CN102025162A - 基于三电平半桥结构的高速铁路功率调节器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于三电平半桥结构的高速铁路功率调节器。它由两个单相降压变压器、两个输出电抗器和一个三电平功率变换模块组成,所述两个单相降压变压器原边与牵引供电系统中的两单相供电臂连接,两个单相降压变压器副边经输出电抗器与三电平功率变换模块相连。本发明与采用两个三电平H桥变流器的结构相比,减少了一对三电平半桥变换器即8个功率开关管,将原来的有源容量成本下降了一倍,在完成同样功能的前提下,减小了补偿系统的硬件成本和复杂度,提高了补偿系统的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及一种铁路功率调节器,特别涉及一种基于三电平半桥结构的高速铁路功率调节器。
背景技术
随着电气化铁路朝着高速、大功率的发展,其电力牵引系统的电能质量问题变得越来越至关重要。高速铁路牵引供电系统由于采用单相供电方式,产生负序电流,给电力系统中的发电、输电和变电设备的运行带来严重危害,严重影响电力系统的安全经济运行。另外,高速铁路电力机车产生的谐波也降低了其供电系统和上级电力系统的可靠性。因此,必须采取有效措施抑制高速铁路供电系统产生的负序和谐波电流。
随着电力电子技术的发展,国内外有很多的柔性交流输变电系统被用来实现电力系统的负序,无功和谐波等电能质量的综合治理。针对电气化铁路的负序、谐波问题,国内外已出现一些补偿措施。国内广泛采用SVC,STATCOM或者APF等功率补偿装置,安装在牵引变压器的三相侧或者牵引侧,进行无功和谐波补偿,减小负序电流和提高功率因数。国外也有通过采用在三相侧安装STATCOM或者在牵引侧安装铁路功率调节器等装置,来进行牵引供电系统的负序,无功和谐波的综合补偿,从而实现铁路电能质量的综合治理,但其成本很高且控制复杂。
由于牵引供电系统是高压大容量系统,现有的开关管的受压范围有限,传统的两电平PWM逆变器依靠单个的开关管显然承受不了直流侧的高压。除了高压缺陷以外,传统两电平逆变器还存在以下问题:1)高频产生很高的dv/dt和浪涌电压,易引起电机绕组绝缘击穿;2)高频开关产生很大的器件电压应力和开关损耗,使效率降低;3)高频开关动作对附近的通讯或其它电子设备产生宽频带的EMI;4)功率因数低。为了解决上述两电平的缺陷,日本长冈科技大学的南波江章等人在IEEE工业应用IAS年会上提出中点钳位(NPC)三电平铁路功率调节器,这种结构可以使主电路开关管的电压降低一半,可以使dv/dt降低一半,由于输出多了一个电平,输出电压谐波含量减少。这样有利于采用低压器件实现高压输出,并且各开关器件间没有均压问题存在,减少了产品的设计,提高了设备的可靠性。这种三电平铁路功率调节器的具体结构如图1所示。图1中的铁路功率调节器5包含两个单相降压变压器2,两个输出电抗器4和包含背靠背结构的两个单相三电平H桥变流器3,且共用一对直流侧电容。这种铁路功率调节器包含16个功率开关器件,功率器件多,成本高,电路复杂。
发明内容
为了解决现有技术的上述技术问题,本发明提供一种结构简单、成本低、效果好的基于三电平半桥结构的高速铁路功率调节器。
本发明解决上述技术问题的技术方案是:由两个单相降压变压器、两个输出电抗器和一个三电平功率变换模块组成,所述两个单相降压变压器原边与牵引供电系统中的两单相供电臂连接,两个单相降压变压器副边经输出电抗器与三电平功率变换模块相连,所述三电平功率变换模块由两个三电平半桥变换器和两个串联电容组成,两单相降压变压器副边非浮地线通过输出电抗器分别与三电平功率变换模块的开关臂中点连接,降压变压器浮地与三电平功率变换模块两电容的中点连接。
本发明的技术效果在于:本发明采用两个三电平半桥变换器构成,与采取两个背靠背的三电平H桥变流器的铁路功率调节器相比,要减少8个功率开关器件,使铁路功率调节器的结构更简单,成本也大幅降低,并提高了补偿系统的可靠性。
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
附图说明
图1为现有铁路功率补偿系统的结构图。
图2为本发明的结构图。
图3为本发明的负序补偿原理图。
图4-图9为本发明中三电平半桥变换器工作原理图。
具体实施方式
上述图1、图2中:1--Scott牵引变压器 2--单相降压变压器 3--三电平H桥变流器 4--输出电抗器 5--铁路功率调节器 6--三电平功率变换模块 7--基于三电平半桥结构的高速铁路功率调节器 8--V/V牵引变压器。
参见图2,图2为本发明的结构图。
本发明的补偿对象为采用三相V/V牵引变压器8的高速铁路供电系统。本发明提出的基于三电平半桥结构的高速铁路功率调节器7由两个单相降压变压器2,两个输出电抗器4和三电平功率变换模块6组成。两个单相降压变压器的原边分别与两单相牵引供电臂连接,并将两单相降压变压器副边与三电平功率变换模块相连接。其中两单相降压变压器副边非浮地线通过输出电抗器分别与三电平功率变换模块的开关臂中点连接,降压变压器浮地与功率变换模块两电容的中点连接在一起。定义图中与三相V/V变压器副边ac端连接的供电臂为 相,另一臂为相。
本发明与三电平结构的铁路功率调节器比较,节省了一对开关臂即8个功率开关器件。因此,这种补偿结构更为精简,降低了硬件的成本和复杂度,提高了补偿系统的可靠性,将大大利于该补偿系统的模块化大功率发展。
参见图3,图3为本发明中的V/V牵引结构下的功率调节器的负序补偿原理图。
由于高速铁路机车一般为交直交电力机车,采取四象限PWM脉冲整流控制方式,功率因数接近1。假设相供电臂有机车负载电流为,而相供电臂机车负载电流为。、、为V/V牵引系统的原边三相电压,、为牵引变压器副边两桥臂电压,其相角相差。在铁路功率调节器补偿前,两桥臂分别有有功机车负载电流,。首先通过综合补偿装置将两牵引臂有功电流差值的一半(即为),从轻载侧转移到重载侧,此时两桥臂电流的幅值分别为和,其幅值相等,相角相差。在此基础上,在桥臂补偿一定的容性无功电流使电流超前该桥臂电压,而在桥臂补偿一定的感性无功电流使电流滞后该桥臂电压,此时有:
这样补偿之后得到的两桥臂电流、分别与、重合,相角相差,并可以求得原边C相电流为,此时原边三相电流完全对称,负序电流为0,并且可推知原边三相功率因数都为1,此时就到达了综合补偿的目的。对于其他任何负载情况下的V/V牵引系统, 铁路功率调节器都遵循上述的负序补偿原理。
通过合适的控制策略来控制背靠背的两逆变桥,使逆变器输出电流完全跟踪给定的基波与谐波电流,就可以实现系统负序与谐波完全补偿和抑制。
参见图4-图9为三电平半桥变换器工作原理。
二极管钳位式三电平半桥变换器由4个开关管(及其续流二极管)及两个钳位二极管(S 1,S 2)组成,其输出电平有三种状态,即输出正电平(P)、输出负电平(N)和输出0电平(O),其中电源系统由系统电源和链接电抗器组成。下面对其工作原理进行分析:
根据上述的开关控制原理,我们可以通过采用合适的闭环控制方法如PWM控制(单极性或者双极性),空间矢量控制,滞环控制及滑膜控制等,使得三电平半桥变换器的输出跟踪参考电流信号,来实现负序,无功和谐波的综合补偿。
假设直流侧存在负载,从上述的分析可以知道,当半桥臂输出P状态时,电容C 1与电源系统构成一个回路,电源向C 1充电或放电,电容C 2放电给直流侧负载;当半桥臂输出N状态时,电容C 2与电源系统构成一个回路,电源向C 2充电或放电,电容C 1放电给直流侧负载;当半桥臂输出O状态时,电源系统通过两个钳位二极管自身构成一个回路,不向电容充电和放电。直流侧负载通过半桥臂在逆变器的中线上产生一定的中线电流,中线电流注入或者流出直流电容,使电容电压产生相应的交流波动;另外,在扰动时出现的瞬时不平衡电流也可能会使两个直流电容电压在动态过程中出现偏差。从根本上来说:
为了保证铁路功率调节器的正常工作,实现铁路调节器的直流侧电容均压,采用如下的控制方法:当ΔV>0 时,即V C2>V C1:
当中线电流>0时,在功率调节器输出P状态时,增大其在一个控制周期内的占空比,即为增加电容C 1的充电时间,使C 1的电容升高;在功率调节器输出N状态时,增大其在一个控制周期内的占空比,即为增加电容C 2的放电时间,使C 2的电容下降;当中线电流<0时,在功率调节器输出P状态时,减小其在一个控制周期内的占空比,即为减小电容C 1的放电时间,减小C 1的电容下降;在功率调节器输出N状态时,减小其在一个控制周期内的占空比,即为减小电容C 2的充电时间,减小C 2的电容上升;即在中线电流的正半周,电容C 2放电电流增加,电容C 1充电电流增加。在中线电流的负半周,电容C 1放电电流减小,电容C 2充电电流减小。结果是输出电容电压V C2减小,V C1增加,使ΔV 减小到0或者0附近;
当ΔV<0时,即V C2<V C1时,根据上述的开关控制原理,同理可以实现均压,将ΔV 调至0。
Claims (1)
1.一种基于三电平半桥结构的高速铁路功率调节器,由两个单相降压变压器、两个输出电抗器和一个三电平功率变换模块组成,所述两个单相降压变压器原边与牵引供电系统中的两单相供电臂连接,两个单相降压变压器副边经输出电抗器与三电平功率变换模块相连,其特征在于:所述三电平功率变换模块由两个三电平半桥变换器和两个串联电容组成,两单相降压变压器副边非浮地线通过输出电抗器分别与三电平功率变换模块的开关臂中点连接,降压变压器浮地与三电平功率变换模块两电容的中点连接。
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