一種基於半橋結構的鐵路功率調節器的製作方法

2023-10-22 02:42:42

專利名稱：一種基於半橋結構的鐵路功率調節器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種高速鐵路電能質量綜合補償系統，特別涉及一種基於半橋結構的 鐵路功率調節器。
背景技術：
隨著電氣化鐵路朝著高速、大功率和負荷發展，其電力牽引系統的電能質量問題 變得越來越至關重要。高速鐵路牽引供電系統由於採用單相供電方式，產生負序電流，給電 力系統中的發電、輸電和變電設備的運行帶來嚴重危害，例如增加發電機的損耗，降低變壓 器出力等，嚴重影響電力系統的安全經濟運行。另外，高速鐵路電力機車產生的諧波也降低 了其供電系統和上級電力系統的可靠性。因此，必須採取有效措施抑制高速鐵路供電系統 產生的負序和諧波電流。針對電氣化鐵路的負序、諧波問題，國內外已出現一些補償措施。採用SVC安裝 在牽引變壓器的兩供電臂進行電氣化鐵路的負序補償，在牽引變壓器容量允許的情況下 理論上可將負序完全補償，但增加了牽引變壓器的容量和出力，並降低了兩供電臂功率因 數。採取單相有源濾波器能夠實現對電氣化鐵路的諧波抑制，但不能有效補償電氣化鐵 路中的負序電流。針對鐵路供電系統的單相供電特性，日本學者提出了鐵路功率調節器 (Railway Static Power Conditioner，RPC)，利用背靠背的兩個單相變流器進行有功、無 功及諧波的控制，能實現對負序和諧波綜合補償，但兩個單相變流器包含8個功率開關器 件。另外，還有學者提出一種三相有源補償系統——有源電能質量補償器(Active Power QualityCompensator, APQC)，其結構是採用SCOTT變壓器將兩單相電源變換為三相平衡電 壓，再將一個三相變流器通過三個輸出電感與三相平衡電源連接，這將比RPC節省了一個 開關臂即兩個功率開關器件，但需要結構較複雜的平衡變壓器。

發明內容
針對上述現有技術存在的缺陷，本發明旨在提供一種基於半橋結構的鐵路功率調 節器，能減小系統所需開關器件，簡化系統結構；降低硬體的成本和複雜度，並提高補償系 統的可靠性。為實現上述發明目的，本發明提出的技術方案是，一種基於半橋結構的鐵路功率 調節器，包括兩個單相降壓變壓器和半橋逆變模塊，所述半橋逆變模塊包括一對開關臂和 一對串聯電容，一對開關臂經所述兩個電容連接成背靠背結構；所述兩個單相降壓變壓器 原邊與牽引變壓器的兩個二次側供電臂連接，兩單相降壓變壓器副邊的非浮地線分別經電 感與半橋逆變模塊中的開關臂連接，兩單相降壓變壓器的浮地線與半橋逆變模塊中兩電容 的中點連接。進一步的，所述牽引變壓器採用的是三相V/V牽引變壓器。本發明的技術效果在於(1)該鐵路功率調節器所需的開關器件少，比採取兩個背靠背單相H橋變流器的RPC要少一對開關臂即為4個功率開關器件，比有源電能質量補償器APQC採用的SCOTT變 壓器結構要簡單，且要少1個功率開關臂；本發明僅採用一對功率開關臂和一對串聯電容 結構，通過採用合適的控制方法即可以實現上述結構的相同功能。(2)相對而言，本發明結構較簡單，降低了硬體的成本和複雜度，提高了補償系統 的可靠性，將大大利於該鐵路功率調節器的模塊化大功率發展，並可以將功率單元模塊通 過串並聯形成多重化補償結構來滿足高速鐵路大容量功率補償的需求。(3)通過採用合適的控制方法來調節2個開關臂的開斷狀態，實現對直流側電容 的充放電來維持半橋逆變模塊的直流側電壓穩定和兩串聯電容的均壓，並調節半橋逆變模 塊的輸出電流，實現對高速鐵路供電系統的負序和諧波綜合補償。下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步的說明。


圖1為各種鐵路功率補償系統的結構圖。其中，圖1 (a)為RPC的結構圖；圖1(b)為本發明的結構圖。圖2為本發明所述基於半橋結構的鐵路功率調節器的等效電路圖。圖3為本發明所述基於半橋結構的鐵路功率調節器的受控電流源等效電路圖。圖4為本發明的負序補償原理圖。圖5為半橋逆變模塊的PWM整流工作模式。圖6為單個半橋功率逆變器的閉環控制框圖。在上述附圖中1-SC0TT牽弓I變壓器2-單相降壓變壓器3-背靠背H橋變流器4_鐵路功率調節器 5-半橋逆變模塊6-V/V牽引變壓器7-基於半橋結構的鐵路功率調節器
具體實施例方式參見圖1 (a)，圖1 (a)為鐵路功率調節器4(RPC)的結構圖。RPC的補償對象為採 用SCOTT變壓器1的牽引供電系統。RPC包含兩個單相降壓變壓器2和包含背靠背結構的 兩個單相H橋變流器3，且共用直流側電容，一共含有8個功率開關器件。兩單相H橋變流 器接於兩單相降壓變壓器副邊，兩單相降壓變壓器原邊與牽引變壓器的兩個二次側供電臂 連接。RPC的兩單相H橋變流器通過合適的控制方法控制為受控電流源，能進行高速鐵路的 負序和諧波綜合補償。參見圖1(b)，圖1(b)為本發明的結構圖。本發明的補償對象為採用三相V/V牽引 變壓器6的高速鐵路供電系統。本發明所述基於半橋結構的鐵路功率調節器7由兩個單相 降壓變壓器2和半橋逆變模塊5組成。兩個單相降壓變壓器的原邊分別與兩單相牽引供電 臂連接，並將兩單相降壓變壓器副邊中與原邊地對應的兩端連接起來接至兩電容的中點， 兩單相降壓變壓器副邊中的其餘兩線分別通過一個電感與兩開關臂連接，從而形成半橋逆 變模塊。相對於現有技術中日本學者提出的鐵路功率調節器的背靠背H橋結構，本結構只 包括一對開關臂和一對串聯電容。定義圖中與三相V/V變壓器副邊ac端連接的供電臂為 α相，另一臂為β相。本發明與RPC比較，節省了一對開關臂即4個功率開關器件。因此，這種補償結構更為精簡，降低了硬體的成本和複雜度，提高了補償系統的可靠性，將大大利於該補償系統 的模塊化大功率發展。下面結合附圖2、3、4、5、6、7對鐵路功率調節器的工作原理和控制方法作進一步 的闡述。參見圖2，建立其25kV電壓等級下的等效電氣模型。 為了進一步分析系統的補償機理，建立其25kV電壓等級下的等效電氣模型。假設 兩供電臂電網電壓為Ua和1!0，兩牽引供電臂的電網等效阻抗分別為Zsa和Zse，並且兩邊 負載等效阻抗分別為Zq和Z0p兩個背靠背結構電壓源變流器通過共用的直流電容連接 在一起，直流電容給兩變流器提供穩定直流電壓。設兩單相變壓器變比均為ks，忽略電感電 阻，將半橋逆變模塊5等效變換到25kV側，則有
L
L
ae k (1)
Lb =^
pe k由於半橋逆變模塊中的半橋變流器是一種電壓源信號，為了實現負序和諧波的補 償，即實現對參考電流信號的實時跟蹤，這裡有必要通過採用合適控制方法，把電壓源信號 閉環控制為電流源信號，聯合兩逆變器能夠實現有功功率從一供電臂轉移至另一供電臂， 進行負序補償，同時能各自進行無功與諧波補償。參見圖3，圖3為本發明結構的受控電流源等效電路圖。假設兩牽引供電臂的負載 電流等效為基波電流(Iaw、i0Lf)和諧波電流(Iali、I0Lh)之和，並將半橋逆變模塊等效為 受控電流源信號，由輸出基波電流a。af、i。ef)和諧波電流a。ah、i。eh)構成，這樣可以計算 出兩個牽引供電臂的電網電流
1 a I caf+I cah + IaLf + ^a Lh,、、
_ (2) Iβ ~ ^cPf ^cph + IPLf + IccLh可知，只要採取合適的控制方法使其輸出電流跟蹤指定的基波和諧波電流信號， 之後與由負載引起的基波和諧波電流疊加使相應部分得以補償與抵消，這樣就可以整體達 到負序補償與諧波抑制的目的。根據上面的分析可知，通過兩個背靠背的半橋逆變器，同樣 能夠實現有功轉移和負序補償的功能，並且相對於傳統的鐵路功率補償裝置，其結構更加 簡單，系統的成本和複雜度減小。參見圖4，圖4為鐵路功率調節器補償負序電流的原理圖。由於高速鐵路機車一 般為交直交電力機車，採取四象限PWM脈衝整流控制方式，功率因數接近1。假設α相供 電臂有機車負載電流為而β相供電臂機車負載電流為Im。UA、UB、U。為原邊三相電 壓，υα、υβ為牽引變壓器副邊兩橋臂電壓，其相角相差π/3。在補償前，兩橋臂分別有有 功機車負載電流Im，I0lo首先通過綜合補償裝置將兩牽引臂有功電流差值的一半(即 為I |la」-|le」|/2)，從輕載側轉移到重載側，此時兩橋臂電流的幅值分別為|1' a|和
I' e I，其幅值相等，相角相差η/3。在此基礎上，在α橋臂補償一定的容性無功電流 I'㈡使電流超前該橋臂電壓η/6，而在β橋臂補償一定的感性無功電流Γ 使電流滯後該橋臂電壓η/6，此時有 這樣補償之後得到的兩橋臂電流Ia、I0分別與IA、Ib重合，相角相差2 π/3，並可 以求得原邊C相電流為Ic，此時原邊三相電流完全對稱，負序電流為0，並且可推知原邊三 相功率因數都為1，此時就到達了綜合補償的目的。對於其他任何負載情況下的V/V牽引系 統，都遵循上述的負序補償原理。通過上面的分析，只要半橋功率補償裝置能把α、β兩橋臂的負載電流分量 iaL(t),i0L(t)補償為Ia、Ie就到達了負序與諧波完全補償的目的。故通過採用瞬時電流 檢測法，可以求得補償參考信號為 其中
表示兩供電臂負載
基波有功電流幅值的平均值，Iap和Iep分別表示兩牽引供電臂的有功電流幅值。通過合適的控制策略來控制背靠背的兩逆變橋，使逆變器輸出電流完全跟蹤給定 的基波與諧波電流，就可以實現系統負序與諧波完全補償和抑制。圖5為單相半橋變流器的兩種工作模式直流側電容充電和放電。圖中隊和込分 別為網側電源電壓和電流；Vei和Ve2分別為直流側上、下電容C1和C2兩端的電壓；iei和iC2 分別為流過直流側電容C1和C2的電流山為等效負載電流。當is > O時，變流器直流側電 容上、下部分的電流、電壓如式(5)和式(6)所示。
其中，VTa、VTb分別表示為上下開關管a、b的開關狀態，1或0。當is < 0時，變流器直流側電容上、下部分的電流、電壓表達式與式(5)和式(6) 相同。變流器輸入電壓Ur及整個直流側電壓Ud。為 參見圖6，圖6為單個半橋功率逆變器的閉環控制框圖。為了實現了內環電流的快速跟蹤，對變流器的輸出電流採取滯環控制方法，以使 變流器輸出端電流跟蹤參考補償參考信號，即可實現負序和諧波補償。由圖6所示，為了維 持直流側電壓的穩定，直流側電壓外環採用了一個PI調節器，跟蹤誤差被處理後分別乘以兩供電臂的同步信號，得到半橋逆變器中α、β相變流器的直流側電壓調節信號，並與檢 測環節求得的諧波和負序補償電流參考指令疊加，得到兩變流器的電流參考指令信號4_和 Ipr。直流側電壓通過由兩變流器共同控制維持，保證了兩變流器兩側功率平衡，功率模塊損
耗由兩供電臂分擔。本發明加入了一種直流的均壓控制信號KX AV,通過有意加強某個開 關管的導通來提高相應電容的電壓，從而減小電壓不平衡、直流紋波和變流器輸出電流畸 變等問題。 直流側電容均壓控制原理具體控制實施如下。圖中
為電壓外 環的輸出信號，即為功率補償指令參考信號與直流側電壓調節信號之和，K為均壓環比例系 數，為電流內環的參考指令信號
，AV = Vc2-Va，均壓調節過程為當 Δν > 0時，即Vc2 > Va，則電流基準有一個微小的正偏移量(KX Δν > 0)，即在輸入電 壓的正半周，電容C2放電電流增加，電容Cl充電電流增加。在輸入電壓負半周，電容C1放 電電流減小，電容C2充電電流減小。結果是輸出電容電壓V。2減小，Va增力卩，使Δν減小到 0或者0附近；當Δν<0時，S卩Vc2 < Vci時，同理可以實現均壓，將八￥調至0。
權利要求
一種基於半橋結構的鐵路功率調節器，其特徵是，包括兩個單相降壓變壓器和半橋逆變模塊，所述半橋逆變模塊包括一對開關臂和一對串聯電容，一對開關臂經兩個電容連接成背靠背結構；所述兩個單相降壓變壓器原邊與牽引變壓器的兩個二次側供電臂連接，兩單相降壓變壓器副邊的非浮地線分別經電感與半橋逆變模塊中的開關臂連接，兩單相降壓變壓器的浮地線與半橋逆變模塊中兩電容的中點連接。
2.根據權利要求1所述基於半橋結構的鐵路功率調節器，其特徵是，所述牽引變壓器 採用的是三相V/V牽引變壓器。
全文摘要
本發明公開了一種基於半橋結構的鐵路功率調節器，包括兩個單相降壓變壓器和半橋逆變模塊，所述半橋逆變模塊包括一對開關臂和一對串聯電容，一對開關臂經兩個電容連接成背靠背結構；所述兩個單相降壓變壓器原邊與牽引變壓器的兩個二次側供電臂連接，兩單相降壓變壓器副邊的非浮地線分別經電感與半橋逆變模塊中的開關臂連接，兩單相降壓變壓器浮地與半橋逆變模塊中兩電容的中點連接。這種鐵路功率調節器與採用兩個H橋單相變流器的結構相比，有源容量成本下降了一倍。在完成同樣的功能前提下，減小了硬體成本和複雜度，提高了補償裝置的可靠性能，這樣將大大有利於裝置的大功率模塊化，有良好的應用前景。
文檔編號H02J3/01GK101882787SQ20101025012
公開日2010年11月10日 申請日期2010年8月10日 優先權日2010年8月10日
發明者吳傳平, 吳敬兵, 孫娟, 孫運賓, 王剛, 羅安, 馬伏軍 申請人:湖南大學