一種電氣化鐵路電能質量調節器的製作方法
2023-12-02 17:29:56
專利名稱：一種電氣化鐵路電能質量調節器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及電氣化鐵路供電、電力電子技術及電能質量治理領域，具體涉及一種電氣化鐵路電能質量調節器。
背景技術：
電氣化鐵路負荷具有非線性、不對稱性和波動性的特點。一方面，由於電氣化鐵路牽引供電系統都採用單相供電方式，電力機車為單相負荷，無論牽引變壓器採取何種接線方式，都將向系統注入較大的負序電流；另一方面，由於電力機車採用電力電子變流器，因此會產生大量的諧波注入系統。此外，由於牽引變電所的負荷隨供電臂內列車的數量和每一列車的運行狀態隨時波動，因此電氣化鐵路負荷還具有波動性。隨著我國客運高速和貨運重載鐵路的發展，上述問題還會出現不同程度的新變化。例如，高次諧波和負序問題可能會因高速鐵路和貨運重載的牽引功率增大而變得更為突出。針對上述電氣化鐵路的電能質量問題，現已採取了各種補償措施。其中，比較普遍的方法是在牽引站裝設固定電容(Fixed Capacitor, FC)補償設備。這類設備的共同特點是在無功補償的同時對諧波電流進行治理。但是由於這類裝置屬於固定補償方式，不能靈活調節，無法實現動態補償，補償裝置在空載或輕載時將向系統倒送無功，造成母線電壓升高，對機車工作不利，而在重載時無功補償又不足。隨著電力電子技術和柔性輸配電技術的發展，靜止無功補償器(Static Var Compensator, SVC)和靜止同步補償器(Matic Synchronous Compensator, STATC0M)開始應用於電氣化鐵路的電能質量治理。目前用於電氣化鐵路補償的SVC通常採用單相晶閘管控制電抗器(Thyristor Controlled Reactor, TCR)加FC安裝於牽引側的方式。這種方式能夠跟隨牽引負荷頻繁的變化，主要補償低次諧波和無功功率。但是這種方式的缺點是TCR本身也產生諧波，對負序的補償作用有限。針對電氣化鐵路的單相、非線性和波動特性，日本提出了基於自關斷器件的大容量鐵路功率調節器(Railway Static Power Conditioner，RPC)，利用背靠背的兩個大容量變流器對有功、無功及諧波進行控制，使兩供電臂的負荷時刻處於平衡狀態，從而實現對負序和諧波的綜合補償，是一種綜合性能較好的補償方式。由於電鐵為高壓大容量負荷，因此對RPC裝置也具有大容量的需求，一般為幾MVA 到十幾MVA之間。為了滿足RPC裝置大容量、輸出波形質量要求高等特點，需要對RPC的變流器選擇合適的拓撲結構。為實現上述目標，一方面，可採用電力電子器件串、並聯的方式， 另一方面也可採用鏈式、多電平變流技術和基於變壓器的多重化技術等。日本的新——沼宮內牽引站採用的是基於IGCT構成的三電平H橋結構，交流側採用了變壓器串聯的兩重化技術降低輸出電壓諧波。新——八戶牽引站採用的是基於IGBT(絕緣門極雙極型電晶體) 構成的兩電平H橋結構，交流側採用變壓器串聯的四重化方式進行消諧。上述結構在裝置兩側均採用多繞組變壓器實現電壓、容量的匹配以及電氣隔離，使裝置存在佔地面積大、成本高、損耗也較大的缺點。因此申請號為200710175253. 2，名稱為「用於電氣化鐵路供電的單相統一電能質量控制器m的專利提出採用單相多繞組變壓器和鏈式結構變流器對上述結構的缺點進行改進，該結構僅在一側使用了單相多繞組變壓器，另一側採用鏈式結構變流器通過電抗器直接接入牽引網。由於牽引站牽引母線額定電壓為27. 5kV，AT供電方式時為55kV，受到目前全控功率器件耐壓水平的限制，鏈式結構變流器通過電抗器直接接入牽引網的方式將導致變流器鏈節數量過多，如果採用目前應用較成熟的3300V等級IGBT器件，在27. 5kV電壓等級下，模塊級聯數量將達到30個，AT供電方式下，數量更將超過一倍， 造成控制上的複雜性；同時也將導致與其背靠背的另一側大容量單相多繞組變壓器的繞組數過多，造成變壓器工藝複雜、設計困難、佔地面積大等問題，實際應用時難度大。
實用新型內容針對現有技術的不足，本實用新型的目的在於提出了一種基於單相變壓器和鏈式結構的電氣化鐵路電能質量調節器，該裝置可解決電鐵牽引站存在的負序、無功、諧波超標等問題，並且具有裝置佔地面積小、損耗小、控制簡單、造價低、可靠性高等優點。本實用新型提供的一種電氣化鐵路電能質量調節器，其改進之處在於，所述調節器包括單相多繞組變壓器、單相單繞組變壓器、變流器(I、II)和電容；所述單相多繞組變壓器的至少一組副邊繞組分別與所述變流器I 一端串聯，所述變流器I的另一端與所述電容並聯後與所述變流器II背靠背連接，所述變流器II之間以鏈式結構連接後與所述單相單繞組原邊繞組串聯。本實用新型提供的第一優選方案的電能質量調節器，其改進之處在於，所述單相多繞組變壓器由一個原邊繞組與至少一組的副邊繞組構成；所述副邊繞組之間為並聯連接。本實用新型提供的第二優選方案的電能質量調節器，其改進之處在於，所述單相單繞組變壓器由一個原邊繞組和一個副邊繞組構成。本實用新型提供的第三優選方案的電能質量調節器，其改進之處在於，所述變流器(I、II)為電壓源變流器，每個所述電壓源變流器採用單相二電平H橋臂結構，所述橋臂由上下兩個IGBT和與所述IGBT反並聯的二極體組成。本實用新型提供的第四優選方案的電能質量調節器，其改進之處在於，所述電容的設計值應保證直流側電容電壓波動不超過所述電容電壓額定值的-5% +5%。本實用新型提供的較優選方案的電能質量調節器，其改進之處在於，所述IGBT的型號為 FZ1500R33HE3。與現有技術比，本實用新型的有益效果為1)本實用新型變流器與電容組成背靠背的形式，利於模塊化封裝。2)本實用新型鏈式結構有利於裝置採用耐壓水平高、開關頻率低的開關器件得到較高等效開關頻率，獲得良好的諧波電流抑制特性和動態響應特性，降低開關損耗、提高裝置運行效率和可靠性。3)本實用新型採用鏈式結構通過單相單繞組變壓器接入牽引網的方式，可減小鏈式結構變流器的鏈節數，降低裝置結構的複雜度，提高控制精度，減小對控制系統的脈衝發出同步性要求。4)本實用新型鏈節數的減少，可減小另一側單相多繞組變壓器的繞組數，減小變壓器設計難度、從總體上減小裝置的佔地面積。[0018]5)本實用新型解決了電鐵牽引站存在的負序、無功、諧波超標等問題，並且具有裝置佔地面積小、損耗小、控制簡單、造價低、可靠性高等優點。
圖1為本實用新型提供的電能質量調節器內部結構圖。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型的具體實施方式
作進一步的詳細說明。如圖1所示，一種電氣化鐵路電能質量調節器，包括單相多繞組變壓器、單相單繞組變壓器、變流器(I、II)和電容；本實施例的裝置採用單相多繞組變壓器實現多個電壓源變流器的並聯和電氣隔離功能。單相多繞組變壓器由一個原邊繞組與m個副邊繞組構成；所述副邊繞組之間為並聯連接；單相單繞組變壓器由一個原邊繞組和一個副邊繞組構成；變流器I和變流器II均為電壓源變流器，每個電壓源變流器採用單相二電平H橋臂結構，所述橋臂由上下兩個IGBT和與所述IGBT反並聯的二極體組成；單相多繞組變壓器的原邊X，y端子接牽引變壓器二次側的兩相繞組，單相多繞組變壓器的m個副邊繞組串聯m個電壓源變流器I，m個電壓源變流器I的另一端並聯m個直流電容後再與m個電壓源變流器II背靠背連接串聯，m個電壓源變流器II之間採用鏈式結構連接後，交流輸出埠與單相單繞組變壓器相連，單相單繞組變壓器輸出端子z，w端子接於牽引變壓器二次側的另一個兩相繞組。其中，電壓源變流器的控制採用載波移相控制技術，使得變流器組輸出電壓和電流具有良好的諧波抑制特性；電容的設計值應保證直流側電容電壓波動不超過其額定值的-5% +5%。但應用於現場時，還需用戶確定電容值範圍。本實施例以一個2X 10MVA裝置的實施例詳細說明。首先，根據裝置容量和所採用的功率器件規格確定左側單相併聯變流器組的變流器數量及單相多繞組變壓器變比。對於2X 10MVA裝置，其單側容量為10MVA。對於左側單相併聯變流器組，可採用目前應用較多的大功率IGBT器件FZ1500R33HE3(3300V/1500A)， 採用兩個器件並聯的方式提高通流能力，兩隻器件並聯時通過電流為1500A。當直流側電壓取1. 65kV時，同時考慮直流側電壓5%的波動，當調製比取0. 8時，則單個H橋的交流側輸
出額定電壓為1.65kVx0.95x0.8/V^ & 0.88kV，單個H橋變流器額定容量為0. 88kVX 1. 5kA
=1. 32MVA。可計算得到左側並聯變流器組數為10MVA/1. 32MVA ^ 8個，左側變壓器每個繞組的變比為27.5kV 0.88kV。考慮牽引母線電壓最高為31kV時，左側單個H橋輸出最大調製比小於0.9。對於右側鏈式結構變流器，由於其每個變流器模塊均直接通過直流電容與左側變流器模塊相連，因此右側串聯變流器模塊數也為8個，可採用與左側變流器相同的功率器件。此時，8個變流器模塊串聯交流側輸出額定電壓為0. 88kVX8 ^ 7. 04kV，可確定右側單相單繞組變壓器的變比為27. 5kV 7.04kV。考慮牽引母線最高電壓為31kV時，變流器調製取值小於0. 9。綜上所述，2 X 10MVA的裝置採用8個功率單元級聯就能夠滿足。[0029]由此可見，基於單相變壓器和鏈式結構，可大幅度減小變流器模塊數量。相對於單相多繞組變壓器，單相單繞組變壓器在佔地面積、設計工藝複雜度等方面也更具有優勢。最後應該說明的是結合上述實施例僅說明本實用新型的技術方案而非對其限制。所屬領域的普通技術人員應當理解到本領域技術人員可以對本實用新型的具體實施方式
進行修改或者等同替換，但這些修改或變更均在申請待批的權利要求保護範圍之中。
權利要求1.一種電氣化鐵路電能質量調節器，其特徵在於，所述調節器包括單相多繞組變壓器、 單相單繞組變壓器、變流器(I、II)和電容；所述單相多繞組變壓器的至少一組副邊繞組分別與所述變流器I一端串聯，所述變流器I的另一端與所述電容並聯後與所述變流器II背靠背連接，所述變流器II之間以鏈式結構連接後與所述單相單繞組原邊繞組串聯。
2.如權利要求1所述的電能質量調節器，其特徵在於，所述單相多繞組變壓器由一個原邊繞組與至少一組的副邊繞組構成；所述副邊繞組之間為並聯連接。
3.如權利要求1所述的電能質量調節器，其特徵在於，所述單相單繞組變壓器由一個原邊繞組和一個副邊繞組構成。
4.如權利要求1所述的電能質量調節器，其特徵在於，所述變流器(I、II)為電壓源變流器，每個所述電壓源變流器採用單相二電平H橋臂結構，所述橋臂由上下兩個IGBT和與所述IGBT反並聯的二極體組成。
5.如權利要求1所述的電能質量調節器，其特徵在於，所述電容的設計值應保證直流側電容電壓波動不超過所述電容電壓額定值的-5% +5%
6.如權利要求4所述的電能質量調節器，其特徵在於，所述IGBT的型號為 FZ1500R33HF3。
專利摘要本實用新型為一種電氣化鐵路電能質量調節器，包括單相多繞組變壓器、單相單繞組變壓器、變流器(I、II)和電容；單相多繞組變壓器的至少一組副邊繞組分別與變流器I一端串聯，變流器I的另一端與電容並聯後與變流器II背靠背連接，變流器II之間以鏈式結構連接後與單相單繞組原邊繞組串聯。本實用新型採用單相變壓器和鏈式結構，可降低開關損耗、提高裝置運行效率和可靠性，還可降低裝置連結數，降低裝置結構的複雜度，提高控制精度，減小對控制系統的脈衝發出同步性要求。本實用新型解決了電鐵牽引站存在的負序、無功、諧波超標等問題，並且具有裝置佔地面積小、損耗小、控制簡單、造價低、可靠性高等優點。
文檔編號H02J3/01GK202218013SQ201120278798
公開日2012年5月9日 申請日期2011年8月2日 優先權日2011年8月2日
發明者喬光堯, 於坤山, 劉穎英, 周勝軍 申請人:中國電力科學研究院