波电流。1#、2#绕组分别采用星接和角接，也可以减小低次谐波电流的产生。

ANPC三电平双向变流逆变模块：逆变器为ANPC三电平电路拓扑，输出1/2Udc、0、-1/2Udc三种电平，相比普通两电平电路的Udc、-Udc输出，能将开关纹波幅值减小一倍。并且IGBT只承担1/2Udc母线电压，是普通两电平电路的一半，可以采用较低耐压的IGBT降低开关损耗，提高开关频率。这样输出开关纹波频率高、幅值小，能够减小交流滤波电感尺寸、降低成本。

如附图2所示的实施例，在本实施例中每个ANPC三电平逆变桥臂采用3只半桥IGBT模块构成，其中1号IGBT模块实现T1/D1、T5/D5，2号IGBT模块实现T2/D2、T3/D3，3号IGBT模块实现T4/D4、T6/D6。采用交流电压正半波T2长通，T1、T5互补PWM，T3、T4、T6给长断控制信号；交流电压负半波T3长通，T4、T6互补PWM，T1、T2、T5给长断控制信号的控制方式可以确保换流回路都在1、3号IGBT模块内部，有效降低IGBT关断电压尖峰，保证装置运行可靠性。

交流滤波电感：每台ANPC三电平双向变流逆变模块的交流输出都串联滤波电感，该电感用于滤除开关纹波。相比采用高阻抗变压器漏感方案，可以有效减少变压器体积、重量。

二极管整流桥：其直流端与直流电网相连，交流端连接至副边多绕组升压变压器的对应副边绕组；第一二极管整流桥连接星接的3#副方绕组；第二二极管整流桥连接角接的4#副方绕组；所述二极管整流桥可以采用附图3所示的由6个二极管构成的三相整流桥。3#、4#副方绕组分别为星接和角接，实现了12脉波整流，消除了普通二极管整流桥的5、7次谐波，有效改善了电流波形质量。

变压器：为双向变流器和二极管整流器提供与中压交流电网之间的电压匹配。变压器为三相三柱式，高压侧三角形接法，连接35/33kV电网，低压侧有四组三相绕组。1#、2#绕组连接两台双向变流器，额定线电压均为0.95kV，分别为星接和角接。这两套绕组为两台双向变流器的载波移相控制进行隔离，防止产生高频环流。变压器具有6%的短路阻抗，其漏感被用作双向逆变器输出滤波电感的一部分，由于其感值较小，因此主要还是依靠专门安装的铁芯滤波电感。3#、4#绕组连接两台二极管整流器，额定线电压均为1.18kV，分别为星接和角接，实现12脉波整流。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但它们并不是用来限定本发明的，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明之精神和范围内，自当可作各种变化或润饰，因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求保护范围所界定的为准。