一種地鐵再生能量電阻吸收裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型公開一種地鐵再生能量電阻吸收裝置，包括兩條以上用于吸收再生能量的吸收支路，各條吸收支路并聯(lián)后通過濾波電路和開關組件接入直流牽引供電網；吸收支路包括用于控制再生能量吸收的斬波電路和用于消耗能量的吸收電阻，斬波電路與吸收電阻串聯(lián)，斬波電路為IGCT斬波電路。本實用新型具有電路結構簡單、成本低廉、穩(wěn)定性和可靠性高的優(yōu)點。
【專利說明】
一種地鐵再生能量電阻吸收裝置

【技術領域】
[0001]本實用新型涉及城軌地鐵供電【技術領域】，尤其涉及一種地鐵再生能量電阻吸收裝置。

【背景技術】
[0002]城軌地鐵由于地鐵站間的間距較短，列車運行過程中需要頻繁啟動和制動，由此產生的網壓升高及洞內溫升等問題對電站設備和列車的運行具有不利的影響。目前國內外通常是在牽引變電所內設置再生制動能量吸收裝置來吸收剩余制動能量，從而維持電網電壓穩(wěn)定，吸收裝置所采用的吸收方案主要有電阻消耗型、電容儲能型、飛輪儲能型和逆變回饋型等，其中電阻消耗型由于控制簡單、性能可靠而被廣泛應用。
[0003]電阻消耗型吸收裝置中通常采用電力電子元件構成的斬波開關來調節(jié)電阻吸收的能量，早期的地鐵電阻能量吸收裝置是采用GT0(Gate Turn-Off thyristor,可關斷晶閘管)作為斬波開關，而這種裝置由于GTO本身具有不均勻關斷的特性，需要龐大的dv/dt吸收電路來吸收關斷過程中所產生的過電壓，同時由于其門極驅動電路較為復雜且驅動功率大。
[0004]IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor,絕緣柵極門控晶體管)綜合了功率MOSFET (功率金屬氧化物半導體場效應晶體管)和雙極性功率晶體管兩者的功能，既有MOSFET易驅動的特點，又具備功率晶體管電壓電流容量大等優(yōu)點，其頻率特性介于MOSFET與功率晶體管之間，可正常工作于幾十kHZ頻率范圍內，因此目前大部分的地鐵電阻能量吸收裝置通常是采用IGBT作為斬波開關的斬波電路。但由于IGBT本身的耐受能力不夠，采用IGBT斬波電路的電阻能量吸收裝置應用在高電壓、大容量的系統(tǒng)中時，一方面需要將多個IGBT進行并聯(lián)使用，同時需要設置復雜的保護電路以保證其正常運行，從而增加裝置的制造成本；另一方面為了抑制直流網產生的過電壓以及短路電流通常還需要采用由大電感器和大電容器組成的LC濾波電路以及直流接觸器等，進一步增加成本，同時在動態(tài)過程中還容易引起LC振蕩，影響設備的正常運行，使得穩(wěn)定性和可靠性不高。
實用新型內容
[0005]本實用新型要解決的技術問題就在于:針對現(xiàn)有技術存在的技術問題，本實用新型提供一種電路結構簡單、成本低廉、穩(wěn)定性和可靠性高的地鐵再生能量電阻吸收裝置。
[0006]為解決上述技術問題，本實用新型提出的技術方案為:
[0007]一種地鐵再生能量電阻吸收裝置，包括兩條以上用于吸收再生能量的吸收支路，各條所述吸收支路并聯(lián)后通過濾波電路和開關組件接入直流牽引供電網；所述吸收支路包括用于控制再生能量吸收的斬波電路和用于消耗能量的吸收電阻，所述斬波電路與吸收電阻串聯(lián)，所述斬波電路為IGCT斬波電路。
[0008]優(yōu)選地，所述吸收支路的數(shù)量為偶數(shù)。
[0009]優(yōu)選地，所述IGCT斬波電路包括反壓阻斷二極管和IGCT，所述反壓阻斷二極管與IGCT并聯(lián)。
[0010]優(yōu)選地，所述IGCT斬波電路還設有用于吸收尖峰過電壓的阻容吸收電路，所述阻容吸收電路與IGCT并聯(lián)。
[0011]優(yōu)選地，所述阻容吸收電路包括呈串聯(lián)連接的電阻和電容。
[0012]優(yōu)選地，所述吸收支路還設有續(xù)流二極管，所述續(xù)流二極管與吸收電阻并聯(lián)。
[0013]優(yōu)選地，所述濾波電路包括電抗器L和用于吸收電抗器L儲存能量的電抗器能量吸收單元，所述電抗器L和電抗器能量吸收單元之間并聯(lián)連接。
[0014]優(yōu)選地，所述電抗器能量吸收單元包括呈串聯(lián)連接的二極管和電阻。
[0015]優(yōu)選地，所述開關組件包括隔離開關QS和高速斷路器QF，所述隔離開關QS —端連接濾波電路，另一端通過高速斷路器QF連接直流牽弓丨供電網。
[0016]優(yōu)選地，各條所述吸收支路的一端依次通過濾波電路、開關組件與直流牽引供電網的正極母線相連、另一端共同與直流牽引供電網的負極母線相連，所述開關組件與濾波電路之間設有第一避雷器F1，所述吸收支路與直流牽引供電網的負極母線之間設有第二避雷器F2。
[0017]與現(xiàn)有技術相比，本實用新型的優(yōu)點在于:本實用新型通過吸收支路吸收城軌地鐵列車制動時的再生能量，每條吸收支路采用IGCT斬波電路控制再生能量的吸收，電流及電壓的耐受能量強，所需的吸收支路少，同時不需要復雜的外圍保護電路，電路結構簡單、所需制造成本低且穩(wěn)定性和可靠性高。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1是本實施例地鐵再生能量電阻吸收裝置的結構示意圖。
[0019]圖例說明:1、吸收支路；11、斬波電路；111、阻容吸收電路；12、吸收電阻；2、濾波電路；21、電抗器能量吸收單元；3、開關組件。

【具體實施方式】
[0020]以下結合說明書附圖和具體優(yōu)選的實施例對本實用新型作進一步描述，但并不因此而限制本實用新型的保護范圍。
[0021]如圖1所示，本實施例地鐵再生能量電阻吸收裝置包括兩條用于吸收再生能量的吸收支路1，各條吸收支路I并聯(lián)后通過濾波電路2和開關組件3接入直流牽引供電網；吸收支路I包括用于控制再生能量吸收的斬波電路11和用于消耗能量的吸收電阻12，斬波電路11與吸收電阻12串聯(lián)，斬波電路11為IGCT斬波電路。
[0022]IGCT (Integrated Gate Commutated Thyristor,集成門極換流晶閘管)是在 GTO基礎上發(fā)展起來的半導體器件，其是由門極驅動單元和GCT (門極換流晶閘管)集成而成，既繼承了 GTO的可靠性又具有比GTO更為優(yōu)越的性能，綜合了晶體管的穩(wěn)定關斷能力和晶閘管導通損耗的性能特點，可以像晶閘管一樣導通，也可以像IGBT —樣進行關斷，具有電流大、電壓高、開關頻率高、可靠性高、結構緊湊、損耗低等優(yōu)點，并且成本低同時功率損耗低。本實施例中斬波電路11為IGCT斬波電路，通過控制IGCT斬波電路來控制吸收支路I吸收列車制動時產生的再生能量，電路結構簡單、電流及電壓的耐受能力強。
[0023]需要說明的是，本實施例地鐵再生能量電阻吸收裝置包括兩條吸收支路1，但是為了可靠地吸收列車產生制動再生能量，同時考慮到元件容量和牽引網諧波電流的限制，也可以根據需要設置更多的吸收支路1，且吸收支路I的數(shù)量N為偶數(shù)(N為2的整數(shù)倍)。本實施例中，每條吸收支路I即為一相，同時各條吸收支路I不同時導通，各條吸收支路I工作時根據再生制動時直流母線電壓的變化狀態(tài)調節(jié)IGCT斬波電路的導通比以改變吸收功率，將直流電壓恒定在一定范圍內，吸收的再生能量通過吸收電阻12消耗掉，N條吸收支路I構成對再生能量的N重恒壓吸收控制系統(tǒng)，其中吸收支路I的導通角及投入的相數(shù)則由線網電壓的大小決定。
[0024]由于IGCT的電流耐受能力強，使得采用IGCT斬波電路的吸收支路I的吸收能力強，因此吸收支路I只需配置少量相數(shù)就能夠達到吸收功率的需求，從而有效降低電路復雜度以及制造成本。
[0025]參見圖1，本實施例具體包括第一吸收支路和第二吸收支路，其中以圖中左側吸收支路I為第一吸收支路，右側吸收支路I為第二吸收支路，第一吸收支路與第二吸收支路并聯(lián)。第一吸收支路包括第一 IGCT斬波電路以及第一吸收電阻R11，第二吸收支路包括第二IGCT斬波電路以及第二吸收電阻R12，第一吸收支路的斬波開關為第一 IGCT CH1，第二吸收支路的斬波開關為第二 IGCT CH2。
[0026]本實施例中，IGCT斬波電路包括反壓阻斷二極管和IGCT，反壓阻斷二極管與IGCT并聯(lián)。本實施例中IGCT斬波電路中IGCT具體采用5SHY 35L4510型IGCT，也可根據實際需求選用其他型的IGCT。由于IGCT不具備承受反相電壓的能力，本實施例通過并聯(lián)反壓阻斷二極管來為IGCT提供承受反壓的能力，從而能夠有效提高IGCT斬波電路承受反壓的能力。參見圖1，第一 IGCT斬波電路、第二 IGCT斬波電路的反壓阻斷二極管分別為二極管VD2、VD4，二極管 VD2、VD4 分別與第一 IGCT CH1、第二 IGCT CH2 并聯(lián)。
[0027]本實施例中，IGCT斬波電路還設有用于吸收尖峰過電壓的阻容吸收電路111，阻容吸收電路111與IGCT并聯(lián)。通過阻容吸收電路111來吸收尖峰過電壓，從而避免尖峰過電壓損壞IGCT。參見圖1，第一 IGCT斬波電路、第二 IGCT斬波電路分別設有第一阻容吸收電路、第二阻容吸收電路，第一阻容吸收電路包括串聯(lián)的第二電阻R2和第一電容Cl、第二阻容吸收電路包括串聯(lián)的第三電阻R3和第二電容C2。
[0028]本實施例中，吸收支路I還設有續(xù)流二極管，續(xù)流二極管與吸收電阻12并聯(lián)。續(xù)流二極管用來吸收電阻12中的電感所產生的反電動勢，從而保護吸收支路I。參見圖1，第一吸收支路和第二吸收支路的續(xù)流二極管分別為二極管VD3、VD5。IGCT的關斷時間為7 μ S左右，較傳統(tǒng)的IGBT的關斷時間(940ns左右)更長，僅需要快速二極管作為續(xù)流管就能滿足需求，因而所需成本低，例如可采用ZK系列的快恢復二極管，其成本要遠小于傳統(tǒng)的采用IGBT作為續(xù)流二極管的成本。
[0029]本實施例中，濾波電路2包括電抗器L和用于吸收電抗器L儲存能量的電抗器能量吸收單元21，電抗器L和電抗器能量吸收單元21之間并聯(lián)連接。在吸收支路I開通時，通過電抗器L來抑制IGCT過大的電流上升率di/dt以及在發(fā)生短路時抑制短路電流，在吸收支路I關斷時，通過電抗器能量吸收單元21吸收電抗器L儲存的能量，以免電抗器L產生超高的反電動勢ε =-Ldi/dt,從而保護吸收支路I。參見圖1,電抗器能量吸收單元21包括串聯(lián)的二極管VDl和第一電阻R1。由于IGCT的電壓耐受能力強，通過阻容吸收電路111就能夠實現(xiàn)對IGCT的過壓保護，將過電壓抑制在正常工作范圍之內，而不需要復雜的外圍保護電路就能夠正常運行，電路結構簡單且可靠性高。濾波電路2中的電抗器L僅需采用低電感量的電抗器、阻容吸收電路111也僅需采用簡單小容量的RC電路，所需的制造成本低。
[0030]本實施例中，開關組件3包括隔離開關QS和高速斷路器QF，隔離開關QS —端連接濾波電路2，另一端通過高速斷路器QF連接直流牽引供電網的正極。通過高速斷路器QF接入直流牽引供電網，由隔離開關QS將濾波電路2、各吸收支路I與供電網進行隔離，以便進行調試、檢測以及故障處理，發(fā)生短路時由濾波電路2進行抑制，確保高速斷路器QF可靠跳閘。
[0031]本實施例中，吸收支路I的一端依次通過濾波電路2、開關組件3與直流牽引供電網的正極母線相連、另一端共同與直流牽引供電網的負極母線相連，開關組件3與濾波電路2之間設有第一避雷器F1，吸收支路I與直流牽引供電網的負極母線之間設有第二避雷器F2。
[0032]當電網電壓超過預設值時吸收支路I立即投入工作，由IGCT斬波電路控制吸收列車制動時的再生能量以穩(wěn)定網壓，吸收電阻12將吸收的再生能量轉換為熱能消耗掉。IGCT的控制部分由門極及其控制環(huán)節(jié)構成，IGCT受門極環(huán)節(jié)控制。
[0033]本實施例中，還包括控制上述地鐵再生能量電阻吸收裝置的控制電路，通過控制電路控制實現(xiàn)城軌地鐵列車的再生能量的吸收，具體工作原理如下所示:
[0034]I)控制電路未上電時，高速斷路器QF斷開，第一 IGCT CHl、第二 IGCT CH2處于脈沖封鎖狀態(tài)；
[0035]2)閉合隔離開關QS，控制電路上電且控制電路自檢正常后，閉合高速斷路器QF ；
[0036]3)控制電路判斷確認本供電區(qū)段內列車處于再生制動狀態(tài)，而導致電網電壓升高到預設值(例如1720V)時，自動輸出PWM觸發(fā)脈沖觸發(fā)各條吸收支路I的斬波電路11工作，對網壓進行恒壓閉環(huán)控制，將電網電壓穩(wěn)定在一定的電壓值，否則封鎖觸發(fā)脈沖，處于待機狀態(tài)。
[0037]本實施例中，控制電路與地面控制中心通信連接，由控制電路監(jiān)測上述地鐵再生能量電阻吸收裝置的各種狀態(tài)及故障信息，若出現(xiàn)如下情況:電網電壓過高(例如DC1850V)或過低(例如DC950V)、主電路電氣部件故障(隔離開關QS、高速斷路器QF)等、斬波電路11故障、控制電路故障、直流側總電流過流、吸收電阻12超溫、控制電路自檢不正常等時，由控制電路封鎖脈沖并重新啟動，若重復執(zhí)行一定次數(shù)后故障仍然存在則控制電路封鎖脈沖同時輸出斷開高速斷路器QF的控制指令，將故障進行存儲以提供故障顯示以及向控制中心報警。一旦控制電路輸出斷開高速斷路器QF的控制指令，則自動保持該控制指令至少5s。
[0038]本實施例中，高速斷路器QF的合、斷也可由控制中心發(fā)出指令，但閉合高速斷路器則必須由控制電路許可，在供電系統(tǒng)設備不正常時，地面控制中心將供電系統(tǒng)設備故障信號傳輸給控制電路，由控制電路自行切斷或由控制中心直接發(fā)出斷開高速斷路器QF的指令，使本實施例地鐵再生能量電阻吸收裝置從供電網切除。
[0039]本實施例隔尚開關QS米用電動分、合閘方式，隔尚開關QS與聞速斷路器QF具有電氣連鎖，當分斷隔離開關QS時，斬波電路11必然已封鎖脈沖并高速斷路器QF已斷開。
[0040]本實施例中，通過電壓傳感器SVl測量供電網壓，并通過比較供電變電所高壓側電壓在直流側的歸算值和整流器輸出直流側電壓值判斷列車的運行狀態(tài)，具體的判斷邏輯如下:若直流側電壓大于高壓側電壓歸算值，則可判定指定供電區(qū)段內有車輛處于再生工況，且線路吸收不足；若直流側電壓小于高壓側電壓歸算值，則可判定指定供電區(qū)段內有列車處于牽引運行工況或處于再生工況但再生能量被線路充分吸收；若直流側電壓約等于高壓側電壓歸算值，則可判定指定供電區(qū)段內此時無列車運行或有列車處于再生工況但同時處于再生能量剛好被線路吸收的臨界狀態(tài)，而只有當檢測到第一種情況(直流側電壓大于高壓側電壓歸算值)且直流側網壓升高到一定程度時，吸收支路1才投入工作，由各條吸收支路1吸收制動車輛的回饋能量，從而降低網壓，斬波電路11的導通角根據網壓的大小自動調節(jié)。另外，本實施例中，為了防止地鐵再生能量電阻吸收裝置的超負荷運行，通過控制電路使裝置具有容量限制功能，即將能量吸收裝置的吸收能量限制在裝置所允許的范圍內。
[0041]以廣州地鐵6號線作為應用對象為例，上述地鐵再生能量電阻吸收裝置僅需要設置2條吸收支路1，2條吸收支路1不同時導通，構成2相不重恒壓吸收控制系統(tǒng)，具體電路結構如圖1所示。當電網電壓超過預設值時啟動吸收支路1工作，由1(^1斬波電路控制吸收列車的再生能量，1(^1斬波電路的導通角根據網壓的大小自動調節(jié)，從而將電網電壓穩(wěn)定在一定范圍內，其中斬波電路的控制采用定額調寬方式，單相斬波頻率為300 ?。?(可根據實際需求進行調整),合成頻率為600112，導通比為1%?99%。
[0042]上述只是本實用新型的較佳實施例，并非對本實用新型作任何形式上的限制。雖然本實用新型已以較佳實施例揭露如上，然而并非用以限定本實用新型。任何熟悉本領域的技術人員，在不脫離本實用新型技術方案范圍的情況下，都可利用上述揭示的技術內容對本實用新型技術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施例。因此，凡是未脫離本實用新型技術方案的內容，依據本實用新型技術實質對以上實施例所做的任何簡單修改、等同變化及修飾，均應落在本實用新型技術方案保護的范圍內。
【權利要求】
1.一種地鐵再生能量電阻吸收裝置，其特征在于:包括兩條以上用于吸收再生能量的吸收支路(1),各條所述吸收支路(1)并聯(lián)后通過濾波電路(2 )和開關組件(3 )接入直流牽引供電網；所述吸收支路(1)包括用于控制再生能量吸收的斬波電路(11)和用于消耗能量的吸收電阻(12),所述斬波電路(11)與吸收電阻(12)串聯(lián)，所述斬波電路(11)為1(^1'斬波電路。
2.根據權利要求1所述的地鐵再生能量電阻吸收裝置，其特征在于:所述吸收支路(1)的數(shù)量為偶數(shù)。
3.根據權利要求2所述的地鐵再生能量電阻吸收裝置，其特征在于:所述1(^1斬波電路包括反壓阻斷二極管和1(^1'，所述反壓阻斷二極管與1(^1并聯(lián)。
4.根據權利要求3所述的地鐵再生能量電阻吸收裝置，其特征在于:所述1(^1斬波電路還設有用于吸收尖峰過電壓的阻容吸收電路(111),所述阻容吸收電路(111)與1(^1'并聯(lián)。
5.根據權利要求4所述的地鐵再生能量電阻吸收裝置，其特征在于:所述阻容吸收電路(111)包括呈串聯(lián)連接的電阻和電容。
6.根據權利要求5所述的地鐵再生能量電阻吸收裝置，其特征在于:所述吸收支路(1)還設有續(xù)流二極管，所述續(xù)流二極管與吸收電阻(12)并聯(lián)。
7.根據權利要求1?6中任意一項所述的地鐵再生能量電阻吸收裝置，其特征在于:所述濾波電路(2)包括電抗器I和用于吸收電抗器I儲存能量的電抗器能量吸收單元(21),所述電抗器[和電抗器能量吸收單元(21)之間并聯(lián)連接。
8.根據權利要求7所述的地鐵再生能量電阻吸收裝置，其特征在于:所述電抗器能量吸收單元(21)包括呈串聯(lián)連接的二極管和電阻。
9.根據權利要求8所述的地鐵再生能量電阻吸收裝置，其特征在于:所述開關組件(3)包括隔離開關嚦和高速斷路器職，所述隔離開關嚦一端連接濾波電路(2),另一端通過高速斷路器職連接直流牽弓丨供電網。
10.根據權利要求9所述的地鐵再生能量電阻吸收裝置，其特征在于:各條所述吸收支路(1)的一端依次通過濾波電路口)、開關組件(3)與直流牽引供電網的正極母線相連、另一端共同與直流牽引供電網的負極母線相連，所述開關組件(3)與濾波電路(2)之間設有第一避雷器？1，所述吸收支路(1)與直流牽引供電網的負極母線之間設有第二避雷器？2。
【文檔編號】H02J1/00GK204144940SQ201420612186
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2014年10月22日 優(yōu)先權日:2014年10月22日
【發(fā)明者】黃一平, 周立明, 張玉平, 張鐵軍, 陳雪, 賀文, 卡格德爾·魯卡, 唐亞軍, 袁超, 李志鵬 申請人:株洲時代裝備技術有限責任公司