CN104786872A - 一种级联型无输入及输出变压器的贯通式同相供电系统 - Google Patents

一种级联型无输入及输出变压器的贯通式同相供电系统 Download PDF

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本发明公开了一种级联型无输入及输出变压器的贯通式同相供电系统。该系统主要由三相分别级联一个以上单相-单相结构的交直交变换器而后三相并联的电力电子变换装置组成，级联的电力电子变换装置三相并联后直接连接牵引接触网，通过多模块级联结构，使单相-单相交直交变换器能够承受较高的电压等级，同时提高了变换器输出的电压等级，因此可取消输入、输出变压器，三相平均分担机车负载所需功率，且能量可双向流动。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。本发明提出能够取消牵引变电所的输入、输出变压器，解决了牵引变电所中变压器体积大、质量大、检修麻烦造价高的缺点，有利于提高牵引变电所容量，降低变电所运行成本。

Description

一种级联型无输入及输出变压器的贯通式同相供电系统
技术领域
本发明涉及一种级联型三相-单相变换器装置，特别是其在无过分相区间的贯通式同相供电系统中的应用。
背景技术
目前，世界诸多国家的电气化铁路基本均采取三相-两相(异相)供电模式，其结构如图1所示。变电所通过牵引变压器从三相电网取电降压后分两供电臂输出，为牵引网供电。由于供电臂电压相位、幅值和频率难以完全一致，因此各供电臂间须设置电分相。随着高速、重载铁路的发展，如下问题将更加突出：
(1)电能质量问题：既有异相牵引供电系统的单相负荷反映至三相电网会产生负序电流，造成三相电压不平衡，高速重载列车牵引功率的增大，使负序问题愈发突出，同时，还存在无功和谐波等问题。(2)过电分相问题：既有牵引供电系统必然存在电分相，而电分相装置结构复杂、可靠性低，是牵引供电系统的薄弱环节与事故多发点。(3)供电能力问题：异相供电系统中，牵引网设置有电分相装置，牵引变电所之间难以做到相互支援，每个变电所的牵引变压器需一主一备，牵引变电所配置的容量难以得到充分利用，供电能力受限。
如何解决牵引供电系统的电能质量问题，减少甚至取消电分相装置是当前牵引供电系统研究的热点问题。基于三相-单相变换器的贯通式同相供电系统可以完全取消电分相装置，系统结构如图2，牵引变电所结构如图3。变换器输出电压幅值、频率和相位可控，可使各变电所输出电压一致，构成贯通供电系统，完全取消牵引网电分相；通过采用适当的控制策略，三相-单相变换器可平衡无功、补偿谐波；牵引网全线贯通，负荷接入平衡，可消除三相电网的负序电流；变电所间不再存在供电死区，各变电所可互为备用，可大大提高牵引供电系统的供电能力与可靠性。因此，贯通式同相供电系统可解决既有牵引供电系统中的电能质量和电分相问题，并且可大大提升系统供电能力与可靠性。
但是受电力电子器件发展水平的限制，传统两电平三相-单相变换器无法直接接入三相电网，也无法直接输出27.5kV牵引网电压，因此，在三相输入侧须匹配三相降压变压器，单相输出侧匹配单相升压变压器。变压器的存在使得系统对变换器、导线等相应的配套设备要求更高，设备以及线路损耗也随之变大，变电所系统也较复杂，体积和重量难以降低。
图3是基于三相-单相变换器的级联型无输出变压器的贯通式同相供电系统变电所结构框图，变电所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-交变换器所组成，三相-单相变换器级联输出机车等负载要求的单相交流电压。采用级联式多电平变换器结构，接口电压在满足高于输出电压等级的前提下可取消输出变压器，提升系统容量。但是，该系统接口电压、容量和性能受限，输入仍需匹配三相降压变压器。三相降压变压器体积和质量较大，且造价较高，限制了变电所的供电容量和建设能力。
发明内容
鉴于现有技术的不足，本发明的目的是提供一种级联型无输入及输出变压器的贯通式同相供电系统，该系统可在无输入、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。而且该装置结构简单，成本低，其使用，维护方便。
本发明解决其技术问题，所采用的技术方案为：
一种级联型无输入及输出变压器的贯通式同相供电系统，三相电网的每一相(A，B，C)经电抗器(LA，LB，LC)再级联n(n>1)个单相-单相PWM变换器(A1～An，B1～Bn，C1～Cn)接出，每相级联输出分别经电抗器(La，Lb，Lc)后并联直接连接牵引接触网，输出机车及负载要求之交流电压与邻近变电所的接触网直接相连，形成贯通牵引供电网络。其中：
a、A相支路第一个单相-单相PWM变换器A1电网侧正端口A1P经电抗器LA与三相电网A相，A1的电网侧负端口A1n与第二个单相-单相PWM变换器A2的电网侧正端口A2P相连……，第n-1个单相-单相PWM变换器A(n-1)的电网侧负端口A(n-1)N与第n个单相-单相PWM变换器An的电网侧正端口AnP相连；B、C相支路连接与A相对称相同；每一相(A，B，C)第n个单相-单相PWM变换器的电网侧负端口AnN，BnN，CnN共同连接于O点(相当于三相侧星形连接的中性点)；
b、A相支路第一个单相-单相PWM变换器A1的牵引网侧负端口a1n与第二个单相-单相PWM变换器A2的牵引网侧正端口a2P相连……，第n-1个单相-单相PWM变换器A(n-1)的牵引网侧负端口a(n-1)N与第n个单相-单相PWM变换器An的牵引网侧正端口anP相连；B、C相支路连接与A相对称相同；每一相(A，B，C)第1个单相-单相PWM变换器的牵引网侧正端口a1P，b1P，c1P共同连接于牵引网正端P点；每一相(A，B，C)第n个单相-单相PWM变换器的牵引网侧负端口anN，bnN，cnN共同连接于牵引网负端N点。
所述单相-单相PWM变换器主要由单相PWM整流电路、双向DC-DC变换电路和单相PWM逆变电路组成。图6为可实现本发明的基于两电平H桥单相-单相变换器结构图。图中Smn表示第m个桥臂的第n个编号的开关器件，C1…Cn表示直流电容。单相PWM整流器直流侧输出经DC/DC变换器降压再经单相PWM整流器逆变成单相交流电，每一相的多个单相-单相变换器整流侧与逆变侧分别级联获得高电压等级的输入和输出。需要说明的是，根据实际需求，变换器可以是两电平结构，也可以是多电平结构，例如，图7所示的基于三电平二极管箝位H桥结构的单相-单相PWM变换器，以及图8所示的基于n电平二极管箝位H桥结构的单相-单相PWM变换器。
采用本发明的结构，单相-单相变换器级联结构承受高压，三相级联后并联输出取消牵引变电所的输入、输出变压器，A、B、C三相平均分担机车负载所需功率，且能量可双向流动，提高牵引变电所容量，降低变电所运行成本。
与现有技术相比，本发明有益效果是：
1、本发明提出的级联型无输入、输出变压器的贯通式同相供电系统可以取消输入、输出变压器，有效提高变电所容量，减小变电所占地面积，降低牵引变电所造价和维护成本。
2、每相的单相-单相变换器级联以后并联输出，在实际工作中每相电路均分电流，不仅扩展了变电所的容量，同时也保证了三相电网的平衡。
3、由于单相两电平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，相邻变电所可实现贯通供电。
附图说明
图1是既有异相牵引供电系统简图；
图2是基于三相-单相变换器的贯通式同相供电系统简图；
图3是基于三相-单相PWM变换器的贯通式同相供电系统变电所结构；
图4是基于三相-单相PWM变换器的无输出变压器的贯通式同相供电系统；
图5是本发明级联型无输入、输出变压器的贯通式同相供电系统结构图；
图6是本发明基于两电平H桥结构的单相-单相PWM变换器；
图7是本发明基于三电平二极管箝位H桥结构的单相-单相PWM变换器；
图8是本发明基于n电平二极管箝位H桥结构的单相-单相PWM变换器。
具体实施方式
图5是本发明级联型无输入及输出变压器的贯通式同相供电系统结构图，三相电网的每一相(A，B，C)经电抗器(LA，LB，LC)再级联n(n>1)个单相-单相PWM变换器(A1～An，B1～Bn，C1～Cn)接出，每相级联输出分别经电抗器(La，Lb，Lc)后并联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。A相支路第一个单相-单相PWM变换器A1电网侧正端口A1P经电抗器LA与三相电网A相，A1的电网侧负端口A1n与第二个单相-单相PWM变换器A2的电网侧正端口A2P相连……第n-1个单相-单相PWM变换器A(n-1)的电网侧负端口A(n-1)N与第n个单相-单相PWM变换器An的电网侧正端口AnP相连，B、C相支路连接与A相相同。每一相(A，B，C)第n个单相-单相PWM变换器的电网侧负端口AnN，BnN，CnN共同连接于O点。A相支路第一个单相-单相PWM变换器A1的牵引网侧负端口a1n与第二个单相-单相PWM变换器A2的牵引网侧正端口a2P相连……第n-1个单相-单相PWM变换器A(n-1)的牵引网侧负端口a(n-1)N与第n个单相-单相PWM变换器An的牵引网侧正端口anP相连，B、C相支路连接与A相相同。每一相(A，B，C)第1个单相-单相PWM变换器的牵引网侧正端口a1P，b1P，c1P共同连接于牵引网正端P点。每一相(A，B，C)第n个单相-单相PWM变换器的牵引网侧负端口anN，bnN，cnN共同连接于牵引网负端N点。所述单相-单相PWM变换器主要由单相PWM整流电路、双向DC-DC变换电路和单相PWM逆变电路组成。变换器可以是两电平结构，也可以是多电平结构。
本发明提出的级联型无输入及输出变压器的贯通式同相供电系统，采用了单相-单相变换器级联结构承受高压，三相级联后并联输出取消牵引变电所的输入、输出变压器，提高牵引变电所容量，降低变电所运行成本。实现了三相电网到单相牵引网有功功率的双向流动，A、B、C三相平均分担机车负载所需功率，因此，不会造成三相电网不平衡。此外，通过选择适当的控制策略，PWM变换器具有无功及谐波补偿功能，可改善三相电网侧的电能质量以及为牵引网补偿无功和谐波。

Claims (3)

1.一种级联型无输入及输出变压器的贯通式同相供电系统，其特征在于，三相电网的每一相(A，B，C)经电抗器(LA，LB，LC)再级联n(n>1)个单相-单相PWM变换器(A1～An，B1～Bn，C1～Cn)接出，每相级联输出分别经电抗器(La，Lb，Lc)后并联直接连接牵引接触网，输出机车及负载要求之交流电压与邻近变电所的接触网直接相连，形成贯通牵引供电网络；其中：
a、A相支路第一个单相-单相PWM变换器A1电网侧正端口A1P经电抗器LA与三相电网A相，A1的电网侧负端口A1n与第二个单相-单相PWM变换器A2的电网侧正端口A2P相连……，第n-1个单相-单相PWM变换器A(n-1)的电网侧负端口A(n-1)N与第n个单相-单相PWM变换器An的电网侧正端口AnP相连；B、C相支路连接与A相对称相同；每一相(A，B，C)第n个单相-单相PWM变换器的电网侧负端口AnN，BnN，CnN共同连接于O点；
b、A相支路第一个单相-单相PWM变换器A1的牵引网侧负端口a1n与第二个单相-单相PWM变换器A2的牵引网侧正端口a2P相连……，第n-1个单相-单相PWM变换器A(n-1)的牵引网侧负端口a(n-1)N与第n个单相-单相PWM变换器An的牵引网侧正端口anP相连；B、C相支路连接与A相对称相同；每一相(A，B，C)第1个单相-单相PWM变换器的牵引网侧正端口a1P，b1P，c1P共同连接于牵引网正端P点；每一相(A，B，C)第n个单相-单相PWM变换器的牵引网侧负端口anN，bnN，cnN共同连接于牵引网负端N点。
2.根据权利要求1所述之级联型无输入及输出变压器的贯通式同相供电系统，其特征在于，所述单相-单相PWM变换器主要由单相PWM整流电路、双向DC-DC变换电路和单相PWM逆变电路组成。
3.根据权利要求1所述之级联型无输入及输出变压器的贯通式同相供电系统，其特征在于，所述单相-单相PWM变换器可以是两电平结构，也可以是多电平结构。
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