一种地铁再生能量电阻吸收装置制造方法
【专利摘要】本实用新型公开一种地铁再生能量电阻吸收装置，包括两条以上用于吸收再生能量的吸收支路，各条吸收支路并联后通过滤波电路和开关组件接入直流牵引供电网；吸收支路包括用于控制再生能量吸收的斩波电路和用于消耗能量的吸收电阻，斩波电路与吸收电阻串联，斩波电路为IGCT斩波电路。本实用新型具有电路结构简单、成本低廉、稳定性和可靠性高的优点。
【专利说明】
一种地铁再生能量电阻吸收装置
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及城轨地铁供电【技术领域】，尤其涉及一种地铁再生能量电阻吸收装置。
【背景技术】
[0002]城轨地铁由于地铁站间的间距较短，列车运行过程中需要频繁启动和制动，由此产生的网压升高及洞内温升等问题对电站设备和列车的运行具有不利的影响。目前国内外通常是在牵引变电所内设置再生制动能量吸收装置来吸收剩余制动能量，从而维持电网电压稳定，吸收装置所采用的吸收方案主要有电阻消耗型、电容储能型、飞轮储能型和逆变回馈型等，其中电阻消耗型由于控制简单、性能可靠而被广泛应用。
[0003]电阻消耗型吸收装置中通常采用电力电子元件构成的斩波开关来调节电阻吸收的能量，早期的地铁电阻能量吸收装置是采用GT0(Gate Turn-Off thyristor,可关断晶闸管)作为斩波开关，而这种装置由于GTO本身具有不均匀关断的特性，需要庞大的dv/dt吸收电路来吸收关断过程中所产生的过电压，同时由于其门极驱动电路较为复杂且驱动功率大。
[0004]IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor,绝缘栅极门控晶体管)综合了功率MOSFET (功率金属氧化物半导体场效应晶体管)和双极性功率晶体管两者的功能，既有MOSFET易驱动的特点，又具备功率晶体管电压电流容量大等优点，其频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间，可正常工作于几十kHZ频率范围内，因此目前大部分的地铁电阻能量吸收装置通常是采用IGBT作为斩波开关的斩波电路。但由于IGBT本身的耐受能力不够，采用IGBT斩波电路的电阻能量吸收装置应用在高电压、大容量的系统中时，一方面需要将多个IGBT进行并联使用，同时需要设置复杂的保护电路以保证其正常运行，从而增加装置的制造成本；另一方面为了抑制直流网产生的过电压以及短路电流通常还需要采用由大电感器和大电容器组成的LC滤波电路以及直流接触器等，进一步增加成本，同时在动态过程中还容易引起LC振荡，影响设备的正常运行，使得稳定性和可靠性不高。
实用新型内容
[0005]本实用新型要解决的技术问题就在于:针对现有技术存在的技术问题，本实用新型提供一种电路结构简单、成本低廉、稳定性和可靠性高的地铁再生能量电阻吸收装置。
[0006]为解决上述技术问题，本实用新型提出的技术方案为:
[0007]一种地铁再生能量电阻吸收装置，包括两条以上用于吸收再生能量的吸收支路，各条所述吸收支路并联后通过滤波电路和开关组件接入直流牵引供电网；所述吸收支路包括用于控制再生能量吸收的斩波电路和用于消耗能量的吸收电阻，所述斩波电路与吸收电阻串联，所述斩波电路为IGCT斩波电路。
[0008]优选地，所述吸收支路的数量为偶数。
[0009]优选地，所述IGCT斩波电路包括反压阻断二极管和IGCT，所述反压阻断二极管与IGCT并联。
[0010]优选地，所述IGCT斩波电路还设有用于吸收尖峰过电压的阻容吸收电路，所述阻容吸收电路与IGCT并联。
[0011]优选地，所述阻容吸收电路包括呈串联连接的电阻和电容。
[0012]优选地，所述吸收支路还设有续流二极管，所述续流二极管与吸收电阻并联。
[0013]优选地，所述滤波电路包括电抗器L和用于吸收电抗器L储存能量的电抗器能量吸收单元，所述电抗器L和电抗器能量吸收单元之间并联连接。
[0014]优选地，所述电抗器能量吸收单元包括呈串联连接的二极管和电阻。
[0015]优选地，所述开关组件包括隔离开关QS和高速断路器QF，所述隔离开关QS —端连接滤波电路，另一端通过高速断路器QF连接直流牵弓丨供电网。
[0016]优选地，各条所述吸收支路的一端依次通过滤波电路、开关组件与直流牵引供电网的正极母线相连、另一端共同与直流牵引供电网的负极母线相连，所述开关组件与滤波电路之间设有第一避雷器F1，所述吸收支路与直流牵引供电网的负极母线之间设有第二避雷器F2。
[0017]与现有技术相比，本实用新型的优点在于:本实用新型通过吸收支路吸收城轨地铁列车制动时的再生能量，每条吸收支路采用IGCT斩波电路控制再生能量的吸收，电流及电压的耐受能量强，所需的吸收支路少，同时不需要复杂的外围保护电路，电路结构简单、所需制造成本低且稳定性和可靠性高。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1是本实施例地铁再生能量电阻吸收装置的结构示意图。
[0019]图例说明:1、吸收支路；11、斩波电路；111、阻容吸收电路；12、吸收电阻；2、滤波电路；21、电抗器能量吸收单元；3、开关组件。
【具体实施方式】
[0020]以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本实用新型作进一步描述，但并不因此而限制本实用新型的保护范围。
[0021]如图1所示，本实施例地铁再生能量电阻吸收装置包括两条用于吸收再生能量的吸收支路1，各条吸收支路I并联后通过滤波电路2和开关组件3接入直流牵引供电网；吸收支路I包括用于控制再生能量吸收的斩波电路11和用于消耗能量的吸收电阻12，斩波电路11与吸收电阻12串联，斩波电路11为IGCT斩波电路。
[0022]IGCT (Integrated Gate Commutated Thyristor,集成门极换流晶闸管)是在 GTO基础上发展起来的半导体器件，其是由门极驱动单元和GCT (门极换流晶闸管)集成而成，既继承了 GTO的可靠性又具有比GTO更为优越的性能，综合了晶体管的稳定关断能力和晶闸管导通损耗的性能特点，可以像晶闸管一样导通，也可以像IGBT —样进行关断，具有电流大、电压高、开关频率高、可靠性高、结构紧凑、损耗低等优点，并且成本低同时功率损耗低。本实施例中斩波电路11为IGCT斩波电路，通过控制IGCT斩波电路来控制吸收支路I吸收列车制动时产生的再生能量，电路结构简单、电流及电压的耐受能力强。
[0023]需要说明的是，本实施例地铁再生能量电阻吸收装置包括两条吸收支路1，但是为了可靠地吸收列车产生制动再生能量，同时考虑到元件容量和牵引网谐波电流的限制，也可以根据需要设置更多的吸收支路1，且吸收支路I的数量N为偶数(N为2的整数倍)。本实施例中，每条吸收支路I即为一相，同时各条吸收支路I不同时导通，各条吸收支路I工作时根据再生制动时直流母线电压的变化状态调节IGCT斩波电路的导通比以改变吸收功率，将直流电压恒定在一定范围内，吸收的再生能量通过吸收电阻12消耗掉，N条吸收支路I构成对再生能量的N重恒压吸收控制系统，其中吸收支路I的导通角及投入的相数则由线网电压的大小决定。
[0024]由于IGCT的电流耐受能力强，使得采用IGCT斩波电路的吸收支路I的吸收能力强，因此吸收支路I只需配置少量相数就能够达到吸收功率的需求，从而有效降低电路复杂度以及制造成本。
[0025]参见图1，本实施例具体包括第一吸收支路和第二吸收支路，其中以图中左侧吸收支路I为第一吸收支路，右侧吸收支路I为第二吸收支路，第一吸收支路与第二吸收支路并联。第一吸收支路包括第一 IGCT斩波电路以及第一吸收电阻R11，第二吸收支路包括第二IGCT斩波电路以及第二吸收电阻R12，第一吸收支路的斩波开关为第一 IGCT CH1，第二吸收支路的斩波开关为第二 IGCT CH2。
[0026]本实施例中，IGCT斩波电路包括反压阻断二极管和IGCT，反压阻断二极管与IGCT并联。本实施例中IGCT斩波电路中IGCT具体采用5SHY 35L4510型IGCT，也可根据实际需求选用其他型的IGCT。由于IGCT不具备承受反相电压的能力，本实施例通过并联反压阻断二极管来为IGCT提供承受反压的能力，从而能够有效提高IGCT斩波电路承受反压的能力。参见图1，第一 IGCT斩波电路、第二 IGCT斩波电路的反压阻断二极管分别为二极管VD2、VD4，二极管 VD2、VD4 分别与第一 IGCT CH1、第二 IGCT CH2 并联。
[0027]本实施例中，IGCT斩波电路还设有用于吸收尖峰过电压的阻容吸收电路111，阻容吸收电路111与IGCT并联。通过阻容吸收电路111来吸收尖峰过电压，从而避免尖峰过电压损坏IGCT。参见图1，第一 IGCT斩波电路、第二 IGCT斩波电路分别设有第一阻容吸收电路、第二阻容吸收电路，第一阻容吸收电路包括串联的第二电阻R2和第一电容Cl、第二阻容吸收电路包括串联的第三电阻R3和第二电容C2。
[0028]本实施例中，吸收支路I还设有续流二极管，续流二极管与吸收电阻12并联。续流二极管用来吸收电阻12中的电感所产生的反电动势，从而保护吸收支路I。参见图1，第一吸收支路和第二吸收支路的续流二极管分别为二极管VD3、VD5。IGCT的关断时间为7 μ S左右，较传统的IGBT的关断时间(940ns左右)更长，仅需要快速二极管作为续流管就能满足需求，因而所需成本低，例如可采用ZK系列的快恢复二极管，其成本要远小于传统的采用IGBT作为续流二极管的成本。
[0029]本实施例中，滤波电路2包括电抗器L和用于吸收电抗器L储存能量的电抗器能量吸收单元21，电抗器L和电抗器能量吸收单元21之间并联连接。在吸收支路I开通时，通过电抗器L来抑制IGCT过大的电流上升率di/dt以及在发生短路时抑制短路电流，在吸收支路I关断时，通过电抗器能量吸收单元21吸收电抗器L储存的能量，以免电抗器L产生超高的反电动势ε =-Ldi/dt,从而保护吸收支路I。参见图1,电抗器能量吸收单元21包括串联的二极管VDl和第一电阻R1。由于IGCT的电压耐受能力强，通过阻容吸收电路111就能够实现对IGCT的过压保护，将过电压抑制在正常工作范围之内，而不需要复杂的外围保护电路就能够正常运行，电路结构简单且可靠性高。滤波电路2中的电抗器L仅需采用低电感量的电抗器、阻容吸收电路111也仅需采用简单小容量的RC电路，所需的制造成本低。
[0030]本实施例中，开关组件3包括隔离开关QS和高速断路器QF，隔离开关QS —端连接滤波电路2，另一端通过高速断路器QF连接直流牵引供电网的正极。通过高速断路器QF接入直流牵引供电网，由隔离开关QS将滤波电路2、各吸收支路I与供电网进行隔离，以便进行调试、检测以及故障处理，发生短路时由滤波电路2进行抑制，确保高速断路器QF可靠跳闸。
[0031]本实施例中，吸收支路I的一端依次通过滤波电路2、开关组件3与直流牵引供电网的正极母线相连、另一端共同与直流牵引供电网的负极母线相连，开关组件3与滤波电路2之间设有第一避雷器F1，吸收支路I与直流牵引供电网的负极母线之间设有第二避雷器F2。
[0032]当电网电压超过预设值时吸收支路I立即投入工作，由IGCT斩波电路控制吸收列车制动时的再生能量以稳定网压，吸收电阻12将吸收的再生能量转换为热能消耗掉。IGCT的控制部分由门极及其控制环节构成，IGCT受门极环节控制。
[0033]本实施例中，还包括控制上述地铁再生能量电阻吸收装置的控制电路，通过控制电路控制实现城轨地铁列车的再生能量的吸收，具体工作原理如下所示:
[0034]I)控制电路未上电时，高速断路器QF断开，第一 IGCT CHl、第二 IGCT CH2处于脉冲封锁状态；
[0035]2)闭合隔离开关QS，控制电路上电且控制电路自检正常后，闭合高速断路器QF ；
[0036]3)控制电路判断确认本供电区段内列车处于再生制动状态，而导致电网电压升高到预设值(例如1720V)时，自动输出PWM触发脉冲触发各条吸收支路I的斩波电路11工作，对网压进行恒压闭环控制，将电网电压稳定在一定的电压值，否则封锁触发脉冲，处于待机状态。
[0037]本实施例中，控制电路与地面控制中心通信连接，由控制电路监测上述地铁再生能量电阻吸收装置的各种状态及故障信息，若出现如下情况:电网电压过高(例如DC1850V)或过低(例如DC950V)、主电路电气部件故障(隔离开关QS、高速断路器QF)等、斩波电路11故障、控制电路故障、直流侧总电流过流、吸收电阻12超温、控制电路自检不正常等时，由控制电路封锁脉冲并重新启动，若重复执行一定次数后故障仍然存在则控制电路封锁脉冲同时输出断开高速断路器QF的控制指令，将故障进行存储以提供故障显示以及向控制中心报警。一旦控制电路输出断开高速断路器QF的控制指令，则自动保持该控制指令至少5s。
[0038]本实施例中，高速断路器QF的合、断也可由控制中心发出指令，但闭合高速断路器则必须由控制电路许可，在供电系统设备不正常时，地面控制中心将供电系统设备故障信号传输给控制电路，由控制电路自行切断或由控制中心直接发出断开高速断路器QF的指令，使本实施例地铁再生能量电阻吸收装置从供电网切除。
[0039]本实施例隔尚开关QS米用电动分、合闸方式，隔尚开关QS与闻速断路器QF具有电气连锁，当分断隔离开关QS时，斩波电路11必然已封锁脉冲并高速断路器QF已断开。
[0040]本实施例中，通过电压传感器SVl测量供电网压，并通过比较供电变电所高压侧电压在直流侧的归算值和整流器输出直流侧电压值判断列车的运行状态，具体的判断逻辑如下:若直流侧电压大于高压侧电压归算值，则可判定指定供电区段内有车辆处于再生工况，且线路吸收不足；若直流侧电压小于高压侧电压归算值，则可判定指定供电区段内有列车处于牵引运行工况或处于再生工况但再生能量被线路充分吸收；若直流侧电压约等于高压侧电压归算值，则可判定指定供电区段内此时无列车运行或有列车处于再生工况但同时处于再生能量刚好被线路吸收的临界状态，而只有当检测到第一种情况(直流侧电压大于高压侧电压归算值)且直流侧网压升高到一定程度时，吸收支路1才投入工作，由各条吸收支路1吸收制动车辆的回馈能量，从而降低网压，斩波电路11的导通角根据网压的大小自动调节。另外，本实施例中，为了防止地铁再生能量电阻吸收装置的超负荷运行，通过控制电路使装置具有容量限制功能，即将能量吸收装置的吸收能量限制在装置所允许的范围内。
[0041]以广州地铁6号线作为应用对象为例，上述地铁再生能量电阻吸收装置仅需要设置2条吸收支路1，2条吸收支路1不同时导通，构成2相不重恒压吸收控制系统，具体电路结构如图1所示。当电网电压超过预设值时启动吸收支路1工作，由1(^1斩波电路控制吸收列车的再生能量，1(^1斩波电路的导通角根据网压的大小自动调节，从而将电网电压稳定在一定范围内，其中斩波电路的控制采用定额调宽方式，单相斩波频率为300 ！！2(可根据实际需求进行调整),合成频率为600112，导通比为1%?99%。
[0042]上述只是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型作任何形式上的限制。虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本实用新型技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本实用新型技术方案保护的范围内。
【权利要求】
1.一种地铁再生能量电阻吸收装置，其特征在于:包括两条以上用于吸收再生能量的吸收支路(1),各条所述吸收支路(1)并联后通过滤波电路(2 )和开关组件(3 )接入直流牵引供电网；所述吸收支路(1)包括用于控制再生能量吸收的斩波电路(11)和用于消耗能量的吸收电阻(12),所述斩波电路(11)与吸收电阻(12)串联，所述斩波电路(11)为1(^1'斩波电路。
2.根据权利要求1所述的地铁再生能量电阻吸收装置，其特征在于:所述吸收支路(1)的数量为偶数。
3.根据权利要求2所述的地铁再生能量电阻吸收装置，其特征在于:所述1(^1斩波电路包括反压阻断二极管和1(^1'，所述反压阻断二极管与1(^1并联。
4.根据权利要求3所述的地铁再生能量电阻吸收装置，其特征在于:所述1(^1斩波电路还设有用于吸收尖峰过电压的阻容吸收电路(111),所述阻容吸收电路(111)与1(^1'并联。
5.根据权利要求4所述的地铁再生能量电阻吸收装置，其特征在于:所述阻容吸收电路(111)包括呈串联连接的电阻和电容。
6.根据权利要求5所述的地铁再生能量电阻吸收装置，其特征在于:所述吸收支路(1)还设有续流二极管，所述续流二极管与吸收电阻(12)并联。
7.根据权利要求1?6中任意一项所述的地铁再生能量电阻吸收装置，其特征在于:所述滤波电路(2)包括电抗器I和用于吸收电抗器I储存能量的电抗器能量吸收单元(21),所述电抗器[和电抗器能量吸收单元(21)之间并联连接。
8.根据权利要求7所述的地铁再生能量电阻吸收装置，其特征在于:所述电抗器能量吸收单元(21)包括呈串联连接的二极管和电阻。
9.根据权利要求8所述的地铁再生能量电阻吸收装置，其特征在于:所述开关组件(3)包括隔离开关呖和高速断路器职，所述隔离开关呖一端连接滤波电路(2),另一端通过高速断路器职连接直流牵弓丨供电网。
10.根据权利要求9所述的地铁再生能量电阻吸收装置，其特征在于:各条所述吸收支路(1)的一端依次通过滤波电路口)、开关组件(3)与直流牵引供电网的正极母线相连、另一端共同与直流牵引供电网的负极母线相连，所述开关组件(3)与滤波电路(2)之间设有第一避雷器？1，所述吸收支路(1)与直流牵引供电网的负极母线之间设有第二避雷器？2。
【文档编号】H02J1/00GK204144940SQ201420612186
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2014年10月22日 优先权日:2014年10月22日
【发明者】黄一平, 周立明, 张玉平, 张铁军, 陈雪, 贺文, 卡格德尔·鲁卡, 唐亚军, 袁超, 李志鹏 申请人:株洲时代装备技术有限责任公司