[发明专利]基于模块化多电平变流器的多流制牵引传动系统及方法

说明书

本发明公开了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，利用电力电子牵引变压器进行牵引电能传输。在交流牵引供电制式下，通过模块化多电平换流器与牵引供电接触网相连进行降压和升频，再通过中高频变压器进行隔离，输出绕组与整流器相连，整流器与牵引逆变器相连，逆变器输出三相交流电驱动电机运行；在直流牵引供电制式下，中高频变压器的输出绕组作为直流滤波电抗器使用，依次通过直流稳压电容、整流器和牵引逆变器驱动电机运行。通过设备复用以及替代工频牵引变压器，可有效降低系统体积、重量和成本，提升整体性能。

技术领域

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

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。

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。

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。

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

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。

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/高频变压器8、整流器单元9以及牵引逆变器10；

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；

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；