CN102291007A - 一种级联型无输出变压器的同相供电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种级联型无输出变压器的同相供电系统。该系统主要由级联一个以上三相-单相结构的交-直-交变换器的电力电子变换装置组成，级联的电力电子变换装置直接连接牵引接触网，通过多模块级联结构，提高了输出变换器的电压等级，因此可取消输出变压器。由于输出电压幅值、相位、频率可控制，因此邻近变电所的接触网可直接相连，形成贯通牵引供电网络。本发明提出适用于任意电平二极管筘位电路的三相-单相变换器结构，该结构包含直流稳压均压辅助电路，可实现在任意功率因数条件下，特别是在传递有功电流时多个直流电容的电压均压与稳压目标，保证任意调制深度条件下实现有功传递或无功输出。

Description

一种级联型无输出变压器的同相供电系统

技术领域

本发明涉及电气化铁路供电系统，特别是无过分相区间牵引网设备技术领域。

背景技术

我国现行电气化铁路供电系统及其技术存在电能质量和过分相问题。目前电气化铁路牵引供电系统运行方式主要是两相(异相)供电，相对三相电力系统而言，高速重载列车牵引功率的增大使负序问题愈发突出，电能质量中的无功和谐波等问题也较严重。另外，电分相造成的列车速度和牵引力损失问题，严重影响牵引供电系统整体性能。

图1是传统分相供电系统。图中共有3个独立的变电所，从各自输入端的三相电网分两臂输出为两相牵引供电，由于临近的牵引供电臂的电压相位、幅值和频率难以满足完全一致，因此各臂相互之间都必须设置过分相装置。不包括两端供电臂的连接，图中6个臂间总需要5个过分相区间。由于电分相装置结构复杂，投资大，可靠性较低，是整个牵引供电系统中薄弱的环节之一。

为有效解决上述问题，借助现代电力电子技术和控制理论，实现电气化铁路同相供电和牵引网的相互贯通是一种理想的解决方案。图2是基于本专利提出的变换器构建的牵引供电所，3个变电所输出电压幅值、频率和相位一致，满足同相供电的互联条件，因此各变电所的牵引网的输出可以相互连接，形成贯通牵引供电系统。各区段牵引网不再需要设置过分相区间，因此，避免了数量众多的过分相装置的投资，同时避免了过分相造成的列车牵引动力的损失。

图3是基于三相-单相PWM变换器实现贯通供电系统框图，该系统可以采用如图4所示的两电平变换器结构，该系统受开关器件容量限制，通常多模块并联结构。同时，系统接口电压、容量和性能受限，输入和输出端还必须匹配三相降压变压器和单相升压变压器，系统复杂，的体积、质量和造价难以降低。

多电平变换器可有效提高变换器输入输出电压等级，级联多个多电平变换器后，接口电压在满足高于输入输出电压等级的前提下可取消输入输出变压器，即可实现无变压器的变换器系统结构。二极管筘位多电平变换器结构是实现上述方案的有效拓扑结构。该拓扑结构利用多个电容器串联跨接在直流侧两端，将直流母线电压分为多个电平；同时，变换器每个桥臂的多个串联开关器件通过二极管连接在每个直流电容上，即通过二极管将开关器件的电压筘位到连接的直流电容电压上。因此，每个桥臂的开关器件在不同的开关组合下可输出不同电平的电压信号。通过PWM(Pulse Width Modulation，脉宽调制)调制方法，二极管筘位式多电平变换器将多个电平合成调制信号，电平数越多，变换器输出的电压越逼近调制信号。

但是，当二级管筘位多电平变换器传递有功电流时，各电容器上的输入输功率不能保证平衡，因此会导致不同电容电压逐渐上升或下降，即出现所谓的电容电压不平衡问题。直流电压失稳后，多电平变换器将退化成两电平变换器，同时失去多电平所具有的诸多优点。通过优化的PWM调制方法，直流电容在一定条件下能够实现电压平衡与稳定，其稳定的条件与负载电流的相角有关。理论分析已证明：当多电平变换器传递纯有功电流时，即负载电流角度再0度附近时，为保证直流电压稳定需要求PWM调制深度最高要求是小于约55％，极大的限制二极管筘位多电平变换器在有功传递领域的应用。

同相供电系统的负载特性要求变换器系统传递有功，如果二极管筘位多电平变换器直接应用在理想同相供电系统的变换器系统中，同样会受到直流电压不平衡问题的影响。

发明内容

鉴于现有技术的不足，本发明的目的是提出一种级联交-直-交变换器实现无输出变压器的理想同相供电系统，使其可在无输出变压器的条件下既可以从三相电网吸收并向牵引网提供有功功率，也可以从牵引网吸收并向三相电网回馈有功功率，实现电气化铁路同相供电和牵引网的相互贯通。

本发明的目的是通过如下的手段实现的。

一种级联型无输出变压器的同相供电系统，由与三相电网接入的输入变压器及与之输出端相连的由级联一个以上三相-单相结构的交-直-交变换器的电力电子变换装置所组成，级联的低电压等级的电力电子变换装置直接连接牵引接触网，输出机车等负载要求交流电压，邻近变电所的接触网直接相连，形成贯通牵引供电网络；所述电力电子变换装置主要由三相二极管筘位多电平整流电路、辅助直流稳压电路、单相二极管筘位多电平逆变电路和输入输出连接电抗器组成。

与现有技术相比，本发明有益效果是：

1、本发明提出的级联多三相-单相变换器结构可以实现无输出变压器的系统，如果单个变换器的电平数和开关器件耐压等级足够，甚至可取消三相侧的输入变压器，实现无变压器的三相-单相的同相供电变换器。

2、由于整流器和逆变器均采用可控器件，因此各模块可以四象限模式工作，即本发明提出的理想同相供电系统结构既可以从三相电网吸收并向牵引网提供有功功率，也可以从牵引网吸收并向三相电网回馈有功功率。另外，多电平单相逆变器也可为牵引网提供无功和谐波补偿功能。

3、由于多电平二极管筘位逆变器输出电压相位、频率和幅值完全可控，因此可以根据供电臂的电压信息调整逆变器输出的电压相位、频率和幅值，使之满足并网要求，为相邻变电所牵引供电实现贯通供电提供可能。

4、三相-单相变换器中的二极管筘位多电平逆变器和整流器由于采用了直流稳压辅助电路，直流电容电压可以通过辅助稳压回路维持均压和稳定，都可以工作任何功率因数的有功或无功变换模式下，扩展了二极管筘位多点平逆变器和整流器的工作范围。同时，该辅助稳压电路独立工作，与主电路的调制方法和控制方法无关，不影响现有主电路和控制原理，因此该直流辅助均压电路也适用于任何电平数的多电平二极管筘位变换装置。

附图说明

图1是具有三个传统供电所的分相供电系统示意图；

图2是本发明级联型无输出变压器的同相供电系统运行简图；

图3是本发明基于三相-单相PWM变换器的具有升降压变压器的同相供电系统；

图4是两电平三相-单相PWM变换器结构简图；

图5是本发明级联型无输出变压器的同相供电系统框图；

图6是本发明基于五电平二极管筘位型交直交三相-单相变换器结构图；

图7是本发明基于任意多电平的二极管筘位型交直交三相-单相变换器结构图；

图8是本发明适用于五电平二极管筘位型变换器的辅助直流均压电路图。

图表中的标记为：

图1-图3中L1A/L1B/L1C、L2A/L2B/L2C、L3A/L3B/L3C表示相互独立的三相供电系统的三相电网。图4中LP1/LP2...LPn是n个三相-单相变换器输出正端口，LN1/LN2...LNn是n个三相-单相变换器输出负端口。图5-图8中Smn表示第m个桥臂的第n个编号的开关器件，Dmn表示第m个桥臂的第n个编号的二极管，C1...Cn表示直流电容，CA1...CAn表示辅助直流电容，SA1...SAn表示辅助开关器件，LA/LB/LC表示输入端三相连接电抗器，LP1/LN1表示输出端单相连接电抗器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图2是本发明级联型无输出变压器的贯通方式的同相供电系统结构简图，该系统主要由图3所示的三相-单相PWM变换器及升/降压变压器等构成。变换器从三相交流侧吸收有功电流并变换为直流后，再通过单相逆变器输出单相交流电压，为牵引负载提供无功和有功电流。由于三相整流器和单相逆变器都可以运行在四象限内，因此三相-单相PWM变换器能够同时平衡分配三相侧系统的有功电流，同时控制输出侧电压频率、相位和幅值，彻底解决牵引供电系统对三相电网的电能质量和牵引网本身的电分相问题。

本发明同相供电系统结构既可以从三相电网吸收并向牵引网提供有功功率，也可以从牵引网吸收并向三相电网回馈有功功率。图4是可实现图3三相-单相变换器单元的两电平交-直-交变换器结构。该结构主要包括三相PWM变换电路，直流电容和单相PWM变换电路。由于PWM变换器在合适的控制方法下可工作在整流、逆变状态下，因此，图4的双PWM变换器结构既可为牵引负荷提供能量，也可将牵引网的能量反馈回电网，实现能量的双向流动。为简化分析，后续只讨论三相电网向牵引网提供有功能量这一种工作状况，将三相侧变换器称为PWM整流器，单相侧变换器称为PWM逆变器。

为了提高输出电压和装置容量，三相-单相变换器也可采用多电平二极管筘位拓扑结构。但是，二极管筘位电路在传递有功时存在直流电容电压不平衡的问题，为解决该问题，本发明提出采用一个辅助稳压桥臂和电容实现直流电压的均压控制。串联的开关器件中的两个为一组并接在一个直流电容的两端，串联的辅助直流电容分别连接在相邻两组串联开关的中点，通过开通和关断辅助桥臂的开关器件，使得辅助电路的直流电容与主电路的直流电容分别连接，两个连接的电容自动充放电。二者电压差减小；多次连接过后，以辅助电容为中转，主电路所有直流电容间的电压压差也将逐渐减小，最终趋向相等，实现所有直流电容的均压。辅助稳压电路独立工作，与主电路的调制方法和控制方法无关，不影响现有主电路和控制原理，适用于任何多电平的二极管筘位变换器。图6是以五电平为例的具有辅助稳压电路的三相-单相变换器结构，其它电平数的电路结构与之类似，图7是适用于任意多电平数的二极管筘位三相-两相变换器结构示意图。该结构主要包括三相二极管筘位多电平整流电路、直流电容与辅助直流稳压电路、单相二极管筘位多电平逆变电路等。整个变换器结构由六组相对独立的桥臂组成，每组桥臂由多个电力电子开关及其辅助器件构成。其中，三相二极管筘位多电平整流电路和单相二极管筘位多电平逆变电路分别采用三组和二组通用的二极管筘位多电平电路结构；辅助直流稳压电路由额外的1组电力电子开关器件和多个均压直流电容组成。以下对各模块电路的结构、工作原理和功能进行分别说明：

(1)三相二极管筘位多电平整流电路

三相二极管筘位多电平整流电路是同相供电系统与三相电网的接口。该变换器包含输出端的连接电抗器LA1、LB1、LC1。受当前开关器件耐压等级和实用的多电平变换器电平数的限制，连接电抗器的三个端口还需要通过三相降压变压器再与三相电网接口，以匹配三相电网和整流电路的不同电压等级。如果三相二极管筘位多电平整流电路的电压等级足够高，也可通过连接电抗器与三相电网直接连接，实现无输入变压器的系统结构。

三相PWM整流电路连接三相电网和直流环节。在整流器控制器的控制下，PWM整流器通常是从三相电网吸收有功功率，并维持直流电容的电压在给定值，再通过直流环节和单相二极管筘位多电平逆变电路向牵引供电系统的负载传输。由于三相PWM整流电路向直流侧只传递有功功率，不需要输出无功或谐波电流，因此，对三相电网来说，PWM整流器是三相平衡的单位功率因数负载。

(2)直流环节与直流稳压辅助电路

直流电容为系统正常工作提供电压支撑，通常要求直流电压稳定在一定范围以内。但是，由于二极管筘位多电平整电路传递有功时，直流电容在一个基波周期内的充放电电流不平衡，即各直流电容的输出和输入电流不相等，导致直流电容电压逐渐上升或下降，最终导致直流电容电压的不平衡，甚至退化成两电平。

本发明提出直流稳压辅助电路可以实现直流电容电压的稳压与均压。该辅助稳压电路如图6(适用于五电平)和图7(适用于任意多电平)所示，由一个串联的开关桥臂及多个直流电容构成。具体均压稳压过程参见具体实施方式。

(3)单相二极管筘位多电平逆变电路

单相二极管筘位多电平逆变电路是理想同相供电系统与牵引供电电网的接口。PWM逆变电路通过一定控制算法，可以根据要求调整输出电压的幅值、相位和频率。当前变电所输出电压与邻近变电所牵引网的电压满足幅值一致、频率相同且相位同步的条件时，两个不同供电区间的牵引网就可以直接连接，实现理想的同相供电方式——贯通供电系统。

该逆变电路从直流侧吸收有功功率，并通过整流器的开关器件向牵引供电系统的负载传输。由于牵引负载通常包含有功、无功和谐波电流，因此要求逆变器输出电流与整流器有一定区别。有功电流需要通过整流器、直流环节与三相电网交换，无功和谐波电流直接由逆变器输出。因此对该多电平逆变器容量和性能有较高要求。

图6是以五电平为例实施二极管筘位多电平交直交三相-单相变换电路组成的理想同相供电装置主电路。该电路由五电平二极管筘位整流电路、直流分压电路与辅助稳压电路、五电平二极管筘位逆变电路等部分组成。

图7任意多电平二极管筘位电路实现可适用于贯通供电的三相-单相变换器系统。其中，三相PWM整流器的三个桥臂由2n个开关器件串联，首尾两端连接直流母线，中点连接输入电抗器。中点上下分为上下桥臂，上下桥臂对应位置的开关在正常工作时互补导通，例如S11和S1n，上管S11导通时下管S1n截止，上管S11截止时S1n导通。这n对开关器件由n-1对二极管筘位的中点与n个串联的直流电容连接，连接方法如图7所示。在特定的PWM调制方式下，开关管中点的电压通过导通的开关器件与筘位二极管与不同的直流电容相连，因此可输出n+1种电平。该电路中每个开关器件的耐压只有直流电压的n分之一，因此，在不提高单个开关器件耐压要求的前提下，直流电压可成倍提高，系统容量也相应成倍提高。

本发明提出直流稳压辅助电路如图6(适用于五电平)和图7(适用于任意多电平)所示，由一个串联的开关桥臂及多个直流电容构成。以五电平辅助稳压电路为例，该电路的稳压控制的基本原理如图8所示。PWM控制策略让SA1/SA3/SA5/SA7与SA2/SA4/SA6/SA8交替导通。使得某一个辅助电路的直流电容与主电路的上下两个直流电容分别连接，相互连接的直流电容与辅助电容电压不相等时将自动充放电，二者电压差减小；多次连接过后，直流电容与辅助电容的电压差将逐渐减小；以CA1为例，图8(a)中SA1和SA3导通，无论充放电电流方向，CA1都直接与C1相连；图8(b)中SA2和SA4导通，无论充放电电流方向，CA1都与C2连接。同时，由于两个相邻的辅助电容连接的直流电容有一个是相同的，因此，各个直流电容间的电压压差也将以辅助电容为中转器件逐渐减小，最终趋向相等，最终实现所有直流电流的均压。

PWM逆变器一侧与直流环节相连，另一侧通过连接电抗器LP、LN输出。图5中多个三相-单相变换器的输出LP与LN级联，级联系统要求各直流电容电压相互隔离，因此图5中多个三相-单相变换器的输入电压需要相互隔离。级联后总的输出电压是各模块输出电压的和，当总的输出电压达到牵引供电系统的网压等级后，级联的逆变器输出可与牵引供电电网直接连接，即实现无输出变压器的同相供电变换器结构。同时，PWM逆变电路通过一定控制算法，可以根据要求调整输出电压的幅值、相位和频率。当前变电所输出电压与邻近变电所牵引网的电压满足幅值一致、频率相同且相位同步的条件时，两个不同供电区间的牵引网就可以直接连接，实现理想的同相供电方式——贯通供电系统。

Claims (3)

1.一种级联型无输出变压器的同相供电系统，其特征在于，由与三相电网接入的输入变压器及与之输出端相连的由级联一个以上三相-单相结构的交-直-交变换器的电力电子变换装置所组成，级联的低电压等级的电力电子变换装置直接连接牵引接触网，输出机车等负载要求交流电压，邻近变电所的接触网直接相连，形成贯通牵引供电网络；所述电力电子变换装置主要由三相二极管筘位多电平整流电路、辅助直流稳压电路、单相二极管筘位多电平逆变电路和输入输出连接电抗器组成。

2.根据权利要求1所述之级联型无输出变压器的同相供电系统，其特征在于，所述三相二极管筘位多电平整流电路采用PWM调制；所述辅助直流稳压电路由多个串联的开关器件和多个串联的直流电容构成：串联的开关器件中的两个为一组并接在一个直流电容的两端，串联的辅助直流电容分别连接在相邻两组串联开关的中点，通过开通和关断辅助桥臂的开关器件，使得辅助电路的直流电容与主电路的直流电容分别连接，两个连接的电容自动充放电。

3.根据权利要求1所述之级联型无输出变压器的同相供电系统，其特征在于，所述输入变压器在单个变换器的电平数和开关器件耐压等级足够的情况下可取消，实现无变压器的三相-单相的同相供电。

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