本發(fā)明涉及一種提高功率密度的電力電子變壓器牽引供電系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

目前，中國(guó)是世界上高速鐵路規(guī)模最大、發(fā)展速度最快的國(guó)家。據(jù)國(guó)際鐵路聯(lián)盟(uic)統(tǒng)計(jì)，截至2016年12月，中國(guó)中車產(chǎn)品已經(jīng)出口到全球六大洲102個(gè)國(guó)家和地區(qū)，覆蓋了全球83％擁有鐵路的國(guó)家和地區(qū)。中國(guó)高鐵運(yùn)營(yíng)里程達(dá)2.1萬(wàn)km，占全世界高鐵總里程的60％以上。最新《中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》中提出：到2020年，一批重大標(biāo)志性項(xiàng)目建成投產(chǎn)，鐵路網(wǎng)規(guī)模達(dá)到15萬(wàn)公里，其中高速鐵路3萬(wàn)公里，覆蓋80％以上的大城市。圍繞國(guó)家“一帶一路”和“走出去”戰(zhàn)略實(shí)施，中國(guó)正在加大境外鐵路項(xiàng)目工作力度，推進(jìn)與周邊國(guó)家鐵路互聯(lián)互通建設(shè)，發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

如圖1所示，牽引變壓器是電力機(jī)車傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力源頭和重要組成部分，在供電時(shí)，交流牽引網(wǎng)1與鐵軌2之間連接有受電弓3及牽引變壓器6，牽引變壓器6通過(guò)主變流器4與牽引電動(dòng)機(jī)5相連。

牽引變壓器6其體積、重量龐大，占據(jù)了很大的乘用空間，且額外損耗了大量的能量。新一代電力電子牽引變壓器pett，在由于采用中、高頻變壓器，不僅擁有傳統(tǒng)工頻牽引變壓器的電氣隔離、雙向功率傳輸和電壓變換功能，而且具有重量體積減輕50％以上、功率因數(shù)高、諧波含量低、污染小等眾多優(yōu)勢(shì)，受到國(guó)際軌道交通領(lǐng)域理論和技術(shù)研究的高度重視。

世界著名機(jī)車制造廠商相繼對(duì)pett做出了設(shè)計(jì)方案和試驗(yàn)樣機(jī)，而目前對(duì)電力電子變壓器牽引供電系統(tǒng)功率密度提升方面的研究主要集中在變壓器頻率的提升，研發(fā)高效、高功率密度的變壓器牽引供電系統(tǒng)已成為新一代國(guó)際輕量化高性能電力機(jī)車的戰(zhàn)略高地。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了解決上述問(wèn)題，提出了一種提高功率密度的電力電子變壓器牽引供電系統(tǒng)，本發(fā)明提供的牽引供電系統(tǒng)的輸入級(jí)在傳統(tǒng)級(jí)聯(lián)h橋的基礎(chǔ)上添加有源功率解耦電路，組成的有源功率解耦模塊可以在整流的同時(shí)抑制二次功率脈動(dòng)減小濾波電容，提高功率密度；中間級(jí)dc/dc變換器采用諧振軟開(kāi)關(guān)技術(shù)提高變換效率，同時(shí)提高功率密度；低壓側(cè)直流并聯(lián)輸出，直流母線接有復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)，以改善電能質(zhì)量；牽引變頻器和輔助供電逆變器與低壓側(cè)直流母線相連。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種提高功率密度的電力電子變壓器牽引供電系統(tǒng)，包括若干組連接在高壓交流母線上的電力電子變壓器，上述電力電子變壓器輸出的低壓直流側(cè)均并聯(lián)形成低壓直流母線，所述低壓直流母線上連接給電動(dòng)機(jī)供電的牽引逆變器和輔助供電逆變器。

進(jìn)一步的，所述電力電子變壓器連接在與高壓交流母線相連的受電弓后。

進(jìn)一步的，所述受電弓上開(kāi)關(guān)處并聯(lián)有一用于實(shí)現(xiàn)電力電子變壓器的軟啟動(dòng)的電阻。

進(jìn)一步的，所述受電弓與電力電子變壓器之間串聯(lián)濾波器，當(dāng)回饋制動(dòng)的能量大于設(shè)定值時(shí)，電力電子變壓器向牽引網(wǎng)傳輸能量，濾波器用于對(duì)此時(shí)的饋送電流濾波。

進(jìn)一步的，所述低壓直流母線上連接混合儲(chǔ)能系統(tǒng)。這樣的設(shè)計(jì)，一方面可以在弓網(wǎng)離線時(shí)短時(shí)間內(nèi)供能，另一方面，可以吸收回饋制動(dòng)產(chǎn)生的能量，降低電力電子變壓器向牽引網(wǎng)注入的諧波。

優(yōu)選的，所述混合儲(chǔ)能系統(tǒng)包括蓄電池和與其并聯(lián)的超級(jí)電容。

進(jìn)一步的，所述電力電子變壓器的前級(jí)整流環(huán)節(jié)采用級(jí)聯(lián)h橋結(jié)構(gòu)，每個(gè)h橋結(jié)構(gòu)均增設(shè)有源功率解耦電路，以降低濾波電容并提高其可靠性。

進(jìn)一步的，整流環(huán)節(jié)采用spwm調(diào)制。

進(jìn)一步的，所述濾波器為l濾波電路。

進(jìn)一步的，每個(gè)h橋結(jié)構(gòu)的直流側(cè)連接有dc-dc變換器，多組力電子變壓器的dc-dc變換器之間并聯(lián)，多個(gè)dc-dc變換器輸出的正極線路分別相連，輸出的負(fù)極線路分別相連，并聯(lián)形成低壓直流母線。

進(jìn)一步的，所述dc-dc變換器為諧振變換器，由兩個(gè)h橋結(jié)構(gòu)、諧振電容和一個(gè)高頻變壓器組成，所述高頻變壓器的兩側(cè)各通過(guò)一個(gè)諧振電容連接有一個(gè)h橋結(jié)構(gòu)，所述諧振變換器采用移相控制，諧振變換器輸出端并聯(lián)形成電力電子變壓器的低壓直流輸出端。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：

(1)輸入級(jí)在傳統(tǒng)級(jí)聯(lián)h橋的基礎(chǔ)上添加有源功率解耦電路，組成的有源功率解耦模塊可以在整流的同時(shí)抑制二次功率脈動(dòng)減小濾波電容，提高功率密度。

(2)受電弓上開(kāi)關(guān)處并聯(lián)一個(gè)電阻，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)車電力電子變壓器的軟啟動(dòng)，降低啟動(dòng)時(shí)對(duì)電力電子變壓器的沖擊。

(3)本發(fā)明中電力電子變壓器dc-dc環(huán)節(jié)采用高頻諧振變換器，既可以降低變壓器體積，又可以降低開(kāi)關(guān)損耗。

(4)低壓直流母線上連接混合儲(chǔ)能裝置，可以在弓網(wǎng)離線時(shí)短時(shí)間內(nèi)供能。

(5)低壓直流母線上連接混合儲(chǔ)能裝置，可以吸收回饋制動(dòng)產(chǎn)生的能量，降低電力電子變壓器向牽引網(wǎng)注入的諧波。

附圖說(shuō)明

構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分的說(shuō)明書附圖用來(lái)提供對(duì)本申請(qǐng)的進(jìn)一步理解，本申請(qǐng)的示意性實(shí)施例及其說(shuō)明用于解釋本申請(qǐng)，并不構(gòu)成對(duì)本申請(qǐng)的不當(dāng)限定。

圖1為傳統(tǒng)牽引供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；

圖2為電力電子變壓器結(jié)構(gòu)圖；

圖3為電力電子變壓器牽引供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；

其中，1、交流牽引網(wǎng)，2、鐵軌，3、受電弓，4、主變流器，5、牽引電動(dòng)機(jī)，6、牽引變壓器。

具體實(shí)施方式：

下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。

應(yīng)該指出，以下詳細(xì)說(shuō)明都是例示性的，旨在對(duì)本申請(qǐng)?zhí)峁┻M(jìn)一步的說(shuō)明。除非另有指明，本文使用的所有技術(shù)和科學(xué)術(shù)語(yǔ)具有與本申請(qǐng)所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員通常理解的相同含義。

需要注意的是，這里所使用的術(shù)語(yǔ)僅是為了描述具體實(shí)施方式，而非意圖限制根據(jù)本申請(qǐng)的示例性實(shí)施方式。如在這里所使用的，除非上下文另外明確指出，否則單數(shù)形式也意圖包括復(fù)數(shù)形式，此外，還應(yīng)當(dāng)理解的是，當(dāng)在本說(shuō)明書中使用術(shù)語(yǔ)“包含”和/或“包括”時(shí)，其指明存在特征、步驟、操作、器件、組件和/或它們的組合。

正如背景技術(shù)所介紹的，現(xiàn)有技術(shù)下?tīng)恳╇娤到y(tǒng)體積、重量大，存在弓網(wǎng)離線對(duì)牽引系統(tǒng)影響大、機(jī)車回饋制動(dòng)時(shí)向電網(wǎng)注入的諧波大等不足，為了解決如上的技術(shù)問(wèn)題，本申請(qǐng)?zhí)峁┮环N提高功率密度的電力電子變壓器牽引供電系統(tǒng)。

本申請(qǐng)的一種典型的實(shí)施方式中，提供一種提高功率密度的電力電子變壓器牽引供電系統(tǒng)，包括連接在高壓交流母線上的電力電子變壓器，所述電力電子變壓器輸出的低壓直流側(cè)并聯(lián)形成低壓直流母線，所述低壓直流母線上連接給電動(dòng)機(jī)供電的牽引逆變器和輔助供電逆變器。如圖3所示，其中虛線框代表一列電力機(jī)車，pett結(jié)構(gòu)如圖2所示。本發(fā)明中受電弓后連接的pett將高壓交流電轉(zhuǎn)換為低壓直流電，進(jìn)而由低壓直流母線向各個(gè)電動(dòng)機(jī)供電，多個(gè)牽引逆變器和輔助供電逆變器均并聯(lián)在低壓直流母線上。

本發(fā)明在低壓直流母線上連接蓄電池與超級(jí)電容組成的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，在低壓直流母線上連接蓄電池與超級(jí)電容組成的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)其目的有兩個(gè)：1)由于回饋制動(dòng)過(guò)程中會(huì)有少量能量回饋到牽引網(wǎng)中，而此回饋電流中包含較大諧波成分，連接的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)可以吸收該部分回饋能量，降低牽引網(wǎng)中的諧波含量；2)當(dāng)受電弓因振動(dòng)、過(guò)分相等原因離線時(shí)，混合儲(chǔ)能裝置可以為電力機(jī)車提供短時(shí)間內(nèi)的功能，降低弓網(wǎng)離線對(duì)電力電子變壓器的不利影響。

另外，本申請(qǐng)?jiān)谑茈姽祥_(kāi)關(guān)處并聯(lián)一個(gè)電阻，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)車電力電子變壓器的軟啟動(dòng)；受電弓與電力電子變壓器之間串聯(lián)濾波器，當(dāng)回饋制動(dòng)的能量較大時(shí)，電力電子變壓器向牽引網(wǎng)傳輸能量，濾波器用于對(duì)此時(shí)的饋送電流濾波。優(yōu)選的，濾波器為l濾波電路。

如圖2所述，電力電子變壓器的前級(jí)整流環(huán)節(jié)采用級(jí)聯(lián)h橋結(jié)構(gòu)，每個(gè)h橋均配置有源功率解耦電路，從而降低濾波電容的體積，提高功率密度和系統(tǒng)可靠性；h橋電路的直流側(cè)連接dc-dc變換器，多個(gè)dc-dc變換器之間并聯(lián)，多個(gè)dc-dc變換器輸出的正極線路分別相連，輸出的負(fù)極線路分別相連，并聯(lián)形成低壓直流母線；在低壓直流母線上連接牽引逆變器給電動(dòng)機(jī)供電，連接輔助供電逆變器給輔助供電系統(tǒng)供電；低壓直流母線上連接混合儲(chǔ)能系統(tǒng)。dc-dc變換器為諧振變換器。

工作原理：本申請(qǐng)?jiān)谑茈姽筮B接pett將高壓交流電轉(zhuǎn)換為低壓直流電，進(jìn)而由低壓直流母線向各個(gè)電動(dòng)機(jī)供電，多個(gè)牽引逆變器均并聯(lián)在低壓直流母線上，在低壓直流母線上連接蓄電池與超級(jí)電容組成的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)。其中：電力電子牽引變壓器如圖2所示，其的整流環(huán)節(jié)由帶有源功率解耦電路的級(jí)聯(lián)h橋組成，采用spwm調(diào)制；h橋的直流側(cè)均并聯(lián)電容，其后面接諧振變換器，諧振變換器由兩個(gè)h橋、兩個(gè)諧振電容和一個(gè)高頻變壓器組成，諧振變換器采用移相控制；諧振變換器輸出端并聯(lián)形成電力電子變壓器的低壓直流輸出端，進(jìn)而形成低壓直流母線。

以上所述僅為本申請(qǐng)的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本申請(qǐng)，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，本申請(qǐng)可以有各種更改和變化。凡在本申請(qǐng)的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本申請(qǐng)的保護(hù)范圍之內(nèi)。

上述雖然結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行了描述，但并非對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動(dòng)即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護(hù)范圍以內(nèi)。