本實(shí)用新型涉及一種供電系統(tǒng)電源裝置，具體涉及一種鐵路電力機(jī)車(chē)牽引供電電源裝置。

背景技術(shù)：

電力牽引機(jī)車(chē)具有功率大、可綜合利用各種能源、能源利用率高等特點(diǎn)，在鐵路系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。近年來(lái)，我國(guó)電氣化鐵路的建設(shè)速度和規(guī)模正以領(lǐng)先世界的態(tài)勢(shì)發(fā)展。

傳統(tǒng)電氣化鐵路機(jī)車(chē)牽引變電所除單相接線外，都是兩相（異相）供電，供電電源采用電力系統(tǒng)常規(guī)三相變壓器中任意兩相構(gòu)成一個(gè)單相供電電源，結(jié)構(gòu)間的差異決定了牽引變電站拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的三相不對(duì)稱性，牽引負(fù)荷在運(yùn)行中有負(fù)序電流注入電網(wǎng)。電力機(jī)車(chē)在不同路況、不同天氣下加速、恒速、惰行、制動(dòng)，牽引負(fù)荷的功率和電流隨機(jī)波動(dòng)性很大。而且我國(guó)大量采用的交-直流整流型機(jī)車(chē)和交-直-交型機(jī)車(chē)，網(wǎng)側(cè)電流含有較大的諧波成分。牽引負(fù)荷的諧波具有幅值波動(dòng)大，相位分布廣泛的特點(diǎn)。加之電力機(jī)車(chē)是移動(dòng)性負(fù)荷，隨列車(chē)所在位置的不同，由電力系統(tǒng)的不同變電所及不同相別取得電源。為了把電能可靠的輸送給高速行駛的機(jī)車(chē)，現(xiàn)代干線電路牽引普遍采用架空接觸網(wǎng)受流、走行鋼軌回流的模式。電氣化鐵路牽引負(fù)荷的這些特性，決定了其電能質(zhì)量問(wèn)題較為嚴(yán)重的特點(diǎn)：功率因數(shù)低，擾動(dòng)頻繁，并且對(duì)公用電網(wǎng)產(chǎn)生諧波、負(fù)序、電壓波動(dòng)等電能質(zhì)量問(wèn)題。而電能質(zhì)量又直接關(guān)系到供、用電單位的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益。

電力機(jī)車(chē)運(yùn)行中產(chǎn)生的諧波有可能使繼電保護(hù)及自動(dòng)裝置發(fā)生誤動(dòng)和拒動(dòng)，增加計(jì)量裝置的誤差，同時(shí)引起電網(wǎng)的電感、電容發(fā)生諧振，使諧波放大。當(dāng)系統(tǒng)諧振時(shí)，諧波電壓升高、電流增大將損壞并聯(lián)電容器、電力電纜、電動(dòng)機(jī)等設(shè)備，引發(fā)系統(tǒng)事故。使電力變壓器、電容器、旋轉(zhuǎn)電機(jī)等電氣設(shè)備產(chǎn)生附加熱損耗，加速絕緣老化，縮短設(shè)備壽命。會(huì)影響其他用戶的正常生產(chǎn)，對(duì)通信線路造成干擾。

用傳統(tǒng)的補(bǔ)償、濾波等方法均不易取得滿意的效果，其原因在于：（1）采用電力電子方法能補(bǔ)償無(wú)功電流、負(fù)序電流及低次諧波電流，但對(duì)高次諧波電流難以進(jìn)行補(bǔ)償，而且在設(shè)備工作的過(guò)程中，由于功率器件的快速開(kāi)關(guān)，又會(huì)產(chǎn)生大量諧波，即設(shè)備本身又引入了一個(gè)新的諧波源。（2）LC濾波器只可以濾波單一頻率的諧波，若要濾除多個(gè)諧波，需要多個(gè)濾波器并聯(lián)。一方面，如果諧波源的諧波頻率發(fā)生了變化（如不同的機(jī)車(chē)變流器開(kāi)關(guān)頻率有區(qū)別），則濾波效果將大打折扣。另一方面，由于濾波器的接入又會(huì)產(chǎn)生新的諧振模式，將某些頻率的諧波放大。（3）基于補(bǔ)償?shù)脑O(shè)備，在穩(wěn)態(tài)工作條件下，可以得到較好的補(bǔ)償效果，而對(duì)于頻繁變化的工況則不然。補(bǔ)償設(shè)備在工作時(shí)必須是先檢測(cè)到所需補(bǔ)償?shù)碾娏?，然后再產(chǎn)生相應(yīng)的電流輸出。這就是說(shuō)，設(shè)備總有一個(gè)固有的響應(yīng)時(shí)間，即在諧波、負(fù)序或無(wú)功產(chǎn)生和結(jié)束瞬間，是無(wú)法做到補(bǔ)償?shù)模貙⒔o電網(wǎng)注入一個(gè)干擾性脈沖。如果工作情況是頻繁變化的，這就會(huì)形成一連串的脈沖干擾。這實(shí)際上形成了一個(gè)寬頻譜諧波源。以上三點(diǎn)決定了傳統(tǒng)的補(bǔ)償、濾波等措施難以獲得滿意的效果。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供了一種牽引供電系統(tǒng)電源裝置。

本實(shí)用新型的目的是通過(guò)以下技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)的：

電源母線、啟動(dòng)開(kāi)關(guān)、多繞組變壓器、功率變換電路，電源母線通過(guò)啟動(dòng)開(kāi)關(guān)連接多繞組變壓器的原邊，功率變換電路包括多個(gè)輸出端串聯(lián)的功率模塊，多繞組變壓器的副邊繞組數(shù)量等于功率模塊的數(shù)量，副邊的繞組與功率模塊的輸入端一一對(duì)應(yīng)連接，第一個(gè)功率模塊的輸出端和最后功率模塊的輸出端為功率變換電路的輸出端。

優(yōu)選的，啟動(dòng)開(kāi)關(guān)包括第一開(kāi)關(guān)、第二開(kāi)關(guān)、啟動(dòng)裝置，第二開(kāi)關(guān)與啟動(dòng)裝置串聯(lián)后與第一開(kāi)關(guān)并聯(lián)。

所述功率模塊包括整流電路、能量釋放電路、逆變電路、單元控制電路和驅(qū)動(dòng)電路，整流電路輸入端為功率模塊的輸入端，整流電路連接能量釋放電路，能量釋放電路連接逆變電路，單元控制電路供電端連接整流電路，單元控制電路的控制信號(hào)通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路傳遞到逆變電路。

所述整流電路包括二極管一、二極管二、二極管三、二極管四、二極管五以及二極管六；二極管一的陰極端與二極管三的陰極端和二極管五的陰極端連接，二極管一的陽(yáng)極端與二極管二的陰極端連接，二極管二的陽(yáng)極端與二極管四的陽(yáng)極端和二極管六的陽(yáng)極端連接，二極管四的陰極端與二極管三的陽(yáng)極端連接，二極管六的陰極端與二極管五的陽(yáng)極端連接，二極管六的陽(yáng)極端通過(guò)第一電容與二極管五的陰極端連接；

所述能量釋放電路包括第七快速恢復(fù)二極管、能量消耗電阻以及第五IGBT管；能量消耗電阻的一端與第一電容連接二極管五的陰極端連接，能量消耗電阻的另一端與第五IGBT管的集電極端連接，第五IGBT管的發(fā)射極端與二極管二的陽(yáng)極端、二極管四的陽(yáng)極端以及二極管六的陽(yáng)極端連接；第七快速恢復(fù)二極管并接在能量消耗電阻的兩端，第七快速恢復(fù)二極管的陽(yáng)極端與第五IGBT管的集電極端連接，第七快速恢復(fù)二極管的陰極端與第一電容連接二極管五的陰極端連接；第五IGBT管的門(mén)極端與驅(qū)動(dòng)電路的輸出端連接，所述驅(qū)動(dòng)電路輸出的PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)第五IGBT管的導(dǎo)通狀態(tài)，以釋放直流母線上所具有的能量。當(dāng)機(jī)車(chē)快速減速時(shí)，機(jī)車(chē)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能注入電源，能量釋放電路需將這部分能量消耗掉，以保證電源安全運(yùn)行。在電網(wǎng)許可的情況下，也可將機(jī)車(chē)制動(dòng)時(shí)放出的能量送回電網(wǎng)，這時(shí)整流電流為雙向整流電路，由三相逆變橋組成，這時(shí)不再需要能量釋放電路。

所述逆變電路包括第一IGBT管、第二IGBT管、第三IGBT管以及第四IGBT管；第一IGBT管的發(fā)射極端與第二IGBT管的集電極端連接，第一IGBT管的集電極端與第三IGBT管的集電極端連接，且第一IGBT管的集電極端、第三IGBT管的集電極端均與二極管五的陰極端連接；第二IGBT管的發(fā)射極端與第四IGBT管的發(fā)射極端連接，且第二IGBT管的發(fā)射極端與第五IGBT管的發(fā)射極端連接，第四IGBT管的集電極端與第三IGBT管的發(fā)射極端連接；第一IGBT管的門(mén)極端、第二IGBT管的門(mén)極端、第三IGBT管的門(mén)極端以及第四IGBT管的門(mén)極端均與驅(qū)動(dòng)電路的輸出端連接，所述驅(qū)動(dòng)電路輸出的PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)第一IGBT管、第二IGBT管、第三IGBT管以及第四IGBT管的導(dǎo)通狀態(tài)，以輸出所需的電壓。

所述單元控制電路的電源端與二極管五陰極端及二極管六陽(yáng)極端連接；單元控制電路的信號(hào)輸入端采用兩根光纖連接；所述驅(qū)動(dòng)電路的電源端與單元控制電路連接。

所述相鄰功率模塊間載波依次相差180/N度，N為功率模塊數(shù)量。

所述功率變換電路一輸出端依次連接第一電流互感器和電抗器，所述功率變換電路的輸出端連接電容器和第三開(kāi)關(guān)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比本實(shí)用新型具有以下明顯的優(yōu)點(diǎn)：

1.直接從公共電網(wǎng)電力供電電源母線上取得三相交流電源，經(jīng)本裝置進(jìn)行功率變換后，直接單相輸出，由此電源裝置對(duì)負(fù)載供電，負(fù)載與電網(wǎng)完全隔離，它的諧波、無(wú)功、負(fù)序電流均由電源提供，不再流入電網(wǎng)。本電源裝置由多個(gè)H橋級(jí)聯(lián)組成，每個(gè)H橋由輸入變壓器的一個(gè)三相副邊繞組供電，各副邊繞組具有不同的相位角，這樣可以形成實(shí)際的多相整流，如果采用36脈沖不控整流，則電網(wǎng)側(cè)輸入電流的電流諧波將小于3%且三相電流平衡，功率因數(shù)接近于1。由于不再引入LC等諧振支路，也不會(huì)再出現(xiàn)諧振現(xiàn)象，自然也不會(huì)出現(xiàn)諧波放大現(xiàn)象。

2. 為保證電源的高可靠性工作，采用單元冗余設(shè)計(jì)，假設(shè)正常工作時(shí)，N個(gè)單元串聯(lián)恰好能夠輸出所需電壓，電源實(shí)際串聯(lián)的單元個(gè)數(shù)為N+M個(gè)，當(dāng)其中個(gè)別單元故障時(shí)，電源可以自動(dòng)將故障單元旁路而不影響其他單元工作，在故障單元數(shù)小于或等于M時(shí)，電源的輸出電壓均為額定輸出電壓。當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)，電源可自動(dòng)調(diào)整調(diào)制度實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。

3. 電氣機(jī)車(chē)在不同區(qū)間運(yùn)行時(shí)，現(xiàn)行供電由電網(wǎng)的不同相向機(jī)車(chē)供電，因此在相鄰區(qū)間之間機(jī)車(chē)有一個(gè)瞬停電再供電的過(guò)程，即機(jī)車(chē)過(guò)分相。在機(jī)車(chē)重新接入電源的瞬間，電源有可能處于通過(guò)車(chē)載變壓器的漏抗短路的工作狀態(tài)，這時(shí)將有瞬間大的過(guò)電流出現(xiàn)。本電源即具有這種負(fù)載情況的適應(yīng)能力，當(dāng)正常工作時(shí)，電源輸出呈電壓源特性，當(dāng)瞬間短路發(fā)生時(shí)，電源轉(zhuǎn)為電流源工作模式，當(dāng)瞬間大電流消失后，又重新恢復(fù)電壓源供電。

附圖說(shuō)明

圖1為本實(shí)用新型的使用狀態(tài)圖；圖2為本實(shí)用新型功率模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。

附圖標(biāo)記說(shuō)明： 1-電源母線、2-啟動(dòng)裝置、3-多繞組變壓器、4-功率變換電路、5-第一電流互感器、6-電抗器、7-電容器、8-主控制器、9-單元控制電路、10-驅(qū)動(dòng)電路。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說(shuō)明。

如圖1所示：本實(shí)用新型包括牽引供電系統(tǒng)接入電力系統(tǒng)公共連接點(diǎn)的電源母線1，電源母線1通過(guò)第一開(kāi)關(guān)S1與多繞組變壓器3的原邊輸入端連接，多繞組連接變壓器3將電源母線1供電電壓降壓變換后在多繞組連接變壓器3的副邊輸出N組三相繞組，每組三相繞組均與功率變換電路4連接，通過(guò)功率變換電路4得到所需的牽引機(jī)車(chē)供電電壓；當(dāng)所需電力機(jī)車(chē)供電電壓為27.5kV時(shí)，N=44；功率變換電路4通過(guò)第三開(kāi)關(guān)S3與負(fù)載連接，以提供負(fù)載所需的27.5kV工作電源。

第一開(kāi)關(guān)S1 用于控制多繞組變壓器3的原邊輸入端與電源母線1的連接。多繞組變壓器3將電源母線1供電電壓進(jìn)行降壓，以供功率變換電路4進(jìn)行電能的調(diào)節(jié)處理。功率變換電路4將低壓進(jìn)行變換后升壓得到27.5kV的電壓，以提供27.5kV牽引機(jī)車(chē)的工作使用要求。

電源母線1與第二開(kāi)關(guān)S2的一端連接；第二開(kāi)關(guān)S2的另一端連接啟動(dòng)裝置2的一端；啟動(dòng)裝置2的另一端與多繞組變壓器3的原邊端連接。本實(shí)用新型實(shí)施例中，啟動(dòng)裝置2可以采用啟動(dòng)電阻，在工作時(shí)，第二開(kāi)關(guān)S2首先閉合，電流通過(guò)啟動(dòng)裝置2減小并網(wǎng)時(shí)的沖擊，當(dāng)?shù)谝婚_(kāi)關(guān)S1閉合后，第二開(kāi)關(guān)S2斷開(kāi)，由閉合的第一開(kāi)關(guān)S1將啟動(dòng)裝置2短路，不會(huì)影響整個(gè)電路的工作要求。

功率變換電路4依次串接第一電流互感器5、電抗器6以及電容器7后與第三開(kāi)關(guān)S3的一端連接，第三開(kāi)關(guān)S3的另一端能與負(fù)載連接。第一電流互感器5能夠測(cè)量電流，并對(duì)整個(gè)回路進(jìn)行保護(hù)，電抗器6具有緩沖作用，并與電容器8構(gòu)成正弦波濾波器。

多繞組變壓器4的副邊輸出端得到N組三相繞組；功率變換電路4包括N個(gè)采用輸出端串聯(lián)鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)的功率模塊；變壓器N組三相繞組均與N個(gè)功率模塊的輸入端一一對(duì)應(yīng)連接，每個(gè)功率模塊對(duì)輸入的電壓進(jìn)行整流、逆變，N個(gè)功率模塊逆變串接后得到所需的目標(biāo)工作電壓（27.5kV）。

N個(gè)功率模塊中，相鄰功率模塊間載波移相依次相差180/N度。多繞組變壓器4將電源母線1供電電壓降低到630V，即變壓器N組三相副邊繞組中每組繞組的線電壓均為630V；由于變壓器副邊N組三相繞組電壓均連接對(duì)應(yīng)功率模塊，N個(gè)功率模塊對(duì)630V電壓進(jìn)行整流、逆變?cè)俅雍?，輸?7.5kV的單相電壓。

如圖2所示：功率模塊包括整流電路、能量釋放電路以及與整流電路連接的逆變電路。整流電路包括二極管一D1、二極管二D2、二極管三D3、二極管四D4、二極管五D5以及二極管六D6；二極管一D1的陰極端與二極管三D3的陰極端和二極管五D5的陰極端連接，二極管一D1的陽(yáng)極端與二極管二D2的陰極端連接，二極管二D2的陽(yáng)極端與二極管四D4的陽(yáng)極端和二極管六D6的陽(yáng)極端連接，二極管四D4的陰極端與二極管三D3的陽(yáng)極端連接，二極管六D6的陰極端與二極管五D5的陽(yáng)極端連接，二極管六D6的陽(yáng)極端通過(guò)第一電容C1與二極管五D5的陰極端連接；

能量釋放電路包括第七快速恢復(fù)二極管D7、能量消耗電阻R1以及第五IGBT管V5；能量消耗電阻R1的一端與第一電容C1連接二極管五D5的陰極端連接，能量消耗電阻R1的另一端與第五IGBT管V5的集電極端連接，第五IGBT管V5的發(fā)射極端與二極管二D2的陽(yáng)極端、二極管四D4的陽(yáng)極端以及二極管六D6的陽(yáng)極端連接；第七快速恢復(fù)二極管D7并接在能量消耗電阻R1的兩端，第七快速恢復(fù)二極管D7的陽(yáng)極端與第五IGBT管V5的集電極端連接，第七快速恢復(fù)二極管D7的陰極端與第一電容C1連接二極管五D5的陰極端連接；第五IGBT管V5的門(mén)極端與驅(qū)動(dòng)電路13的輸出端連接，驅(qū)動(dòng)電路13輸出的PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)第五IGBT管V5的導(dǎo)通狀態(tài)，以釋放直流母線上所具有的能量。

逆變電路包括第一IGBT管V1、第二IGBT管V2、第三IGBT管V3以及第四IGBT管V4；第一IGBT管V1的發(fā)射極端與第二IGBT管V2的集電極端連接，第一IGBT管V1的集電極端與第三IGBT管V3的集電極端連接，且第一IGBT管V1的集電極端、第三IGBT管V3的集電極端均與二極管五D5的陰極端連接；第二IGBT管V2的發(fā)射極端與第四IGBT管V4的發(fā)射極端連接，且第二IGBT管V2的發(fā)射極端與二極管二D2的陽(yáng)極端、二極管四D4的陽(yáng)極端以及二極管六D6的陽(yáng)極端連接， 第四IGBT管V4的集電極端與第三IGBT管V3的發(fā)射極端連接；第一IGBT管V1的門(mén)極端、第二IGBT管V2的門(mén)極端、第三IGBT管V4的門(mén)極端以及第四IGBT管V4的門(mén)極端均與驅(qū)動(dòng)電路13的輸出端連接，驅(qū)動(dòng)電路13輸出的PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)第一IGBT管V1、第二IGBT管V2、第三IGBT管V3及第四IGBT管V4的導(dǎo)通狀態(tài)，以輸出所需的電壓。

單元控制電路9的電源端與二極管五D5陰極端及二極管六D6陽(yáng)極端連接；單元控制電路9的信號(hào)輸入端采用兩根光纖連接主控制器8；驅(qū)動(dòng)電路10的電源端與單元控制電路9連接。第一IGBT管V1的發(fā)射極端與第二IGBT管V2的集電極端連接后作為第一輸出端， 第三IGBT管V3的發(fā)射極端與第四IGBT管V4的集電極端連接后作為第二輸出端，第一輸出端、第二輸出端間的電壓作為功率模塊間的輸出端電壓值。N個(gè)功率模塊串接的電壓作為整個(gè)功率變換電路4的輸出電壓。

本實(shí)用新型實(shí)施例中，從主控制器8產(chǎn)生的PWM信號(hào)送入單元控制電路9，由單元控制電路9生成互補(bǔ)的PWM信號(hào)，單元控制電路9所生成的互補(bǔ)PWM信號(hào)送入驅(qū)動(dòng)電路10 ，互補(bǔ)的PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)能力有限，不足以直接驅(qū)動(dòng)IGBT工作。當(dāng)PWM信號(hào)為高電平時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路10根據(jù)PWM的上升沿，進(jìn)行設(shè)定延時(shí)（死區(qū)時(shí)間），然后輸出帶有死區(qū)時(shí)間、電壓為+15V的驅(qū)動(dòng)信號(hào)以驅(qū)動(dòng)IGBT導(dǎo)通。當(dāng)PWM信號(hào)為低電平時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路10輸出電壓為-10V的驅(qū)動(dòng)信號(hào)以驅(qū)動(dòng)IGBT關(guān)斷。由于，驅(qū)動(dòng)信號(hào)帶有死區(qū)時(shí)間，就保證了同一橋臂的兩個(gè)IGBT不會(huì)同時(shí)導(dǎo)通，防止了短路的發(fā)生。

功率模塊的第一相輸入連接端通過(guò)第一熔斷器F1與二極管一D1的陽(yáng)極端以及二極管二D2的陰極端連接，功率模塊的第二相輸入連接端直接與二極管三D3的陽(yáng)極端以及二極管四D4的陰極端連接，第三相輸入連接端通過(guò)第二熔斷器F2與二極管五D5的陽(yáng)極端以及二極管六D6的陰極端連接，第一相輸入連接端與第二相輸入連接端間、第二相輸入連接端與第三相輸入連接端間以及第一相輸入連接端與第三相輸入連接端間的電壓均為630V。

工作時(shí)，先閉合第二開(kāi)關(guān)S2，第二開(kāi)關(guān)S2閉合到設(shè)定時(shí)間后，閉合第一開(kāi)關(guān)S1以及第三開(kāi)關(guān)S3，多繞組變壓器3通過(guò)啟動(dòng)裝置2減小并網(wǎng)的沖擊電流，通過(guò)第一電流互感器55進(jìn)行檢測(cè)保護(hù)。多繞組變壓器3將電源母線1供電電壓變換得到所需的三相低壓，然后通過(guò)功率變換電路4去除諧波，并保證電壓的穩(wěn)定性。

本實(shí)用新型從電力系統(tǒng)連接電源母線1上取電，通過(guò)多繞組變壓器3將三相高壓轉(zhuǎn)換為三相低壓，并由功率變換電路4整流、逆變等變換處理，將三相電壓變換成單相電壓，在確保對(duì)負(fù)載供電穩(wěn)定性的同時(shí)，解決了傳統(tǒng)牽引供電系統(tǒng)單相電源對(duì)電力系統(tǒng)所帶來(lái)的三相不平衡問(wèn)題；通過(guò)功率變換解決了電力機(jī)車(chē)等負(fù)載所帶來(lái)的諧波和無(wú)功等問(wèn)題，實(shí)用性強(qiáng)，大大提升了電能質(zhì)量。