一種直流牽引供電裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種直流牽引供電裝置，包括依次連接的降壓模塊、交直流變換模塊、分壓模塊和DC/DC電壓轉(zhuǎn)換模塊；降壓模塊通過高壓斷路器接入三相供電電源，進(jìn)行三相降壓；交直流變換模塊將交流電轉(zhuǎn)換為直流電并進(jìn)行功率傳輸；分壓模塊包括多個串聯(lián)的分壓單元，對直流電進(jìn)行串聯(lián)分壓；DC/DC電壓轉(zhuǎn)換模塊包括多個并聯(lián)的DC/DC電壓轉(zhuǎn)換單元，每個DC/DC電壓轉(zhuǎn)換單元并接在一個分壓單元上，對分壓單元輸出的分壓電壓進(jìn)行直流電壓轉(zhuǎn)換，各轉(zhuǎn)換后電壓并聯(lián)輸出至直流牽引供電系統(tǒng)。本發(fā)明適用范圍廣、節(jié)約成本且工程量小，在不改變交流牽引供電網(wǎng)結(jié)構(gòu)同時實(shí)現(xiàn)牽引系統(tǒng)直流供電，具有能解決輸入電壓高、輸出電流大應(yīng)用問題的優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】—種直流牽引供電裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及機(jī)車牽引供電【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及在交流牽引供電系統(tǒng)中的一種直流牽引供電裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，對于供電制式，歐洲鐵路主要有4種，分別是交流15kV/16.7Hz、交流25kV/50Hz、直流1.5kV和直流3kV ;而美國鐵路采用的供電制式則主要有交流12.5kV/60Hz及25kV/60Hz ;歐洲許多相鄰的國家和地區(qū)之間也往往具有2?4種供電制式。隨著多流制機(jī)車的發(fā)展，同時為了滿足跨區(qū)域、跨國運(yùn)輸?shù)囊螅捎孟鄬τ谕耆y(tǒng)一的鐵路網(wǎng)供電制式可以使工作量更小、費(fèi)用更節(jié)省，也更切合實(shí)際。
[0003]在我國，由于電壓等級和電流制的不同，鐵路電力機(jī)車牽引供電系統(tǒng)和城市軌道交通車輛牽引供電系統(tǒng)采用各自獨(dú)立的單制式供電，干線鐵路(包括高速鐵路)和城市軌道交通地鐵、輕軌分開運(yùn)行，兩者均為交流傳動，只是供電取能方式不同，其中干線鐵路采用交流25kV/50Hz供電，而地鐵、輕軌使用DC1500V (750V)供電。隨著我國軌道交通的發(fā)展，地區(qū)鐵路與城市軌道交通連接的問題已經(jīng)出現(xiàn)，例如上海軌道交通11號線已經(jīng)規(guī)劃延伸到江蘇省的昆山市，不排除今后與地區(qū)鐵路連接；廣東省也已經(jīng)開始規(guī)劃珠三角城際軌道交通與廣州、深圳地鐵的兼容問題。
[0004]為了實(shí)現(xiàn)地區(qū)鐵路、城市郊區(qū)鐵路和城市軌道交通列車的跨線運(yùn)行，且不考慮電網(wǎng)容量，城軌機(jī)車、貨運(yùn)機(jī)車在有干線鐵路和城市軌道的供電網(wǎng)內(nèi)混跑在雙流制供電下，這在未來是可能出現(xiàn)的，尤其在干線鐵路跑城軌機(jī)車。而對于主機(jī)廠，若同時生產(chǎn)交流車和各電壓等級的直流車，這些機(jī)車進(jìn)行試驗(yàn)時如果既建交流線又建直流線則投資大。
[0005]綜上所述，需要在不改變現(xiàn)有交流牽引供電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)下，解決現(xiàn)有牽引供電系統(tǒng)的單一供電制式問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題就在于:針對現(xiàn)有技術(shù)存在的技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種結(jié)構(gòu)原理簡單、適用范圍廣、節(jié)約成本及工程量、不改變現(xiàn)有交流牽引供電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)同時實(shí)現(xiàn)牽引系統(tǒng)的直流供電、能夠解決輸入電壓高輸出電流大的應(yīng)用問題的一種直流牽引供電裝置。
[0007]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出的技術(shù)方案為:
一種直流牽引供電裝置，包括依次連接的降壓模塊、交直流變換模塊、分壓模塊和DC/DC電壓轉(zhuǎn)換模塊；所述降壓模塊通過高壓斷路器接入三相供電電源，對三相電進(jìn)行降壓；所述交直流變換模塊連接于降壓模塊低壓側(cè)，用于將降壓后的交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓并進(jìn)行功率傳輸；所述分壓模塊包括多個串聯(lián)的分壓單元，對交直流變換模塊輸出的直流電壓進(jìn)行串聯(lián)分壓；所述DC/DC電壓轉(zhuǎn)換模塊包括多個并聯(lián)的DC/DC電壓轉(zhuǎn)換單元，每個所述DC/DC電壓轉(zhuǎn)換單元并接在一個分壓單元上，對分壓單元輸出的分壓電壓進(jìn)行直流電壓轉(zhuǎn)換，各DC/DC電壓轉(zhuǎn)換單元將轉(zhuǎn)換后電壓并聯(lián)輸出至直流牽引供電系統(tǒng)。
[0008]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn):所述交直流變換模塊采用基于H橋結(jié)構(gòu)的換流器，所述換流器包括三相，分別接入降壓模塊輸出的三相交流側(cè)，每相包括兩個橋臂，每個橋臂由多個功率單元和一個閥電抗器串聯(lián)構(gòu)成。
[0009]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn):所述功率單元包括呈并聯(lián)連接的均壓電阻R、支撐電容C及H型整流橋，所述H型整流橋包括四個整流單元，每個整流單元均包括一個IGBT開關(guān)管和一個二極管，所述二極管與所對應(yīng)的IGBT開關(guān)管反向并聯(lián)；通過控制各個整流單元中IGBT開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷，控制所述功率單元輸出零、&或-?的電壓，其中&為支撐電容C的額定電壓。
[0010]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn):每個所述分壓單元采用分壓電容，將交直流變換模塊輸出的直流電壓等分為多個電壓。
[0011]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn):所述DC/DC轉(zhuǎn)換單元包括依次連接的DC/AC變換器、隔離變壓器以及AC/DC變換器。
[0012]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:
(1)本發(fā)明在不改變現(xiàn)有交流牽引供電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)下，將三相交流電源經(jīng)過降壓、直流變換、分壓、電壓轉(zhuǎn)換后并聯(lián)輸出適用于城軌系統(tǒng)供電的1500V或750V直流電,實(shí)現(xiàn)對牽引系統(tǒng)的直流供電，也可以應(yīng)用于其他直流供電場合，適用范圍廣泛，解決主機(jī)廠的交直流試驗(yàn)線的統(tǒng)一問題，從而實(shí)現(xiàn)地鐵和城軌鐵路接軌時的雙流制供電，且能夠減少大量的重復(fù)建設(shè)，以避免巨大的資源浪費(fèi)、有效節(jié)省投資成本及工程量。
[0013](2)本發(fā)明采用模塊化多電平換流器實(shí)現(xiàn)將交流電到直流電的變換，能夠靈活擴(kuò)寬輸入電壓和輸出電流范圍并提高可靠性，同時通過直流輸電能夠降低線路損耗、提高電網(wǎng)的輸送能力，從而節(jié)約電能；模塊化多電平換流器采用基于H橋結(jié)構(gòu)的換流器時，能夠輸出連續(xù)可調(diào)的高電壓、大電流，可直接用于高壓直流輸電，也可以用于直流融冰，且其整流電路諧波含量極低，可以解決牽引網(wǎng)三相平衡、功率因數(shù)及諧波等一系列問題，保證供電可靠性、提高電網(wǎng)的輸電能力。
[0014](3)本發(fā)明采用先通過串聯(lián)的分壓單元對直流電進(jìn)行分壓再對各分壓后電壓進(jìn)行DC/DC變換，并聯(lián)輸出變換后電流，即實(shí)現(xiàn)輸入串聯(lián)、輸出并聯(lián)，能夠很好的解決輸入電壓高、輸出電流大的應(yīng)用問題。
[0015](4)本發(fā)明通過采用模塊化多電平換流器進(jìn)行直流變換，并對直流電進(jìn)行DC/DC電壓轉(zhuǎn)換，替換了傳統(tǒng)供電系統(tǒng)中的牽引變壓器和整流機(jī)組，減少了占地面積，能夠有效降低諧波含量、提高系統(tǒng)功率因數(shù)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1是本實(shí)施例一種直流牽引供電裝置拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖2是本實(shí)施例中功率單元結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖例說明
1、降壓變壓器；2、換流器；3、分壓電容；4、DC/DC轉(zhuǎn)換單元。
【具體實(shí)施方式】[0019]以下結(jié)合說明書附圖和具體優(yōu)選的實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步描述，但并不因此而限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0020]如圖1所示，本實(shí)施例一種直流牽引供電裝置，包括依次連接的降壓模塊、交直流變換模塊、分壓模塊和DC/DC電壓轉(zhuǎn)換模塊。降壓模塊通過高壓斷路器QF接入三相供電電源，對三相電進(jìn)行降壓；交直流變換模塊連接于降壓模塊低壓側(cè)，用于進(jìn)行交流-直流電壓轉(zhuǎn)換、傳輸功率以及為交流系統(tǒng)提供一定無功功率支撐；分壓模塊包括多個串聯(lián)的分壓單元，對交直流變換模塊輸出的直流電壓進(jìn)行串聯(lián)分壓；DC/DC電壓轉(zhuǎn)換模塊包括多個并聯(lián)的DC/DC電壓轉(zhuǎn)換單元，對每個分壓單元輸出的分壓電壓分別進(jìn)行直流電壓轉(zhuǎn)換，各路轉(zhuǎn)換后電壓并聯(lián)輸出至直流牽引供電系統(tǒng)；每一個DC/DC電壓轉(zhuǎn)換單元并接在一個分壓單元上，其中降壓模塊采用降壓變壓器I，交直流變換模塊采用基于H橋結(jié)構(gòu)的換流器2，分壓單元采用分壓電容3。
[0021]本實(shí)施例中，降壓變壓器I的高壓側(cè)通過網(wǎng)側(cè)高壓斷路器接入三相供電電源，二次側(cè)繞組通過網(wǎng)側(cè)高壓斷路器QF與交直流變換模塊連接。閉合網(wǎng)側(cè)高壓斷路器QF，降壓變壓器I的輸入端直接接于高壓電網(wǎng)，根據(jù)實(shí)際需求，降壓變壓器I將三相供電電源降壓至合適的電壓等級后輸出至換流器2。
[0022]本實(shí)施例采用模塊化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)將交流電到直流電的變換，通過模塊化多電平換流器設(shè)置能夠靈活擴(kuò)寬輸入電壓和輸出電流范圍，提高可靠性和靈活性，同時將交流電轉(zhuǎn)換為直流輸電后還能夠降低線路損耗、提高電網(wǎng)的輸送能力，從而節(jié)約電能。
[0023]本實(shí)施例中，換流器2包括三相，分別接入降壓變壓器I的三相交流側(cè)，輸入降壓后的三相高壓交流電，每相分為上、下兩個橋臂，且各橋臂包括多個相同結(jié)構(gòu)的功率單元以及一個與功率單元串聯(lián)的閥電抗器，其中三相的上、下橋臂中功率單元分別為:UfUn、Un+rU2n ;V1?Vn、Vn+1?V2n ;W1?Wn、Wn+1?W2n，閥電抗器分別為:La、Lb和Lc。通過調(diào)整功率單元的設(shè)置數(shù)量，可以靈活改變換流器2的輸出電壓和功率等級。換流器2的三相將輸入的三相高壓交流電整流為直流電，構(gòu)成三個并聯(lián)的直流電源，閥電抗器用于抑制三個相單元間的環(huán)流，還可有效減小換流器2內(nèi)部或外部故障時的電流上升率。
[0024]如圖2所示，本實(shí)施例中功率單元結(jié)構(gòu)，包括四個IGBT開關(guān)管VTf VT4、四個二極管Dl?D4、均壓電阻R以及支撐電容C，其中由四個IGBT開關(guān)管VTrVT4和四個二極管Dl?D4構(gòu)成整流橋，四個二極管Dl?D4分別與四個IGBT開關(guān)管VTf VT4 —一對應(yīng)進(jìn)行反向并聯(lián)，由均壓電阻R和支撐電容C構(gòu)成直流濾波電路，整流橋與直流濾波電路并聯(lián)。通過控制四個IGBT開關(guān)管VTl?VT4的導(dǎo)通和關(guān)斷，功率單元輸出零或Ud或-Ud電壓，其中Ud為支撐電容C的額定電壓。
[0025]本實(shí)施例模塊化多電平的換流器2作為實(shí)現(xiàn)高壓直流輸電工程化的電壓源型換流器拓?fù)渲唬湎啾扔趥鹘y(tǒng)直流輸電技術(shù)，例如傳統(tǒng)的二極管或晶閘管整流器，沒有換向失敗的問題，可實(shí)現(xiàn)有功和無功的快速控制同時諧波含量低，還可以解決牽引網(wǎng)三相平衡、功率因數(shù)及諧波等一系列問題，保證供電可靠性、提高電網(wǎng)的輸電能力；同時換流器2能夠產(chǎn)生任何一種極性的直流輸出電壓，其功率半導(dǎo)體器件還能夠清除換流器2直流側(cè)故障而無需任何額外的開關(guān)，可廣泛應(yīng)用于輸配電領(lǐng)域。
[0026]本實(shí)施例中，分壓模塊包括串聯(lián)的多個相同結(jié)構(gòu)的分壓單元Cf Cm，每個分壓單元采用分壓電容3，根據(jù)實(shí)際需求將換流器2轉(zhuǎn)換輸出的高壓直流電進(jìn)行串聯(lián)分壓，等分為m個電壓。
[0027]本實(shí)施例中，DC/DC電壓轉(zhuǎn)換模塊包括并聯(lián)的m個相同結(jié)構(gòu)的DC/DC轉(zhuǎn)換單元4，每個DC/DC轉(zhuǎn)換單元4相應(yīng)的并接至一個分壓電容3上，由DC/DC轉(zhuǎn)換單元4將分壓電容3上的分壓電壓變換成適合于城軌供電系統(tǒng)的供電電源DC1500V/750V。DC/DC電壓轉(zhuǎn)換模塊的輸出負(fù)端通過隔離開關(guān)QS接地，進(jìn)行直流牽引供電時，閉合隔離開關(guān)QS，各分壓電容3上的分壓電壓經(jīng)過DC/DC轉(zhuǎn)換單元4的直流轉(zhuǎn)換后并聯(lián)輸出至城軌供電系統(tǒng)。
[0028]本實(shí)施例中，DC/DC轉(zhuǎn)換單元4包括依次連接的DC/AC變換器、隔離變壓器以及AC/DC變換器，m個DC/DC轉(zhuǎn)換單元4分別對應(yīng)DC/AC變換器fm、隔離變壓器和AC/DC變換器1、，每個DC/DC轉(zhuǎn)換單元4對輸入直流電執(zhí)行DC-AC的逆變后再進(jìn)行AC-DC的整流變換，將各個分壓電容3上的分壓電壓變換為1500V/750V的直流，輸出給城軌供電系統(tǒng)進(jìn)行直流牽引供電。在其他實(shí)施例中，還可以根據(jù)實(shí)際需求變換為DC1500V/750V以外的其他大小的直流電壓。
[0029]本實(shí)施例采用先由分壓電容3對直流電進(jìn)行分壓，再對分壓后電壓分別進(jìn)行DC/DC變換，并聯(lián)輸出變換后電流，此種輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)便于實(shí)現(xiàn)直流電壓的變換，可以很好的應(yīng)用在輸入電壓高、輸出電流大的場合，解決輸入電壓高、輸出電流大的應(yīng)用問題。
[0030]工作時，在閉合網(wǎng)側(cè)高壓斷路器QF、隔離開關(guān)QS后，降壓變壓器I的輸入端直接接于高壓電網(wǎng)，降壓變壓器I進(jìn)行降壓后由換流器2將降壓后的三相高壓交流電整流成高壓直流電，通過多個分壓電容3進(jìn)行串聯(lián)分壓，每個分壓電容3兩端電壓經(jīng)DC/DC轉(zhuǎn)換單元4變換成適用于給城軌系統(tǒng)供電的1500V或750V直流電源后并聯(lián)輸出。
[0031]采用上述結(jié)構(gòu)，本實(shí)施例在不改變現(xiàn)有交流牽引供電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)下，在交流牽引供電系統(tǒng)中將三相交流電源經(jīng)過降壓、直流變換、分壓后并聯(lián)輸出適用于城軌系統(tǒng)供電的1500V或750V直流電，實(shí)現(xiàn)對牽引系統(tǒng)的直流供電，從而解決主機(jī)廠的交直流試驗(yàn)線的統(tǒng)一問題，從而實(shí)現(xiàn)地鐵和城軌鐵路接軌時的雙流制供電，使資源和環(huán)境的承載能力相協(xié)調(diào)、與社會進(jìn)步相適應(yīng)；由于在現(xiàn)有交流牽引供電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)下進(jìn)行直流轉(zhuǎn)換，可以減少大量的重復(fù)建設(shè)，以避免巨大的資源浪費(fèi)，有效節(jié)省投資成本及工程量。在其他實(shí)施例中，本發(fā)明同樣也適用于其他需要直流供電的場合提供直流供電，其原理與上述一致。
[0032]上述只是本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制。雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例揭露如上，然而并非用以限定本發(fā)明。任何熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍的情況下，都可利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容對本發(fā)明技術(shù)方案做出許多可能的變動和修飾，或修改為等同變化的等效實(shí)施例。因此，凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明技術(shù)實(shí)質(zhì)對以上實(shí)施例所做的任何簡單修改、等同變化及修飾，均應(yīng)落在本發(fā)明技術(shù)方案保護(hù)的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種直流牽引供電裝置，其特征在于:包括依次連接的降壓模塊、交直流變換模塊、分壓模塊和DC/DC電壓轉(zhuǎn)換模塊；所述降壓模塊通過高壓斷路器接入三相供電電源，對三相電進(jìn)行降壓；所述交直流變換模塊連接于降壓模塊低壓側(cè)，將降壓后的交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓并進(jìn)行功率傳輸；所述分壓模塊包括多個串聯(lián)的分壓單元，對交直流變換模塊輸出的直流電進(jìn)行串聯(lián)分壓；所述DC/DC電壓轉(zhuǎn)換模塊包括多個并聯(lián)的DC/DC電壓轉(zhuǎn)換單元，每個所述DC/DC電壓轉(zhuǎn)換單元并接在一個分壓單元上，對分壓單元輸出的分壓電壓進(jìn)行直流電壓轉(zhuǎn)換，各DC/DC電壓轉(zhuǎn)換單元將轉(zhuǎn)換后電壓并聯(lián)輸出至直流牽引供電系統(tǒng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種直流牽引供電裝置，其特征在于:所述交直流變換模塊采用基于H橋結(jié)構(gòu)的換流器(2)，所述換流器(2)包括三相，分別接入降壓模塊輸出的三相交流側(cè)，每相包括兩個橋臂，每個橋臂由多個功率單元和一個閥電抗器串聯(lián)構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種直流牽引供電裝置，其特征在于:所述功率單元包括呈并聯(lián)連接的均壓電阻R、支撐電容C及H型整流橋，所述H型整流橋包括四個整流單元，每個整流單元均包括一個IGBT開關(guān)管和一個二極管，所述二極管與所對應(yīng)的IGBT開關(guān)管反向并聯(lián)；通過控制各個整流單元中IGBT開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷，控制所述功率單元輸出零、&或-Ud的電壓，其中&為支撐電容C的額定電壓。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3中任意一項(xiàng)所述的一種直流牽引供電裝置，其特征在于:每個所述分壓單元采用分壓電容(3 )，將交直流變換模塊輸出的直流電壓等分為多個電壓。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3中任意一項(xiàng)所述的一種直流牽引供電裝置，其特征在于:所述DC/DC轉(zhuǎn)換單元(4)包括依次連接的DC/AC變換器、隔離變壓器以及AC/DC變換器。
【文檔編號】H02M3/335GK104009657SQ201410176673
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年4月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月29日
【發(fā)明者】龍禮蘭, 黃燕艷, 周方圓, 王衛(wèi)安, 吳強(qiáng), 羅仁俊, 張敏, 邱文俊, 涂紹平, 龔芬, 吳明水, 胡前, 吳選保 申請人:株洲變流技術(shù)國家工程研究中心有限公司