城市轨道交通柔性直流配电系统

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种城市轨道交通柔性直流配电系统。

背景技术

中国专利文献CN114884047A公开了一种城市轨道交通级联直挂式车站直流配电系统，取代了传统的交流输电系统通过直流母线供应地铁站内各种用电设备，从根源上去除大量工频变压器，从根本上解决了工频变压器的使用，避免工频变压器带来的巨大空载损耗，无需再考虑变压器的设备投资、夜间损耗、无功损耗和空间占用的问题，实现节能减排。消除了变压器后，整个供电系统中的无功功率损耗有效降低，由于所采用的级联直挂式变换器本身具备功率因数校正的功能，可以通过调制对系统的无功功率进行补偿，因此无需再外接SVG（StaticVar Generator，静止无功发生器）设备，进一步减少设备投资，提高经济效益。尽管如此，所提出的单路直流母线的结构仍在存在着部分问题，为地铁站内不同类型的负载供电带来了困难。

地铁站内供电系统负荷可以分为单相负荷和三相负荷，两者的额定电压有所差异。若采用单路直流母线供电，两类负载只能通过该直流母线供电，必然需要对两类设备的输入端电压进行额外的处理。基于中国专利文献CN114884047A公开的城市轨道交通级联直挂式车站直流配电系统，具体处理方法为：

采用的公共直流母线电压为650V-800V，若取700V为典型值，对于三相设备来讲，700V直流母线电压经过调制后可以使三相设备稳定运行；但是对于单相设备来讲，直流母线电压过高，为使单相设备可靠运行，需要先将直流母线电压进行降压处理。单相设备的额定电压仅为三相设备的

此外，上述专利所采用的级联直挂式中压变换器结构较为冗余，使用该结构形成两条直流母线较为困难，只能采用两套设备形成两条直流母线或者采用一套设备但是将其中的某一相输出到一条直流母线，另外两相输出到另外一条直流母线。前者会极大地增加设备的投资，经济效益很差；而后者会存在着严重的功率不平衡问题，影响系统的稳定运行，因此亟需采用其他有效的方法解决上述问题，实现双直流母线供电。

综上所述，目前仍需解决的问题有：

(1)单直流母线结构无法有效解决三相负载和单相负载的独立供电，采用大量降压DC/DC变换器存在设备投资大、功率损耗大的问题。

(2)现有地铁直流供电系统所采用的级联直挂式变换器难以实现双路直流母线的功能，无法有效实现三相和单相负载的独立供电。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的旨在提供一种城市轨道交通柔性直流配电系统，以实现三相和单相负载的独立供电。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种城市轨道交通柔性直流配电系统，所述配电系统包括电网、三相级联H桥型中压直挂式变换器、高压公共直流母线和低压公共直流母线；所述电网与所述三相级联H桥型中压直挂式变换器连接；所述三相级联H桥型中压直挂式变换器中三相之间以星形方式连接，每相均包含n个变换模块，所述n均为正整数，每个变换模块包括隔离型三端口DC/DC变换器和H桥电路，所述隔离型三端口DC/DC变换器包括1个原边电路和2个独立的副边电路，2个独立的副边电路分别为第一副边电路和第二副边电路；所述原边电路与所述H桥电路连接；各相内的所有H桥电路通过级联方式连接起来并接入相路中；各变换模块的第一副边电路均共同连接于高压公共直流母线，各变换模块第二副边电路均共同连接于低压公共直流母线，各副边电路与原边电路之间的能量流通方式不同，以实现高压公共直流母线和低压公共直流母线的电压调节。

进一步地，所述电网包括高压电网、中压电网，所述高压电网与中压电网之间装有降压变压器；所述高压电网的电压为110kV，所述中压电网的电压为35kV，所述变换模块经滤波电感与所述中压电网相连。

进一步地，所述高压公共直流母线的电压为600V-800V，所述低压公共直流母线的电压为350V-450V。

进一步地，三相设备与所述高压公共直流母线连接，单相设备与低压公共直流母线连接。

进一步地，还包括储能系统和/或光伏系统，所述储能系统和所述光伏系统均通过DC/DC变换器与所述高压公共直流母线连接。

进一步地，所述H桥电路包括ANPC型H桥或NPC型H桥或H5型H桥或H4型H桥或T型三电平H桥结构；所述隔离型三端口DC/DC变换器包括三端口有源桥式变换器或隔离型三端口LLC谐振式变换器。

进一步地，所述H桥电路为H4型H桥，所述隔离型三端口DC/DC变换器为隔离型三端口LLC谐振式DC/DC变换器；

所述H桥电路的直流输出端并联一个滤波电容C

所述H桥电路包括两个并联的桥臂，分别为第一桥臂和第二桥臂，每个桥臂包括2个带反并联二极管的开关管，所述第一桥臂包括开关管S3和开关管S4，所述开关管S3的源极与所述开关管S4的漏级相连，其连接点记为点m1，所述第二桥臂包括开关管S1和开关管S2，所述开关管S1的源极与所述开关管S2的漏级相连，其连接点记为点m2，点m1和点m2构成所述变换模块的交流输入端；

所述隔离型三端口DC/DC变换器从输入到输出依次包括原边电路、谐振电感Lr、高频隔离变压器T和副边电路；

所述原边电路包括两个并联的桥臂，分别为第三桥臂和第四桥臂，每个桥臂包括2个带反并联二极管的开关管，所述第三桥臂包括开关管Q11和开关管Q12，所述开关管Q11的源极与开关管Q12的漏极相连，其连接点记为点m3，所述第四桥臂包括开关管Q9和开关管Q10，所述开关管Q9的源极与开关管Q10的漏极相连，其连接点记为点m4；谐振电感Lr的一端与点m4连接，另一端与高频隔离变压器T的原边绕组的一端连接，高频隔离变压器T的原边绕组的另一端与点m3连接；

所述滤波电容C

所述第一副边电路包括两个并联的桥臂，分别为第五桥臂和第六桥臂，每个桥臂包括2个带反并联二极管的开关管，所述第五桥臂包括开关管Q1和开关管Q2，所述开关管Q1的源极与开关管Q2的漏极相连，其连接点记为点m5，所述第六桥臂包括开关管Q3和开关管Q4，所述开关管Q3的源极与开关管Q4的漏极相连，其连接点记为点m6；所述第一副边电路还包括电感L1，所述电感L1的一端与m5连接，所述电感L1的另一端与高频隔离变压器T的第一副边绕组的一端连接，高频隔离变压器T的第一副边绕组的另一端与点m6连接；

在第一副边电路的输出侧并联了一个滤波电容C1，所述滤波电容C1的正负极形成变换模块的高压直流输出端口；

所述第二副边电路包括两个并联的桥臂，分别为第七桥臂和第八桥臂，每个桥臂包括2个带反并联二极管的开关管，所述第七桥臂包括开关管Q5和开关管Q6，所述开关管Q5的源极与开关管Q6的漏极相连，其连接点记为点m7，所述第八桥臂包括开关管Q7和开关管Q8，所述开关管Q7的源极与开关管Q8的漏极相连，其连接点记为点m8；所述第二副边电路还包括电感L2，所述电感L2的一端与点m7连接，所述电感L2的另一端与高频隔离变压器T的第二副边绕组的一端连接，高频隔离变压器T的第二副边绕组的另一端与点m8连接；

在第二副边电路的输出侧并联了一个滤波电容C2，所述滤波电容C2的正负极形成变换模块的低压直流输出端口。

进一步地，所述三相级联H桥型中压直挂式变换器中，所有低压直流输出端口均并联一起连接至低压公共直流母线，所有高压直流输出端口均并联连接至高压公共直流母线。

本发明的有益效果在于：

1、本发明一种城市轨道交通柔性直流配电系统，舍弃传统的交流供电思路而改为直流供电系统，实现双直流母线输出的功能，从而实现将三相设备与单相设备分隔运行，所采用的拓扑结构更简单、更高效，省去大量工频变压器、Buck变换器的使用，减少损耗和投资成本，从根本上解决传统交流供电系统需要大量笨重的工频变压器的缺点，不仅可以减少设备投资成本还能够有效避免工频变压器带来的夜间空载损耗，实现节能减排，助力“双碳战略”的实现。

2、本发明高、低压侧公共直流母线实现了三相负载和单相负载的独立供电，两类负载分别由合适的电压供电，能够稳定运行。

3、本发明提出用三端口DC/DC变换器来实现双路直流母线输出的功能，解决了传统双端口DC/DC变换器难以实现的问题。若采用传统的双端口DC/DC变换装置，实现输出高、低电压直流母线的方法具有很多的弊端，而采用三端口DC/DC变换器完全可以实现引出电压等级不同的两条公共直流母线，并且这种采用结构既不会出现相内功率不平衡问题，也不会存在相间功率不平衡问题。

4、直接通过控制变换器即可完成无功功率补偿，从而实现功率因数校正，无需使用SVG补偿设备，降低投资成本。通过实时监测地铁站内用电设备的无功功率消耗，将检测的无功功率数值反馈到级联模块化中压直挂式变换器，通过变换器的并网控制策略对变换器输出的无功功率进行限制与调节，从而实现单位功率因数校正。由于从根本上消除了大量的工频变压器，因此系统中的无功损耗降低，功率因数较高，实现无功功率补偿更为简单。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为采用现有技术形成双直流母线的地铁直流供电系统；

图1-1 为图1中A相的拓扑结构放大图，B相、C相与A相结构一致；

图2为本发明城市轨道交通柔性直流配电系统原理图；

图3-1为本发明中H4型H桥拓扑结构；

图3-2为本发明中H5型H桥拓扑结构；

图3-3为本发明中T型三电平H桥拓扑结构；

图3-4为本发明中ANPC型H桥拓扑结构；

图3-5为本发明中NPC型H桥拓扑结构；

图4-1为本发明中三端口LLC谐振式DC/DC变换器；

图4-2为本发明中三有源桥型DC/DC变换器；

图5为本发明交换模块拓扑结构；

图6为本发明地铁站内直流供电负荷整改方案。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程，方法，系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

本发明针对现有的基于工频降压变压器的交流负荷供电系统和基于级联模块化中压直挂式变换器的单直流母线供电系统存在的缺点，研究采用双直流母线供电的城市轨道交通柔性直流配电系统，从而省去大量工频变压器、Buck变换器的使用，减少损耗和投资成本。

一种双直流母线供电的城市轨道交通柔性直流配电，如图2所示，包括电网、三相级联H桥型中压直挂式变换器、高压公共直流母线和低压公共直流母线；三相以星形方式连接；每相均包含n个变换模块，n均为正整数，三相级联H桥型中压直挂式变换器中共包括3n个变换模块，每个变换模块包括隔离型三端口DC/DC变换器和H桥电路，隔离型三端口DC/DC变换器包括1个原边电路和2个独立的副边电路，2个独立的副边电路分别为第一副边电路和第二副边电路；原边电路与H桥电路连接；各相内所有H桥电路通过级联方式连接起来并接入相路中；各变换模块的第一副边电路均共同连接于高压公共直流母线，各变换模块第二副边电路均共同连接于低压公共直流母线，各副边电路与原边电路之间的能量流通方式不同，以实现高压公共直流母线和低压公共直流母线的电压调节。

进一步地，电网包括高压电网、中压电网，高压电网与中压电网之间装有降压变压器；高压电网的电压为110kV，中压电网的电压为35kV，变换模块经滤波电感与中压电网相连。

具体工作原理为：从高压电网引出的110kV交流电经降压变压器降压至35kV形成中压电网，三端口级联模块化中压直挂式变换器经滤波电感与中压电网相连，通过对变换器的控制实现交直变换的功能。A、B、C三相采用三相星形连接，每一相内部的结构相同。每相都包含n个模块，每个模块又分为隔离型三端口DC/DC变换器和H桥电路两部分，每个模块间采用级联的形式连接起来，构成级联H桥结构。

H桥电路包括ANPC型H桥或NPC型H桥或H5型H桥或H4型H桥或T型三电平H桥结构；隔离型三端口DC/DC变换器包括三端口有源桥式变换器(TAB)或隔离型三端口LLC谐振式变换器。所采用的隔离型DC/DC与H桥可按工程所需电压情况而相互组合。

其中，如图3-1所示，H4型H桥包括两个并联的桥臂、滤波电容C

如图3-2所示，H5型H桥在H4型H桥的基础上，在滤波电容C

如图3-3所示，T型三电平H桥包括8个开关管、两个电容C1和C2、交流输入端和直流输出端V

如图3-4所示，ANPC型H桥包括12个开关管、两个电容C1和C2、交流输入端和直流输出端V

如图3-5所示，NPC型H桥在ANPC型H桥的基础上，将开关管Sa5替换为二极管Da1，将开关管Sa6替换为二极管Da2，将开关管Sb5替换为二极管Db1，将开关管Sb6替换为二极管Db2；二极管Da1的输出端与开关管Sa1的源极连接，二极管Da2的输出端与开关管Sa4的漏极连接，二极管Da1的输入端与二极管Da2的输出端连接；二极管Db1的输出端与开关管Sb1的源极连接，二极管Db2的输入端与开关管Sb4的漏极连接，二极管Db1的输入端与二极管Db2的输出端连接。

如图4-1所示，三端口LLC谐振式DC/DC变换器从输入到输出依次包括原边电路、谐振电感Lr、励磁电感Lm、谐振电容Cr高频隔离变压器T和副边电路；

原边电路包括两个并联的桥臂，分别为第三桥臂和第四桥臂，每个桥臂包括2个带反并联二极管的开关管，第三桥臂包括开关管Q11和开关管Q12，开关管Q11的源极与开关管Q12的漏极相连，其连接点记为点e1，第四桥臂包括开关管Q9和开关管Q10，开关管Q9的源极与开关管Q10的漏极相连，其连接点记为e2；谐振电感Lr的一端与e2连接，另一端与励磁电感Lm一端连接，谐振电容Cr的一端与e1连接，另一端与励磁电感Lm另一端连接，谐振电容Cr两端与高频隔离变压器T的原边绕组并联连接；

第一副边电路包括两个并联的桥臂，分别为第五桥臂和和第六桥臂，每个桥臂包括2个带反并联二极管的开关管，第五桥臂包括开关管Q1和开关管Q2，开关管Q1的源极与开关管Q2的漏极相连，其连接点记为点e3，第六桥臂包括开关管Q3和开关管Q4，开关管Q3的源极与开关管Q4的漏极相连，其连接点记为点e4；第一副边电路还包括电感L1，电感L1的一端与e3连接，电感L1的另一端与高频隔离变压器T第一副边绕组的一端连接，高频隔离变压器T第一副边绕组的另一端与点e4连接；在第一副边电路的输出侧并联了一个滤波电容C1，滤波电容C1的正负极形成变换模块的高压直流输出端口；

第二副边电路包括两个并联的桥臂，分别为第七桥臂和和第八桥臂，每个桥臂包括2个带反并联二极管的开关管，第七桥臂包括开关管Q5和开关管Q6，开关管Q5的源极与开关管Q6的漏极相连，其连接点记为点e5，第八桥臂包括开关管Q7和开关管Q8，开关管Q7的源极与开关管Q8的漏极相连，其连接点记为点e6；第二副边电路还包括电感L2，电感L2的一端与e5连接，电感L2的另一端与高频隔离变压器T第二副边绕组的一端连接，高频隔离变压器T第二副边绕组的另一端与点e6连接；在第二副边电路的输出侧并联了一个滤波电容C2，滤波电容C2的正负极形成变换模块的低压直流输出端口。

如图4-2所示，三端口源桥型DC/DC变换器的结构为，在三端口LLC谐振式DC/DC变换器的基础上删减励磁电感Lm、谐振电容Cr。

如图5所示，本实施例中优选H桥电路为H4型H桥，隔离型三端口DC/DC变换器为隔离型三端口LLC谐振式DC/DC变换器；如图5所示，变换模块的具体结构为：

H桥电路的直流输出端并联一个滤波电容C

H桥电路包括两个并联的桥臂，分别为第一桥臂和第二桥臂，每个桥臂包括2个带反并联二极管的开关管，第一桥臂包括开关管S3和开关管S4，开关管S3的源极与开关管S4的漏级相连，其连接点记为点m1，第二桥臂包括开关管S1和开关管S2，开关管S1的源极与开关管S2的漏级相连，其连接点记为点m2，点m1和点m2构成变换模块的交流输入端；

隔离型三端口DC/DC变换器从输入到输出依次包括原边电路、谐振电感Lr、高频隔离变压器T和副边电路；

H桥电路的直流输出端与原边电路的直流输入端连接。

原边电路包括两个并联的桥臂，分别为第三桥臂和第四桥臂，每个桥臂包括2个带反并联二极管的开关管，第三桥臂包括开关管Q11和开关管Q12，开关管Q11的源极与开关管Q12的漏极相连，其连接点记为点m3，第四桥臂包括开关管Q9和开关管Q10，开关管Q9的源极与开关管Q10的漏极相连，其连接点记为m4；谐振电感Lr的一端与m4连接，另一端与高频隔离变压器T的原边绕组的一端连接，高频隔离变压器T的原边绕组的另一端与m3连接；

所述滤波电容C

第一副边电路包括两个并联的桥臂，分别为第五桥臂和第六桥臂，每个桥臂包括2个带反并联二极管的开关管，第五桥臂包括开关管Q1和开关管Q2，开关管Q1的源极与开关管Q2的漏极相连，其连接点记为点m5，第六桥臂包括开关管Q3和开关管Q4，开关管Q3的源极与开关管Q4的漏极相连，其连接点记为点m6；第一副边电路还包括电感L1，电感L1的一端与m5连接，电感L1的另一端与高频隔离变压器T的第一副边绕组的一端连接，高频隔离变压器T的第一副边绕组的另一端与点m6连接；

在第一副边电路的输出侧并联了一个滤波电容C1，滤波电容C1的正负极形成变换模块的高压压直流输出端口；

第二副边电路包括两个并联的桥臂，分别为第七桥臂和第八桥臂，每个桥臂包括2个带反并联二极管的开关管，第七桥臂包括开关管Q5和开关管Q6，开关管Q5的源极与开关管Q6的漏极相连，其连接点记为点m7，第八桥臂包括开关管Q7和开关管Q8，开关管Q7的源极与开关管Q8的漏极相连，其连接点记为点m8；第二副边电路还包括电感L2，电感L2的一端与m7连接，电感L2的另一端与高频隔离变压器T第二副边绕组的一端连接，高频隔离变压器T第二副边绕组的另一端与点m8连接；

在第二副边电路的输出侧并联了一个滤波电容C2，滤波电容C2的正负极形成变换模块的低压直流输出端口。

级联后将三相内每个模块的三端口DC/DC隔离变换器对应端口分别连接起来并作为公共直流母线输出。三相中，所有低压直流输出端口均并联连接至低压公共直流母线，所有高压直流输出端口均并联连接至高压公共直流母线。

本发明变换模块运行的原理为：H桥输入侧通过滤波电感连接到中压电网，通过调制使H桥运行在整流状态。由于滤波电感的存在，可以将H桥、滤波电感和中压电网构成的系统看作为一个PWM整流器，通过PWM整流器的并网控制策略分别控制其输出的有功功率分量和无功功率分量，可以实现功率因数校正的功能。通过H桥整流后的电压波形仍存在波动，通过电容C

进一步地，高压公共直流母线的电压为600V-800V，低压公共直流母线的电压为350V-450V。三相设备与高压公共直流母线连接，单相设备与低压公共直流母线连接。还包括储能系统和/或光伏系统，储能系统和光伏系统均通过DC/DC变换器与高压公共直流母线连接。

由于地铁站内用电设备分为通风与空调系统、给水与排水系统等三相负载和通讯及信息系统、智慧运行控制系统、自动售检票系统、监控系统以及站内照明系统等单相负载，其额定电压等级存在一定的差异，因此应该对两类用电设备单独供电。为降低调制时谐波的影响，可以将600V-800V直流母线电压作为三相设备的输入，350V-450V直流母线电压作为单相设备的输入。为实现不同电压等级的直流电输出，可合理设置隔离型变换器的变压器变比。由高压绕组连接的AC/DC变换器输出端口引出的600V-800V直流母线可以作为高电压直流母线(典型值为700V)，由低压绕组连接的AC/DC变换器输出端口引出的350V-450V直流母线可以作为低电压直流母线(典型值为400V)。如此以来，所提出的设计方案可以实现双直流母线输出的功能，并且所采用的拓扑结构更简单、更高效。

如图2所示，高、低压侧公共直流母线实现了三相负载和单相负载的独立供电，两类负载分别由合适的电压供电，能够稳定运行。值得注意的是，高压公共直流母线除了为三相负载供电之外，还有光伏系统和储能系统接入。蓄电池/燃料电池通过DC/DC变换器连接至600V-800V直流母线作为整个系统的备用电源。当电网故障时，储能电池的能量不仅可以通过DC/DC变换器直接对高压公共直流母线供电，也可以从高压公共直流母线经过隔离型三端口DC/DC变换器送到低压公共直流母线上。此外，对于采用地面车站的特殊路段，可充分利用车站的屋顶和其他空闲的地面空间安装光伏阵列，并通过DC/DC变换器连接至600V-800V直流母线为系统提供电能，实现新能源的友好接入。

由于现有的地铁站基本都是采用交流供电系统，站内各种用电设备都是采用交流供电惯例，因此当采用如图2所示的直流供电系统设计时，需要对站内各种设备进行部分处理。在所提出的双直流母线城市轨道交通柔性直流配电系统中，由于采用的变换器已经实现了功率因数校正(PFC)和整流的功能，因此所带负载中无需再含有这两部分功能电路，将这两部分电路去除，保留后续部分的功能。如图6所示，根据负载设备的类型可以对其进行细分，例如地铁站内扶梯系统、通风与空调系统、水泵等需要采用电动机牵引的三相设备，需要将前级的PFC和整流部分去除，改造为直流负载后接入到直流母线上通过变频控制技术控制电动机的运行状态；对于地铁站内照明系统、通讯系统等单相供电设备，同样需要将前级的PFC和整流部分去除，从而改造成直流负载，接入公共直流母线后可采用DC/DC变换器将电压变换到额定电压后运行。

对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。