CN102291016A - 一种电气化铁路电能质量调节器 - Google Patents

Abstract

本发明为一种电气化铁路电能质量调节器，包括单相多绕组变压器、单相单绕组变压器、变流器(I、II)和电容；单相多绕组变压器的至少一组副边绕组分别与变流器I一端串联，变流器I的另一端与电容并联后与变流器II背靠背连接，变流器II之间以链式结构连接后与单相单绕组原边绕组串联。本发明采用单相变压器和链式结构，可降低开关损耗、提高装置运行效率和可靠性，还可降低装置链接数，降低装置结构的复杂度，提高控制精度，减小对控制系统的脉冲发出同步性要求。本发明解决了电铁牵引站存在的负序、无功、谐波超标等问题，并且具有装置占地面积小、损耗小、控制简单、造价低、可靠性高等优点。

Description

一种电气化铁路电能质量调节器

技术领域：

本发明涉及电气化铁路供电、电力电子技术及电能质量治理领域，具体涉及一种电气化铁路电能质量调节器。

背景技术：

电气化铁路负荷具有非线性、不对称性和波动性的特点。一方面，由于电气化铁路牵引供电系统都采用单相供电方式，电力机车为单相负荷，无论牵引变压器采取何种接线方式，都将向系统注入较大的负序电流；另一方面，由于电力机车采用电力电子变流器，因此会产生大量的谐波注入系统。此外，由于牵引变电所的负荷随供电臂内列车的数量和每一列车的运行状态随时波动，因此电气化铁路负荷还具有波动性。随着我国客运高速和货运重载铁路的发展，上述问题还会出现不同程度的新变化。例如，高次谐波和负序问题可能会因高速铁路和货运重载的牵引功率增大而变得更为突出。

针对上述电气化铁路的电能质量问题，现已采取了各种补偿措施。其中，比较普遍的方法是在牵引站装设固定电容(Fixed Capacitor，FC)补偿设备。这类设备的共同特点是在无功补偿的同时对谐波电流进行治理。但是由于这类装置属于固定补偿方式，不能灵活调节，无法实现动态补偿，补偿装置在空载或轻载时将向系统倒送无功，造成母线电压升高，对机车工作不利，而在重载时无功补偿又不足。随着电力电子技术和柔性输配电技术的发展，静止无功补偿器(Static Var Compensator，SVC)和静止同步补偿器(Static Synchronous Compensator，STATCOM)开始应用于电气化铁路的电能质量治理。目前用于电气化铁路补偿的SVC通常采用单相晶闸管控制电抗器(Thyristor Controlled Reactor，TCR)加FC安装于牵引侧的方式。这种方式能够跟随牵引负荷频繁的变化，主要补偿低次谐波和无功功率。但是这种方式的缺点是：TCR本身也产生谐波，对负序的补偿作用有限。针对电气化铁路的单相、非线性和波动特性，日本提出了基于自关断器件的大容量铁路功率调节器(Railway Static PowerConditioner，RPC)，利用背靠背的两个大容量变流器对有功、无功及谐波进行控制，使两供电臂的负荷时刻处于平衡状态，从而实现对负序和谐波的综合补偿，是一种综合性能较好的补偿方式。

由于电铁为高压大容量负荷，因此对RPC装置也具有大容量的需求，一般为几MVA到十几MVA之间。为了满足RPC装置大容量、输出波形质量要求高等特点，需要对RPC的变流器选择合适的拓扑结构。为实现上述目标，一方面，可采用电力电子器件串、并联的方式，另一方面也可采用链式、多电平变流技术和基于变压器的多重化技术等。日本的新——沼宫内牵引站采用的是基于IGCT构成的三电平H桥结构，交流侧采用了变压器串联的两重化技术降低输出电压谐波。新——八户牵引站采用的是基于IGBT(绝缘门极双极型晶体管)构成的两电平H桥结构，交流侧采用变压器串联的四重化方式进行消谐。上述结构在装置两侧均采用多绕组变压器实现电压、容量的匹配以及电气隔离，使装置存在占地面积大、成本高、损耗也较大的缺点。因此申请号为200710175253.2，名称为“用于电气化铁路供电的单相统一电能质量控制器”的专利提出采用单相多绕组变压器和链式结构变流器对上述结构的缺点进行改进，该结构仅在一侧使用了单相多绕组变压器，另一侧采用链式结构变流器通过电抗器直接接入牵引网。由于牵引站牵引母线额定电压为27.5kV，AT供电方式时为55kV，受到目前全控功率器件耐压水平的限制，链式结构变流器通过电抗器直接接入牵引网的方式将导致变流器链节数量过多，如果采用目前应用较成熟的3300V等级IGBT器件，在27.5kV电压等级下，模块级联数量将达到30个，AT供电方式下，数量更将超过一倍，造成控制上的复杂性；同时也将导致与其背靠背的另一侧大容量单相多绕组变压器的绕组数过多，造成变压器工艺复杂、设计困难、占地面积大等问题，实际应用时难度大。

发明内容：

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提出了一种基于单相变压器和链式结构的电气化铁路电能质量调节器，该装置可解决电铁牵引站存在的负序、无功、谐波超标等问题，并且具有装置占地面积小、损耗小、控制简单、造价低、可靠性高等优点。

本发明提供的一种电气化铁路电能质量调节器，其改进之处在于，所述调节器包括单相多绕组变压器、单相单绕组变压器、变流器(I、II)和电容；

所述单相多绕组变压器的至少一组副边绕组分别与所述变流器I一端串联，所述变流器I的另一端与所述电容并联后与所述变流器II背靠背连接，所述变流器II之间以链式结构连接后与所述单相单绕组原边绕组串联；所述单相多绕组变压器原边绕组的x，y端子和所述单相单绕组变压器副边绕组的z，w端子接于牵引变压器二次侧的两相绕组。

本发明提供的第一优选方案的电能质量调节器，其改进之处在于，所述单相多绕组变压器由一个原边绕组与至少一组的副边绕组构成；所述副边绕组之间为并联连接。

本发明提供的第二优选方案的电能质量调节器，其改进之处在于，所述单相单绕组变压器由一个原边绕组和一个副边绕组构成。

本发明提供的第三优选方案的电能质量调节器，其改进之处在于，所述变流器(I、II)为电压源变流器，每个所述电压源变流器采用单相二电平H桥臂结构，所述桥臂由上下两个IGBT和与所述IGBT反并联的二极管组成。

本发明提供的第四优选方案的电能质量调节器，其改进之处在于，所述电容的设计值应保证直流侧电容电压波动不超过所述电容电压额定值的-5％～+5％。

本发明提供的较优选方案的电能质量调节器，其改进之处在于，所述电压源变流器的控制采用载波移相控制技术。

本发明提供的另一优选方案的电能质量调节器，其改进之处在于，所述IGBT的型号为FZ1500R33HE3。

与现有技术比，本发明的有益效果为：

1)本发明变流器与电容组成背靠背的形式，利于模块化封装。

2)本发明链式结构有利于装置采用耐压水平高、开关频率低的开关器件得到较高等效开关频率，获得良好的谐波电流抑制特性和动态响应特性，降低开关损耗、提高装置运行效率和可靠性。

3)本发明采用链式结构通过单相单绕组变压器接入牵引网的方式，可减小链式结构变流器的链节数，降低装置结构的复杂度，提高控制精度，减小对控制系统的脉冲发出同步性要求。

4)本发明链节数的减少，可减小另一侧单相多绕组变压器的绕组数，减小变压器设计难度、从总体上减小装置的占地面积。

5)本发明解决了电铁牵引站存在的负序、无功、谐波超标等问题，并且具有装置占地面积小、损耗小、控制简单、造价低、可靠性高等优点。

附图说明

图1为本发明提供的电能质量调节器内部结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

如图1所示，一种电气化铁路电能质量调节器，包括单相多绕组变压器、单相单绕组变压器、变流器(I、II)和电容；

本实施例的装置采用单相多绕组变压器实现多个电压源变流器的并联和电气隔离功能。单相多绕组变压器由一个原边绕组与m个副边绕组构成；所述副边绕组之间为并联连接；

单相单绕组变压器由一个原边绕组和一个副边绕组构成；

变流器I和变流器II均为电压源变流器，每个电压源变流器采用单相二电平H桥臂结构，所述桥臂由上下两个绝缘门极双极型晶体管IGBT和与所述IGBT反并联的二极管组成；

单相多绕组变压器的原边x，y端子接牵引变压器二次侧的两相绕组，单相多绕组变压器的m个副边绕组串联m个电压源变流器I，m个电压源变流器I的另一端并联m个直流电容后再与m个电压源变流器II背靠背连接，m个电压源变流器II之间采用链式结构连接后，交流输出端口与单相单绕组变压器相连，单相单绕组变压器输出端子z，w接于牵引变压器二次侧的另一个两相绕组。其中，电压源变流器的控制采用载波移相控制技术，使得变流器组输出电压和电流具有良好的谐波抑制特性；电容的设计值应保证直流侧电容电压波动不超过其额定值的-5％～+5％。。但应用于现场时，还需用户确定电容值范围。

本实施例以一个2×10MVA装置的实施例详细说明。

首先，根据装置容量和所采用的功率器件规格确定左侧单相并联变流器组的变流器数量及单相多绕组变压器变比。对于2×10MVA装置，其单侧容量为10MVA。对于左侧单相并联变流器组，可采用目前应用较多的大功率IGBT器件FZ1500R33HE3(3300V/1500A)，采用两个器件并联的方式提高通流能力，两只器件并联时通过电流为1500A。当直流侧电压取1.65kV时，同时考虑直流侧电压5％的波动，当调制比取0.8时，则单个H桥的交流侧输出额定电压为

单个H桥变流器额定容量为0.88kV×1.5kA＝1.32MVA。可计算得到左侧并联变流器组数为10MVA/1.32MVA≈8个，左侧变压器每个绕组的变比为27.5kV∶0.88kV。考虑牵引母线电压最高为31kV时，左侧单个H桥输出最大调制比小于0.9。

对于右侧链式结构变流器，由于其每个变流器模块均直接通过直流电容与左侧变流器模块相连，因此右侧串联变流器模块数也为8个，可采用与左侧变流器相同的功率器件。此时，8个变流器模块串联交流侧输出额定电压为0.88kV×8≈7.04kV，可确定右侧单相单绕组变压器的变比为27.5kV∶7.04kV。考虑牵引母线最高电压为31kV时，变流器调制取值小于0.9。综上所述，2×10MVA的装置采用8个功率单元级联就能够满足。

由此可见，基于单相变压器和链式结构，可大幅度减小变流器模块数量。相对于单相多绕组变压器，单相单绕组变压器在占地面积、设计工艺复杂度等方面也更具有优势。

最后应该说明的是：结合上述实施例仅说明本发明的技术方案而非对其限制。所属领域的普通技术人员应当理解到：本领域技术人员可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，但这些修改或变更均在申请待批的权利要求保护范围之中。

Claims (7)

1.一种电气化铁路电能质量调节器，其特征在于，所述调节器包括单相多绕组变压器、单相单绕组变压器、变流器(I、II)和电容；

所述单相多绕组变压器的至少一组副边绕组分别与所述变流器I一端串联，所述变流器I的另一端与所述电容并联后与所述变流器II背靠背连接，所述变流器II之间以链式结构连接后与所述单相单绕组原边绕组串联；所述单相多绕组变压器原边绕组的x，y端子和所述单相单绕组变压器副边绕组的z，w端子接于牵引变压器二次侧的两相绕组。

2.如权利要求1所述的电能质量调节器，其特征在于，所述单相多绕组变压器由一个原边绕组与至少一组的副边绕组构成；所述副边绕组之间为并联连接。

3.如权利要求1所述的电能质量调节器，其特征在于，所述单相单绕组变压器由一个原边绕组和一个副边绕组构成。

4.如权利要求1所述的电能质量调节器，其特征在于，所述变流器(I、II)为电压源变流器，每个所述电压源变流器采用单相二电平H桥臂结构，所述桥臂由上下两个IGBT和与所述IGBT反并联的二极管组成。

5.如权利要求1所述的电能质量调节器，其特征在于，所述电容的设计值应保证直流侧电容电压波动不超过所述电容电压额定值的-5％～+5％

6.如权利要求4所述的电能质量调节器，其特征在于，所述电压源变流器的控制采用载波移相控制技术。

7.如权利要求4所述的电能质量调节器，其特征在于，所述IGBT的型号为FZ1500R33HE3。

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