CN113824347A - 一种基于三相ac/dc型电力电子变压器的同相供电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于三相AC/DC型电力电子变压器的同相供电系统，包括牵引变压器TT、三相补偿变压器MT、三相AC/DC型电力电子变压器和协调控制单元CC，牵引变压器TT原边接三相电网中的两相，牵引变压器TT次边的一端接牵引母线，三相补偿变压器MT的原边接三相电网，三相补偿变压器MT的次边与三相AC/DC型电力电子变压器的输入端连接；牵引变压器TT的原边设置有电流互感器CT，所述三相电网中设置有电压互感器PT1和PT2，所述电压互感器PT1和PT2分别并联在三相电网不同两相之间。本发明通过设置三相补偿变压器MT和三相AC/DC型电力电子变压器，可以构成新的同相供电补偿方案，将电力电子变压器技术应用到同相供电系统中，通过合理配置模块单元数量，可适应不同电压等级。
Description
技术领域
本发明涉及电气化铁路与城市轨道技术领域，尤其涉及一种基于三相AC/DC型电力电子变压器的同相供电系统。
背景技术
我国电气化铁道普遍采用单相工频交流制，为使单相的牵引负荷在三相电力系统中尽可能平衡，电气化铁道往往采用轮换相序、分相分区供电的方案。分相分区处的相邻供电区间便形成分相绝缘器，称为电分相或分相。在列车通过电分相的暂态电气过程中，易产生较大的操作过电压或过电流，造成牵引网与车载设备烧损等事故，影响供电可靠性和列车安全运行。因此，电分相环节是整个牵引供电系统中最薄弱的环节，列车过分相成为了高速铁路乃至整个电气化铁路牵引供电的瓶颈。
理论和实践表明采用同相供电技术可以在取消牵引变电所出口处电分相、消除供电瓶颈的同时，还能有效治理负序电流、达到以三相电压不平衡度(负序)限值为主的电能质量要求，有利于促进电力与铁路的和谐发展。
为此，发明人所在团队提出“一种电气化铁路同相供电系统(CN201821911578.2)”，通过三相补偿变压器与多个并联的低压三相交直变流器实现三相负序补偿。但这种拓扑和补偿方案需要考虑到IGBT模块电压等级和价格因素，三相补偿变压器的副边电压要足够低，灵活性相对有限。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于三相AC/DC型电力电子变压器的同相供电系统，通过设置三相补偿变压器MT和三相AC/DC型电力电子变压器，可以构成新的同相供电补偿方案，将电力电子变压器技术应用到同相供电系统中，通过合理配置模块单元数量，可适应不同电压等级。
本发明通过以下技术手段实现：
一种基于三相AC/DC型电力电子变压器的同相供电系统，包括牵引变压器TT、三相补偿变压器MT、三相AC/DC型电力电子变压器和协调控制单元CC，所述牵引变压器TT原边接三相电网中的两相，所述牵引变压器TT次边的一端接牵引母线，另一端接地，所述三相补偿变压器MT的原边接三相电网，所述三相补偿变压器MT的次边与三相AC/DC型电力电子变压器的输入端连接；
所述牵引变压器TT的原边设置有电流互感器CT，所述三相电网中设置有电压互感器PT1和PT2，所述电压互感器PT1和PT2分别并联在三相电网不同两相之间，所述协调控制单元CC的测控端同时与所述电流互感器CT、电压互感器PT1和PT2连接，所述协调控制单元CC的控制端与所述三相AC/DC型电力电子变压器连接。
进一步地，所述三相AC/DC型电力电子变压器包括：
三相整流装置，包括三相交流输入端口和三组直流输出端口组，每组直流输出端口组包括n个直流输出端口，其中，n≥1；
DC/DC变换装置，包括3n个独立电力电子变压器，每个电力电子变压器的输入端口对应连接所述三相整流装置的一个直流输出端口，每个电力电子变压器的输出端口并联。
进一步地，所述三相整流装置包括三组H桥级联整流器，每组H桥级联整流器包括n个单相H桥整流单元，每组H桥级联整流器的n个单相H桥整流单元的输入端口级联后形成输入端子1和输入端子2，三个输入端子1相互连接，三个输入端子2共同构成所述三相整流装置的三相交流输入端口，每组H桥级联整流器中的n个单相H桥整流单元的输出端口共同构成所述三相整流装置的一组直流输出端口组。
进一步地，n的取值根据三相补偿变压器MT的副边相电压、单相H桥整流单元的额定输入电压确定。
进一步地，所述电力电子变压器包括依次连接的单相全桥逆变器、高频变压器和单相全桥整流器，所述单相全桥逆变器的直流输入端口作为所述电力电子变压器的输入端口，所述单相全桥整流器的直流输出端口作为所述电力电子变压器的输出端口。
进一步地，所述单相全桥逆变器的输出端口与所述高频变压器的一次侧之间连接有电抗器和电容器，所述高频变压器的二次侧与所述单相全桥整流器的输入端口之间连接有电抗器和电容器。
进一步地，所述单相全桥逆变器的直流输入端口并联有电容器，所述单相全桥整流器的直流输出端口并联有电容器。
进一步地，所述电力电子变压器包括依次连接的单相半桥逆变器、高频变压器和单相半桥整流器，所述单相半桥逆变器的直流输入端口作为所述电力电子变压器的输入端口，所述单相半桥整流器的直流输出端口作为所述电力电子变压器的输出端口。
进一步地，所述单相半桥逆变器的输出端口与所述高频变压器的一次侧之间连接有电抗器和电容器，所述高频变压器的二次侧与所述单相半桥整流器的输入端口之间连接有电抗器和电容器。
进一步地，所述三相AC/DC型电力电子变压器可以根据牵引负荷工况提供无功补偿功率和谐波补偿电流。
本发明工作原理：牵引变压器TT把电力系统中三相电网的线电压变送到牵引母线，为牵引网供电；三相AC/DC型电力电子变压器为三相级联H桥AC/DC型拓扑，级联的H桥三相整流装置通过三相补偿变压器MT连接到中/高压交流电网，构成前级整流，后接双有源桥的电力电子变压器，作为电压变换和电气隔离环节，形成输入串联输出并联的结构。三相AC/DC型电力电子变压器和三相补偿变压器MT配合使用，用于补偿治理电力机车单相负载带来的负序功率以及电网电压不平衡；协调控制单元CC计算三相补偿系统需要补偿的负序功率和无功功率，然后传输给三相AC/DC型电力电子变压器，三相AC/DC型电力电子变压器作出负序功率补偿和无功功率补偿。其中，三相AC/DC型电力电子变压器中每组H桥级联整流器的H桥整流单元数量n确定原则：设三相补偿变压器MT的副边相电压为Umt，单个H桥整流单元的额定输出电压为U0，则每组H桥级联整流器的H桥整流单元数量n＝Umt/U0。
必要时，三相AC/DC型电力电子变压器还可根据牵引负荷工况提供无功补偿功率和谐波补偿电流。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
一、三相AC/DC型电力电子变压器只产生负序分量，即可治理电网负序以满足三相电压不平衡度，而不改牵引变电所牵引网的有功潮流。
二、本发明提出由牵引变压器TT、三相补偿变压器MT和三相AC/DC型电力电子变压器的新式组合，提高了牵引变电所运行的灵活性，并可以取消牵引变电所出口处的电分相环节。
三、三相AC/DC型电力电子变压器可以按容量和电压合理配置H桥整流单元数量，适应性更强。
四、本发明可作为三相负序补偿系统的一种方案选择，具有配置灵活、节省成本的优点。
五、本发明中的三相AC/DC型电力电子变压器替代原同相供电系统中的背靠背变流器，可节省成本。
附图说明
图1是根据一示例性实施例示出的一种基于三相AC/DC型电力电子变压器的同相供电系统结构示意图。
图2是根据一示例性实施例示出的一种三相AC/DC型电力电子变压器结构示意图。
图3是根据一示例性实施例示出的一种采用全桥结构的电力电子变压器结构示意图。
图4是根据一示例性实施例示出的一种采用半桥结构的电力电子变压器结构示意图。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的描述。
实施例
如图1所示，本实施例提供一种基于三相AC/DC型电力电子变压器的同相供电系统，包括牵引变压器TT、三相补偿变压器MT、三相AC/DC型电力电子变压器和协调控制单元CC，所述牵引变压器TT原边接三相电网中的两相，所述牵引变压器TT次边的一端接牵引母线，另一端接地，所述三相补偿变压器MT的原边接三相电网，所述三相补偿变压器MT的次边与三相AC/DC型电力电子变压器的输入端连接；
所述牵引变压器TT的原边设置有电流互感器CT，所述三相电网中设置有电压互感器PT1和PT2，所述电压互感器PT1和PT2分别并联在三相电网不同两相之间，所述协调控制单元CC的测控端同时与所述电流互感器CT、电压互感器PT1和PT2连接，所述协调控制单元CC的控制端与所述三相AC/DC型电力电子变压器连接。
本实施例将电力电子变压器技术应用到同相供电系统中，能够实现铁路全线同相供电而无需分相，保证机车的高速、重载运行，能消除铁路牵引负荷对公用电网电能的负序、无功和谐波影响，成本低，实施方便。通过设置三相补偿变压器MT和三相AC/DC型电力电子变压器，构成新的同相供电补偿方案，采用电力电子变压器技术，可以充分利用电力电子变压器能量调节灵活、功率密度高的优点，可以满足三相补偿变压器MT副边不同电压等级要求。
作为优选，如图2所示，所述三相AC/DC型电力电子变压器包括：
三相整流装置，包括三相交流输入端口和三组直流输出端口组，每组直流输出端口组包括n个直流输出端口，其中，n≥1；
DC/DC变换装置，包括3n个独立电力电子变压器，每个电力电子变压器的输入端口对应连接所述三相整流装置的一个直流输出端口，每个电力电子变压器的输出端口并联。
这里，DC/DC变换装置中的3n个独立电力电子变压器可以看作3组电力电子变压器组，每组电力电子变压器组包括n个独立电力电子变压器，3组电子电子变压器组分别与三相整流装置中的3组直流输出端口组对应，即每个电力电子变压器的输入端口对应连接三相整流装置的一个直流输出端口。
实施本实施例时，通过合理设置n的数量，可以适应不同电压和功率等级，配置更加灵活。
作为优选，所述三相整流装置包括三组H桥级联整流器，每组H桥级联整流器包括n个单相H桥整流单元，每组H桥级联整流器的n个单相H桥整流单元的输入端口级联后形成输入端子1和输入端子2，三个输入端子1相互连接，三个输入端子2共同构成所述三相整流装置的三相交流输入端口，每组H桥级联整流器中的n个单相H桥整流单元的输出端口共同构成所述三相整流装置的一组直流输出端口组。
这里，每组H桥级联整流器的n个单相H桥整流单元的输入端口级联后，形成1个输入端子1和1个输入端子2，也即，三组H桥级联整流器包括3个输入端子1和3个输入端子2，3个输入端子1相互连接，3个输入端子2共同构成三相整流装置的三相交流输入端口，或者3个输入端子2分别串联电抗器后共同构成三相整流装置的三相交流输入端口。
作为优选，n的取值根据三相补偿变压器MT的副边相电压、单相H桥整流单元的额定输入电压确定。
这里，单相H桥整流单元中的电力电子器件可以是IGBT、MOSFET、GTR、金闸管等，单相H桥整流单元可以选择不同电压等级的电力电子器件，然后根据三相补偿变压器MT的副边相电压等级设置相应的n值(H桥级联整流器的H桥整流单元数量)，使得三相整流装置的输入电压等级与三相补偿变压器MT副边电压等级相适应，提高电压等级使用范围。
作为优选，如图3所示，所述电力电子变压器包括依次连接的单相全桥逆变器、高频变压器和单相全桥整流器，所述单相全桥逆变器的直流输入端口作为所述电力电子变压器的输入端口，所述单相全桥整流器的直流输出端口作为所述电力电子变压器的输出端口。
作为优选，所述单相全桥逆变器的输出端口与所述高频变压器的一次侧之间连接有电抗器和电容器，所述高频变压器的二次侧与所述单相全桥整流器的输入端口之间连接有电抗器和电容器。这里，电抗器和电容器可以串联构成串联谐振单元，可以减小中高频变压器绕组涡流损耗，进一步提高了电力电子变压器的效率。
作为优选，所述单相全桥逆变器的直流输入端口并联有电容器，所述单相全桥整流器的直流输出端口并联有电容器。
作为优选，所述电力电子变压器包括依次连接的单相半桥逆变器、高频变压器和单相半桥整流器，所述单相半桥逆变器的直流输入端口作为所述电力电子变压器的输入端口，所述单相半桥整流器的直流输出端口作为所述电力电子变压器的输出端口。
作为优选，如图4所示，所述单相半桥逆变器的输出端口与所述高频变压器的一次侧之间连接有电抗器和电容器，所述高频变压器的二次侧与所述单相半桥整流器的输入端口之间连接有电抗器和电容器。
作为优选，所述三相AC/DC型电力电子变压器可以根据牵引负荷工况提供无功补偿功率和谐波补偿电流。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于三相AC/DC型电力电子变压器的同相供电系统，其特征在于，包括牵引变压器TT、三相补偿变压器MT、三相AC/DC型电力电子变压器和协调控制单元CC，所述牵引变压器TT原边接三相电网中的两相，所述牵引变压器TT次边的一端接牵引母线，另一端接地，所述三相补偿变压器MT的原边接三相电网，所述三相补偿变压器MT的次边与三相AC/DC型电力电子变压器的输入端连接；
所述牵引变压器TT的原边设置有电流互感器CT，所述三相电网中设置有电压互感器PT1和PT2，所述电压互感器PT1和PT2分别并联在三相电网不同两相之间，所述协调控制单元CC的测控端同时与所述电流互感器CT、电压互感器PT1和PT2连接，所述协调控制单元CC的控制端与所述三相AC/DC型电力电子变压器连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于三相AC/DC型电力电子变压器的同相供电系统，其特征在于，所述三相AC/DC型电力电子变压器包括：
三相整流装置，包括三相交流输入端口和三组直流输出端口组，每组直流输出端口组包括n个直流输出端口，其中，n≥1；
DC/DC变换装置，包括3n个独立电力电子变压器，每个电力电子变压器的输入端口对应连接所述三相整流装置的一个直流输出端口，每个电力电子变压器的输出端口并联。
3.根据权利要求2所述的一种基于三相AC/DC型电力电子变压器的同相供电系统，其特征在于，所述三相整流装置包括三组H桥级联整流器，每组H桥级联整流器包括n个单相H桥整流单元，每组H桥级联整流器的n个单相H桥整流单元的输入端口级联后形成输入端子1和输入端子2，三个输入端子1相互连接，三个输入端子2共同构成所述三相整流装置的三相交流输入端口，每组H桥级联整流器中的n个单相H桥整流单元的输出端口共同构成所述三相整流装置的一组直流输出端口组。
4.根据权利要求2所述的一种基于三相AC/DC型电力电子变压器的同相供电系统，其特征在于，n的取值根据三相补偿变压器MT的副边相电压、单相H桥整流单元的额定输入电压确定。
5.根据权利要求2所述的一种基于三相AC/DC型电力电子变压器的同相供电系统，其特征在于，所述电力电子变压器包括依次连接的单相全桥逆变器、高频变压器和单相全桥整流器，所述单相全桥逆变器的直流输入端口作为所述电力电子变压器的输入端口，所述单相全桥整流器的直流输出端口作为所述电力电子变压器的输出端口。
6.根据权利要求5所述的一种基于三相AC/DC型电力电子变压器的同相供电系统，其特征在于，所述单相全桥逆变器的输出端口与所述高频变压器的一次侧之间连接有电抗器和电容器，所述高频变压器的二次侧与所述单相全桥整流器的输入端口之间连接有电抗器和电容器。
7.根据权利要求5所述的一种基于三相AC/DC型电力电子变压器的同相供电系统，其特征在于，所述单相全桥逆变器的直流输入端口并联有电容器，所述单相全桥整流器的直流输出端口并联有电容器。
8.根据权利要求2所述的一种基于三相AC/DC型电力电子变压器的同相供电系统，其特征在于，所述电力电子变压器包括依次连接的单相半桥逆变器、高频变压器和单相半桥整流器，所述单相半桥逆变器的直流输入端口作为所述电力电子变压器的输入端口，所述单相半桥整流器的直流输出端口作为所述电力电子变压器的输出端口。
9.根据权利要求8所述的一种基于三相AC/DC型电力电子变压器的同相供电系统，其特征在于，所述单相半桥逆变器的输出端口与所述高频变压器的一次侧之间连接有电抗器和电容器，所述高频变压器的二次侧与所述单相半桥整流器的输入端口之间连接有电抗器和电容器。
10.根据权利要求1所述的一种基于三相AC/DC型电力电子变压器的同相供电系统，其特征在于，所述三相AC/DC型电力电子变压器可以根据牵引负荷工况提供无功补偿功率和谐波补偿电流。
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