城轨交通牵引供电系统的综合治理装置及其综合治理方法制造方法及图纸

城轨交通牵引供电系统的综合治理装置及其综合治理方法，综合治理装置中将PWM整流单元的交流侧连接二极管整流器的交流侧和整流变压器的低压侧，PWM整流单元的直流侧通过双向DC/DC单元连接二极管整流器的直流侧和直流牵引网；车辆牵引工况时，利用综合治理装置补偿二极管整流器的无功和谐波电流，提出通过向整流变压器提供容性无功电流的方式使得二极管整流器的输出直流电压稳定，在二极管整流器容量不够的情况下还利用综合治理装置与二极管整流器共同向直流牵引网提供功率；车辆制动工况时，综合治理装置能将再生能量输送回交流中压电网；本发明专利技术还提出通过控制双向DC/DC单元中两个储能电感的电流来消除综合治理装置与二极管整流器之间的环流问题。

【技术实现步骤摘要】
城轨交通牵引供电系统的综合治理装置及其综合治理方法
本专利技术是属于城轨交通牵引供电控制领域，涉及一种应用于城轨交通牵引供电系统的综合治理装置和综合治理方法。
技术介绍
城轨交通牵引供电系统的牵引网采用直流供电，最常用电压等级有DC750V和DC1500V。牵引变电所先将AC10kV或AC35kV降压到590V或1180V交流，再通过二极管整流转化为直流电，供给直流牵引网。如图1和图2所示的是常用12脉波和24脉波整流主电路图，图3是图1和图2中二极管整流单元的内部电路图。这种多脉波整流器供电系统有结构简单、效率高、可靠性好、维护方便、交流侧电流畸变小、直流侧电压脉动小的优点，一直沿用到今天。但是，也有如下不足：其一、城轨车辆站间距较短，启动制动频繁，产生大量的再生制动能量，因为二极管整流器能量只能由交流侧流向直流侧，再生能量除部分为线路上其它牵引车辆吸收外，其它部分的再生能量被车上或地面制动电阻消耗释放在大气中。其二、二极管整流器不能控制输出电压，随着负载电流增大，二极管整流器的换相重迭角增大，造成直流整流电压损失，同时换相重迭角增大又会导致功率因数降低，引起了整流变压器交流侧电压降，加速了直流牵引网电压下降，增大了接触网电流，增大了接触电网线路损耗。其三、12或24脉波整虽然能保证整流变压器一次侧交流电流的电能质量，但整流变压器低压侧绕组都含有大量谐波电流，增加了变压器的损耗和噪声，影响变压器寿命。近年来，人们开始采用能量回馈或储能装置吸收车辆再生制动能量。能量回馈装置采用PWM整流器，通常有两种实现形式：一种形式是另增加一套能馈装置，将再生制动能量回馈到中压或400V低压交流电网，如图4所示；另一种形式是采用PWM整流器取代传统的二极管整流器，可以控制能量在交流电网和直流牵引网双向流动，满足了牵引和制动能量流动要求。如图4所示是在原有24脉波整流的基础上配中压能馈装置的牵引供电系统结构，能馈装置与二极管整流器在直流侧和中压交流侧并联。图中能馈装置中BR_PWM1和BR_PWM2是PWM整流单元，其内部结构如图5所示，包括三相逆变器、直流滤波电感Ld及交流连接电感La、Lb和Lc。图5所示的PWM整流单元能实现双向能量变换，即有整流和逆变的双重功能：整流时，将交流侧能量送到直流侧；逆变时，能将直流侧能量送到交流侧。无论整流或逆变，均可控制交流侧功率因数，同时控制交流侧电流有较小的畸变率。但是因为整流时的效率较二极管整流低，因此现有的能馈装置通常只是在列车制动时，将再生能量从直流侧转换到交流侧，通过变压器TR3送到中压交流电网。能馈装置中整流变压器TR3接入中压电网时还要配置断路器、隔离开关等电器设备，这样增加了能馈装置的体积和设备成本，尤其是设备体积增加需要增加安装空间，增加了土建费用。如图6所示的是另一种能馈方案，将PWM整流单元与二极管整流器直接并联，二极管整流器在车辆牵引时将能量从交流侧输送到直流侧，PWM整流器在车辆制动时将能量回馈到交流侧，由整流变压器TR送到中压交流电网。这样可以省去能馈变压器和中压电器开关，大大减小能馈设备的体积和设备成本。但是这种结构能馈装置也存在两个难题：其一、PWM整流单元与二极管整流器的交直流侧并联，PWM整流单元工作时，会引起环流，增加了损耗，影响了PWM整流单元容量发挥。其二，要保证PWM整流单元能正常工作，逆变交流电压必须大于输入交流电压，因此需要采用过调制或向电网注入感性无功的方式才能满足这一工作条件。鉴于上述两个因素，这一方案在实际中并没有得到应用。
技术实现思路
针对将PWM整流单元与城轨交通牵引供电系统二极管整流器交直流侧直接并联方案存在控制复杂和环流控制困难导致无法进行实际应用的问题，本专利技术提出一种综合治理装置与二极管整流器并联，在PWM整流单元的直流侧增加了一级对称结构的三电平双向DC/DC单元再与二极管整流器的直流侧连接，并且设置了环流控制单元用来消除综合治理装置与其并联的二极管整流器之间的环流；另外基于本专利技术提出的装置还提出了对应的综合治理方法，在车辆牵引时，综合治理装置能够补偿二极管整流器产生的谐波与无功，并能够保持直流牵引电网稳定，同时利用工作在降压模式的双向DC/DC单元还能够令PWM整流单元与二极管整流器共同作用将能量从交流牵引电网输送至直流牵引网；在车辆制动时，利用工作在升压模式的双向DC/DC单元能够使PWM整流单元将车辆再生制动能量回馈到交流牵引电网，结合环流控制使得本专利技术在实际应用中得以实现。本专利技术提出的综合治理装置的技术方案为：一种城轨交通牵引供电系统的综合治理装置，所述综合治理装置并联在所述城轨交通牵引供电系统中二极管整流器的交流侧和直流侧之间，所述综合治理装置包括PWM整流单元、双向DC/DC单元和环流控制单元，所述PWM整流单元的交流侧连接所述二极管整流器的交流侧和所述城轨交通牵引供电系统中整流变压器的低压侧，其直流侧连接所述双向DC/DC单元的高压侧，所述双向DC/DC单元的低压侧连接所述二极管整流器的直流侧和直流牵引网；所述城轨交通牵引供电系统工作在车辆牵引工况时，所述综合治理装置中PWM整流单元的交流侧输出补偿电流，所述补偿电流与所述综合治理装置并联的二极管整流器交流侧接入的基波无功电流和谐波电流大小相同、相位相反；所述PWM整流单元和双向DC/DC单元还用于调整所述PWM整流单元的直流侧电压，使得所述PWM整流单元的直流侧电压稳定，且保证所述PWM整流单元直流侧电压的电压值高于所述PWM整流单元的交流侧线电压峰值和所述直流牵引网电压值，保证所述城轨交通牵引供电系统工作在车辆牵引工况时所述双向DC/DC单元能够工作在降压模式；所述城轨交通牵引供电系统工作在车辆制动工况时所述双向DC/DC单元工作在升压模式；所述双向DC/DC单元为上下对称三电平结构，包括接在其低压侧之前的第一储能电感和第二储能电感；所述环流控制单元通过控制第一储能电感的电流与第二储能电感的电流相等且等于基准电感电流，保证所述综合治理装置与其并联的二极管整流器之间环流为零。具体的，所述双向DC/DC单元还包括第一电容、第二电容、第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管，第一电容和第二电容串联并连接在所述双向DC/DC单元的高压侧之间；第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管依次串联并连接在所述双向DC/DC单元的高压侧之间，第一开关管和第二开关管的串联点连接第一储能电感的一端，第二开关管和第三开关管的串联点连接第一电容和第二电容的串联点，第三开关管和第四开关管的串联点连接第二储能电感的一端，第一储能电感的另一端和第二储能电感的另一端接在所述双向DC/DC单元的低压侧之间。具体的，所述城轨交通牵引供电系统工作在车辆牵引工况时将第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管关断，仅通过所述二极管整流器将能量从所述整流变压器输送至所述直流牵引网，所述综合治理装置与其并联的二极管整流器之间环流为零。具体的，所述城轨交通牵引供电系统工作在车本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种城轨交通牵引供电系统的综合治理装置，其特征在于，所述综合治理装置并联在所述城轨交通牵引供电系统中二极管整流器的交流侧和直流侧之间，所述综合治理装置包括PWM整流单元、双向DC/DC单元和环流控制单元，所述PWM整流单元的交流侧连接所述二极管整流器的交流侧和所述城轨交通牵引供电系统中整流变压器的低压侧，其直流侧连接所述双向DC/DC单元的高压侧，所述双向DC/DC单元的低压侧连接所述二极管整流器的直流侧和直流牵引网；/n所述城轨交通牵引供电系统工作在车辆牵引工况时，所述综合治理装置中PWM整流单元的交流侧输出补偿电流，所述补偿电流与所述综合治理装置并联的二极管整流器交流侧输入的基波无功电流和谐波电流大小相同、相位相反；/n所述PWM整流单元和双向DC/DC单元还用于调整所述PWM整流单元的直流侧电压，使得所述PWM整流单元的直流侧电压稳定，且保证所述PWM整流单元直流侧电压的电压值高于所述PWM整流单元的交流侧线电压峰值和所述直流牵引网电压值，保证所述城轨交通牵引供电系统工作在车辆牵引工况时所述双向DC/DC单元能够工作在降压模式；所述城轨交通牵引供电系统工作在车辆制动工况时所述双向DC/DC单元工作在升压模式；/n所述双向DC/DC单元为上下对称三电平结构，包括接在其低压侧之前的第一储能电感和第二储能电感；所述环流控制单元通过控制第一储能电感的电流与第二储能电感的电流相等且等于基准电感电流，保证所述综合治理装置与其并联的二极管整流器之间环流为零。/n...

【技术特征摘要】
1.一种城轨交通牵引供电系统的综合治理装置，其特征在于，所述综合治理装置并联在所述城轨交通牵引供电系统中二极管整流器的交流侧和直流侧之间，所述综合治理装置包括PWM整流单元、双向DC/DC单元和环流控制单元，所述PWM整流单元的交流侧连接所述二极管整流器的交流侧和所述城轨交通牵引供电系统中整流变压器的低压侧，其直流侧连接所述双向DC/DC单元的高压侧，所述双向DC/DC单元的低压侧连接所述二极管整流器的直流侧和直流牵引网；
所述城轨交通牵引供电系统工作在车辆牵引工况时，所述综合治理装置中PWM整流单元的交流侧输出补偿电流，所述补偿电流与所述综合治理装置并联的二极管整流器交流侧输入的基波无功电流和谐波电流大小相同、相位相反；
所述PWM整流单元和双向DC/DC单元还用于调整所述PWM整流单元的直流侧电压，使得所述PWM整流单元的直流侧电压稳定，且保证所述PWM整流单元直流侧电压的电压值高于所述PWM整流单元的交流侧线电压峰值和所述直流牵引网电压值，保证所述城轨交通牵引供电系统工作在车辆牵引工况时所述双向DC/DC单元能够工作在降压模式；所述城轨交通牵引供电系统工作在车辆制动工况时所述双向DC/DC单元工作在升压模式；
所述双向DC/DC单元为上下对称三电平结构，包括接在其低压侧之前的第一储能电感和第二储能电感；所述环流控制单元通过控制第一储能电感的电流与第二储能电感的电流相等且等于基准电感电流，保证所述综合治理装置与其并联的二极管整流器之间环流为零。


2.根据权利要求1所述的城轨交通牵引供电系统的综合治理装置，其特征在于，所述双向DC/DC单元还包括第一电容、第二电容、第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管，第一电容和第二电容串联并连接在所述双向DC/DC单元的高压侧之间；第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管依次串联并连接在所述双向DC/DC单元的高压侧之间，第一开关管和第二开关管的串联点连接第一储能电感的一端，第二开关管和第三开关管的串联点连接第一电容和第二电容的串联点，第三开关管和第四开关管的串联点连接第二储能电感的一端，第一储能电感的另一端和第二储能电感的另一端接在所述双向DC/DC单元的低压侧之间。


3.根据权利要求2所述的城轨交通牵引供电系统的综合治理装置，其特征在于，所述城轨交通牵引供电系统工作在车辆牵引工况时将第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管关断，仅通过所述二极管整流器将能量从所述整流变压器输送至所述直流牵引网，所述综合治理装置与其并联的二极管整流器之间环流为零。


4.根据权利要求2所述的城轨交通牵引供电系统的综合治理装置，其特征在于，所述城轨交通牵引供电系统工作在车辆牵引工况时，所述双向DC/DC单元工作在降压模式，所述整流变压器低压侧的能量通过所述二极管整流器和所述综合治理装置共同输送至所述直流牵引网。


5.根据权利要求2-4任一项所述的城轨交通牵引供电系统的综合治理装置，其特征在于，所述双向DC/DC单元工作在降压模式或升压模式时，所述综合治理装置与其并联的二极管整流器之间存在环流，利用所述环流控制单元消除所述综合治理装置与其并联的二极管整流器之间的环流；
所述环流控制单元包括第一加法器、第二加法器、第三加法器、第一电流调节器、第二电流调节器、第三电流调节器、三角波发生器、第一比较器、第二比较器、第一反相器和第二反相器，
第三加法器用于将所述第一储能电感的电流与所述第二储能电感的电流相减后送入所述第三电流调节器的输入端；
第一加法器用于将所述基准电感电流减去所述第一储能电感的电流并减去所述第三电流调节器的输出电流后送入所述第一电流调节器的输入端；
第二加法器用于将所述基准电感电流减去所述第二储能电感的电流并加上所述第三电流调节器的输出电流后送入所述第二电流调节器的输入端；
第一比较器的第一输入端连接第二比较器的第一输入端和三角波发生器的输出端，其第二输入端连接第一电流调节器的输出端，其输出端一方面连接第一开关管的控制端，另一方面通过第一反相器后连接第二开关管的控制端；
第二比较器的第二输入端连接第二电流调节器的输出端，其输出端一方面连接第四开关管的控制端，另一方面通过第二反相器后连接第三开关管的控制端。


6.一种城轨交通牵引供电系统的综合治理方法，其特征在于，所述城轨交...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭育华，罗锐，彭博，余胜，卢国涛，
申请(专利权)人：成都思特电气科技有限公司，西南交通大学，
类型：发明
国别省市：四川;51