專利名稱：能饋式牽引變電所及供電系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型實(shí)施例涉及電力供電技術(shù)，尤其涉及一種能饋式牽引變電所及供電系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
新型直線電機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)，采用直線電機(jī)推進(jìn)，具有攀登坡度大、占地少、建設(shè)經(jīng)費(fèi)低、時(shí)速快、運(yùn)行平穩(wěn)、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制、無(wú)噪音、不排出有害的廢氣、利于環(huán)境保護(hù)、運(yùn)營(yíng)維護(hù)和耗能費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，是一種理想的短距離煤炭運(yùn)輸方式，對(duì)降低煤炭運(yùn)輸成本、節(jié)能減排、提高煤炭資源利用率具有十分重要的意義。牽引供電系統(tǒng)作為新型直線電機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，對(duì)系統(tǒng)安全、高效、可靠運(yùn)行，起著至關(guān)重要的作用。為了減小運(yùn)煤小車的重量，提高運(yùn)輸效率，各運(yùn)煤小車上不設(shè)置再生制動(dòng)電阻，這就要求各牽引變電所必須具有再生能量吸收能力，把電機(jī)的無(wú)用的或不需要的或有害的慣性轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，并回饋電網(wǎng)，再生循環(huán)使用，同時(shí)產(chǎn)生制動(dòng)力矩，使電機(jī)快速停止無(wú)用的慣性轉(zhuǎn)動(dòng)，傳統(tǒng)的基于二極管整流的牽引供電系統(tǒng)，能量只能單向傳輸，不能滿足要求?？紤]到煤炭礦區(qū)地形環(huán)境復(fù)雜，牽引變電所維護(hù)工作艱巨，要求對(duì)各牽引變電所運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程集中實(shí)時(shí)監(jiān)控。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型提供一種能饋式牽引變電所及供電系統(tǒng)，用以解決現(xiàn)有技術(shù)中牽引變電所的再生制動(dòng)能量吸收問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)能量的循環(huán)使用。本實(shí)用新型提供了一種能饋式牽引變電所，包括整流變壓器柜，所述整流變壓器柜內(nèi)設(shè)有一個(gè)多繞組變壓器，所述多繞組變壓器具有一個(gè)原邊繞組和多個(gè)副邊繞組，且所述多個(gè)副邊繞組采用相同的連接方式，所述多繞組變壓器的原邊繞組與交流中壓電網(wǎng)相連；能饋式牽引供電柜，所述能饋式牽引供電柜內(nèi)設(shè)有多個(gè)大功率雙向變流器，所述多個(gè)大功率雙向變流器直流側(cè)正極并聯(lián)后接到能饋式牽引供電柜正極輸出，所述多個(gè)大功率雙向變流器直流側(cè)負(fù)極并聯(lián)后接到能饋式牽引供電柜負(fù)極輸出，所述多繞組變壓器的各副邊繞組分別與一個(gè)大功率雙向變流器交流側(cè)相連。如上所述的能饋式牽引變電所，優(yōu)選的是，大功率雙向變流器的功率器件為絕緣柵雙極型晶體管功率模塊，且所述大功率雙向變流器采用三相全橋結(jié)構(gòu)。如上所述的能饋式牽引變電所，優(yōu)選的是，還包括交流高壓開(kāi)關(guān)柜，所述交流高壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)設(shè)有一個(gè)高壓交流斷路器，所述變壓器的原邊繞組通過(guò)所述高壓交流斷路器與交流中壓電網(wǎng)相連。如上所述的能饋式牽引變電所，優(yōu)選的是，還包括交流低壓開(kāi)關(guān)柜，所述交流低壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)設(shè)有多個(gè)低壓交流斷路器，在所述多繞組變壓器的副邊繞組與所述每個(gè)大功率雙向變流器交流側(cè)之間分別串接一個(gè)低壓交流斷路器。[0015]如上所述的能饋式牽引變電所，優(yōu)選的是，還包括直流饋線開(kāi)關(guān)柜，所述直流饋線開(kāi)關(guān)柜內(nèi)設(shè)有一個(gè)直流斷路器和一個(gè)直流隔離開(kāi)關(guān)，所述直流隔離開(kāi)關(guān)和直流斷路器分別串接在所述直流饋線開(kāi)關(guān)柜的正、負(fù)極母線上，所述能饋式牽引供電柜直流側(cè)輸出與所述直流饋線開(kāi)關(guān)柜輸入相連。如上所述的能饋式牽引變電所，優(yōu)選的是，還包括控制裝置，所述控制裝置包括數(shù)據(jù)輸入模塊，包括傳感器、數(shù)據(jù)調(diào)理電路和模數(shù)采集單元，所述傳感器用于采集能饋式牽引變電所中大功率雙向變流器的狀態(tài)參數(shù)，所述數(shù)據(jù)調(diào)理電路用于將采集到的狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行放大處理，所述模數(shù)采集單元用于將放大后的狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換；數(shù)據(jù)處理模塊，用于對(duì)所述數(shù)據(jù)輸入模塊采集的狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行運(yùn)算，完成相應(yīng)控制算法，產(chǎn)生脈沖寬度調(diào)制脈沖；控制模塊，接收數(shù)據(jù)處理模塊輸出的脈沖寬度調(diào)制脈沖信號(hào)，再輸出到所述大功率雙向變流器，用于控制所述大功率雙向變流器的絕緣柵雙極型晶體管的通斷；比較模塊，用于將所述數(shù)據(jù)調(diào)理電路的輸出信號(hào)與設(shè)定的保護(hù)閾值進(jìn)行比較，當(dāng)超過(guò)設(shè)定的保護(hù)閾值時(shí)，輸出一個(gè)故障信號(hào)給所述控制模塊，所述控制模塊自動(dòng)封鎖脈沖寬度調(diào)制脈沖信號(hào)的輸出。如上所述的能饋式牽引變電所，優(yōu)選的是，控制裝置的數(shù)據(jù)處理模塊為基于比例積分微分控制的雙閉環(huán)控制，且包括電流內(nèi)環(huán)控制環(huán)節(jié)和電壓外環(huán)控制環(huán)節(jié)，所有的大功率雙向變流器共用電壓外環(huán)控制環(huán)節(jié)電路，每個(gè)大功率雙向變流器具有獨(dú)立的電流內(nèi)環(huán)控制環(huán)節(jié)電路。本實(shí)用新型還提供了一種供電系統(tǒng)，包括本實(shí)用新型任意實(shí)施例所提供的能饋式牽引變電所，所述能饋式牽引變電所能饋式牽引供電柜的正極輸出與接觸網(wǎng)相連，能饋式牽引供電柜的負(fù)極輸出與鋼軌相連；監(jiān)控中心，所述監(jiān)控中心包括工控機(jī)和數(shù)據(jù)傳輸單元，所述數(shù)據(jù)傳輸單元用于通過(guò)有線或無(wú)線方式接收能饋式牽引變電所中大功率雙向變流器的狀態(tài)參數(shù)。本實(shí)用新型所提供的能饋式牽引變電所及供電系統(tǒng)，解決了再生制動(dòng)能量的吸收問(wèn)題，將制動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為電能并回饋電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了再生能量循環(huán)使用，同時(shí)產(chǎn)生制動(dòng)力矩，縮短制動(dòng)時(shí)間；再生制動(dòng)電阻的缺省減小了運(yùn)輸車體的重量，提高了運(yùn)輸效率；監(jiān)控中心能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控牽引變電所的運(yùn)行狀態(tài)，方便有效地、及時(shí)地進(jìn)行牽引變電所的維護(hù)。

圖I為本實(shí)用新型實(shí)施例所提供牽引供電系統(tǒng)的示意圖；圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例一提供的能饋式牽引變電所組成框圖；圖3為本實(shí)用新型實(shí)施例一中大功率雙向變流器主電路圖；圖4為本實(shí)用新型實(shí)施例一中大功率雙向變流器工作原理圖；圖5為本實(shí)用新型實(shí)施例二提供的大功率雙向變流器控制裝置組成框圖；圖6為本實(shí)用新型實(shí)施例三提供的大功率雙向變流器控制裝置的數(shù)據(jù)處理模塊框圖；圖7為本實(shí)用新型實(shí)施例四中監(jiān)控中心設(shè)備組成框圖。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例一圖2所示為本實(shí)用新型實(shí)施例一所提供的能饋式牽引變電所組成框圖，能饋式牽引變電所應(yīng)用在牽引供電系統(tǒng)中，是牽引供電系統(tǒng)的核心，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)安全、高效、可靠運(yùn)行，起著至關(guān)重要的作用。能饋式牽引變電所的直流輸出電源為牽引供電系統(tǒng)中車輛的行駛提供動(dòng)力源，供電區(qū)間長(zhǎng)，可以最大限度的減少能饋式牽引變電所的數(shù)量，節(jié)約投資。圖I所示為本實(shí)用新型實(shí)施例所提供的牽引供電系統(tǒng)的示意圖，其由N個(gè)能饋式牽引變電所101、監(jiān)控中心102、接觸網(wǎng)103和鋼軌104組成，監(jiān)控中心102分別與各能饋式牽引變電所101通信，從而來(lái)監(jiān)控各能饋式牽引變電所101的工作狀態(tài)，方便維護(hù)。能饋式牽引變電所101的交流側(cè)連接交流中壓電網(wǎng)100，以獲取電源，其直流側(cè)連接至接觸網(wǎng)103和鋼軌104，用于向接觸網(wǎng)103和鋼軌104之間運(yùn)行的車輛105供電。
本實(shí)用新型所提供的能饋式牽引變電所101容量至少為lMw，且該能饋式牽引變電所101的交流進(jìn)線電壓為10kv，在電力系統(tǒng)中，通?？蓪kv以下的電壓稱為低壓，Ikv以上的電壓稱為高壓，Ikw以下的功率成為小功率，Ikw以上的功率為大功率，所以本實(shí)用新型中優(yōu)選能適應(yīng)高壓和大功率工作環(huán)境的器件。當(dāng)然，實(shí)際應(yīng)用中，也可以根據(jù)具體情況設(shè)置高低壓和大小功率的分界線。如圖2所示，本實(shí)施例中能饋式牽引變電所101包括整流變壓器柜2和能饋式牽引供電柜4。其中，整流變壓器柜2內(nèi)設(shè)有一個(gè)多繞組變壓器，多繞組變壓器的原邊繞組與交流中壓電網(wǎng)100相連，該多繞組變壓器具有一個(gè)原邊繞組和多個(gè)副邊繞組，且多個(gè)副邊繞組采用相同的連接方式，對(duì)于多繞組變壓器原邊繞組和副邊繞組的連接可以有多種實(shí)現(xiàn)方式，例如，原邊繞組采用星形連接方式，各副邊繞組均采用三角形連接方式，，副邊繞組的三角形連接方式使得變壓器副邊繞組輸出電壓波形接近于正弦波，有利于進(jìn)一步地整流。能饋式牽引供電柜4內(nèi)設(shè)有N個(gè)大功率雙向變流器7，其中NS 2，多繞組變壓器副邊繞組分別與的一個(gè)大功率雙向變流器7交流側(cè)相連，N個(gè)大功率雙向變流器7直流側(cè)正極并聯(lián)后接到能饋式牽引供電柜4正極輸出，N個(gè)大功率雙向變流器7直流側(cè)負(fù)極并聯(lián)后接到能饋式牽引供電柜4負(fù)極輸出，因?yàn)槎嗬@組變壓器各副邊繞組輸出電壓相同，使得N個(gè)大功率雙向變流器7交流側(cè)輸入電壓相同，從而實(shí)現(xiàn)N個(gè)大功率雙向變流器7直流側(cè)并聯(lián)輸出，用于向接觸網(wǎng)103和鋼軌104之間運(yùn)行的車輛105(參見(jiàn)圖I)供電，提供動(dòng)力源。N個(gè)大功率雙向變流器7在工作時(shí)互為備份，當(dāng)其中一個(gè)或多個(gè)(最多N-I個(gè))大功率雙向變流器7發(fā)生故障時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)仍能夠繼續(xù)工作，保證供電的連續(xù)性和系統(tǒng)的可靠性。本實(shí)用新型所提供的能饋式牽引變電所101，由于能饋式牽引供電柜內(nèi)采用了大功率雙向變流器，實(shí)現(xiàn)了電流的雙向變化，解決了再生制動(dòng)能量的吸收問(wèn)題，可以將制動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為電能并回饋電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了再生能量循環(huán)使用，整個(gè)系統(tǒng)具有高效節(jié)能、安全可靠的顯著特點(diǎn)。為了保證能饋式牽引變電所101在實(shí)際工作過(guò)程中的安全性，且防止某個(gè)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，導(dǎo)致其它設(shè)備毀壞，需要在能饋式牽引變電所101中加入保護(hù)裝置，例如，斷路器，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)及時(shí)切斷電路，起到保護(hù)作用。為實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)電路的保護(hù)，可以在能饋式牽引變電所101與交流中壓電網(wǎng)之間設(shè)置交流高壓開(kāi)關(guān)柜1，高壓開(kāi)關(guān)柜I內(nèi)設(shè)有一個(gè)高壓交流斷路器Qa。，整流變壓器柜2的多繞組變壓器原邊繞組通過(guò)高壓交流斷路器％。與交流中壓電網(wǎng)100相連，用于控制交流中壓電網(wǎng)100與能饋式牽引變電所101連接的通斷，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)切斷電路，起到保護(hù)作用；優(yōu)選的還可在整流變壓器柜2與能饋式牽引供電柜4之間設(shè)置一個(gè)低壓交流開(kāi)關(guān)柜3，低壓交流開(kāi)關(guān)柜3內(nèi)設(shè)有N個(gè)低壓交流斷路器Q，其中，整流變壓器柜2變壓器副邊繞組與一個(gè)大功率雙向變流器7交流側(cè)之間分別串接一個(gè)低壓交流斷路器Q，低壓交流斷路器Q能夠在能饋式牽引供電柜4發(fā)生故障時(shí)，及時(shí)切斷主回路，起到保護(hù)作用。由于設(shè)備故障導(dǎo)致?tīng)恳╇娤到y(tǒng)不能正常運(yùn)行，需要對(duì)故障設(shè)備進(jìn)行維修，而且由于牽引供電系統(tǒng)通常運(yùn)行在高壓、大功率的工作環(huán)境，也需要對(duì)牽引供電系統(tǒng)尤其是牽引變電所進(jìn)行定期維護(hù)，而目前的維修、維護(hù)工作主要是通過(guò)人工方式，需要在維修前主動(dòng)切斷主回路。切斷牽引變電所主回路的方式有很多種，例如，可以在能饋式牽引供電柜4的直流側(cè)與接觸網(wǎng)103和鋼軌104之間設(shè)置一個(gè)直流饋線開(kāi)關(guān)柜5，直流饋線開(kāi)關(guān)柜5內(nèi)設(shè)有一個(gè)直流斷路器Qd。和一個(gè)直流隔離開(kāi)關(guān)Qs，其中，直流斷路器Qd。和直流隔離開(kāi)關(guān)Qs分別·串接在直流饋線開(kāi)關(guān)柜5的正、負(fù)極母線上，能饋式牽引供電柜4中大功率雙向變流器7的直流側(cè)輸出與直流饋線開(kāi)關(guān)柜5的輸入相連，直流隔離開(kāi)關(guān)Qs用于在直流饋線開(kāi)關(guān)柜5負(fù)母線上形成明顯分段點(diǎn)，便于系統(tǒng)維修，保證人身安全。直流斷路器Qd。控制直流饋線開(kāi)關(guān)柜5正母線的通斷，起直流過(guò)載保護(hù)和短路保護(hù)，這里的直流斷路器Qd。也能實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)電路的保護(hù)。圖3所示為本實(shí)施例中能饋式變電柜中大功率雙向變流器的主電路圖，能饋式牽引供電柜4中功率器件的連接方式及選擇是實(shí)現(xiàn)能饋式牽引變電所101的關(guān)鍵，其運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)直接反應(yīng)整個(gè)系統(tǒng)的性能。本實(shí)施例中能饋式牽引供電柜4內(nèi)設(shè)有N個(gè)大功率雙向變流器7，N個(gè)大功率雙向變流器7分別與整流變壓器柜2多繞組變壓器的一個(gè)副邊繞組相連，N個(gè)大功率雙向變流器7直流側(cè)正極和負(fù)極分別并聯(lián)后，再分別連接到能饋式牽引供電柜4的正、負(fù)極輸出。其中，大功率雙向變流器7采用三相全橋結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)交流到直流的整流變換，具有直流輸出電壓穩(wěn)定可控的特點(diǎn)，提高了系統(tǒng)的安全性和可靠性。其中，大功率雙向變流器7的功率器件6可以為絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor,簡(jiǎn)稱為“IGBT”)功率模塊，IGBT功率模塊驅(qū)動(dòng)功率小，非常適合應(yīng)用于交流電機(jī)、變頻器、牽引傳動(dòng)等領(lǐng)域。N個(gè)大功率雙向變流器7交流側(cè)A相、B相、C相分別串接一個(gè)電感L，電感L在車輛牽引工況下起儲(chǔ)能作用，在車輛制動(dòng)工況下起濾波作用；N個(gè)大功率雙向變流器7直流側(cè)分別并聯(lián)電容C，電容C起到儲(chǔ)能和濾波的作用。圖4所示為本實(shí)施例中大功率雙向變流器工作原理圖，如圖4所示，Uuv為整流變壓器柜2多繞組變壓器副邊繞組的U相電壓，即大功率雙向變流器7交流側(cè)A相輸入電壓，且固定不變，Uao為大功率雙向變流器7交流側(cè)A相電壓，ia為大功率雙向變流器7交流側(cè)A相電流，L為大功率雙向變流器7交流側(cè)A相電感，若Uuv > uao,則ia向右流動(dòng)，即由交流中壓電網(wǎng)流向大功率雙向變流器；若Uuv < uao,則ia向左流動(dòng)，即由大功率雙向變流器7流向交流中壓電網(wǎng)100，從而實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)能量的吸收，并回饋電網(wǎng)。在車輛制動(dòng)工況下，大功率雙向變流器7自動(dòng)進(jìn)入逆變能饋工況，由大功率雙向變流器7直流側(cè)吸收再生制動(dòng)能量注入交流側(cè)，最終回饋電網(wǎng)。[0047]實(shí)施例二圖5所示為本實(shí)用新型實(shí)施例二所提供的大功率雙向變流器的控制裝置組成框圖?？刂蒲b置10用來(lái)控制大功率雙向變流器7功率器件的通斷，并控制大功率雙向變流器7直流側(cè)電壓Udc的輸出，保證系統(tǒng)工作在安全電壓，并使得Udc穩(wěn)定、可控。本實(shí)施例中控制裝置10包括數(shù)據(jù)輸入模塊101、數(shù)據(jù)處理模塊102、比較模塊103和控制模塊104，其中，數(shù)據(jù)輸入模塊101包括傳感器111、數(shù)據(jù)調(diào)理電路112和模數(shù)(Analog to Digital,簡(jiǎn)稱為 “A/D”)采集單元 113。其中，傳感器111用于采集能饋式牽引變電所中大功率雙向變流器的狀態(tài)參數(shù)，數(shù)據(jù)調(diào)理電路102用于將采集到的狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行放大處理，模數(shù)采集單元113用于將放大后的狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換；數(shù)據(jù)處理模塊102用于對(duì)數(shù)據(jù)輸入模塊101采集的狀態(tài)參數(shù) 進(jìn)行運(yùn)算，完成相應(yīng)控制算法，產(chǎn)生脈沖寬度調(diào)制脈沖；控制模塊104用于接收數(shù)據(jù)處理模塊102輸出的脈沖寬度調(diào)制脈沖信號(hào)，并將脈沖信號(hào)放大再輸出到大功率雙向變流器，用于控制所述大功率雙向變流器的絕緣柵雙極型晶體管的通斷；比較模塊103用于將所述數(shù)據(jù)調(diào)理電路102放大處理后的輸出信號(hào)與設(shè)定的保護(hù)閾值進(jìn)行比較，當(dāng)超過(guò)設(shè)定的保護(hù)閾值時(shí)，輸出一個(gè)故障信號(hào)給所述控制模塊104,所述控制模塊104自動(dòng)封鎖脈沖寬度調(diào)制脈沖信號(hào)的輸出。該控制裝置10的工作過(guò)程如下通過(guò)傳感器111采集能饋式牽引變電所能饋式牽引供電柜4中大功率雙向變流器7的狀態(tài)參數(shù)，結(jié)合圖3所示，所述狀態(tài)參數(shù)包括大功率雙向變流器7大功率雙向變流器7交流側(cè)A相輸入電壓uuv、B相輸入電壓uvw、C相輸入電壓Uuw、交流側(cè)A相電流ia、B相電流ib、C相電流i。和直流側(cè)電壓Udc ；數(shù)據(jù)調(diào)理電路112將傳感器111采集到的狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行放大處理，以滿足A/D采集單元113輸入信號(hào)的數(shù)值范圍要求；A/D采集單元113將放大后的狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換，以便于控制裝置10控制大功率雙向變流器7的運(yùn)行狀態(tài)；數(shù)據(jù)處理模塊102接收數(shù)據(jù)輸入模塊101采集的大功率雙向變流器7狀態(tài)參數(shù)并進(jìn)行運(yùn)算，完成相應(yīng)控制算法，輸出脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation，簡(jiǎn)稱PWM)脈沖信號(hào)；控制模塊104接收數(shù)據(jù)處理模塊102輸出的PWM脈沖信號(hào)，將此脈沖信號(hào)的電平放大，將此放大后的PWM脈沖信號(hào)輸出給能饋式牽引變電所大功率雙向變流器7的功率器件6，作為能夠控制功率器件6通斷的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)交流到直流的整流。其中，控制模塊104優(yōu)選復(fù)雜可編程邏輯器件(Complex Programmable Logic Device,簡(jiǎn)稱為CPLD)；比較模塊103將數(shù)據(jù)調(diào)理電路112放大處理后的輸出信號(hào)，即放大后的能饋式牽引供電柜4中大功率雙向變流器7的狀態(tài)參數(shù)，如大功率雙向變流器7的直流側(cè)電壓Ud。，與設(shè)定的保護(hù)閾值進(jìn)行比較，當(dāng)超過(guò)設(shè)定的保護(hù)閾值時(shí)，輸出一個(gè)故障信號(hào)給控制模塊104，控制模塊104收到故障信號(hào)后自動(dòng)封鎖PWM脈沖信號(hào)的輸出，大功率雙向變流器7的功率器件6斷開(kāi)，從而大功率雙向變流器7停止運(yùn)行，防止設(shè)備的毀壞。實(shí)施例三圖6所示為本實(shí)用新型實(shí)施例三所提供的大功率雙向變流器控制裝置的數(shù)據(jù)處理模塊框圖。數(shù)據(jù)處理模塊102是控制裝置10的核心部分，實(shí)現(xiàn)對(duì)大功率雙向變流器7直流側(cè)輸出電壓Udc的控制，并輸出控制大功率雙向變流器7功率器件通斷的PWM脈沖。本實(shí)施例中數(shù)據(jù)處理模塊102優(yōu)選為基于比例積分微分(Proportion IntegralDifferential，簡(jiǎn)稱為“PID”)控制的雙閉環(huán)控制電路，包括電流內(nèi)環(huán)控制環(huán)節(jié)電路91和電壓外環(huán)控制環(huán)節(jié)電路90，所有的大功率雙向變流器共用電壓外環(huán)控制環(huán)節(jié)電路91，每個(gè)大功率雙向變流器具有獨(dú)立的電流內(nèi)環(huán)控制環(huán)節(jié)電路90。PID控制電路的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，參數(shù)易于調(diào)整，且具有良好的魯棒性，使得牽引供電柜4的直流側(cè)輸出電壓Udc更加穩(wěn)定。電壓外環(huán)控制環(huán)節(jié)電路90對(duì)大功率雙向變流器7的直流側(cè)輸出電壓Udc進(jìn)行PID閉環(huán)控制，以保證Ud。跟蹤外部輸入的直流電壓給定值U，；電流內(nèi)環(huán)控制環(huán)節(jié)電路91實(shí)現(xiàn)對(duì)N個(gè)大功率雙向變流器7交流側(cè)電流在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中d軸總有功電流分量id和q軸總無(wú)功電流分量i,的閉環(huán)控制。其中，N個(gè)大功率雙向變流器7共用電壓外環(huán)控制環(huán)節(jié)電 路90，而每個(gè)大功率雙向變流器7則具有獨(dú)立的電流內(nèi)環(huán)控制環(huán)節(jié)電路91。數(shù)據(jù)處理模塊102控制大功率雙向變流器7直流側(cè)輸出電壓Udc的具體工作過(guò)程如下I、在車輛牽引工況下，大功率雙向變流器7自動(dòng)進(jìn)入牽引整流工況，由交流側(cè)吸收能量注入直流側(cè)，經(jīng)由電壓外環(huán)控制電路的調(diào)節(jié)作用保持直流網(wǎng)壓Ud。不變，其具體過(guò)程為在車輛牽引工況下，從大功率雙向變流器7的直流側(cè)吸收能量，導(dǎo)致支撐電容(即圖3中大功率雙向變流器7直流側(cè)電容C)放電，直流電壓降低Udc降低，從而電壓外環(huán)控制環(huán)節(jié)91的輸入量Ifdc-Udc大于零，進(jìn)而PID控制器121正向積分，其輸出值i*d增加，繼而電流內(nèi)環(huán)控制環(huán)節(jié)91的d軸電流PID控制器122的輸入量i*d_id大于零，最終d軸電流的PID 控制器 122 的輸出值 L*did/dt+Rid 增加，因?yàn)?V*d = esd+ω Liq-L*did/dt-Rid，繼而 V*d 減小，u^、ul和u*。。減小，最終控制id呈增加趨勢(shì)，其中esd為同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d坐標(biāo)下的大功率雙向變流器7交流側(cè)輸入電壓，并通過(guò)鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)esd與大功率雙向變流器7交流側(cè)輸入電壓相位同步。由于id為有功電流，id的增加將給大功率雙向變流器直流側(cè)的支撐電容充電，繼而Udc增加，直到與給定值U*dc相等為止，從而實(shí)現(xiàn)了大功率雙向變流器7直流側(cè)電壓Udc的穩(wěn)定輸出。2、在車輛制動(dòng)工況下，大功率雙向變流器7自動(dòng)進(jìn)入逆變能饋工況，由直流側(cè)吸收能量注入交流側(cè)，經(jīng)由電壓外環(huán)控制環(huán)節(jié)電路的調(diào)節(jié)作用保持直流網(wǎng)壓Udc不變，其具體過(guò)程為在車輛制動(dòng)工況下，向大功率雙向變流器的交流側(cè)注入能量，導(dǎo)致支撐電容(即圖3中大功率雙向變流器7直流側(cè)電容C)充電，直流電壓降低Udc升高，從而電壓外環(huán)控制環(huán)節(jié)電路的輸入量U'-Ud。小于零，進(jìn)而PID控制器121反向積分，其輸出值i*d減小，繼而電流內(nèi)環(huán)控制環(huán)節(jié)91的d軸電流PID控制器122的輸入量i*d_id小于零，最終d軸電流的PID 控制器 122 的輸出值 L*did/dt+Rid 降低，因?yàn)?V*d = esd+ω Liq-L*did/dt-Rid，繼而 V*d 增加，u^、ul和U*。。增加，最終控制id呈降低趨勢(shì)，其中esd為同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d坐標(biāo)下的大功率雙向變流器7交流側(cè)輸入電壓，并通過(guò)鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)esd與大功率雙向變流器7交流側(cè)輸入電壓相位同步。由于id為有功電流，id的降低將給大功率雙向變流器7直流側(cè)的支撐電容放電，繼而ud。增加，直到與給定值U'相等為止，從而實(shí)現(xiàn)了大功率雙向變流器7直流側(cè)電壓Udc的穩(wěn)定輸出。數(shù)據(jù)處理模塊102輸出控制大功率雙向變流器7功率器件通斷的PWM脈沖的具體過(guò)程如下電壓外環(huán)控制環(huán)節(jié)電路90中PID控制器121的輸入值為U'-Ud。，其輸出值作為電流內(nèi)環(huán)控制環(huán)節(jié)電路91的d軸電流給定值 Λ,電流內(nèi)環(huán)控制環(huán)節(jié)電路91的q軸電流給定值1\恒為零，以保證大功率雙向變流器7的交流側(cè)功率因數(shù)為1，電流內(nèi)環(huán)控制環(huán)節(jié)電路91 PID控制器122的輸出值V*d和PID控制器123的輸出值V*q經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換后生成大功率雙向變流器7交流閥側(cè)電壓(此處的交流閥側(cè)為大功率雙向變流器7交流側(cè)的A相、B相和C相電壓)的給定值u\。、u*b0和u*。。，u*ao, u*b0和u'輸入到脈沖發(fā)生器8，優(yōu)選為載波移相PWM脈沖發(fā)生器，生成控制大功率雙向變流器7的PWM脈沖信號(hào)，從而控制大功率雙向變流器 7 功率器件的通斷，其中 V*d = esd+WLiq-L*did/dt-Rid,V*q = esq+ω Lid-L*diq/dt-Riq,esd、esq分別為同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d、q坐標(biāo)下的大功率雙向變流器7交流側(cè)輸入電壓，并通過(guò)鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)esd、esq與大功率雙向變流器7交流側(cè)輸入電壓相位同步。·實(shí)施例四圖7所示為本發(fā)明實(shí)施例四提供的牽引供電系統(tǒng)監(jiān)控中心設(shè)備組成框圖，監(jiān)控中心102通過(guò)有線或無(wú)線方式監(jiān)控能饋式牽引變電所101運(yùn)行狀態(tài)，方便能饋式牽引變電所101維修，預(yù)防重大事故的發(fā)生。如圖7所示，本實(shí)施例中能饋式牽引變電所101的監(jiān)控中心102由一臺(tái)工控機(jī)13和一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸單元14組成，數(shù)據(jù)傳輸單元14通過(guò)有線或無(wú)線方式接收大功率雙向變流器7的狀態(tài)參數(shù)，工控機(jī)13與數(shù)據(jù)傳輸單元14可以通過(guò)RS232連接來(lái)實(shí)現(xiàn)兩者之間的通信。數(shù)據(jù)傳輸單元14優(yōu)選GPRS無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸單元，GPRS無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸單元14通過(guò)無(wú)線方式接收大功率雙向變流器7的狀態(tài)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)永久在線隨時(shí)接收數(shù)據(jù)。在實(shí)際工作中，數(shù)據(jù)傳輸單元14通過(guò)有線或無(wú)線方式接收能饋式牽引變電所能饋式牽引變電柜4中大功率雙向變流器7的狀態(tài)參數(shù)，優(yōu)選通過(guò)無(wú)線方式接收能饋式牽引變電所能饋式牽引變電柜4中大功率雙向變流器7的狀態(tài)參數(shù)，并通過(guò)RS232接口傳送給工控機(jī)13，在工控機(jī)13上進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和存儲(chǔ)，當(dāng)某個(gè)能饋式牽引變電所設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，工控機(jī)13會(huì)及時(shí)發(fā)出故障報(bào)警。實(shí)施例五本發(fā)明實(shí)施例五還提供了一種供電系統(tǒng)，包括本發(fā)明任意實(shí)施例所提供的能饋式牽引變電所，該能饋式牽引變電所能饋式牽引供電柜的正極輸出與接觸網(wǎng)相連，能饋式牽引供電柜的負(fù)極輸出與鋼軌相連；還包括一監(jiān)控中心，所述監(jiān)控中心包括工控機(jī)和數(shù)據(jù)傳輸單元，所述數(shù)據(jù)傳輸單元用于通過(guò)有線或無(wú)線方式接收所述能饋式牽引變電所中大功率雙向變流器的狀態(tài)參數(shù)。在牽引供電系統(tǒng)中，首先解決的就是牽引變電所的選址問(wèn)題，其受到地形條件、車輛運(yùn)行特性曲線、發(fā)車密度等因素的影響，其次是牽引變電所中各設(shè)備工作器件的型號(hào)選擇，其受到工作環(huán)境、是否易于維護(hù)等因素的影響，再次是牽引供電系統(tǒng)中其它設(shè)備的選擇問(wèn)題，如接觸網(wǎng)，這對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的安全性、可靠性和是否高效節(jié)能起著關(guān)鍵作用。結(jié)合圖I所示，本實(shí)施例中牽引供電系統(tǒng)線路總長(zhǎng)度為6公里，根據(jù)線路地形條件、車輛運(yùn)行特性曲線和發(fā)車密度進(jìn)行牽引計(jì)算，得出線路最大功率點(diǎn)為兩處，且這兩處位置具備建牽引變電所的基本條件，則將兩個(gè)牽引變電所建于這兩處。在最大功率點(diǎn)處修建能饋式牽引變電所，不僅能提高運(yùn)力、節(jié)約能源，還能延長(zhǎng)供電分區(qū)，減少能饋式牽引變電所數(shù)量，節(jié)約投資，具有高效節(jié)能的顯著特點(diǎn)。為實(shí)現(xiàn)本實(shí)施例中能饋式牽引變電所的設(shè)計(jì)，在器件型號(hào)的選擇上需滿足能饋式牽引變電所的工作環(huán)境，如電壓和功率，滿足該環(huán)境的器件有很多種，結(jié)合圖2所示，以下將具體說(shuō)明本實(shí)施例能饋式牽引變電所101各器件的優(yōu)選方案本實(shí)施例中，牽引變電所設(shè)計(jì)容量為1麗，接觸網(wǎng)額定電壓為750V，牽引變電所的交流進(jìn)線電壓為10kv。其中，能饋式牽引供電柜4由兩臺(tái)大功率雙向變流器7組成，大功率雙向變流器7 的額定輸入電壓為500V，直流額定輸出電壓為750V，額定功率為500kW ;大功率雙向變流器7功率器件選用2400A/1700V的IGBT功率模塊；大功率雙向變流器7交流側(cè)電感L取值優(yōu)選為350uH，直流側(cè)電容C優(yōu)選采用6800uH/400V的電解電容。相應(yīng)地，整流變流器柜2多繞組變壓器為三繞組變壓器，優(yōu)選三繞組環(huán)氧樹(shù)脂澆注干式變壓器，變壓器額定容量1250kVA，變比為10000V/500V/500V，額定工作頻率50Hz ;三繞組變壓器的結(jié)構(gòu)為軸向分裂式，保證了副邊繞組變比不平衡度小于0.5%，阻抗不平衡度小于1% ;絕緣等級(jí)為F級(jí)或F級(jí)以上；絕緣水平為L(zhǎng)I75AC35/LI0AC5 ;效率大于98%;空載電流小于O. 5%倍額定電流；噪音水平空載時(shí)< 55dB，額定負(fù)荷時(shí)< 60dB ;自帶溫控儀，實(shí)時(shí)監(jiān)控三繞組變壓器溫度，將溫度控制在預(yù)設(shè)值范圍內(nèi)，當(dāng)升到設(shè)定的超限報(bào)警溫度點(diǎn)時(shí)，啟動(dòng)超限報(bào)警功能，如果三繞組變壓器溫度不能得到有效的控制，為了防止器件的毀壞還可以通過(guò)跳閘功能來(lái)停止器件繼續(xù)運(yùn)行。相應(yīng)地，交流高壓開(kāi)關(guān)柜I高壓交流斷路器Qac優(yōu)選額定電壓為10kv，額定電流為72A ;低壓交流開(kāi)關(guān)柜3低壓交流斷路器Q型號(hào)優(yōu)選均為NAI-2000/3，其額定電流為2000A ；安裝方式為抽屜式；額定極限短路分?jǐn)嗄芰cu :400V時(shí)80kA，690V時(shí)50kA ;額定運(yùn)行短路分?jǐn)嗄芰cs 400V時(shí)50kA，690V時(shí)40kA ;額定短路時(shí)耐受電流lew 50kA/lsec ;保護(hù)裝置為智能脫扣器，具有長(zhǎng)延時(shí)反時(shí)限、短延時(shí)反時(shí)限、短延時(shí)定時(shí)限、瞬動(dòng)等性能。相應(yīng)地，直流饋線開(kāi)關(guān)柜5直流斷路器優(yōu)選型號(hào)為DS16-1500/800，額定工作電壓800V，額定工作電流1500A，極限分?jǐn)嗄芰?00kA，固有動(dòng)作時(shí)間4ms ;本實(shí)施例中直流隔離開(kāi)關(guān)優(yōu)選GWZ型電動(dòng)隔離開(kāi)關(guān)，額定電壓800V，額定電流1500A，額定短時(shí)耐受電流40kA，額定短路持續(xù)時(shí)間4s，泄漏電流小于O. 5mA。對(duì)于牽引變電系統(tǒng)中的其它設(shè)備，如工控機(jī)13，可以選用臺(tái)灣研華PPC-L126T，數(shù)據(jù)傳輸單元14，選用四川火狐無(wú)線科技有限公司的GPRS無(wú)線數(shù)據(jù)終端HF-200D，接觸網(wǎng)103采用銅質(zhì)接觸線，線徑為200平方，電阻率88. 85m/km,距離軌道高度為3米，其中，接觸網(wǎng)距離軌道高度根據(jù)車輛高度和受電弓高度而定。最后應(yīng)說(shuō)明的是以上各實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對(duì)其限制；盡管參照前述各實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解其依然可以對(duì)前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分或者全部技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實(shí)施例技術(shù)方案的精神和范圍。
權(quán)利要求1.一種能饋式牽引變電所，其特征在于，包括 整流變壓器柜，所述整流變壓器柜內(nèi)設(shè)有一個(gè)多繞組變壓器，所述多繞組變壓器具有一個(gè)原邊繞組和多個(gè)副邊繞組，且所述多個(gè)副邊繞組采用相同的連接方式，所述多繞組變壓器的原邊繞組與交流中壓電網(wǎng)相連； 能饋式牽引供電柜，所述能饋式牽引供電柜內(nèi)設(shè)有多個(gè)大功率雙向變流器，所述多個(gè)大功率雙向變流器直流側(cè)正極并聯(lián)后接到能饋式牽引供電柜正極輸出，所述多個(gè)大功率雙向變流器直流側(cè)負(fù)極并聯(lián)后接到能饋式牽引供電柜負(fù)極輸出，所述多繞組變壓器的各副邊繞組分別與一個(gè)大功率雙向變流器交流側(cè)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的能饋式牽引變電所，其特征在于，所述大功率雙向變流器的功率器件為絕緣柵雙極型晶體管功率模塊，且所述大功率雙向變流器采用三相全橋結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的能饋式牽引變電所，其特征在于，還包括交流高壓開(kāi)關(guān)柜，所述交流高壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)設(shè)有一個(gè)高壓交流斷路器，所述變壓器的原邊繞組通過(guò)所述高壓交流斷路器與交流中壓電網(wǎng)相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的能饋式牽引變電所，其特征在于，所述能饋式牽引變電所還包括交流低壓開(kāi)關(guān)柜，所述交流低壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)設(shè)有多個(gè)低壓交流斷路器，在所述多繞組變壓器的副邊繞組與所述每個(gè)大功率雙向變流器交流側(cè)之間分別串接一個(gè)低壓交流斷路器。
5.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的能饋式牽引變電所，其特征在于，所述能饋式牽引變電所還包括直流饋線開(kāi)關(guān)柜，所述直流饋線開(kāi)關(guān)柜內(nèi)設(shè)有一個(gè)直流斷路器和一個(gè)直流隔離開(kāi)關(guān)，所述直流隔離開(kāi)關(guān)和直流斷路器分別串接在所述直流饋線開(kāi)關(guān)柜的正、負(fù)極母線上，所述能饋式牽引供電柜直流側(cè)輸出與所述直流饋線開(kāi)關(guān)柜輸入相連。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的能饋式牽引變電所，其特征在于，還包括控制裝置，所述控制裝置包括 數(shù)據(jù)輸入模塊，包括傳感器、數(shù)據(jù)調(diào)理電路和模數(shù)采集單元，所述傳感器用于采集能饋式牽引變電所中大功率雙向變流器的狀態(tài)參數(shù)，所述數(shù)據(jù)調(diào)理電路用于將采集到的狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行放大處理，所述模數(shù)采集單元用于將放大后的狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換； 數(shù)據(jù)處理模塊，用于對(duì)所述數(shù)據(jù)輸入模塊采集的狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行運(yùn)算，完成相應(yīng)控制算法，產(chǎn)生脈沖寬度調(diào)制脈沖； 控制模塊，用于接收數(shù)據(jù)處理模塊輸出的脈沖寬度調(diào)制脈沖信號(hào)，并將所述脈沖信號(hào)放大再輸出到所述大功率雙向變流器，用于控制所述大功率雙向變流器的絕緣柵雙極型晶體管的通斷； 比較模塊，用于將所述數(shù)據(jù)調(diào)理電路放大處理后的輸出信號(hào)與設(shè)定的保護(hù)閾值進(jìn)行比較，當(dāng)超過(guò)設(shè)定的保護(hù)閾值時(shí)，輸出一個(gè)故障信號(hào)給所述控制模塊，所述控制模塊自動(dòng)封鎖脈沖寬度調(diào)制脈沖信號(hào)的輸出。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的能饋式牽引變電所，其特征在于 所述數(shù)據(jù)處理模塊為基于比例積分微分控制的雙閉環(huán)控制電路，且包括電流內(nèi)環(huán)控制環(huán)節(jié)電路和電壓外環(huán)控制環(huán)節(jié)電路，所有的大功率雙向變流器共用電壓外環(huán)控制環(huán)節(jié)電路，每個(gè)大功率雙向變流器具有獨(dú)立的電流內(nèi)環(huán)控制環(huán)節(jié)電路。
8.—種供電系統(tǒng),其特征在于,包括權(quán)利要求1-7任一所述的能饋式牽引變電所，所述能饋式牽引變電所能饋式牽引供電柜的正極輸出與接觸網(wǎng)相連，能饋式牽引供電柜的負(fù)極輸出與鋼軌相連； 監(jiān)控中心，所述監(jiān)控中心包括工控機(jī)和數(shù)據(jù)傳輸單元，所述數(shù)據(jù)傳輸單元用于通過(guò)有線或無(wú)線方式接收所述能饋式牽引變電所中大功率雙向變流 器的狀態(tài)參數(shù)。
專利摘要本實(shí)用新型提供了一種能饋式牽引變電所及供電系統(tǒng)，該能饋式牽引變電所包括整流變壓器柜，該整流變壓器柜內(nèi)設(shè)有一個(gè)多繞組變壓器，該多繞組變壓器具有一個(gè)原邊繞組和多個(gè)副邊繞組，且多個(gè)副邊繞組采用相同的連接方式；能饋式牽引供電柜，該能饋式牽引供電柜內(nèi)設(shè)有多個(gè)大功率雙向變流器；多繞組變壓器的副邊繞組分別與一個(gè)大功率雙向變流器交流側(cè)相連。該能饋式牽引變電所及供電系統(tǒng)，解決了再生制動(dòng)能量的吸收問(wèn)題，將制動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為電能并回饋電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了再生能量循環(huán)使用；再生制動(dòng)電阻的缺省減小了運(yùn)輸車體的重量，提高了運(yùn)輸效率；供電系統(tǒng)的監(jiān)控中心能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控牽引變電所的運(yùn)行狀態(tài)，方便有效地、及時(shí)地進(jìn)行牽引變電所的維護(hù)。
文檔編號(hào)H02J3/38GK202633964SQ20122014287
公開(kāi)日2012年12月26日 申請(qǐng)日期2012年4月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月6日
發(fā)明者劉志剛, 王磊, 刁利軍, 牟富強(qiáng), 張鋼, 林文立, 全恒立, 宋永豐, 孫濤 申請(qǐng)人:北京千駟馭電氣有限公司, 北京交通大學(xué)