一种城轨交通牵引供电系统电能综合治理装置的改进结构的制作方法

1.本实用新型属于城轨交通牵引供电控制技术领域，具体的说是涉及一种城轨交通牵引供电系统电能综合治理装置的改进结构。


背景技术：

2.在申请号为“202021702107.8”的中国专利公开了“一种城轨交通牵引供电系统电能综合治理装置”，在申请号为“202010815922.3”的中国专利公开了“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”，以上公开的方案中，均提出了一种城轨交通牵引供电系统电能综合治理装置，应用于城轨交通牵引供电系统，可以无需增加变压器的情况下，实现再生制动能量的回馈，同时可以减小整流变压器的损耗，提高其容量利用率，提高输出直流电压。如图1所示，配有综合治理装置的12脉波整流器，br1和br2是两个三相6脉波整流器，u1和u2是综合治理单元，综合治理单元与三相整流桥交流侧和直流侧并联。
3.综合治理单元的结构如图2所示，其由一个pwm整流单元和一个三电平双向dc/dc组成。
4.车辆牵引时，br1-br2整流，将交流电整流为直流电供给直流牵引网，此时综合治理单元u1-u2中的pwm整流单元补偿对应br1-br2交流侧的无功和谐波电流，甚至可以输出适当的容性无功电流，减小整流器交流侧电压降，减小直流牵引网电压降或保持直流牵引网电压不变。在提高直流牵引网电压的同时，因变压器的谐波和无功电流的减小，减小了变压器的损耗，提高了牵引变压器容量利用率。在用于即有线路时，随线路运量的增大，如果整流器的容量不够，也可通过让综合治理单元的双向dc/dc工作在buck降压模式，向直流牵引网输出功率，减小整流器的负担。
5.车辆制动时，再生制动能量回到直流牵引网抬高了网侧电压，当高于整流器交流侧峰值时，整流器br1-br2输出电流为0，不再输出功率。随着直流网电压的进一步抬高，当其值高于设定的能量回馈电压门槛值时，综合治理单元u1-u4中的双向dc/dc工作在boost模式，将直流牵引网的能量送到pwm整流单元的直流侧，再由pwm单元输送到整流变压器的低压侧，再经整流变压器输送到中压交流电网。
6.图2中综合治理单元具有以下三方面功能：
7.其一、列车牵引时，双向整流器可以与pwm整流器一起将交流侧能量变换到直流侧，补充整流器容量的不足；
8.其二、在列车制动时，可以将直流牵引网电压提高到高于交流电压峰值，通过pwm整流器回馈到交流侧；
9.其三、列车牵引和制动时，抑制整流器和综合治理单元之间的环流。
10.但是后续有研究表明，双向dc/dc三方面的功能不是必须的，存在以下问题：
11.其一、二极管整流器成本低、效率高，如容量不足直接更换整器的二极管是更优的选择。
12.其二、列车制动时，能量回馈的门槛值最高值可到dc1 800v/900v(对应dc1500v牵
引网和dc750v牵引网)。门槛电压取到接近dc1800v/900v时，一般情况下，pwm整流交流侧电压峰值低于1800v/900v，可以实现能量回馈；如交流侧电网电压过高，峰值大于dc1800v/900v，pwm整流可以向电网发出感性无功，降低调制度，实现能量回馈。
13.其三、对称结构三电平能双向dc/dc可以抑制电流环流，对环流抑制起主要作用的是直流侧的电感l1和l2。
14.此外，三电平双向dc/dc有t7—t9四个功率开关器件，增加控制的复杂性和设备成本。


技术实现要素：

15.针对上述已公开专利中综合治理装置存在的问题，本实用新型提出了一种城轨交通牵引供电系统电能综合治理装置的改进结构，将原有的综合治理装置中的三电平双向dc/dc单元的更换为双极单向阻断开关单元，双极单向阻断开关单元相当于一个双极单向开关，控制开关的通断，可以实现pwm整流器直流侧与直流牵引网的接通和断开，能量只能由直流牵引网流向pwm整流器的直流侧单向流通。
16.本实用新型的技术方案为：
17.一种城轨交通牵引供电系统电能综合治理装置的改进结构，所述综合治理装置并联在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，其特征在于，所述综合治理装置包括pwm整流器和双极单向阻断开关单元；所述pwm整流器的交流侧连接二极管整流器的交流侧和城轨交通牵引供电系统中整流变压器的低压侧，pwm整流器的直流侧连接双极单向阻断开关单元的一侧，双极单向阻断开关单元的另一侧连接二极管整流器的直流侧和直流牵引网；
18.所述双极单向阻断开关单元包括第一晶闸管、第二晶闸管、第一电感和第二电感，其中第一晶闸管的负极接pwm整流器的直流侧正极，第一晶闸管的正极通过第一电感后接直流牵引网正极；第二晶闸管的正极接pwm整流器的直流侧负极，第二晶闸管的负极通过第二电感后接直流牵引网负极。
19.进一步的，通过控制第一晶闸管和第二晶闸管的通断，从而控制pwm整流器直流侧与直流牵引网的接通和断开，实现能量只能由直流牵引网向pwm整流器的直流侧单向流通。
20.进一步的，所述第一晶闸管和第二晶闸管的关断状态对应列车牵引工况，使pwm整流器直流侧电压高于交流侧电压峰值且不受直流牵引网电压影响，并且pwm整流器和二极管整流器之间没有环流产生。
21.进一步的，所述第一晶闸管和第二晶闸管的导通状态对应列车制动工况，使制动能量通过双极单向阻断开关单元流向pwm整流器的直流侧，由pwm整流器将直流逆变为交流。
22.进一步的，所述第一电感和第二电感分别接在直流侧的正极和负极，电感量相等，第一电感和第二电感在开关单元开通时可抑制二极管整流器和综合治理单元间的环流，让交流侧三相间环流和直流侧正负极间的环流对称，同时pwm整流发生短路故障时，可抑制电流的上升率，减小短路保护器件分断时的电流。
23.本实用新型的有益效果为：本实用新型所提出的综合治理单元构成的综合治理装置，保留了原有综合冶理装置主要功能(即，列车牵引时通过补偿牵引整流器产生的谐波和
无功，实现牵引变压器损耗减小、容量利用率提高和直流牵引网侧电压降减小；列车制动时，将再生能量回馈到中压交流电网。)，省去了通过综合治理单元向直流牵引网辅助供电的功能，但装置的体积、重量和成本均会有所下降，控制复杂度降低，同时再生能量回馈效率更高，这些性能改善更有利于装置的推广应用。
附图说明
24.图1为背景技术中已公开专利的配置有综合治理装置的供电系统。
25.图2为背景技术中已公开专利的综合治理单元结构。
26.图3为本实用新型提出的综合治理装置的改进结构。
具体实施方式
27.下面结合附图对本实用新型进行详细描述。
28.基于背景技术中所提出的专利中用于城轨交通牵引供电系统电能综合治理装置的不足之处，本实用新型在如图2所示的综合治理装置的基础之上，提出如图3所示的改进结构。将原有的综合治理单元中的三电平双向dc/dc单元更换为双极单向阻断开关单元。双极单向阻断开关单元由两个晶闸管开关t7和t8及两个电感l1和l2组成。t7和l1连接在pwm整流器直流侧正与直流牵引网正之间；t8和l2连接在pwm整流器的直流侧负与直流牵引网负之间。
29.列车牵引时，晶闸管开关t7和t8关断，双极单向阻断开关工作在关断状态，pwm整流器补偿二极管整流器产生的谐波和无功电流。因为t7和t8处于关断状态，pwm整流器的直流侧电压可以控制到高于交流侧电压峰值，不受直流牵引网电压影响，使得pwm整流器补偿谐波和无功补偿功能可以实现。同时，因为双极阻断开关单元的关断，让pwm整流器的直流侧和二极管整流器的直流侧隔离，它们之间没有环流产生。
30.列车制动时，晶闸管开关t7和t8触发导通，双极单向阻断开关工作在开通状态，再生制动能量通过双极单向阻断开关流向pwm整流器的直流侧，由pwm整流器将直流逆变为交流，通过整流变压器回馈到中压交流电网。双极单向阻断开关开通期间，pwm整流器和二极管整流器间的环流由pwm整流器的交流侧电感la、lb、lc和双极单向阻断开关的电感l1和l2共同抑制。此时，如果直流牵引网电压小于pwm整流器交流侧电压峰值，可以让pwm整流器向电网发出感性无功，将pwm调制度控制在1以下。
31.从上述分析可以看到：
32.1)在列车牵引时，如果开关单元只有正极或负极关断，pwm整流器与二极管整流器直流侧有一条通路，也会产生环流。因此，开关单元中采用正负极均阻断的双极结构。因为不需要通过pwm整流器向牵引网供电，因此，开关单元只是单向而非双向。
33.2)列车制动时，开关单元开通，pwm整流器直流侧和直流牵引网连通，正极和负极均串有电感，pwm整流器和二极管整流器有环流产生。如果串联电感只放在正极或只在负极，产生的环流将是非对称的。非对称环流导致pwm整流器和二极管整流器的器件中电流分布不均匀，器件发热也将因此不均匀，将带来器件寿命不致的问题。因此，开关单元中的电感l1和l2分别设计在开关的正极和负极，且二者电感量相等。
34.3)列车制动时，图3所示改进综合治理单元中，直流牵引网电流流向pwm整流器的
直流侧，流经电感l1、l2和晶闸管开关t7和t8。在图2所示的原有的综合治理单元，流经电感l1、l2外，还要流经由t7-t10中的两个高频开关器件。在两种结构中，电感相同，改进的综合治理单元损耗更小，效率更高。