有轨电车非接触式供电系统的制作方法
【专利摘要】有轨电车非接触式供电系统，涉及电子技术，本实用新型包括六个相同的桥臂单元，六个桥臂单元分为三个组，三个组并联于两个输出端之间；每个组包括两个串联的桥臂单元，每个组中的串联连接点作为输入端，三个组的输入端分别接三相交流电的三个连接端；每个桥臂单元包括串联连接的电感L、全桥功率子模块和N个结构相同的双极性功率子模块，N为大于1的自然数。本实用新型提出的现代有轨电车非接触式供电构造可直接接于中高压系统而节省中间变压器，减少了牵引变电所投资和系统损耗，并改善了占地和散热等系列问题，适用于箱式牵引变电所。
【专利说明】
有轨电车非接触式供电系统
技术领域
[0001]本实用新型涉及电子技术，特别是三相一单相供电技术、变频、变压及电力电子技术领域。【背景技术】
[0002]现代有轨电车非接触式受流技术主要包括储能式和电磁感应式两类。电磁式受流是通过高频电磁耦合实现能量传递，原边线圈敷设于轨道下方，次边线圈装设在车辆下方。 相比储能式，感应受流技术可以减少车载储能单元，进一步轻量化车辆自重。同时，其受电方式也不影响城市线路沿途的人文景观。是一种较为理想的供电方案。目前，感应线圈的原边一般通过“交一直一交”变流器环节提供能量，即先经工频整流，后作高频逆变。受电力电子器件单管电压等级和传递容量的限制，“交一直一交”环节往往需要借助于大量匹配变压器和多重化技术得以实现。然而，匹配变压器的采用对改善“交一直一交”变流器自身容量并无贡献。这不但增加了变压器投资和系统损耗，而且带来设备占地和散热等问题，给沿线牵引变电所的设置带来不便，特别是线路安装场地受限，需要采用箱式变电所时，表现得更为突出。【实用新型内容】
[0003]本实用新型所要解决的技术问题是，提供一种现代有轨电车非接触式供电系统， 能够节省匹配变压器，减少投资和系统损耗，改善占地和散热。
[0004]本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，有轨电车非接触式供电系统，其特征在于，包括六个相同的桥臂单元，六个桥臂单元分为三个组，三个组并联于两个输出端之间;每个组包括两个串联的桥臂单元，每个组中的串联连接点作为输入端，三个组的输入端分别接三相交流电的三个连接端；
[0005]每个桥臂单元包括串联连接的电感、全桥功率子模块和N个结构相同的双极性功率子模块，N为大于1的自然数。
[0006]所述全桥功率子模块由四个可控开关和一个直流储能电容Co构成，其中第一可控开关h与第二可控开关!^串联连接于直流储能电容Co的两端之间，第三可控开关T3与第四可控开关T4亦串联连接于直流储能电容Co的两端之间，第一可控开关1^与第二可控开关T2 的连接点作为全桥功率子模块的一个连接端，第三可控开关T3与第四可控开关T4的连接点作为全桥功率子模块的另一个连接端;所述可控开关由IGBT与反向二极管并联而成。
[0007]所述双极性功率子模块包括第五可控开关T5、第六可控开关T6、第一直流储能电容C1、第二直流储能电容C2、快速接触器K和晶闸管G;
[0008]第五可控开关T5的输出端和第六可控开关T6的输入端连接于第一参考点a，第五可控开关T5的输入端和第六可控开关T6的输出端之间串联连接有第一直流储能电容C1和第二直流储能电容C2，[0009 ]在第一直流储能电容C1与第二直流储能电容C2连接于第二参考点b，
[0010]第一参考点a和第二参考点b之间并列设置有快速接触器K和晶闸管G。
[0011]本实用新型的有益效果是:
[0012]—、本实用新型提出的现代有轨电车非接触式供电构造可直接接于中高压系统而节省中间变压器，减少了牵引变电所投资和系统损耗，并改善了占地和散热等系列问题，适用于箱式牵引变电所。
[0013]二、本实用新型提出的“交一交”型供电构造相比“交一直一交”节省了桥臂数目。 [〇〇14]三、本实用新型提出的三相一单相“交一交”型供电构造可实现变频、变压、变相功能，易于扩展应用于有轨电车车载“交一交”变换系统。
[0015]四、本实用新型采用一个FBSM和N个BISM构成的MMC桥臂结构在电平数相同的情况下较传统全桥MMC桥臂结构节省近一半数量的IGBT。
[0016]五、本实用新型技术先进、可靠，易于实施。【附图说明】
[0017]图1是本实用新型实施例的结构示意图。
[0018]图2是本实用新型实施例MMC桥臂的结构示意图。
[0019]图3是本实用新型实施例FBSM的结构示意图。[〇〇2〇]图4是本实用新型实施例BISM的结构示意图。【具体实施方式】
[0021]参见图1?4。
[0022]本实用新型主要由六个相同的二端钮MMC桥臂构成，每二个桥臂串联构成一个相单元，三个相单元的串联点分别记为X、Y、Z，相单元通过共同点0、P构成并联结构;X、Y、Z的引出线接三相电力系统，〇、P的引出线接感应线圈的原边，形成牵引侧。[〇〇23] 二端钮MMC桥臂由一个电感L、一个全桥功率子模块(简称FBSM)和N个结构相同的双极性功率子模块(简称BISM)串联而成，N为大于1的自然数。其中，FBSM为二电平单相全桥结构，由四个可控开关和一个直流储能电容构成，可控开关由IGBT与反向二极管并联而成； BISM由二个可控开关、二个直流储能电容和一个旁路开关组成，可控开关由IGBT与反向二极管并联而成，旁路开关由快速接触器和晶闸管并联而成。BISM的构成形式为:两个可控开关正向串联后再与两个正向串联的直流储能电容并联，自两个可控开关的串联点引出一个端子，自两个直流电容的串联点引出另一个端子，两个端子构成BISM的外部端口，旁路开关跨接于BISM端口之间。[0〇24] 本实用新型的工作原理是:1.MMC桥臂可对外可输出连续的0, ±1，±2, ±3，...， ±(N+1)共“2N+3”个有效电平；2.双极性MMC桥臂构成的变流器可在交流端口生成不同幅值、频率和初相位的交流信号，实现功率的双向流动。
[0025]实施例
[0026]如图1，本实施例主要由六个相同的二端钮MMC桥臂BAi j (1=8，13，(3;」=口，11)构成， 每二个桥臂串联构成一个相单元，三个相单元的串联点分别记为X、Y、Z，相单元通过共同点 〇、P构成并联结构;X、Y、Z的引出线接三相电力系统，0、P的引出线接感应线圈的原边，形成牵引侧。BAij均由一个电感L、一个全桥功率子模块(简称FBSM)和N个结构相同的双极性功率子模块(简称BISM)串联而成，如图2所示。其中，FBSM为二电平单相全桥结构，如图3所示，由四个可控开关T1-h和一个直流储能电容Co构成，可控开关由IGBT与反向二极管并联而成； BISM由二个可控开关、二个直流储能电容和一个旁路开关组成，可控开关由IGBT与反向二极管并联而成，旁路开关由快速接触器和晶闸管并联而成。BISM的构成形式如图4所示:两个可控开关T5、T6正向串联后再与两个正向串联的直流储能电容并联;两个端子&1士1 形成BISM外部端口，其中，&1引出自于两个可控开关T5、T6的串联点，h引自两个直流电容&、 C2的串联点;旁路开关由快速接触器K和晶闸管G并联后，跨接于交流端口 ai A之间。该供电构造适用于三相一单相高电压大容量功率传递，可直接接于中高压系统而省去中间变压器;并可实现变频、变压、变相功能。
[0027] 本实用新型的工作原理是:1.MMC桥臂可对外可输出连续的0, ±1，±2, ±3，...， ±(N+1)共“2N+3”个有效电平；2.双极性MMC桥臂构成的变流器可在交流端口生成不同幅值、频率和初相位的交流信号，实现功率的双向流动。[〇〇28] 图2为MMC桥臂的结构示意图。BAij由一个电感L、一个FBSM和N个结构相同的BISM串联而成。记MMC桥臂直流储能电容平均电压为UC，FBSM交流端口对外可提供“0”、“±UC”三个电平。BISM正常工作情况下，旁路开关始终处于断开状态，两可控开关互补导通，交流端口对外提供“±Uc”两种电平;BISM故障时，旁路开关闭合(此时两可控开关同时断开)，对其进行旁路和保护。N个BISM对外提供的电平为:当N为偶数时，0，± 2Uc，± 4Uc，± 6Uc，...，土 NUc;当N为奇数时，± Uc，± 3Uc，± 5Uc，...，土 NUc。再配合FBSM的 “0” 和 “ ± Uc” 电平，MMC桥臂对外可输出连续的〇,土Uc，±2Uc，±3Uc，...，±(N+l)Uc共“2N+3”个有效电平。
[0029]图3为FBSM的结构示意图。由四个可控开关L — T4和一个直流储能电容Co构成，电压电压为Uco。
[0030]图4为BISM的结构示意图。两个可控开关T5、T6正向串联后再与两个正向串联的直流储能电容C1、C2并联;两个端子&1、131形成BISM外部端口；旁路开关由快速接触器K和晶闸管G并联后，跨接于端口 a1、bi之间。电容&、C2的电压分别为Uq、UC2。
[0031]应用实例:一现代有轨电车箱式牵引变电所，原边进线电压为10kV，50Hz，次边牵引侧电压为2kV，20kHz;每个桥臂承受的交流电压最大值为9.58kV，IGBT按1200V选型，并考虑一定的裕量和冗余，BISM子模块数配置为10，FBSM子模块数配置为2。相比全桥MMC而言， 可节省总的IGBT的数目为10X2X6 = 120个，经济效益可观，且考虑了子模块电压裕量和冗余配置，系统可靠性得以保障。采用“交一交”型变压、变频供电方式，节省了中间变压器，减少了投资和系统损耗，并改善了占地和散热等系列问题，为箱式牵引变电所的应用提供了有利的条件。
[0032]主要用于三相一单相供电技术、变频、变压等场合，亦可用于其它电力电子场合。
【主权项】
1.有轨电车非接触式供电系统，其特征在于，包括六个相同的桥臂单元，六个桥臂单元 分为三个组，三个组并联于两个输出端之间；每个组包括两个串联的桥臂单元，每个组中的 串联连接点作为输入端，三个组的输入端分别接三相交流电的三个连接端；每个桥臂单元包括串联连接的电感L、全桥功率子模块和N个结构相同的双极性功率子 模块，N为大于1的自然数。2.如权利要求1所述的有轨电车非接触式供电系统，其特征在于，所述全桥功率子模块 由四个可控开关和一个直流储能电容(C〇)构成，其中第一可控开关(T〇与第二可控开关 (T2)串联连接于直流储能电容(Co)的两端之间，第三可控开关(T3)与第四可控开关(T4)亦 串联连接于直流储能电容(Co)的两端之间，第一可控开关(TJ与第二可控开关(T2)的连接 点作为全桥功率子模块的一个连接端，第三可控开关(T3)与第四可控开关(T4)的连接点作 为全桥功率子模块的另一个连接端;所述可控开关由IGBT与反向二极管并联而成。3.如权利要求1所述的有轨电车非接触式供电系统，其特征在于，所述双极性功率子模 块包括第五可控开关(T5)、第六可控开关(T6)、第一直流储能电容(Q)、第二直流储能电容 (C2)、快速接触器(K)和晶闸管(G);第五可控开关(T5)的输出端和第六可控开关(T6)的输入端连接于第一参考点a，第五可 控开关(T5)的输入端和第六可控开关(T6)的输出端之间串联连接有第一直流储能电容(C〇 和第二直流储能电容(C2)，在第一直流储能电容(C〇与第二直流储能电容(C2)连接于第二参考点b，第一参考点a和第二参考点b之间并列设置有快速接触器(K)和晶闸管(G)。
【文档编号】H02M5/22GK205595793SQ201620354661
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年4月25日
【发明人】黄小红, 吴萍, 林宗良, 罗成, 袁勇, 高保, 李 浩, 史志玮
【申请人】中铁二院工程集团有限责任公司