CN106953332A - 基于不控整流和阶梯波合成逆变的电气化铁路同相供电方案 - Google Patents

Abstract

一种基于不控整流和阶梯波合成逆变的电气化铁路同相供电方案，属于电气化铁路同相供电方案。系统：移相变压器的输入端与三相高压交流电连接，移相变压器的输出端与三相不控整流器连接，三相不控整流器通过滤波电容器与单相逆变器连接；在滤波电容器与单相逆变器之间连接有直流储能器，直流储能器为其他能源接入提供接口；单相逆变器的输出端分别与上行接触网和下行接触网连接；方法：逆变侧进行阶梯波合成调制，所有牵引变电所的相位信息由GPS同步时钟提供；上行和下行接触网并联运行；直流滤波环节设置适量储能电池，缓存“制动功率大于牵引功率”小概率事件发生时的剩余再生能量，为其他能源的引入提供接口。优点：互为备用，节省容量投资。

Description

基于不控整流和阶梯波合成逆变的电气化铁路同相供电方案

技术领域

本发明涉及一种电气化铁路同相供电方案，特别是一种基于不控整流和阶梯波合成逆变的电气化铁路同相供电方案。

背景技术

电气化铁路凭借行驶速度快、运载能力强、节能环保等一系列优点在世界各地迅速发展，电力机车作为一种大功率单相交流负载，对公共电网的电能质量影响越来越严重，尤其是无功、谐波和负序。

传统的牵引供电系统中，三相-两相牵引变压器将110kV(或220kV)三相高压转换成两相27.5kV电压连接至接触网。为了降低负序对公共电网的影响，常采用分段供电、轮换相序的方式接入高压电网，牵引变压器低压侧的相位不同，因此变压器两个输出端以及相邻变压器之间必须进行分相隔离。电分相的存在使得电力机车电流频繁切断，严重影响了电气化铁路的高速重载化。

为了降低牵引供电系统造成的无功、负序、谐波和电压闪变等电能质量问题，通常采用SVC、APF、STATCOM等方式进行补偿，传统的补偿方式能够大大降低无功和谐波，但对降低负序的作用有限，且无法解决电分相的问题。为了综合解决牵引供电系统对公共电网的不良影响，减少或取消电分相装置，同相供电的思想应运而生。同相供电系统中，整个供电区段上的电压幅值、频率和相位保持一致，从而能够取消电分相装置。目前主要有两类同相供电方式：一类采用对称补偿的方式，牵引变压器低压侧一相接入供电臂，并通过变流装置连接至另一相，控制变流器使牵引变压器低压侧两相的功率相等，从而减小或消除负序电流，取消了传统供电方式中变压器低压侧两相之间的电分相；第二类同相供电采用三相-单相变换的方式，利用PWM变流器将三相高压转换为单相电压供给接触网，能够从源头上消除负序，大幅度降低谐波并提高功率因数。

不论是对称补偿方式还是三相-单相PWM变流器方式，均大量采用了全控型电力电子器件，高频器件的通态损耗及开关损耗大、成本高昂、可靠性较低，在牵引供电系统这类大功率场合，上述问题更不容忽视，因此提供一种新型的电气化铁路同相供电方案就很有必要。

发明内容

本发明的目的是要提供一种基于不控整流和阶梯波合成逆变的电气化铁路同相供电方案，解决当前电气化铁路同相供电方案存在的开关损耗大、成本高昂、可靠性低的问题。

本发明的目的是这样实现的：电气化铁路同相供电方案包括电气化铁路同相供电系统及电气化铁路同相供电方法；

电气化铁路同相供电系统包括，移相变压器、三相不控整流器、滤波电容器、单相逆变器和直流储能器；移相变压器的输入端与三相高压交流电连接，移相变压器的输出端与三相不控整流器连接，三相不控整流器通过滤波电容器和直流储能器与单相逆变器连接；直流储能器的输入端能与其它能源连接；单相逆变器的输出端分别与上行接触网和下行接触网连接。

电气化铁路同相供电方法是：在同一供电线路上所有牵引变电所(TS)的单相27.5kV交流输出端分别接入上行和下行接触网，在接触网上设置分段断路器，以便于检修和故障隔离；上行和下行接触网并联运行，减小接触网阻抗，抑制线路压降；其中所有牵引变电所的相位信息由GPS同步时钟提供，保证整个供电线路中电压的幅值、频率和相位保持一致，实现各牵引变电所的单相牵引电源互为备用，大大降低备用容量、牵引设备投资和运行、维护成本；逆变侧直流滤波环节设置直流储能器，缓存“制动功率大于牵引功率”小概率事件发生时的剩余再生能量，为其他能源的引入提供接口。

所述的阶梯波合成调制，将12个H桥逆变器产生的方波利用逼近正弦波的原则合成阶梯波；在计算12个方波的开关角时，合理选择各个方波的宽度和中心角，控制合成阶梯波u的幅值和相位；利用中点相交法，即每个方波边缘高度的中点均与期望标准正弦波相交，根据此关系直接求反三角函数即可得出各个方波的开关角；当不同方波的同次谐波相位差为π时，该次谐波相互抵消，从而使输出电压的总谐波含量降低；根据各个方波的不同宽度组合，提出三种阶梯波合成和输出电压调制策略，即“方波全部采用理想宽度”、“方波的宽度全部相同”和“两组方波宽度分别相同”

调制方式一：方波全部采用理想宽度

12个方波完全按照理想宽度，即方波V_dc7～V_dc12的开通角和V_dc1～V_dc6的关断角全部满足中点相交法所述的方波幅值中点与参考正弦波相交的条件，此时

β_n＝π-α_13-n(n＝1,2,...,6) (12)

每个方波的宽度为：

θ_n＝β_n-α_n(n＝1,2,...,12) (13)

从而可以计算出[0,π]区间内各方波的开通角和关断角：

进而可以计算出12个方波的宽度：

当12个方波的开关角确定时，合成后的输出电压波形也就确定，此时阶梯波非常接近正弦波，输出电压的总谐波含量为2.7235％，谐波含量较低；当负载增大或减小时，保持V_dc1～V_dc6的开通角和V_dc7～V_dc12的关断角不变，增大或减小方波的宽度即可调节合成电压。

调制方式二：方波的宽度全部相同

12个方波的宽度相同时，需要找出使输出电压谐波含量最低时的方波共同宽度，其共同宽度为2.0698弧度，从而可以计算[0，π]区间内各个方波的开通角和关断角：

此时输出电压的总谐波含量为5.1436％，整流侧直流电压出现波动时，保持V_dc1～V_dc6的开通角和V_dc7～V_dc12的关断角不变，通过改变方波宽度来调节逆变侧输出电压。

调制方式三：两组方波宽度分别相同

12个方波分成两组，每6个宽度相等，需找出使合成电压总谐波含量最低时的两组方波宽度。两组方波的宽度分别为θ_a＝1.9895弧度、θ_b＝2.0940弧度；即θ₁、θ₂、θ₃、θ₁₀、θ₁₁、θ₁₂的宽度为1.9895弧度，θ₄、θ₅、θ₆、θ₇、θ₈、θ₉的宽度为2.0940弧度；计算出[0,π]区间内各个方波的开通角和关断角：

此时阶梯波的总谐波含量为3.5024％，整流侧直流电压变化时，采取以下调制策略：保持V_dc1～V_dc6的开通角和V_dc7～V_dc12的关断角不变，当整流侧直流电压降低时，先把较窄的6个方波(θ₁、θ₂、θ₃、θ₁₀、θ₁₁、θ₁₂)调宽，当12个方波宽度相等时，再把所有的方波同时调宽；当整流侧直流电压升高时，先把较宽的6个方波(θ₄、θ₅、θ₆、θ₇、θ₈、θ₉)调窄，当12个方波宽度相等时，再把所有的方波同时调窄。

有益效果及优点，由于采用了上述方案，该同相供电方案的牵引变电所将三相高压转换为27.5kV单相交流电供给电力机车，其中三相-单相变换装置的整流侧采用基于移相变压器的三相不控整流电路，逆变侧采用H桥级联逆变电路并以阶梯波合成方式进行调制。该方案综合利用了多相不控整流的高功率因数、高可靠性、低成本和阶梯波合成逆变的低工作频率、低开关损耗等优点，能够在为电力机车提供稳定单相交流电压的同时，从源头上消除三相不平衡。所有牵引变电所的相位信息由GPS同步时钟提供，保证整个供电线路中电压的幅值、频率和相位保持一致，符合贯通式同相供电的条件，能够完全取消接触网的电分相，有利于电气化铁路向高速化、重载化发展。全线牵引变电所并联运行，可互为备用，不需要在各牵引变电所内单独设置备用供电容量，节省容量投资。逆变侧直流环节设置适量储能电池，缓存“制动功率大于牵引功率”小概率事件发生时的剩余再生能量，同时还能为其他能源的引入提供接口，这点对电网络比较稀疏而可再生能源资源丰富的地区尤为重要。

附图说明

图1为本发明的电气化铁路同相供电系统结构图。

图2为本发明的电气化铁路牵引变电所运行原理图。

图3为本发明的电气化铁路牵引变电所结构图。

图4为本发明的方波合成阶梯波示意图。

图5为本发明的中点相交法示意图。

图6为本发明的调制方式一中整流电压相对值与方波宽度变化量的关系图。

图7为本发明的调制方式二中整流电压相对值与方波宽度的关系图。

图8为本发明的调制方式三中整流电压相对值与方波宽度变化量的关系图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

实施例1：电气化铁路同相供电方案包括电气化铁路同相供电系统及电气化铁路同相供电方法；

电气化铁路同相供电系统包括，移相变压器、三相不控整流器、滤波电容器、单相逆变器和直流储能器；移相变压器的输入端与三相高压交流电连接，移相变压器的输出端与三相不控整流器连接，三相不控整流器通过滤波电容器和直流储能器与单相逆变器连接；直流储能器的输入端能与其它能源连接；单相逆变器的输出端分别与上行接触网和下行接触网连接。

电气化铁路同相供电方法是：在同一供电线路上所有牵引变电所(TS)的单相27.5kV交流输出端分别接入上行和下行接触网，在接触网上设置分段断路器，以便于检修和故障隔离；上行和下行接触网并联运行，减小接触网阻抗，抑制线路压降；其中所有牵引变电所的相位信息由GPS同步时钟提供，保证整个供电线路中电压的幅值、频率和相位保持一致，实现各牵引变电所的单相牵引电源互为备用，大大降低备用容量、牵引设备投资和运行、维护成本；逆变侧直流滤波环节设置直流储能器，缓存“制动功率大于牵引功率”小概率事件发生时的剩余再生能量，为其他能源的引入提供接口。

牵引变电所运行原理如图2所示，其中三相高压先经两台并联运行的整流变压器降压，其中每台移相变压器各有3个Y型接线的低压侧和3个Δ型接线的低压侧，从而两台移相变压器共4组低压侧。Y型接线和Δ型接线的副边线圈匝数之比为使低压侧的线电压幅值相等。每个低压侧均接入一个三相不控整流桥，形成12个独立的直流电压提供给级联的H桥逆变器，逆变环节将独立的直流电压转换为27.5kV单相交流电，经滤波电感连接至接触网。直流环节设置滤波电容和适量储能电池。牵引网正常运行时，由于整个牵引网上有多列机车运行(贯穿式同相供电牵引网线路很长)，牵引需求功率远大于机车的制动回馈功率，因此，牵引网总是从大电网吸收功率，整流侧是不需要有功率回馈能力的。但当牵引网上运行机车很少时(如：凌晨机车首发和晚间末班车进站)，“牵引网上机车的总制动功率有可能大于总牵引功率”，这时直流侧的储能电池能够缓存电力机车再生制动时的回馈能量。从缓存电力机车再生制动时回馈能量考虑，储能电池运行方式为正常运行(即牵引网上的牵引功率大于制动功率)时释放完电池中的所有能量，当“牵引网上机车的总制动功率大于总牵引功率”时向电池充电。电池的容量按这段时间的最大回馈能量设计。这一储能电池还可以为其他可再生能源的引入提供接口。若为接入可再生能源，则依据可再生能源的容量和特性，以能平抑可再生能源的波动量来设计储能电池的容量。移相变压器采用曲折星型接法，两台移相变压器的高压侧分别通过移相绕组移动+7.5°和-7.5°相位角，使两台变压器的网侧电压错开15°，这样4组低压侧电流反映在网侧就依次错开了15°相位角，三相不控整流电路的电流在网侧进行移相叠加后，能够大幅度降低网侧电流谐波含量，牵引变电所的结构如图3所示。

逆变侧采用阶梯波合成调制法，将12个H桥逆变器产生的方波利用逼近正弦波的原则合成阶梯波，12组方波合成阶梯波的原理如图4所示。在计算12个方波的开关角时，利用中点相交法，即每个方波边缘高度的中点均与期望标准正弦波相交，根据此关系直接求反三角函数即可得出各个方波的开关角，其原理如图5所示，具体如下：

12个方波依次为V_dc1～V_dc12，在[0,π]区间中，V_dc1～V_dc12的开通角依次为α₁～α₁₂，关断角为β₁～β₁₂，方波的中心角为其中V_dc1和V_dc12的中心角关于π/2对称，V_dc2和V_dc11的中心角关于π/2对称，依次类推，即每个方波都有另一个方波与之关于四分之一正弦波周期对称，因此各方波的中心角满足：

由于逆变输出电压u由12个方波合成，则方波的幅值V_dc和逆变电压峰值u_peak的关系为：

根据图5所示的中点相交法，可求出方波V_dc1～V_dc6的开通角α₁～α₆：

为保证方波宽度变化时，V_dc1～V_dc6和V_dc12～V_dc7仍然关于四分之一正弦波周期对称，在[0,π]区间中令V_dc7～V_dc12的关断角β₇～β₁₂为：

β_n＝π-α_13-n(n＝7,8,...,12) (4)

保持V_dc1～V_dc6的开通角和V_dc7～V_dc12的关断角不变，设12个方波的宽度为θ₁～θ₁₂，则可得出方波的中心角为：

若方波u_step的宽度为θ，中心角为高度为V，频率为f，则其傅里叶表达式为：

式中i为各次谐波的次数。对方波进行傅里叶分解后，可以看出基波和各次谐波的幅值不仅和方波与高度V成正比，还与成正比，即各次谐波含量同时取决于方波的高度V和宽度θ。在阶梯波合成调制方式中，方波高度V不可调节，此时改变各个方波的宽度和中心角，就可以调节方波合成阶梯波的幅值及相位。

12个方波V_dc1～V_dc12的傅里叶表达式u₁～u₁₂为：

式中n为参与合成阶梯波的方波个数，i为各次谐波次数。12个方波合成阶梯波u的傅里叶表达式为：

阶梯波u的总谐波含量THD为：

式中H₁为u的基波有效值，H_i为i次谐波有效值。

合理选择各个方波的宽度和中心角，就可以控制合成阶梯波u的幅值和相位。当不同方波的同次谐波相位差为π时，该次谐波相互抵消，从而使输出电压的总谐波含量降低。根据各个方波的不同宽度组合，提出三种阶梯波合成和输出电压调制策略，即“方波全部采用理想宽度”、“方波的宽度全部相同”和“两组方波宽度分别相同”。

调制方式一：方波全部采用理想宽度

12个方波完全按照理想宽度，即方波V_dc7～V_dc12的开通角和V_dc1～V_dc6的关断角全部满足中点相交法所述的方波幅值中点与参考正弦波相交的条件，此时

β_n＝π-α_13-n(n＝1,2,...,6) (12)

每个方波的宽度为：

θ_n＝β_n-α_n(n＝1,2,...,12) (13)

从而可以计算出[0，π]区间内各方波的开通角和关断角：

进而可以计算出12个方波的宽度：

当12个方波的开关角确定时，合成后的输出电压波形也就确定，此时阶梯波非常接近正弦波，输出电压的总谐波含量为2.7235％，谐波含量较低。当负载增大或减小时，保持V_dc1～V_dc6的开通角和V_dc7～V_dc12的关断角不变，增大或减小方波的宽度即可调节合成电压。为了保持逆变侧输出电压基波有效值不变，整流侧直流电压相对值和方波宽度应采取的变化量关系曲线如图6所示，其中变化量为正值时表示增加方波宽度，变化量为负值时表示减少方波宽度。

调制方式二：方波的宽度全部相同

12个方波的宽度相同时，需要找出使输出电压谐波含量最低时的方波共同宽度，其共同宽度为2.0698弧度，从而可以计算[0，π]区间内各个方波的开通角和关断角：

此时输出电压的总谐波含量为5.1436％，整流侧直流电压出现波动时，保持V_dc1～V_dc6的开通角和V_dc7～V_dc12的关断角不变，通过改变方波宽度来调节逆变侧输出电压。为了保持输出电压基波有效值不变，整流侧直流电压相对值与方波宽度期望值的关系曲线如图7所示。

调制方式三：两组方波宽度分别相同

12个方波分成两组，每6个宽度相等，需找出使合成电压总谐波含量最低时的两组方波宽度。两组方波的宽度分别为θ_a＝1.9895弧度、θ_b＝2.0940弧度。即θ₁、θ₂、θ₃、θ₁₀、θ₁₁、θ₁₂的宽度为1.9895弧度，θ₄、θ₅、θ₆、θ₇、θ₈、θ₉的宽度为2.0940弧度。从而可以计算出[0,π]区间内各个方波的开通角和关断角：

此时阶梯波的总谐波含量为3.5024％，整流侧直流电压变化时，采取以下调制策略：保持V_dc1～V_dc6的开通角和V_dc7～V_dc12的关断角不变，当整流侧直流电压降低时，先把较窄的6个方波(θ₁、θ₂、θ₃、θ₁₀、θ₁₁、θ₁₂)调宽，当12个方波宽度相等时，再把所有的方波同时调宽；当整流侧直流电压升高时，先把较宽的6个方波(θ₄、θ₅、θ₆、θ₇、θ₈、θ₉)调窄，当12个方波宽度相等时，再把所有的方波同时调窄。为了保持输出电压基波有效值不变，整流侧电压相对值与方波宽度变化量期望值的关系曲线如图8所示。

Claims (6)

1.一种基于不控整流和阶梯波合成逆变的电气化铁路同相供电方案，其特征是：电气化铁路同相供电系统包括，移相变压器、三相不控整流器、滤波电容器、单相逆变器和直流储能器；移相变压器的输入端与三相高压交流电连接，移相变压器的输出端与三相不控整流器连接，三相不控整流器通过滤波电容器和直流储能器与单相逆变器连接；直流储能器的输入端能与其它能源连接；单相逆变器的输出端分别与上行接触网和下行接触网连接。

2.权利要求1所述的一种基于不控整流和阶梯波合成逆变的电气化铁路同相供电方案，其特征是：电气化铁路同相供电方法是：在同一供电线路上所有牵引变电所(TS)的单相27.5kV交流输出端分别接入上行和下行接触网，在接触网上设置分段断路器，以便于检修和故障隔离；上行和下行接触网并联运行，减小接触网阻抗，抑制线路压降；其中所有牵引变电所的相位信息由GPS同步时钟提供，保证整个供电线路中电压的幅值、频率和相位保持一致，实现各牵引变电所的单相牵引电源互为备用；逆变侧直流滤波环节设置直流储能器，缓存“制动功率大于牵引功率”小概率事件发生时的剩余再生能量，为其他能源的引入提供接口。

3.根据权利要求1所述的基于不控整流和阶梯波合成逆变的电气化铁路同相供电方案，其特征是：所述的阶梯波合成调制，将12个H桥逆变器产生的方波利用逼近正弦波的原则合成阶梯波；在计算12个方波的开关角时，合理选择各个方波的宽度和中心角，控制合成阶梯波u的幅值和相位；利用中点相交法，即每个方波边缘高度的中点均与期望标准正弦波相交，根据此关系直接求反三角函数即可得出各个方波的开关角；当不同方波的同次谐波相位差为π时，该次谐波相互抵消，从而使输出电压的总谐波含量降低；根据各个方波的不同宽度组合，提出三种阶梯波合成和输出电压调制策略，即“方波全部采用理想宽度”、“方波的宽度全部相同”和“两组方波宽度分别相同”。

4.根据权利要求3所述的基于不控整流和阶梯波合成逆变的电气化铁路同相供电方案，其特征是：所述的方波全部采用理想宽度：

12个方波完全按照理想宽度，即方波V_dc7～V_dc12的开通角和V_dc1～V_dc6的关断角全部满足中点相交法所述的方波幅值中点与参考正弦波相交的条件，此时

${\mathrm{\α}}_n=\arcsin \frac{2n-1}{24}{u}_{peak},\left(n=7,8,\mathrm{...},12\right)---\left(11\right)$

β_n＝π-α_13-n (n＝1,2,...,6) (12)

每个方波的宽度为：

θ_n＝β_n-α_n (n＝1,2,...,12) (13)

从而可以计算出[0,π]区间内各方波的开通角和关断角：

进而可以计算出12个方波的宽度：

当12个方波的开关角确定时，合成后的输出电压波形也就确定，此时阶梯波非常接近正弦波，输出电压的总谐波含量为2.7235％，谐波含量较低；当负载增大或减小时，保持V_dc1～V_dc6的开通角和V_dc7～V_dc12的关断角不变，增大或减小方波的宽度即可调节合成电压。

5.根据权利要求3所述的基于不控整流和阶梯波合成逆变的电气化铁路同相供电方案，其特征是：所述的方波的宽度全部相同：

12个方波的宽度相同时，需要找出使输出电压谐波含量最低时的方波共同宽度，其共同宽度为2.0698弧度，从而可以计算[0,π]区间内各个方波的开通角和关断角：

此时输出电压的总谐波含量为5.1436％，整流侧直流电压出现波动时，保持V_dc1～V_dc6的开通角和V_dc7～V_dc12的关断角不变，通过改变方波宽度来调节逆变侧输出电压。

6.根据权利要求3所述的基于不控整流和阶梯波合成逆变的电气化铁路同相供电方案，其特征是：所述的两组方波宽度分别相同：

12个方波分成两组，每6个宽度相等，需找出使合成电压总谐波含量最低时的两组方波宽度。两组方波的宽度分别为θ_a＝1.9895弧度、θ_b＝2.0940弧度；即θ₁、θ₂、θ₃、θ₁₀、θ₁₁、θ₁₂的宽度为1.9895弧度，θ₄、θ₅、θ₆、θ₇、θ₈、θ₉的宽度为2.0940弧度；计算出[0,π]区间内各个方波的开通角和关断角：

此时阶梯波的总谐波含量为3.5024％，整流侧直流电压变化时，采取以下调制策略：保持V_dc1～V_dc6的开通角和V_dc7～V_dc12的关断角不变，当整流侧直流电压降低时，先把较窄的6个方波(θ₁、θ₂、θ₃、θ₁₀、θ₁₁、θ₁₂)调宽，当12个方波宽度相等时，再把所有的方波同时调宽；当整流侧直流电压升高时，先把较宽的6个方波(θ₄、θ₅、θ₆、θ₇、θ₈、θ₉)调窄，当12个方波宽度相等时，再把所有的方波同时调窄。