技术领域
[0001] 本
发明属于轨道交通牵引传动变流技术领域，特别涉及一种基于模块化多电平变流器的多流制牵引传动系统及方法。
背景技术
[0002] 牵引传动系统从牵引供
电网获取
电能并驱动
机车运行，是
电力机车的核心装备。在轨道交通电
气化发展过程中，由于技术历史和物理空间等因素，牵引供电网络存在多种供电制式。目前世界范围内广泛采用的牵引供电制式包括25kV、15kV工频交流以及3kV、
1.5kV直流。多流制牵引传动系统能够适应上述两种及以上种供电制式的灵活切换，实现
电力机车的跨线运行。而电力
电子牵引
变压器因其灵活的控制性能成为多流制电力机车的理想
接口。
[0003] 长期以来，我国的电力机车牵引供电系统采用单一的供电制式，其中干线
铁路和城际铁路采用25kV的工频交流牵引供电制式，而城市轨道交通采用1.5kV直流牵引供电制式。但是，随着我国轨道交通的迅速发展，三种轨道交通互联的需求已经出现，研发能够跨线运行的双流制电力机车成为有效途径。另外，世界各国因发展过程的不同存在多种供电制式，中国电力机车制造企业要实现高端装备走向世界，急需研发适用于不同国情的多流制牵引传动系统。
[0004] 目前的多流制电力机车均采用工频牵引变压器，在交流供电制式下提供降压和隔离的功能，在直流供电制式下变压器绕组作为直流
滤波器使用。虽然通过设备复用，用一套系统实现了多系统功能的集成，在很大程度上降低了空间、重量及成本，但是工频牵引变压器的一些固有缺点使其难以适应未来轨道交通的发展需求。得益于电力电子器件以及软磁材料的发展，电力电子牵引变压器应运而生。不仅能够进一步减小多流制牵引传动系统的体积和重量、提高系统效率、提高电能
质量，还具有潮流控制、故障限流、故障隔离等多功能。
[0005] 在众多电力电子牵引变压器方案中模块化多电平变流器技术方案具有突出优势。
模块化多电平换流器技术实现了电力电子设备在高压大容量场景的应用，已经展现出极其重要的工程应用前景，具有以下优势：结构简单，冗余设计和维护方便；子模块的功能可替代性强，系统容错率高，一个子模块故障，仅
电压缺少一个电平，不影响整体工作；模块化设计使换流器功能灵活，能适用各种电压功率
水平；没有中间高压直流
连接线，不需要低电感
母线，可直接采用普通
电缆线；用更低的
开关频率实现更高的电平数，从而降低损耗和谐波含量。然而，在
现有技术中，多应用于交直变换场景中，需要多级变换。
发明内容
[0006] 本发明的目的是提供一种基于模块化多电平变流器的多流制牵引传动系统拓扑及方法，为电力机车的跨线运行提供技术方案，并有效克服传统的多流制牵引传动系统的上述不足，获得更高的功率
密度，更高的整体效率以及更灵活的
能量控制。
[0007] 一种基于模块化多电平变流器的多流制牵引传动系统，包括牵引供电
接触网1、受电弓2、交流输入电抗器3、直流滤波电抗器4、轮轨5、交流
电机6、模块化多电平变流器7、中频变压器8、
整流器单元9以及牵引逆变器10；
[0008] 所述牵引供电接触网1与受电弓2相连，所述受电弓2与交流输入电抗器3一端通过第一开关单元13相连，所述交流输入电抗器3的另一端与模块化多电平变流器的输入上端口相连，模块化多电平变流器的输入下端口与所述轮轨5通过第三开关单元15相连；
[0009] 所述模块化多电平变流器7的输出端口与中高频变压器8的单级输入绕组相连，中高频变压器的各级输出绕组分别与整流器单元9中的各级全桥整流器的输入端相连，所述各级全桥整流器的输出端分别与牵引逆变器中各级三相桥式逆变器的输入端相连，所述三相桥式逆变器的输出端与交流电机6相连；
[0010] 所述模块化多电平变流器7包含左、右两个桥臂组，每个桥臂组的上桥臂的输入上端口并联，下桥臂的输入下端口并联，每个桥臂组包含上、下两个桥臂，每个桥臂均由x个子模块10以及一个桥臂电感11
串联级联而成，每个桥臂组中的两个桥臂电感串联，且上桥臂中的桥臂电感与下桥臂中桥臂电感连接处的引出线为模块化多电平变流器的输出端口；每个子模块的输入上端口和输入下端口之间设置有第二开关单元14；x的取值范围为[4，20]；
[0011] 所述子模块10由四个带有反并联
二极管的全控型器件构成全桥结构之后再与储能电容并联组成。
[0012] x根据系统电压和采用器件电压等级两者决定的，具体取多少级是工程上根据实际需要计算出来的；
[0013] 全控型器件可以为IGBT、MOSFET或IGCT，器件材料可以为SiC或GaN；
[0014] 整流器单元中的各级全桥整流器和模块化多电平变流器的子模块结构部分相同，在配置电容上有区别，整流单元可以是每个配一个电容也可能是多个并联后配一个电容；子模块是每个子模块一个电容。
[0015] 本方案中模块化多电平变流器的子模块采用全桥结构，可以实现直接从工频交流到中高频交流的直接交交变换。与交直交变换相比省去了中间
直流母线，在连接线的选型方面省去了低电感母线，可直接采用普通电缆线；该方案采用模块化级联设计。方便进行冗余设计，子模块故障后可以用冗余子模块替换，提高了系统的可靠性，维护方便；系统可以容错运行；提高等效开关频率，降低
开关损耗和谐波含量；通过子模块上并联的开关单元可以调整子模块接入状态，开关接通则子模块被旁路，子模块退出运行；开关关断，则子模块被串联进桥臂中工作；可以根据牵引网电压的等级调整每个桥臂上运行子模块的数量，实现电压匹配；与其他电力电子牵引变压器方案相比，只需要单台中高频牵引变压器。
[0016] 进一步地，中高频变压器为单级输入绕组和y级输出绕组的中频或高频变压器，其中，各级输出绕组的首端和尾端之间设有第八开关单元20，且输入绕组的两端上分别设有第六开关单元18和第七开关单元19，中高频变压器中最后一级绕组的尾端与整流器第一级全桥整流器的
输出侧首端之间设置第九开关单元21；y的取值范围为[4，6]。y的取值根据机车的类型、功率、动力分布型式等来确定；
[0017] 进一步地，整流器包含y级全桥整流器，其中，上下级的全桥整流器的输出侧的首端之间设有第十一开关单元23、上下级全桥整流器的输出侧尾端之间设置有第十二开关单元24；第一级全桥整流器的输出侧的尾端与轮轨之间设置有第十开关单元22。
[0018] 进一步地，中高频变压器铁芯材料采用铁
氧体、
纳米晶或非晶材料。
[0019] 进一步地，所述开关单元为
断路器、
隔离开关、接触器、手动开关或自动开关中的任意一种。
[0020] 进一步地，所述的牵引供电接触网包括交流和直流供电制式，其中，交流供电制式至少包括：交流25kV/50Hz、25kV/60Hz、20kV/50Hz、20kV/60Hz、15kV/16.7Hz、12.5kV/60Hz、12kV/25Hz；直流供电制式至少包括直流3kV和1.5kV。
[0021] 一种基于模块化多电平变流器的多流制牵引传动方法，利用牵引供电接触网1与受电弓2相连，将受电弓2与交流输入电抗器3一端通过第一开关单元13相连，将交流输入电抗器3的另一端与模块化多电平变流器的输入上端口相连，模块化多电平变流器的输入下端口与轮轨5通过第二开关单元15相连；
[0022] 所述模块化多电平变流器7的输出端口与中高频变压器8的单级输入绕组相连，中高频变压器的各级输出绕组分别与整流器单元9中的各级全桥整流器的输入端相连，所述各级全桥整流器的输出端分别与牵引逆变器中各级三相桥式逆变器的输入端相连，所述三相桥式逆变器的输出端与交流电机6相连；
[0023] 所述模块化多电平变流器7包含左、右两个桥臂组，每个桥臂组的上桥臂的输入上端口并联，下桥臂的输入下端口并联，每个桥臂组包含上、下两个桥臂，每个桥臂均由x个子模块10以及一个桥臂电感11串联级联而成，每个桥臂组中的两个桥臂电感串联，且上桥臂中的桥臂电感与下桥臂中桥臂电感连接处的引出线为模块化多电平变流器的输出端口；每个子模块的输入上端口和输入下端口之间设置有第三开关单元14；
[0024] 所述子模块10由四个带有反并联二极管的全控型器件构成全桥结构之后再与储能电容并联组成；
[0025] 当牵引供电接触网为交流牵引供电制式时，连通第一开关单元13、第三开关单元15，第六开关单元18，第七开关单元19，其中，第二开关单元14的连通数量根据交流电压等级确定，形成交流牵引供电系统；
[0026] 当牵引供电接触网为交流牵引供电制式时，牵引供电接触网的线频高压交流电通过模块化多电平变流器的变频与降压作用，转换为电压等级相对较低的中频或高频方波交流电，，之后通过中高频变压器将中高频方波交流电耦合到各级输出绕组并送到各级全桥整流器，各级全桥整流器输出侧并联直流稳压电容并与牵引逆变器相连，牵引逆变器输出三相交流电驱动交流
牵引电机；
[0027] 当牵引供电接触网为直流牵引供电制式时，连通第四开关单元16、第五开关单元17，第九开关单元21，第十开关单元22、第十一开关单元23、第十二开关单元24，其中，第八开关单元20的连通数量根据直流滤波电感需求确定，其余开关单元断开，系统进入直流结构；
[0028] 当牵引供电接触网为直流牵引供电制式时，中高频变压器的输出绕组作为直流滤波电抗器使用，牵引供电接触网提供的直流电通过直流滤波器与直流稳压电容并联，并与牵引逆变器的
输入侧并联，牵引逆变器输出三相交流电驱动交流牵引电机。
[0029] 进一步地，当牵引供电接触网为交流牵引供电制式时，通过改变第二开关单元14的连通和关断数量，形成不同的交流电压等级。
[0030] 从而可以根据交流电压等级调整每个桥臂上投入运行的子模块数量，电压等级越高，模块化多电平换流器投入的子模块数量越多，即关断的第二开关单元越多。
[0031] 进一步地，当牵引供电接触网为直流牵引供电制式时，通过改变第八开关单元20的连通和关断数量来获得所需的直流滤波电感量。
[0032] 所需电感值越高，接入的输出绕组数量越多，即关断的第八开关单元20越多。
[0033] 进一步地，所述的牵引供电接触网包括交流和直流供电制式，其中，交流供电制式至少包括：交流25kV/50Hz、25kV/60Hz、20kV/50Hz、20kV/60Hz、15kV/16.7Hz、12.5kV/60Hz、12kV/25Hz；直流供电制式至少包括直流3kV和1.5kV。
[0034] 有益效果
[0035] 本发明提供了一种基于模块化多电平变流器的多流制牵引传动系统拓扑及方法，为电力机车的跨供电制式运行提供了一种新型优化技术方案。针对多流制机车应用时的特殊需要进行了新的设计和优化，该模块化多电平变流器的子模块采用全桥结构，可以实现从工频交流到中高频交流的直接“交-交”变换；相较于交直交变换，不需要每一级中间直流母线，在连接线的选型方面省去了低电感母线，可直接采用普通电缆线，可节约成本；且子模块的冗余设计，维护方便；通过开关单元可以调整子模块的数量，适应不同的供电电压等级；该方案采用设备复用的思想，用一套牵引传动系统实现了可在多种供电制式下运行的功能，大大减少了系统的设备数量，进而降低体积和重量，节约成本。用基于模块化多电平换流器的电力电子牵引变压器取代了传统的工频牵引变压器，可进一步减小系统的体积和重量、提高系统效率、提高电能质量、提高容错能力，还具有潮流控制、故障限流等多功能。
附图说明
[0036] 图1为基于模块化多电平变流器的多流制牵引传动系统接线方案示意图；
[0037] 标号说明：1-牵引供电接触网、2-受电弓、3-交流输入电抗器、4-直流滤波电抗器、5-轮轨、6-交流电机、7-模块化多电平变流器、8-中频变压器、9-整流器、10-牵引逆变器、
11-桥臂电感、13-第一开关单元、14-第二开关单元、15-第三开关单元、16-第四开关单元、
17-第五开关单元、18-第六开关单元、19-第七开关单元、20-第八开关单元、21-第九开关单元、22-第十开关单元、23-第十一开关单元、24-第十二开关单元。
具体实施方式
[0038] 下面将结合附图和
实施例对本发明做进一步的说明。
[0039] 如图1所示，一种基于模块化多电平变流器的多流制牵引传动系统，包括牵引供电接触网1、受电弓2、交流输入电抗器3、直流滤波电抗器4、轮轨5、交流电机6、模块化多电平变流器7、中频变压器8、整流器单元9以及牵引逆变器10；
[0040] 所述牵引供电接触网1与受电弓2相连，所述受电弓2与交流输入电抗器3一端通过第一开关单元13相连，所述交流输入电抗器3的另一端与模块化多电平变流器的输入上端口相连，模块化多电平变流器的输入下端口与所述轮轨5通过第三开关单元15相连；
[0041] 所述模块化多电平变流器7的输出端口与中高频变压器8的单级输入绕组相连，中高频变压器的各级输出绕组分别与整流器单元9中的各级全桥整流器的输入端相连，所述各级全桥整流器的输出端分别与牵引逆变器中各级三相桥式逆变器的输入端相连，所述三相桥式逆变器的输出端与交流电机6相连；
[0042] 所述模块化多电平变流器7包含左、右两个桥臂组，每个桥臂组的上桥臂的输入上端口并联，下桥臂的输入下端口并联，每个桥臂组包含上、下两个桥臂，每个桥臂均由x个子模块10以及一个桥臂电感11串联级联而成，每个桥臂组中的两个桥臂电感串联，且上桥臂中的桥臂电感与下桥臂中桥臂电感连接处的引出线为模块化多电平变流器的输出端口；每个子模块的输入上端口和输入下端口之间设置有第二开关单元14；x的取值范围为[4，20]；x根据系统电压和采用器件电压等级两者决定的，具体取多少级是工程上根据实际需要计算出来的；25kV牵引网电压，采用3.3kV IGBT，x＝18；采用6.5kV IGBT，x＝9；15kV牵引网电压，采用3.3kV IGBT，x＝12；采用6.5kV IGBT，x＝6；
[0043] 所述子模块10由四个带有反并联二极管的全控型器件构成全桥结构之后再与储能电容并联组成。
[0044] 中高频变压器为单级输入绕组和y级输出绕组的中频或高频变压器，其中，各级输出绕组的首端和尾端之间设有第八开关单元20，且输入绕组的两端上分别设有第六开关单元18和第七开关单元19，中高频变压器中最后一级绕组的尾端与整流器第一级全桥整流器的输出侧首端之间设置第九开关单元21；y的取值范围为[4，6]。y的取值根据机车的类型、功率、动力分布型式等来确定，通常取4；中高频变压器铁芯材料采用铁氧体、纳米晶或非晶材料。
[0045] 整流器包含y级全桥整流器，其中，上下级的全桥整流器的输出侧的首端之间设有第十一开关单元23、上下级全桥整流器的输出侧尾端之间设置有第十二开关单元24；第一级全桥整流器的输出侧的尾端与轮轨之间设置有第十开关单元22。
[0046] 其中，全控型器件可以为IGBT、MOSFET或IGCT，器件材料可以为SiC或GaN；
[0047] 整流器单元中的各级全桥整流器和模块化多电平变流器的子模块结构部分相同，在配置电容上有区别，整流单元可以是每个配一个电容也可能是多个并联后配一个电容；子模块是每个子模块一个电容。
[0048] 在本实例中开关单元为断路器、隔离开关、接触器、手动开关或自动开关中的任意一种。
[0049] 所述的牵引供电接触网包括交流和直流供电制式，其中，交流供电制式至少包括：交流25kV/50Hz、25kV/60Hz、20kV/50Hz、20kV/60Hz、15kV/16.7Hz、12.5kV/60Hz、12kV/
25Hz；直流供电制式至少包括直流3kV和1.5kV。
[0050] 一种基于模块化多电平变流器的多流制牵引传动方法，利用牵引供电接触网1与受电弓2相连，将受电弓2与交流输入电抗器3一端通过第一开关单元13相连，将交流输入电抗器3的另一端与模块化多电平变流器的输入上端口相连，模块化多电平变流器的输入下端口与轮轨5通过第二开关单元15相连；
[0051] 所述模块化多电平变流器7的输出端口与中高频变压器8的单级输入绕组相连，中高频变压器的各级输出绕组分别与整流器单元9中的各级全桥整流器的输入端相连，所述各级全桥整流器的输出端分别与牵引逆变器中各级三相桥式逆变器的输入端相连，所述三相桥式逆变器的输出端与交流电机6相连；
[0052] 所述模块化多电平变流器7包含左、右两个桥臂组，每个桥臂组的上桥臂的输入上端口并联，下桥臂的输入下端口并联，每个桥臂组包含上、下两个桥臂，每个桥臂均由x个子模块10以及一个桥臂电感11串联级联而成，每个桥臂组中的两个桥臂电感串联，且上桥臂中的桥臂电感与下桥臂中桥臂电感连接处的引出线为模块化多电平变流器的输出端口；每个子模块的输入上端口和输入下端口之间设置有第三开关单元14；
[0053] 所述子模块10由四个带有反并联二极管的全控型器件构成全桥结构之后再与储能电容并联组成；
[0054] 当牵引供电接触网为交流牵引供电制式时，连通第一开关单元13、第三开关单元15，第六开关单元18，第七开关单元19，其中，第二开关单元14的连通数量根据交流电压等级确定，形成交流牵引供电系统；
[0055] 当牵引供电接触网为交流牵引供电制式时，牵引供电接触网的线频高压交流电通过模块化多电平变流器的变频与降压作用，转换为电压等级相对较低的中频或高频方波交流电，，之后通过中高频变压器将中高频方波交流电耦合到各级输出绕组并送到各级全桥整流器，各级全桥整流器输出侧并联直流稳压电容并与牵引逆变器相连，牵引逆变器输出三相交流电驱动交流牵引电机；
[0056] 当牵引供电接触网为直流牵引供电制式时，连通第四开关单元16、第五开关单元17，第九开关单元21，第十开关单元22、第十一开关单元23、第十二开关单元24，其中，第八开关单元20的连通数量根据直流滤波电感需求确定，其余开关单元断开，系统进入直流结构；
[0057] 当牵引供电接触网为直流牵引供电制式时，中高频变压器的输出绕组作为直流滤波电抗器使用，牵引供电接触网提供的直流电通过直流滤波器与直流稳压电容并联，并与牵引逆变器的输入侧并联，牵引逆变器输出三相交流电驱动交流牵引电机。
[0058] 当牵引供电接触网为交流牵引供电制式时，通过改变第二开关单元14的连通和关断数量，形成不同的交流电压等级。
[0059] 从而可以根据交流电压等级调整每个桥臂上投入运行的子模块数量，电压等级越高，模块化多电平换流器投入的子模块数量越多，即关断的第二开关单元越多。
[0060] 当牵引供电接触网为直流牵引供电制式时，通过改变第八开关单元20的连通和关断数量来获得所需的直流滤波电感量。
[0061] 所需电感值越高，接入的输出绕组数量越多，即关断的第八开关单元20越多。
[0062] 所述的牵引供电接触网包括交流和直流供电制式，其中，交流供电制式至少包括：交流25kV/50Hz、25kV/60Hz、20kV/50Hz、20kV/60Hz、15kV/16.7Hz、12.5kV/60Hz、12kV/
25Hz；直流供电制式至少包括直流3kV和1.5kV。
[0063] 以上仅是对本发明优选实施方式的描述，本发明的保护范围并不局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。本发明所属技术领域的技术人员在不偏离本发明的精神和原理的情况下对所描述的具体实施例做各种
修改或补充或采用类似的方式替代，视为本发明的保护范围。
