CN101577428A - 牵引供电用单相模块组合型有源电力滤波器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种牵引供电用单相模块组合型有源电力滤波器，属于电能质量和多电平技术领域。第一功率单元(U1)的两相交流接线端子分别依次串联n个第三功率单元(U3)构成两相上桥臂，第二功率单元(U2)的两相交流接线端子分别依次串联n个第四功率单元(U4)组成两相下桥臂，两相上桥臂和两相下桥臂之间通过两个电抗器串联连接，所述两电抗器之间的连接点为两相交流输出端，n取正整数。该有源电力滤波器的交流输出端直接连接牵引供电网的正、负馈线，无需工频变压器，即可实现牵引供电系统的直接挂网运行。本发明的牵引供电用单相模块组合型有源电力滤波器能和无源电力滤波器等装置串并联使用组成混合补偿系统，具体组合形式根据滤波和无功性能指标确定。

Description

牵引供电用单相模块组合型有源电力滤波器
技术领域
本发明涉及一种电能质量补偿装置，特别涉及一种牵引供电用单相模块组合型有源电力滤波器。
背景技术
电力机车是一种单相非线性大容量负荷，具有强烈的波动性和随机性，通过牵引变压器接入三相对称的电力系统时，通常会向其中注入大量的负序电流、谐波电流和无功分量，影响牵引供电系统的电能质量，目前研究的焦点问题之一是谐波问题。尽管通过对今后投入的新车型进行改进，能够减少电力机车产生的谐波，且功率因数近似为1，但针对我国当前运行中的大量电力机车几乎不可能完全进行改造。因此装设谐波补偿装置是目前一种切实可行的解决方案。
为了抑制电网谐波，提高电网供电质量，传统的方法是采用无源电力滤波器，利用电感和电容的谐振特性形成对特定谐波的陷波器，但无源电力滤波器存在一些固有的缺陷，如体积大、只能抑制固定频率的谐波电流，容易与电网阻抗发生串并联谐振等。
有源电力滤波器和采用无功功率补偿电路(Reactive Power Compensation，RPC)等方法是有效的改善电能质量的方案，然而在高压领域的应用中，由于受到器件耐压和容量等级的限制，常用的方式是通过工频变压器接入高压电网，笨重的工频变压器大大增加了电力电子变换装置的成本、体积，并且限制了系统的效率，难以在牵引供电系统中进行推广应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：解决传统有源电力滤波器在高压领域中应用的局限性，提出了一种无需工频变压器直接挂网运行的牵引供电用单相模块组合型有源电力滤波器。
本发明的技术方案如下：
一种牵引供电用单相模块组合型有源电力滤波器，其特征在于：包括A相桥臂和B相桥臂，第一功率单元的第一交流接线端子依次串联n个第三功率单元构成A相上桥臂，第二功率单元的第一交流接线端子依次串联n个第四功率单元构成A相下桥臂，A相上桥臂和A相下桥臂之间通过第一电抗器和第二电抗器串联连接，所述第一电抗器和第二电抗器之间的连接点为A相桥臂的交流输出端；
第一功率单元的第二交流接线端子依次串联n个第三功率单元构成B相上桥臂，第二功率单元的第二交流接线端子依次串联n个第四功率单元构成B相下桥臂，B相上桥臂和B相下桥臂之间通过第三电抗器和第四电抗器串联连接，所述第三电抗器和第四电抗器之间的连接点为B相桥臂的交流输出端；
功率单元数量n取任意正整数，改变串联的第三功率单元和第四功率单元的数量n能改变牵引供电用单相模块组合型有源电力滤波器的输出电压的电平数。
第一功率单元的第一开关的阴极和第二开关的阳极相连，连接点作为第一功率单元的第一交流接线端子；第三开关的阴极和第四开关的阳极相连，连接点作为第一功率单元的第二交流接线端子；第一开关、第三开关的阳极和直流电容的正极相连，第二开关、第四开关的阴极和直流电容的负极相连；第一交流接线端子与构成A相上桥臂的第一个第三功率单元的第一接线端子连接，第二交流接线端子与构成B相上桥臂的第一个第三功率单元的第一接线端子连接。
第二功率单元的第一开关的阴极和第二开关的阳极相连，连接点作为第二功率单元的第一交流接线端子；第三开关的阴极和第四开关的阳极相连，连接点作为第二功率单元的第二交流接线端子；第一开关、第三开关的阳极和直流电容的正极相连，第二开关、第四开关的阴极和直流电容的负极相连；第一交流接线端子与构成A相下桥臂的第n个第四功率单元的第二接线端子连接，第二交流接线端子与构成B相下桥臂的第n个第四功率单元的第二接线端子连接。
第三功率单元、第四功率单元能够相互替换。
第一至第四功率单元的第一到第四开关是可关断型半导体功率开关。
输出滤波电感一分为二，分别安装到A相桥臂和B相桥臂中。
本发明的有源电力滤波器能和无源电力滤波器、晶闸管投切电容器等装置串并联使用组成混合补偿系统，具体组合形式可根据滤波和无功性能指标确定。
本发明的有益效果：本发明提出的牵引供电用单相模块组合型有源电力滤波器无需工频变压器，能直接应用于高压领域，与传统的单相并联型有源电力滤波器相比，利用低压功率器件实现高压大功率输入、输出，具有占地面积小、器件开关频率低、损耗小、易于模块化等优点。
附图说明
图1为牵引供电用单相模块组合型有源电力滤波器的结构示意图。
图2为功率单元数量为1时牵引供电用单相模块组合型有源电力滤波器的结构示意图。
图3为功率单元数量为200时牵引供电用单相模块组合型有源电力滤波器的结构示意图。
图4(a)(b)(c)(d)为第一、第二、第三、第四功率单元的结构示意图。
图5(a)、(b)、(c)为功率单元的开关示意图。
图6为单相模块组合型有源电力滤波器应用于牵引供电网的示意图。
具体实施方式
结合附图对本发明的实施方式作进一步说明：
图1为牵引供电用单相模块组合型有源电力滤波器的结构示意图。牵引供电用单相模块组合型有源电力滤波器包括A相桥臂和B相桥臂，第一功率单元U1的第一交流接线端子11依次串联n个第三功率单元U3构成A相上桥臂，第二功率单元U2的第一交流接线端子21依次串联n个第四功率单元U4构成A相下桥臂，A相上桥臂和A相下桥臂之间通过第一电抗器1和第二电抗器2连接，所述第一电抗器1和第二电抗器2之间的连接点为A相桥臂的交流输出端U。第一功率单元U1的第二交流接线端子12依次串联n个第三功率单元U3构成B相上桥臂，第二功率单元U2的第二交流接线端子22依次串联n个第四功率单元U4构成B相下桥臂，B相上桥臂和B相下桥臂之间通过第三电抗器3和第四电抗器4连接，所述第三电抗器3和第四电抗器4之间的连接点为B相桥臂的交流输出端V。
功率单元数量n取任意正整数，目前可以达到200多，随着半导体功率开关器件和控制技术的发展，n可以达到更多。改变串联的第三功率单元U3和第四功率单元U4的数量n能改变牵引供电用单相模块组合型有源电力滤波器的输出电压的电平数。第三功率单元U3、第四功率单元U4能够相互替换。
图2为功率单元数量为1时牵引供电用单相模块组合型有源电力滤波器的结构示意图。牵引供电用单相模块组合型有源电力滤波器包括A相桥臂和B相桥臂，第一功率单元U1的第一交流接线端子11串联1个第三功率单元U3构成A相上桥臂，第二功率单元U2的第一交流接线端子21串联1个第四功率单元U4构成A相下桥臂，A相上桥臂和A相下桥臂之间通过第一电抗器1和第二电抗器2串联连接，所述第一电抗器1和第二电抗器2之间的连接点为A相桥臂的交流输出端U。第一功率单元U1的第二交流接线端子12串联1个第三功率单元U3构成B相上桥臂，第二功率单元U2的第二交流接线端子22串联1个第四功率单元U4构成B相下桥臂，B相上桥臂和B相下桥臂之间通过第三电抗器3和第四电抗器4串联连接，所述第三电抗器3和第四电抗器4之间的连接点为B相桥臂的交流输出端V。
图3为功率单元数量为200时牵引供电用单相模块组合型有源电力滤波器的结构示意图。牵引供电用单相模块组合型有源电力滤波器包括A相桥臂和B相桥臂，第一功率单元U1的第一交流接线端子11依次串联200个第三功率单元U3构成A相上桥臂，第二功率单元U2的第一交流接线端子21依次串联200个第四功率单元U4构成A相下桥臂，A相上桥臂和A相下桥臂之间通过第一电抗器1和第二电抗器2串联连接，所述第一电抗器1和第二电抗器2之间的连接点为A相桥臂的交流输出端U。第一功率单元U1的第二交流接线端子12依次串联200个第三功率单元U3构成B相上桥臂，第二功率单元U2的第二交流接线端子22依次串联200个第四功率单元U4构成B相下桥臂，B相上桥臂和B相下桥臂之间通过第三电抗器3和第四电抗器4串联连接，所述第三电抗器3和第四电抗器4之间的连接点为B相桥臂的交流输出端V。
图4(a)是第一功率单元U1的结构示意图。第一功率单元U1的第一开关S11的阴极和第二开关S12的阳极相连，连接点作为第一功率单元U1的第一交流接线端子11；第三开关S13的阴极和第四开关S14的阳极相连，连接点作为第一功率单元U1的第二交流接线端子12；第一开关S11、第三开关S13的阳极和直流电容C11的正极相连，第二开关S12、第四开关S14的阴极和直流电容C11的负极相连；第一交流接线端子11与构成A相上桥臂的第一个第三功率单元U3的第一接线端子31连接，第二交流接线端子12与构成B相上桥臂的第一个第三功率单元U3的第一接线端子31连接。所述的开关是MOSFET、IGBT、IGCT等可关断型半导体功率开关，参见图4(a)、(b)、(c)。
图4(b)是第二功率单元U2的结构示意图。第二功率单元U2的第一开关S21的阴极和第二开关S22的阳极相连，连接点作为第二功率单元U2的第一交流接线端子21；第三开关S23的阴极和第四开关S24的阳极相连，连接点作为第二功率单元U2的第二交流接线端子22；第一开关S21、第三开关S23的阳极和直流电容C21的正极相连，第二开关S22、第四开关S24的阴极和直流电容C21的负极相连；第一交流接线端子21与构成A相下桥臂的第n个第四功率单元U4的第二接线端子42连接，第二交流接线端子22与构成B相下桥臂的第n个第四功率单元U4的第二接线端子42连接。所述的开关是MOSFET、IGBT、IGCT等可关断型半导体功率开关，参见图4(a)、(b)、(c)。
图4(c)是第三功率单元U3的结构示意图。第一开关S31的阴极和第二开关S32的阳极相连，连接点作为第三功率单元U3的第二接线端子32，第一开关S31的阳极和直流电容C31的正极相连构成直流母线正极，同时作为第三功率单元U3的第一接线端子31，第二开关S32的阴极和直流电容C31的负极相连构成直流母线负极；所述的开关是MOSFET、IGBT、IGCT等可关断型半导体功率开关，参见图4(a)、(b)、(c)。
图4(d)是第四功率单元U4的结构示意图。第一开关S41的阴极和第二开关S42的阳极相连，连接点作为四功功率单元U4的第一接线端子41，第一开关S41的阳极和直流电容C41的正极相连构成直流母线正极，第二开关S42的阴极和直流电容C41的负极相连构成直流母线负极，同时作为第四功率单元U4的第二接线端子42；所述的开关是MOSFET、IGBT、IGCT等可关断型半导体功率开关，参见图4(a)、(b)、(c)。
图5(a)、(b)、(c)是功率单元的开关示意图，给出了三种可以实现单向开关的电路，其中，图5(a)为半导体功率开关的MOSFET等效示意图；图5(b)为半导体功率开关的IGBT等效示意图。图5(c)为半导体功率开关的IGCT等效示意图。
图6为单相模块组合型单相模块组合型有源电力滤波器应用于牵引供电网的示意图。单相模块组合型有源电力滤波器的A相桥臂的交流输出端U通过第一导线61连接牵引供电网的正馈线110，接点为第一公共连接点PCC1，单相模块组合型有源电力滤波器的B相桥臂的交流输出端V通过第二导线62连接牵引供电网的负馈线111，接点为第二公共连接点PCC2。单相模块组合型有源电力滤波器的输出滤波电感一分为二，分别安装A相桥臂和B相桥臂中，这些滤波电感能将单相模块组合型有源电力滤波器输出的电压信号转换为补偿电流信号iC，叠加到负荷300侧电流iL上，从而在牵引供电系统200侧获得高功率因数的网侧电流iS。
本发明的牵引供电用单相模块组合型有源电力滤波器无需工频变压器，能实现牵引供电系统的直接挂网运行，同时能和无源电力滤波器、晶闸管投切电容器等装置串并联使用组成混合补偿系统，具体组合形式可根据滤波和无功性能指标确定。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.牵引供电用单相模块组合型有源电力滤波器，其特征在于：包括A相桥臂和B相桥臂，第一功率单元(U1)的第一交流接线端子(11)依次串联n个第三功率单元(U3)构成A相上桥臂，第二功率单元(U2)的第一交流接线端子(21)依次串联n个第四功率单元(U4)构成A相下桥臂，A相上桥臂和A相下桥臂之间通过第一电抗器(1)和第二电抗器(2)串联连接，所述第一电抗器(1)和第二电抗器(2)之间的连接点为A相桥臂的交流输出端(U)；
第一功率单元(U1)的第二交流接线端子(12)依次串联n个第三功率单元(U3)构成B相上桥臂，第二功率单元(U2)的第二交流接线端子(22)依次串联n个第四功率单元(U4)构成B相下桥臂，B相上桥臂和B相下桥臂之间通过第三电抗器(3)和第四电抗器(4)串联连接，所述第三电抗器(3)和第四电抗器(4)之间的连接点为B相桥臂的交流输出端(V)；
功率单元数量n取任意正整数，改变串联的第三功率单元(U3)和第四功率单元(U4)的数量n能改变牵引供电用单相模块组合型有源电力滤波器的输出电压的电平数。
2.根据权利要求1所述的牵引供电用单相模块组合型有源电力滤波器，其特征在于：第一功率单元(U1)的第一开关(S11)的阴极和第二开关(S12)的阳极相连，连接点作为第一功率单元(U1)的第一交流接线端子(11)；第三开关(S13)的阴极和第四开关(S14)的阳极相连，连接点作为第一功率单元(U1)的第二交流接线端子(12)；第一开关(S11)、第三开关(S13)的阳极和直流电容(C11)的正极相连，第二开关(S12)、第四开关(S14)的阴极和直流电容(C11)的负极相连；第一交流接线端子(11)与构成A相上桥臂的第一个第三功率单元(U3)的第一接线端子(31)连接，第二交流接线端子(12)与构成B相上桥臂的第一个第三功率单元(U3)的第一接线端子(31)连接。
3.根据权利要求1所述的牵引供电用单相模块组合型有源电力滤波器，其特征在于：第二功率单元(U2)的第一开关(S21)的阴极和第二开关(S22)的阳极相连，连接点作为第二功率单元(U2)的第一交流接线端子(21)；第三开关(S23)的阴极和第四开关(S24)的阳极相连，连接点作为第二功率单元(U2)的第二交流接线端子(22)；第一开关(S21)、第三开关(S23)的阳极和直流电容(C21)的正极相连，第二开关(S22)、第四开关(S24)的阴极和直流电容(C21)的负极相连；第一交流接线端子(21)与构成A相下桥臂的第n个第四功率单元(U4)的第二接线端子(42)连接，第二交流接线端子(22)与构成B相下桥臂的第n个第四功率单元(U4)的第二接线端子(42)连接。
4.根据权利要求1所述的牵引供电用单相模块组合型有源电力滤波器，其特征在于：第三功率单元(U3)、第四功率单元(U4)能够相互替换。
5.根据权利要求1所述的牵引供电用单相模块组合型有源电力滤波器，其特征在于：第一至第四功率单元的第一到第四开关是可关断型电子开关元件。
6.根据权利要求1所述的牵引供电用单相模块组合型有源电力滤波器，其特征在于：输出滤波电感一分为二，分别安装到A相桥臂和B相桥臂中。
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