三电平地铁能量回馈与谐波治理一体化装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术公开了一种三电平地铁能量回馈与谐波治理一体化装置，包括依次相连的一体化功率变换器和控制系统，所述一体化功率变换器的直流侧投挂在地铁供电网中直流接触网的正、负母线之间，一体化功率变换器的交流侧为三相、分别连接于地铁供电网中交流电网的整流变压器的低压侧三相线上。通过一套一体化装置实现地铁能量回馈与谐波治理两种工作模式的平滑切换，不仅充分利用地铁制动能量，还兼顾谐波治理；其采用三电平逆变技术，将再生能量直接回馈至牵引整流变压器的低压侧，无需回馈变压器，可大幅降低能量回馈装置的成本；并采用智能识别地铁运行工况和检测谐波电流存在，完成地铁供电网交流侧的谐波污染治理。

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种能量回馈与谐波治理的装置，特别是涉及一种三电平地铁能量回馈与谐波治理一体化装置，属于地铁制动能量回馈与谐波治理

技术介绍
近年来，地铁已经成为大城市人们出行必不可少的方式，它作为一种具有大容量、高速度的交通工具在城市轨道交通建设中扮演着非常重要的角色。迅猛的城市轨道交通发展对电力能源需求越来越大，同时也对电能质量和效率提出更高的要求。地铁能够有效缓解城市交通的运输压力，同时也减小了尾气排放污染等问题；但也带来很多其他问题，由于地铁车站之间的距离短、机车制动频繁，制动能量非常大，从而导致地铁制动距离越长，制动时间越久。一般地铁在制动时会将能量回馈给供电网，但如果回馈能量不能完全被其他车辆或用电设备利用时，会造成电网电压泵升，泵升的电网电压会危及站内设备，不利于地铁的安全运行。与此同时，地铁系统主要采用直流供电，其交流母线电压经过交流变压器降压，再通过不可控二极管整流给地铁牵引供电，不可避免地会产生一些谐波电流，严重的谐波污染会影响城市轨道交通供电网络的电能质量，并且会造成电网功率损耗增加，设备寿命缩短，接地保护功能失常等问题。目前，国内外采用的吸收装置主要有电阻耗能型、储能型和低压逆变回馈型这三种。电阻耗能型是利用吸收电阻将地铁制动时产生的能量以热能的形式消耗掉，这是国内外采用最普遍的方法。这种方法成熟可靠，而且控制起来方便，但其主要的缺点是制动能量只能以热能形式消耗，并不能加以利用，造成能源浪费，而且转换的热能会造成隧道内环境温度升高，需要增设相应的通风装置，大大增加了电能损耗。此种方案与节能环保主题相悖，也不符合地铁轻量化的发展要求。储能型是将制动能量吸收在储能装置中，储能装置一般多为飞轮或电容器组。当地铁列车制动时，将动能储存在飞轮或电容器组里；当地铁启动加速取流时，将储存的能量释放出去。储能型方案的主要缺点是储能装置不足以完全吸收制动能量，而且储能装置体积庞大，受地铁空间限制，安装维护也十分复杂，成本过高。低压逆变回馈型是采用三相逆变器，将地铁制动时产生的直流电逆变成工频交流电回馈至380V辅助交流电网上。但由于制动时的瞬时功率很高，低压逆变装置无法满足轨道交通的要求。为了实现节能环保的要求，充分利用再生能量，有必要提出一种新的设计方案来克服以上种种方案的缺陷。
技术实现思路
本技术的主要目的在于，克服现有技术中的不足，提供一种三电平地铁能量回馈与谐波治理一体化装置，不仅可对地铁列车制动时进行能量回馈，而且可解决地铁供电系统的谐波污染问题，实现地铁能量回馈与谐波治理两种工作模式的平滑切换，极具有产业上的利用价值。为了达到上述目的，本技术所采用的技术方案是：一种三电平地铁能量回馈与谐波治理一体化装置，包括依次相连的一体化功率变换器和控制系统，所述一体化功率变换器的直流侧投挂在地铁供电网中直流接触网的正、负母线之间，一体化功率变换器的交流侧为三相、分别连接于地铁供电网中交流电网的整流变压器的低压侧三相线上。其中，所述一体化功率变换器用于在地铁处于制动状态时对接入的制动能量进行逆变后回馈给地铁供电网的交流电网、即运行于能量回馈模式，或在地铁处于正常运行状态并地铁供电网中交流电网的谐波电流超标时产生反向补偿电流以抵消谐波电流而将畸变的交流电网补偿为正弦波、即运行于谐波治理模式。而且，所述控制系统用于控制一体化功率变换器在地铁处于制动状态时切换至能量回馈模式投入运行，或在地铁处于正常运行状态且地铁供电网中交流电网无谐波电流时切换至待机模式暂停，或在地铁处于正常运行状态且地铁供电网中交流电网的谐波电流超标时自动切换至谐波治理模式投入运行。本技术进一步设置为：所述一体化功率变换器包括三电平电压型逆变器，连接于三电平电压型逆变器和直流接触网之间的电容，以及连接于三电平电压型逆变器和整流变压器之间的滤波器。本技术进一步设置为：所述三电平电压型逆变器包括共三相的呈并联分布的三个桥臂，每个桥臂均包括四个IGBT管、四个续流二极管和两个钳位二极管；每个桥臂的四个IGBT管依次串联，构成位于相邻两个IGBT管的依次分布的上桥臂、中桥臂和下桥臂；每个桥臂的四个IGBT管的门极均接控制系统的驱动端，每个桥臂的每个续流二极管均反向并联于每个IGBT管的两端，每个桥臂的两个钳位二极管依次串联后反向并联于上桥臂和下桥臂之间，三个桥臂的中桥臂通过导线相连。本技术进一步设置为：所述电容包括依次串联的第一电容和第二电容，第一电容和第二电容串联后与三个桥臂相并联，第一电容的一端与直流接触网的正母线相连、第一电容的另一端连接于两个钳位二极管之间，第二电容的一端与第一电容的另一端相连、第二电容的另一端与直流接触网的负母线相连。本技术进一步设置为：所述滤波器包括第一电感、第二电感和第三电感，第一电感、第二电感和第三电感的一端分别与三个桥臂的中桥臂相连，第一电感、第二电感和第三电感的另一端分别连接于整流变压器的低压侧三相线上。本技术进一步设置为：所述控制系统包括依次相连的控制器、PWM发生器和驱动模块，以及均与控制器双向通讯的A/D采样模块和I/O电路。其中，所述A/D采样模块，用于采集数据并将采集的数据传输给控制器；其中，采集的数据包括直流接触网的电压、交流电网低压侧的电流和谐波电流、以及一体化功率变换器的交流信号；所述控制器，用于接收采集的数据并进行数据处理，获得地铁实时工况而输出实时控制信号；其中，地铁实时工况包括制动状态、无谐波电流的正常运行状态和存在谐波电流的正常运行状态，实时控制信号包括能量回馈信号、待机暂停信号和谐波治理信号。而且，所述PWM发生器，用于根据控制器输出的实时控制信号生成对应的PWM调制波；所述驱动模块作为控制系统的驱动端，用于放大PWM发生器生成的PWM调制波，并将放大的PWM调制波传输给一体化功率变换器的控制端以驱动一体化功率变换器投入运行；所述I/O电路包括输入电路和输出电路，输入电路用于接收输入信号并将输入信号的高电平转换为低电平输入控制器，输出电路接收控制器的控制信号并将控制信号的低电平转换为正常工作的电压信号输出。本技术进一步设置为：所述控制系统还包括与控制器相连的通信模块，所述通信模块用于将控制器与上位机建立通信；所述控制器包括采用DSP芯片的DSP主控制器和采用FPGA芯片的FPGA辅助控制器，所述DSP主控制器和FPGA辅助控制器依次相连、并分别与A/D采样模块相连；所述DSP主控制器用于数据处理进而判断地铁实时工况和选择控制信号；所述FPGA辅助控制器用于逻辑处理进而生成PWM波形。与现有技术相比，本技术具有的有益效果是：1、本技术通过一套一体化装置的设置，在一套装置中实现了地铁能量回馈与谐波治理两种工作模式的平滑切换，不仅可以充分利用地铁制动能量，还兼顾谐波治理和无功补偿的功能，对地铁供电网进行滤波，一举多得。2、本技术提供的一体化装置采用三电平逆变技术，能够满足将地铁制动能量回馈至中压电网的需求，而传统的两电平技术只能回馈到0.4kV左右电网；同时由于再生能量直接回馈至牵引整流变压器的低压侧，所以无需回馈变压器，可大幅降低能量回馈装置的成本；而且没有吸收电阻，也不需要储能装置，充分利用地铁制动产生的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三电平地铁能量回馈与谐波治理一体化装置，其特征在于：包括依次相连的一体化功率变换器和控制系统，所述一体化功率变换器的直流侧投挂在地铁供电网中直流接触网的正、负母线之间，一体化功率变换器的交流侧为三相、分别连接于地铁供电网中交流电网的整流变压器的低压侧三相线上；所述一体化功率变换器用于在地铁处于制动状态时对接入的制动能量进行逆变后回馈给地铁供电网的交流电网、即运行于能量回馈模式，或在地铁处于正常运行状态并地铁供电网中交流电网的谐波电流超标时产生反向补偿电流以抵消谐波电流而将畸变的交流电网补偿为正弦波、即运行于谐波治理模式；所述控制系统用于控制一体化功率变换器在地铁处于制动状态时切换至能量回馈模式投入运行，或在地铁处于正常运行状态且地铁供电网中交流电网无谐波电流时切换至待机模式暂停，或在地铁处于正常运行状态且地铁供电网中交流电网的谐波电流超标时自动切换至谐波治理模式投入运行。

【技术特征摘要】
1.一种三电平地铁能量回馈与谐波治理一体化装置，其特征在于：包括依次相连的一体化功率变换器和控制系统，所述一体化功率变换器的直流侧投挂在地铁供电网中直流接触网的正、负母线之间，一体化功率变换器的交流侧为三相、分别连接于地铁供电网中交流电网的整流变压器的低压侧三相线上；所述一体化功率变换器用于在地铁处于制动状态时对接入的制动能量进行逆变后回馈给地铁供电网的交流电网、即运行于能量回馈模式，或在地铁处于正常运行状态并地铁供电网中交流电网的谐波电流超标时产生反向补偿电流以抵消谐波电流而将畸变的交流电网补偿为正弦波、即运行于谐波治理模式；所述控制系统用于控制一体化功率变换器在地铁处于制动状态时切换至能量回馈模式投入运行，或在地铁处于正常运行状态且地铁供电网中交流电网无谐波电流时切换至待机模式暂停，或在地铁处于正常运行状态且地铁供电网中交流电网的谐波电流超标时自动切换至谐波治理模式投入运行。2.根据权利要求1所述的三电平地铁能量回馈与谐波治理一体化装置，其特征在于：所述一体化功率变换器包括三电平电压型逆变器，连接于三电平电压型逆变器和直流接触网之间的电容，以及连接于三电平电压型逆变器和整流变压器之间的滤波器。3.根据权利要求2所述的三电平地铁能量回馈与谐波治理一体化装置，其特征在于：所述三电平电压型逆变器包括共三相的呈并联分布的三个桥臂，每个桥臂均包括四个IGBT管、四个续流二极管和两个钳位二极管；每个桥臂的四个IGBT管依次串联，构成位于相邻两个IGBT管的依次分布的上桥臂、中桥臂和下桥臂；每个桥臂的四个IGBT管的门极均接控制系统的驱动端，每个桥臂的每个续流二极管均反向并联于每个IGBT管的两端，每个桥臂的两个钳位二极管依次串联后反向并联于上桥臂和下桥臂之间，三个桥臂的中桥臂通过导线相连。4.根据权利要求3所述的三电平地铁能量回馈与谐波治理一体化装置，其特征在于：所述电容包括依次串联的第一电容和第二电容，第一电容和第二电容串联后与三个桥臂相并联，第一电容的一端与直流接触网的正母线相连、第一电容的另一端连接于两个钳位二极管之间，第二电容的一端...

【专利技术属性】
技术研发人员：张亮，水恒华，朱泱，裴谦，张丹，姜风雷，
申请(专利权)人：南京工程学院，
类型：新型
国别省市：江苏;32