CN104029610A - 一种基于多电平变换器并联的贯通式牵引供电*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多电平变换器并联的贯通式牵引供电***，由多个贯通式牵引供电变电所并联建网组成，邻近变电所的牵引网直接相连，形成贯通式牵引供电网络；贯通式牵引供电变电所由与三相电网接入的输入降压变压器和与之输出端相连的呈并联状态的一个以上多电平三相-单相交-直-交变换器，以及连接变换器和牵引网的输出升压变压器组成。本发明可以实现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，变电所具有可控电压源性质，可实现电气化铁路牵引网贯通供电，彻底取消电分相，极大地改善电能质量。变电所内采用多电平变换器并联结构提升容量，同时，牵引供电***的可靠性和冗余性也可得到很好的改善。

Description

一种基于多电平变换器并联的贯通式牵引供电***

技术领域

本发明涉及铁路牵引供电***技术领域，特别是无过分相区间的牵引网设备领域。

背景技术

既有牵引供电***在物理结构上实行分段供电导致机车过分相时速度与能量的损失，过分相时车网之间复杂的电气暂态过程会严重危及牵引网和列车等主要电气设备的正常工作。牵引网存在供电死区，每个变电所需一组牵引变压器工作一组备用，其可靠性差，保证可靠性的手段较少，成本较高。在电气结构上，既有牵引供电***与机车、与电力***间存在强耦合的电磁关系，牵引负荷的冲击特性、电能污染等可直接通过这种强耦合关系传递给电网，电网的本身特性、冲击等也可直接耦合至机车，这种强耦合关系为电能质量治理制造了较大的障碍，并对电网容量、电压等级等提出了较高的要求。

图1是既有分段供电***。图中两相邻变电所通过各自所在区域三相电网取电，通过变电所变压器变为两相，为牵引网供电。由于变电所内两供电臂电压幅值，相位存在差异，变电所之间电压幅值、相位、频率难以一致，两变电所间的四个供电臂需要三个电分相装置隔离。由于电分相装置的存在，使得列车在运行过程中需不断通过电分相，列车受流出现离散化，严重制约着列车速度和载荷能力的提升。

通过图2所示同相供电技术通过动态补偿装置补偿单相电网负载电流的无功和谐波，并传递一半有功，可取消变电所内电分相，牵引网电分相个数可减半。从理论分析、现场试运行验证了技术的可行性。但相邻变电所输出电压存在差异，变电所间难以实现贯通供电。

有效解决上述问题，借助现代电力电子技术及其控制理论，实现电气化铁路贯通供电是一种理想的解决方案。图3是理想模式的贯通式牵引供电***结构，基于三相-单相变换器的变电所输出电压幅值、频率和相位可一致，能满足贯通供电的互联条件，因此各变电所的输出可以相互连接，形成贯通式牵引供电***。牵引网各供电区段不再需要设置电分相，进而避免了数量众多的电分相装置的投入，同时避免了过分相造成的列车牵引力的损失。

根据目前大功率电力电子器件发展情况及多电平变换器结构工程应用情况推算，图3所示的单个多电平三相-单相变换器设计容量难以达到既有变电所容量要求，鉴于此，在现有技术条件下，开展对多电平变换器并联技术的研究，以提升***容量。实际工程中可通过变电所内并联，实现单个变电所容量的提升，通过变电所间并联建立牵引供电网络，使变电所间实现容量相互支持与补充而使***容量得以优化，已经成为一种迫切需求。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，结合工程实际，本发明提供了一种基于多电平变换器并联的贯通式牵引供电***。该***既可以实现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，变电所具有可控电压源性质，可实现电气化铁路牵引网贯通供电，彻底取消电分相，极大地改善电能质量。变电所内采用多电平变换器并联结构提升容量，同时，牵引供电***的可靠性和冗余性也可得到很好的改善。

本发明所采用的技术方案是：

一种基于多电平变换器并联的贯通式牵引供电***，其特征在于：由多个贯通式牵引供电变电所并联建网组成，邻近变电所的牵引网直接相连，形成贯通式牵引供电网络；所述贯通式牵引供电变电所由与三相电网接入的输入降压变压器和与之输出端相连的呈并联状态的一个以上多电平三相-单相交-直-交变换器，以及连接变换器和牵引网的输出升压变压器组成；所述多电平三相-单相交-直-交变换器由多电平三相整流器、直流环节及其辅助均压电路、多电平单相逆变器和输入输出连接电抗器组成。

在本发明基于多电平变换器并联的贯通式牵引供电***中，每个变电所为电压源型变换器并联结构，其输出电压可控，相邻变电所的牵引网可直接相连，构成贯通式牵引供电网络，输出机车等负载要求的交流电。

与现有技术相比，本发明有益效果是：

1、本发明提出的一种基于多电平变换器并联的贯通式牵引供电***中，变电所采用全变换的三相-单相多电平交-直-交变换器并联代替牵引变压器，由于交-直-交变换器输出电压相位、频率和幅值完全可控，因此可实现全线贯通供电，取消牵引网电分相装置，极大地改善***的电能质量，提高机车的运行速度和载荷能力。

2、由于变电所采用全变换的交-直-交变换器并联代替牵引变压器，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，且能够为牵引网提供无功和谐波补偿功能。因此，可使电气化铁路机车等负载的大量再生制动能量得以充分利用，并能友好地接收其他的新型能源的接入，具有长远的经济、能源效益。

3、由于变电所内采用多电平变换器并联的结构，***的可靠性和冗余性得到极大的改善。一方面，各变换器可平均分担负载功率，提升了变电所容量；另一方面，变电所内各变换器的结构、控制相同，便于模块化和大规模生产；再有，各变换器控制相互独立，单个变换器发生故障对其他变换器的正常工作影响很小。

4、由于本发明的变电所变换器采用独立电压源控制方式，***容错性较强，并联***中的任意变换器出现故障可以随时退出***，任一变电所出现故障对整个***影响很小，***仍然可以正常运行，每个变电所可随时投入或者切除***，而不会影响***正常工作。

因此，贯通式牵引供电***在将来工程实践当中，随着电力电子器件的发展，以及成本的降低，可使得***在满足变电所容量的前提下，通过变换器并联、变电所并联构建贯通式牵引供电***。

附图说明

图1是既有牵引供电***结构示意图；

图2是同相供电***结构示意图；

图3是基于三相-单相PWM变换器的贯通式牵引供电***结构示意图；

图4是本发明一种基于多电平变换器并联的贯通式牵引供电***结构简图；

图5是本发明实施例带辅助均压电路的五电平二极管箝位三相-单相PWM变换器结构图；

图6是五电平二极管箝位PWM变换器直流环节辅助均压电路图；

图表中的标记为：

图1-图4中L_A/L_B/L_C表示三相电网。图5-图6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表示直流环节个直流分电容，LA1…LAn表示辅助均压电感，SA1…SAn表示辅助均压开关器件，LA/LB/LC表示三相整流器输入端连接电抗器，LP/LN表示单相H桥逆变器输出端连接电抗器。

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4为本发明提出的一种基于多电平变换器并联的贯通式牵引供电***，每个变电所由与三相电网接入的输入降压变压器、与之输出端相连的并联一个以上多电平三相-单相交-直-交变换器的电力电子变换装置，以及连接变换器和牵引网的输出升压变压器组成。变电所为可控电压源，相邻变电所的牵引网直接相连，构成贯通牵引供电网络，输出机车等负载要求的交流电压和电流。考虑变电所之间距离较远，且可靠性要求高等特点，将每个变电所设计成为独立控制的电压源，变电所通过对牵引网上电压、电流进行检测，经过控制器计算后，通过调整输出电压幅值、相位以达到***抑制环流和调度潮流的目的。

由于降压变压器变比过大会造成变压器损耗过大，工艺复杂等问题，本发明实施例拟采用如图5所示的五电平二极管箝位三相-单相PWM变换器提升变换器耐压等级，减小升、降压变压器变比。根据目前大功率电力电子器件发展情况及五电平变换器结构情况推算，单相H桥逆变器输出在3.3kV的交直交***容量设计在5MVA左右是可行的，通过并联若干个五电平三相-单相变换器即可实现单个变电所容量的提升，通过变电所间并联建网，可使变电所之间实现容量相互支持与补充，而达到***容量提升与优化的目的。因此，本***在将来工程实践中，随着电力电子器件的发展，以及成本的降低，使得***在满足变电所容量的前提下，可通过变换器并联建网构成贯通式牵引供电***。

鉴于多电平二极管箝位变换器存在直流电容电压不平衡问题，本专利采用了如图6所示的一种辅助均压电路，由多个串联的开关器件和电感组成，通过控制开关的通断来控制被箝位的两个直流电容自动充放电，以维持各直流分电容电压的均衡。在确保中间电容电压平衡的前提下，单相H桥逆变器与之相连并输出幅值、相位、频率可调的单相电压，多个变电所可通过控制调节输出电压完成建网和***潮流调度。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)多电平二极管箝位三相-单相PWM变换器

多电平二极管箝位三相-单相PWM变换器连接三相电网***与牵引网***，为机车供电传输能量。以五电平为例，如图5所示：变换器整流侧输入端通过电抗器与降压变压器相连，中间直流电容两端分别与变换器的整流器输出和逆变器输入连接，将三相交流电转换为单相交流电。以第一组桥臂电路为例，共有8个开关管，其中S11和S15，S12和S16，S13和S17，S14和S18为对管，对管的开关信号互补，即其中一个开关管导通，则对管必须关断；若其关断，则对管导通。以直流侧负端为电压基准，选择导通不同的开关管将得到不同的电平，各个工作模式下开关模态以及对应的端口电压v_o如表1所示：

表1五电平二极管箝位PWM变换器单桥臂开关模态

模式	vo	S11	S12	S13	S14	S15	S16	S17	S18
										1	Udc	1	1	1	1	0	0	0	0
2	3/4Udc	0	1	1	1	1	0	0	0
										3	1/2Udc	0	0	1	1	1	1	0	0
4	1/4Udc	0	0	0	1	1	1	1	0
										5	0	0	0	0	0	1	1	1	1

(2)多电平二极管箝位直流环节辅助均压电路

多电平二极管箝位直流环节辅助均压电路的结构如图6(a)所示。该辅助均压电路由三个均压分电路构成，如图6(b)所示。其中，C1-C2均压电路如图6(b)中实线部分所示，由C1、SA1、LA1、SA2、C2组成，负责均衡C1、C2的电压。其具体的控制原理如下：当V_C1>V_C2时，SA1导通，SA2关断，此时，C1通过C1-SA1-LA1回路放电，能量储存在LA1中；当V_C1<V_C2时，SA1关断，SA2导通，此时，LA1通过LA1-C2-SA2回路对C2充电。如此反复直至C1、C2上的电压相等为止。同理，C3-C4均压电路(如图6(b)中点划线部分所示)用于均衡C3、C4上的电压，而C2-C3均压电路(如图6(b)中虚线部分所示)用于均衡C2、C3上的电压。三个均压分电路独立工作，几个周期后可实现直流环节四个分电容的电压均衡。

(3)基于多电平变换器并联的变电所

该变电所结构如图4虚线框部分所示，变电所从公共三相电网取电，通过降压变压器降压后通过整流器输出直流电压，并维持三相电网侧功率因数为单位1。整流器输出后通过直流环节电容与单相H桥逆变器隔离，避免无功功率注入三相电网。单相H桥逆变器在隔离电容处取电后，输出可控单相交流电。每个多电平三相-单相变换器之间相互并联以此达到变换器并联的效果，再经过升压变压器与牵引网相连。由于逆变器并联存在环流问题，各单相H桥逆变器需要以与自身连接的升压变压器输出为反馈，通过调整输出电压抑制环流。(4)基于多电平变换器并联的贯通式牵引供电***

本发明一种基于多电平变换器并联的贯通式牵引供电***如图4所示，其中三相-单相变换器采用图5结构。***中变电所由电力电子变换器代替牵引变压器，实现输出电压可控，将变电所电压输出到牵引网上，通过电压源型变换器变电所构成贯通式牵引供电网。各变电所相互支援，共同为该牵引网供电。由于***通过变电所自建电网，各变电所之间存在潮流调度问题。在本***中，变电所为独立电压源。可根据需要调整输出电压的幅值、相位、频率以进行潮流调度。

Claims (3)

1.一种基于多电平变换器并联的贯通式牵引供电***，其特征在于：由多个贯通式牵引供电变电所并联建网组成，邻近变电所的牵引网直接相连，形成贯通式牵引供电网络；所述贯通式牵引供电变电所由与三相电网接入的输入降压变压器和与之输出端相连的呈并联状态的一个以上多电平三相-单相交-直-交变换器，以及连接变换器和牵引网的输出升压变压器组成；所述多电平三相-单相交-直-交变换器由多电平三相整流器、直流环节及其辅助均压电路、多电平单相逆变器和输入输出连接电抗器组成。

2.根据权利要求1所述之基于多电平变换器并联的贯通式牵引供电***，其特征在于：所述多电平三相-单相交-直-交变换器由三相多电平二极管箝位整流电路、直流环节及其辅助均压电路、多电平二极管箝位单相H桥逆变电路和输入输出连接电抗器组成；所述三相多电平二极管箝位整流电路采用SVPWM调制；所述直流辅助均压电路由多个串联的开关器件和电感组成，通过控制开关的通断来控制被箝位的两个直流电容自动充放电；所述多电平二极管箝位单相H桥逆变电路采用单相SVPWM调制，通过均流控制使得变电所内多个并联的变换器平均分配功率，抑制并联变换器间的环流。

3.根据权利要求1所述之一种基于多电平并联变换器的贯通式牵引供电***，其特征在于：所述基于多电平变换器并联的贯通式牵引变电所输出的电压幅值、频率和相位可控，各单相H桥逆变器为电压源型变换器，变电所表现为电压源性质；多个电压源型变电所并联构成贯通式牵引供电网络，通过调整逆变器输出电压可进行牵引网潮流调度及并联变电所间的环流抑制。