CN204578108U - 一种变流器装置及*** - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种变流器装置及***，变流器装置包括：变流器模块，变流器模块包括三个相互并联用于对输入电能进行DC/AC变换的第一桥臂，以及与第一桥臂并联用于对输入电能进行DC/DC变换的至少一个第二桥臂。第一桥臂的输出端连接至交流电网，实现能量的逆变回馈。第二桥臂的输出端通过连接吸能负载实现能量吸收，或第二桥臂的输出端通过连接储能负载实现能量存储。本实用新型既能够实现能馈方式和储能方式协调工作的功能，也可以实现能馈方式和能吸方式协调工作的功能，不仅节约了设计成本，也减小了设备的体积。

Description

一种变流器装置及***

技术领域

本实用新型涉及电气设备领域，尤其是涉及一种应用于轨道交通领域的多功能变流器装置及***，既可实现逆变回馈和超级电容储能的功能，又可实现逆变回馈和电阻消耗的功能。

背景技术

21世纪的城市轨道交通将是追求节能环保的绿色交通***。在整个城市轨道交通***中，车辆能耗的占比一般都超过整个***能耗的50%。因此，降低车辆能耗将会对城市轨道交通行业的可持续发展产生重要影响。城市轨道交通一般采用直流牵引供电方式，直流电源在牵引变电站中通过不可控整流器获得，电压等级有DC750V和DC1500V两种。目前城市轨道列车的牵引电机多采用交流感应电机，通过变压变频调速单元从直流接触网获取电能。目前列车大多采用再生制动方式：当列车开始制动时，感应电机工作于发电机状态，将列车运行的动能转换为电能回馈到直流母线。当列车向直流母线回馈的电能不能被其他列车吸收时，会造成直流母线电压升高，进而威胁***安全。在斩波器和逆变器两种变流器设计方面，国内外普遍使用的情形是模块化、通用化程度不高，没有进行模块化、通用化的考虑，产品是按照客户提供的尺寸而单独设计的。用于再生制动能量处理的变流器主要是DC/AC变流器、DC/DC双向斩波变流器。由于两者电路结构和控制方式不同，因而一般两者不能互换或互换性较差。有的产品虽有此种意识，但一般都只是将其中几个部件进行了模块化或通用化的设计。

目前，城市轨道交通车辆再生制动能量吸收利用的方式主要分为消耗型、储能型和逆变回馈型三种基本模式。电阻消耗型采用多相IGBT斩波器和吸收电阻配合的恒压吸收方式，存储型则是采用多相IGBT斩波器和超级电容组配合吸收方式，能馈型采用IGBT构成大功率三相逆变器，将再生制动能量通过逆变装置逆变为三相交流电能回馈给电网其他负载使用。三种模式各有优缺点，消耗型技术成熟，现场应用经验丰富，一次投资小，缺点是能量通过电阻消耗，会导致环境温度升高。逆变再生型是将能量回馈到电网，目前技术较成熟，现场应用经验较丰富，一次投资较小，缺点是会产生大量的谐波，对电网有干扰，并且无法调节车辆启动加速时的供电电压。储能型是将车辆刹车时的能量储存在电容中，车辆启动时从电容放电，对电网无影响，缺点是一次投资大，并且现场应用较少。由于列车启动制动频繁，再生制动能量功率幅值大，若单独采用储能方式，要求储能单元具有很大的功率和容量，导致体积和造价增大，同时过于频繁地充放电会影响单元的寿命。若单独采用能量回馈方式，容量不够，不足以全部吸收再生制动能量。若全部采用消耗的方式，不利于资源节约，也不利于环境保护。目前，有些设计者也考虑用能馈方式和储能方式配合吸收的方式，但没有对整个再生能量回收变流器进行简统化设计，两种方式的简单拼凑，会大大增加整个能量回收***的体积，而城轨站中留给设备安装的空间十分有限，不利于安装，并且由于采用了两套回收***，成本会大大增加。

在现有技术中，与本实用新型最为相关的技术方案为，由华中科技大学于2013年05月15日申请，并于2013年09月18日公开，公开号为CN103311950A的中国发明专利申请《城市轨道列车再生制动能量吸收利用***及方法》。该发明专利申请公开了一种城市轨道列车再生制动能量吸收利用***及方法，该吸收利用***包括能量回馈逆变器、储能单元、DC/DC双向变换器及直流平波电容。能量回馈逆变器的直流侧、DC/DC 双向变换器的高压侧均与直流平波电容相并联，同时与直流母线的正负极相并联。DC/DC 双向变换器的低压侧与储能单元相连。能量回馈逆变器的交流侧与牵引变电站内配电变压器低压侧相连，用于将直流母线上的再生制动能量进行逆变，供牵引变电站内用电设备使用。该***通过两台变流器：一台DC/AC变流器和一台DC/DC双向变换器，互相配合实现对再生制动能量的吸收。但是这种***的结构集成度低，且功能单一。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种变流器装置及***，既可以实现能馈方式和储能方式协调工作的功能，也可以实现能馈方式和能吸方式协调工作的功能，不仅节约了设计成本，也减小了设备的体积。

为了实现上述实用新型目的，本实用新型具体提供了一种变流器装置的技术实现方案，变流器装置，包括：变流器模块，所述变流器模块包括三个相互并联用于对输入电能进行DC/AC变换的第一桥臂，以及与所述第一桥臂并联用于对输入电能进行DC/DC变换的至少一个第二桥臂。所述第一桥臂的输出端连接至交流电网，实现能量的逆变回馈。所述第二桥臂的输出端通过连接吸能负载实现能量吸收，或所述第二桥臂的输出端通过连接储能负载实现能量存储。

优选的，所述变流器模块还包括与所述第一桥臂、第二桥臂相互并联的支撑电容器。

优选的，所述变流器装置还包括输出电抗器，所述第二桥臂的输出端通过所述输出电抗器连接储能负载实现能量存储。

优选的，所述第一桥臂和第二桥臂均采用IGBT桥臂。

优选的，所述变流器装置还包括：

连接在所述第一桥臂的输入端，用于检测所述变流器模块的输入电流的输入电流传感器；

并联在所述第一桥臂的输入端，用于检测所述变流器模块的输入电压的输入电压传感器；

一端与所述输入电流传感器相连，另一端连接至直流供电网的平波电抗器；

连接在所述第二桥臂的输出端，用于检测所述变流器模块的输出电流的输出电流传感器。

本实用新型还另外具体提供了一种变流器***的技术实现方案，变流器***，包括：滤波电路、吸能负载，如上所述的变流器装置。所述第一桥臂的输出端通过所述滤波电路连接至交流电网，实现能量的逆变回馈。所述第二桥臂的输出端通过连接吸能负载实现能量吸收，所述第二桥臂工作在斩波状态。

优选的，所述吸能负载采用电阻。

本实用新型还具体提供了另一种变流器***的技术实现方案，变流器***，包括：滤波电路、储能负载，以及如上所述的变流器装置。所述第一桥臂的输出端通过所述滤波电路连接至交流电网，实现能量的逆变回馈。所述第二桥臂的输出端通过连接储能负载实现能量存储，所述第二桥臂工作在升压降压状态。

优选的，所述储能负载采用超级电容。

优选的，所述滤波电路采用包括L型滤波电路、LC型滤波电路、LCL型滤波电路在内的任一种滤波电路结构。

通过实施上述本实用新型提供的变流器装置及***，具有如下有益效果：

本实用新型变流器装置及***具有通用化、多功能、成本可控等诸多优点，既能够实现逆变回馈和超级电容储能功能，又能够实现逆变回馈和电阻消耗功能，可满足吸收大功率再生制动能量的要求，从而灵活地满足不同客户的需求。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的实施例。

图1是本实用新型变流器***的电路拓扑结构图；

图中：1-变流器装置，2-变流器模块，3-滤波电路，4-交流电网，5-吸能负载，6-储能负载。

具体实施方式

为了引用和清楚起见，将下文中使用的技术名词、简写或缩写记载如下：

DC：Direct Current，直流的简称；

AC：Alternating Current，交流的简称；

DC/DC：直流/直流变换的简称；

DC/AC：直流/交流变换的简称；

L：电感的简写；

C：电容的简写；

IGBT：Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管的简称。

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如附图1所示，给出了本实用新型变流器装置及***的具体实施例，下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明。

如附图1所示，一种变流器装置的具体实施例，包括：变流器模块2，变流器模块2包括三个相互并联用于对输入电能进行DC/AC变换的第一桥臂，以及与第一桥臂并联用于对输入电能进行DC/DC变换的至少一个第二桥臂。第一桥臂的输出端连接至交流电网4，实现能量的逆变回馈。第二桥臂的输出端通过连接吸能负载5实现能量吸收，或第二桥臂的输出端通过连接储能负载6实现能量存储。其中，附图1中的前部三个IGBT桥臂（第一桥臂）负责DC/AC逆变部分，输出接滤波电路3，再接入交流电网4就形成了一个能馈装置。后部的IGBT桥臂（第二桥臂）负责DC/DC变换部分，后部的IGBT桥臂个数可以是n个（n可以是一个或两个以上的多个，具体个数根据输出的功率需求而定，n≥1）。在附图1中，第二桥臂的输出端连接吸能负载5（可以采用电阻），或者通过输出电抗器连接储能负载6（可以采用超级电容）。当第二桥臂的负载为超级电容时就能实现能量存储功能，而当第二桥臂的负载改为电阻时就能实现能量吸收功能。

上述具体实施例提供了一种通用化、多功能，成本可控的变流器装置，采用简统化设计，既可以实现能馈方式和储能方式协调工作的功能，也可以实现能馈方式和能吸方式协调工作的功能。通过将具有两种工作方式、三种能量吸收功能的变流器模块2集成在一个变流器装置1中，这种通用化的结构设计不仅节约了成本，也减小了设备的体积。同时，能够保证充分地吸收列车再生制动能量，维持母线电压稳定。

变流器模块2还包括与第一桥臂、第二桥臂相互并联的支撑电容器Cd1。第一桥臂和第二桥臂均采用IGBT桥臂。用于实现DC/AC变换的第一桥臂和用于实现DC/DC变换的第二桥臂集成在一个变流器模块2中，共用支撑电容Cd1，不但集成度高，还可以避免桥臂之间产生环流。

变流器装置1还进一步包括：

连接在第一桥臂的输入端，用于检测变流器模块2的输入电流的输入电流传感器LH11；

并联在第一桥臂的输入端，用于检测变流器模块2的输入电压的输入电压传感器VH11；

一端与输入电流传感器LH11相连，另一端连接至直流供电网的平波电抗器L11；

连接在第二桥臂的输出端，用于检测变流器模块2的输出电流的输出电流传感器。

如附图1中所示的变流器装置1包括电流传感器、电压传感器、电容器、电抗器、变流器模块2和控制器（图中未示出）。其中，L11表示平波电抗器，与城轨供电网相连，LH11表示输入电流传感器，用于检测变流器的输入电流，VH11表示输入电压传感器，用于检测变流器模块2的输入电压，Cd1表示支撑电容器，与多个IGBT桥臂并联，LHd、LHn表示输出电流传感器，Ld、Ln表示输出电抗器。该多功能的变流器装置1，采用简统化设计，既可实现逆变回馈和超级电容储能的功能，又可以通过取消连接滤波电感（输出电抗器）Ld、Ln，以及改变第二桥臂的工作状态实现逆变回馈和电阻消耗（能量吸收）的功能。控制器用于控制第一桥臂和第二桥臂的工作状态，通过控制第一桥臂工作于DC/AC状态实现能量的逆变回馈，通过改变控制策略使第二桥臂分别实现升降压功能和斩波功能。

吸能负载5进一步采用电阻，储能负载6进一步采用超级电容。当工作于储能模式时，变流器装置1还进一步包括输出电抗器，第二桥臂的输出端通过输出电抗器连接储能负载6实现能量存储。本实用新型具体实施例描述的变流器装置能够实现多种功能，既可实现逆变回馈和超级电容储能的功能，又可实现逆变回馈和电阻消耗的功能，可满足吸收大功率再生制动能量的功能，可满足不同客户的各种需求，节省设计费用。

一种变流器***的具体实施例，包括：滤波电路3、吸能负载5，以及如上所述的变流器装置1。第一桥臂的输出端通过滤波电路3连接至交流电网4，实现能量的逆变回馈。第二桥臂的输出端通过连接吸能负载5实现能量吸收，此时第二桥臂工作在斩波状态。

变流器***的另一种具体实施例，包括：滤波电路3、储能负载6，以及如上所述的变流器装置1，第一桥臂的输出端通过滤波电路3连接至交流电网4，实现能量的逆变回馈。第二桥臂的输出端通过连接储能负载6实现能量存储，此时第二桥臂工作在升压降压状态。

滤波电路3根据逆变回馈的电压、电流谐波要求，可进一步采用包括L型滤波电路、LC型滤波电路、LCL型滤波电路在内的任一种滤波电路结构实现滤波功能。

通过实施本实用新型具体实施例描述的变流器装置及***，能够达到以下技术效果：

本实用新型变流器装置及***具有通用化、多功能、成本可控等诸多优点，既能够实现逆变回馈和超级电容储能功能（通过改变控制策略使第二桥臂实现DC/DC升降压功能），又能够实现逆变回馈和电阻消耗功能（通过改变控制策略使第二桥臂实现DC/DC斩波功能），可满足吸收大功率再生制动能量的要求，从而灵活地满足不同客户的需求。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，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示如上，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的精神实质和技术方案的情况下，都可利用上述揭示的方法和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，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本实用新型技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种变流器装置，其特征在于，包括：变流器模块（2），所述变流器模块（2）包括三个相互并联用于对输入电能进行DC/AC变换的第一桥臂，以及与所述第一桥臂并联用于对输入电能进行DC/DC变换的至少一个第二桥臂；所述第一桥臂的输出端连接至交流电网（4），实现能量的逆变回馈；所述第二桥臂的输出端通过连接吸能负载（5）实现能量吸收，或所述第二桥臂的输出端通过连接储能负载（6）实现能量存储。

2.根据权利要求1所述的变流器装置，其特征在于：所述变流器模块（2）还包括与所述第一桥臂、第二桥臂相互并联的支撑电容器（Cd1）。

3.根据权利要求1或2所述的变流器装置，其特征在于：所述变流器装置（1）还包括输出电抗器，所述第二桥臂的输出端通过所述输出电抗器连接储能负载（6）实现能量存储。

4.根据权利要求3所述的变流器装置，其特征在于：所述第一桥臂和第二桥臂均采用IGBT桥臂。

5.根据权利要求1、2、4中任一项所述的变流器装置，其特征在于，所述变流器装置（1）还包括：

连接在所述第一桥臂的输入端，用于检测所述变流器模块（2）的输入电流的输入电流传感器（LH11）；

并联在所述第一桥臂的输入端，用于检测所述变流器模块（2）的输入电压的输入电压传感器（VH11）；

一端与所述输入电流传感器（LH11）相连，另一端连接至直流供电网的平波电抗器（L11）；

连接在所述第二桥臂的输出端，用于检测所述变流器模块（2）的输出电流的输出电流传感器。

6.一种变流器***，其特征在于，包括：滤波电路（3）、吸能负载（5），以及如权利要求1至5中任一项所述的变流器装置（1），所述第一桥臂的输出端通过所述滤波电路（3）连接至交流电网（4），实现能量的逆变回馈；所述第二桥臂的输出端通过连接吸能负载（5）实现能量吸收，所述第二桥臂工作在斩波状态。

7.根据权利要求6所述的变流器***，其特征在于：所述吸能负载（5）采用电阻。

8.一种变流器***，其特征在于，包括：滤波电路（3）、储能负载（6），以及如权利要求1至5中任一项所述的变流器装置（1），所述第一桥臂的输出端通过所述滤波电路（3）连接至交流电网（4），实现能量的逆变回馈；所述第二桥臂的输出端通过连接储能负载（6）实现能量存储，所述第二桥臂工作在升压降压状态。

9.根据权利要求8所述的变流器***，其特征在于：所述储能负载（6）采用超级电容。

10.根据权利要求6至9中任一项所述的变流器***，其特征在于：所述滤波电路（3）采用包括L型滤波电路、LC型滤波电路、LCL型滤波电路在内的任一种滤波电路结构。