一種基于多電平變換器并聯(lián)的貫通式牽引供電系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于多電平變換器并聯(lián)的貫通式牽引供電系統(tǒng)，由多個貫通式牽引供電變電所并聯(lián)建網(wǎng)組成，鄰近變電所的牽引網(wǎng)直接相連，形成貫通式牽引供電網(wǎng)絡(luò)；貫通式牽引供電變電所由與三相電網(wǎng)接入的輸入降壓變壓器和與之輸出端相連的呈并聯(lián)狀態(tài)的一個以上多電平三相-單相交-直-交變換器，以及連接變換器和牽引網(wǎng)的輸出升壓變壓器組成。本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)從三相電網(wǎng)吸收并向牽引網(wǎng)提供有功功率，也可以從牽引網(wǎng)吸收并向三相電網(wǎng)回饋有功功率，變電所具有可控電壓源性質(zhì)，可實(shí)現(xiàn)電氣化鐵路牽引網(wǎng)貫通供電，徹底取消電分相，極大地改善電能質(zhì)量。變電所內(nèi)采用多電平變換器并聯(lián)結(jié)構(gòu)提升容量，同時，牽引供電系統(tǒng)的可靠性和冗余性也可得到很好的改善。
【專利說明】—種基于多電平變換器并聯(lián)的貫通式牽引供電系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及鐵路牽引供電系統(tǒng)【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是無過分相區(qū)間的牽引網(wǎng)設(shè)備領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]既有牽引供電系統(tǒng)在物理結(jié)構(gòu)上實(shí)行分段供電導(dǎo)致機(jī)車過分相時速度與能量的損失，過分相時車網(wǎng)之間復(fù)雜的電氣暫態(tài)過程會嚴(yán)重危及牽引網(wǎng)和列車等主要電氣設(shè)備的正常工作。牽引網(wǎng)存在供電死區(qū)，每個變電所需一組牽引變壓器工作一組備用，其可靠性差，保證可靠性的手段較少，成本較高。在電氣結(jié)構(gòu)上，既有牽引供電系統(tǒng)與機(jī)車、與電力系統(tǒng)間存在強(qiáng)耦合的電磁關(guān)系，牽引負(fù)荷的沖擊特性、電能污染等可直接通過這種強(qiáng)耦合關(guān)系傳遞給電網(wǎng)，電網(wǎng)的本身特性、沖擊等也可直接耦合至機(jī)車，這種強(qiáng)耦合關(guān)系為電能質(zhì)量治理制造了較大的障礙，并對電網(wǎng)容量、電壓等級等提出了較高的要求。
[0003]圖1是既有分段供電系統(tǒng)。圖中兩相鄰變電所通過各自所在區(qū)域三相電網(wǎng)取電，通過變電所變壓器變?yōu)閮上?，為牽引網(wǎng)供電。由于變電所內(nèi)兩供電臂電壓幅值，相位存在差異，變電所之間電壓幅值、相位、頻率難以一致，兩變電所間的四個供電臂需要三個電分相裝置隔離。由于電分相裝置的存在，使得列車在運(yùn)行過程中需不斷通過電分相，列車受流出現(xiàn)離散化，嚴(yán)重制約著列車速度和載荷能力的提升。
[0004]通過圖2所示同相供電技術(shù)通過動態(tài)補(bǔ)償裝置補(bǔ)償單相電網(wǎng)負(fù)載電流的無功和諧波，并傳遞一半有功，可取消變電所內(nèi)電分相，牽引網(wǎng)電分相個數(shù)可減半。從理論分析、現(xiàn)場試運(yùn)行驗(yàn)證了技術(shù)的可行性。但相鄰變電所輸出電壓存在差異，變電所間難以實(shí)現(xiàn)貫通供電。
[0005]有效解決上述問題，借助現(xiàn)代電力電子技術(shù)及其控制理論，實(shí)現(xiàn)電氣化鐵路貫通供電是一種理想的解決方案。圖3是理想模式的貫通式牽引供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，基于三相-單相變換器的變電所輸出電壓幅值、頻率和相位可一致，能滿足貫通供電的互聯(lián)條件，因此各變電所的輸出可以相互連接，形成貫通式牽引供電系統(tǒng)。牽引網(wǎng)各供電區(qū)段不再需要設(shè)置電分相，進(jìn)而避免了數(shù)量眾多的電分相裝置的投入，同時避免了過分相造成的列車牽引力的損失。
[0006]根據(jù)目前大功率電力電子器件發(fā)展情況及多電平變換器結(jié)構(gòu)工程應(yīng)用情況推算，圖3所示的單個多電平三相-單相變換器設(shè)計(jì)容量難以達(dá)到既有變電所容量要求，鑒于此，在現(xiàn)有技術(shù)條件下，開展對多電平變換器并聯(lián)技術(shù)的研究，以提升系統(tǒng)容量。實(shí)際工程中可通過變電所內(nèi)并聯(lián)，實(shí)現(xiàn)單個變電所容量的提升，通過變電所間并聯(lián)建立牽引供電網(wǎng)絡(luò)，使變電所間實(shí)現(xiàn)容量相互支持與補(bǔ)充而使系統(tǒng)容量得以優(yōu)化，已經(jīng)成為一種迫切需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，結(jié)合工程實(shí)際，本發(fā)明提供了一種基于多電平變換器并聯(lián)的貫通式牽引供電系統(tǒng)。該系統(tǒng)既可以實(shí)現(xiàn)從三相電網(wǎng)吸收并向牽引網(wǎng)提供有功功率，也可以從牽引網(wǎng)吸收并向三相電網(wǎng)回饋有功功率，變電所具有可控電壓源性質(zhì)，可實(shí)現(xiàn)電氣化鐵路牽引網(wǎng)貫通供電，徹底取消電分相，極大地改善電能質(zhì)量。變電所內(nèi)采用多電平變換器并聯(lián)結(jié)構(gòu)提升容量，同時，牽引供電系統(tǒng)的可靠性和冗余性也可得到很好的改善。
[0008]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:
[0009]一種基于多電平變換器并聯(lián)的貫通式牽引供電系統(tǒng)，其特征在于:由多個貫通式牽引供電變電所并聯(lián)建網(wǎng)組成，鄰近變電所的牽引網(wǎng)直接相連，形成貫通式牽引供電網(wǎng)絡(luò)；所述貫通式牽引供電變電所由與三相電網(wǎng)接入的輸入降壓變壓器和與之輸出端相連的呈并聯(lián)狀態(tài)的一個以上多電平三相-單相交-直-交變換器，以及連接變換器和牽引網(wǎng)的輸出升壓變壓器組成；所述多電平三相-單相交-直-交變換器由多電平三相整流器、直流環(huán)節(jié)及其輔助均壓電路、多電平單相逆變器和輸入輸出連接電抗器組成。
[0010]在本發(fā)明基于多電平變換器并聯(lián)的貫通式牽引供電系統(tǒng)中，每個變電所為電壓源型變換器并聯(lián)結(jié)構(gòu)，其輸出電壓可控，相鄰變電所的牽引網(wǎng)可直接相連，構(gòu)成貫通式牽引供電網(wǎng)絡(luò)，輸出機(jī)車等負(fù)載要求的交流電。
[0011]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明有益效果是:
[0012]1、本發(fā)明提出的一種基于多電平變換器并聯(lián)的貫通式牽引供電系統(tǒng)中，變電所采用全變換的三相-單相多電平交-直-交變換器并聯(lián)代替牽引變壓器，由于交-直-交變換器輸出電壓相位、頻率和幅值完全可控，因此可實(shí)現(xiàn)全線貫通供電，取消牽引網(wǎng)電分相裝置，極大地改善系統(tǒng)的電能質(zhì)量，提高機(jī)車的運(yùn)行速度和載荷能力。
[0013]2、由于變電所采用全變換的交-直-交變換器并聯(lián)代替牽引變壓器，可以從三相
電網(wǎng)吸收并向牽引網(wǎng)提供有功功率，也可以從牽引網(wǎng)吸收并向三相電網(wǎng)回饋有功功率，且
能夠?yàn)闋恳W(wǎng)提供無功和諧波補(bǔ)償功能。因此，可使電氣化鐵路機(jī)車等負(fù)載的大量再生制
動能量得以充分利用，并能友好地接收其他的新型能源的接入，具有長遠(yuǎn)的經(jīng)濟(jì)、能源效Mo
[0014]3、由于變電所內(nèi)采用多電平變換器并聯(lián)的結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)的可靠性和冗余性得到極大的改善。一方面，各變換器可平均分擔(dān)負(fù)載功率，提升了變電所容量；另一方面，變電所內(nèi)各變換器的結(jié)構(gòu)、控制相同，便于模塊化和大規(guī)模生產(chǎn)；再有，各變換器控制相互獨(dú)立，單個變換器發(fā)生故障對其他變換器的正常工作影響很小。
[0015]4、由于本發(fā)明的變電所變換器采用獨(dú)立電壓源控制方式，系統(tǒng)容錯性較強(qiáng)，并聯(lián)系統(tǒng)中的任意變換器出現(xiàn)故障可以隨時退出系統(tǒng)，任一變電所出現(xiàn)故障對整個系統(tǒng)影響很小，系統(tǒng)仍然可以正常運(yùn)行，每個變電所可隨時投入或者切除系統(tǒng)，而不會影響系統(tǒng)正常工作。
[0016]因此，貫通式牽引供電系統(tǒng)在將來工程實(shí)踐當(dāng)中，隨著電力電子器件的發(fā)展，以及成本的降低，可使得系統(tǒng)在滿足變電所容量的前提下，通過變換器并聯(lián)、變電所并聯(lián)構(gòu)建貫通式牽引供電系統(tǒng)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1是既有牽引供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖2是同相供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖3是基于三相-單相PWM變換器的貫通式牽引供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；[0020]圖4是本發(fā)明一種基于多電平變換器并聯(lián)的貫通式牽引供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖；
[0021]圖5是本發(fā)明實(shí)施例帶輔助均壓電路的五電平二極管箝位三相-單相PWM變換器結(jié)構(gòu)圖；
[0022]圖6是五電平二極管箝位PWM變換器直流環(huán)節(jié)輔助均壓電路圖；
[0023]圖表中的標(biāo)記為:
[0024]圖1-圖4中La/Lb/Lc表不三相電網(wǎng)。圖5-圖6中Smn表不第m個橋臂的第η個編號的開關(guān)器件，Dmn表不第m個橋臂的第η個編號的二極管，CL...Cn表不直流環(huán)節(jié)個直流分電容，LAl…LAn表不輔助均壓電感，SAl…SAn表不輔助均壓開關(guān)器件，LA/LB/LC表不三相整流器輸入端連接電抗器，LP/LN表示單相H橋逆變器輸出端連接電抗器。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。 [0026]圖4為本發(fā)明提出的一種基于多電平變換器并聯(lián)的貫通式牽引供電系統(tǒng)，每個變電所由與三相電網(wǎng)接入的輸入降壓變壓器、與之輸出端相連的并聯(lián)一個以上多電平三相-單相交-直-交變換器的電力電子變換裝置，以及連接變換器和牽引網(wǎng)的輸出升壓變壓器組成。變電所為可控電壓源，相鄰變電所的牽引網(wǎng)直接相連，構(gòu)成貫通牽引供電網(wǎng)絡(luò)，輸出機(jī)車等負(fù)載要求的交流電壓和電流?？紤]變電所之間距離較遠(yuǎn)，且可靠性要求高等特點(diǎn)，將每個變電所設(shè)計(jì)成為獨(dú)立控制的電壓源，變電所通過對牽引網(wǎng)上電壓、電流進(jìn)行檢測，經(jīng)過控制器計(jì)算后，通過調(diào)整輸出電壓幅值、相位以達(dá)到系統(tǒng)抑制環(huán)流和調(diào)度潮流的目的。
[0027]由于降壓變壓器變比過大會造成變壓器損耗過大，工藝復(fù)雜等問題，本發(fā)明實(shí)施例擬采用如圖5所示的五電平二極管箝位三相-單相PWM變換器提升變換器耐壓等級，減小升、降壓變壓器變比。根據(jù)目前大功率電力電子器件發(fā)展情況及五電平變換器結(jié)構(gòu)情況推算，單相H橋逆變器輸出在3.3kV的交直交系統(tǒng)容量設(shè)計(jì)在5MVA左右是可行的，通過并聯(lián)若干個五電平三相-單相變換器即可實(shí)現(xiàn)單個變電所容量的提升，通過變電所間并聯(lián)建網(wǎng)，可使變電所之間實(shí)現(xiàn)容量相互支持與補(bǔ)充，而達(dá)到系統(tǒng)容量提升與優(yōu)化的目的。因此，本系統(tǒng)在將來工程實(shí)踐中，隨著電力電子器件的發(fā)展，以及成本的降低，使得系統(tǒng)在滿足變電所容量的前提下，可通過變換器并聯(lián)建網(wǎng)構(gòu)成貫通式牽引供電系統(tǒng)。
[0028]鑒于多電平二極管箝位變換器存在直流電容電壓不平衡問題，本專利采用了如圖6所示的一種輔助均壓電路，由多個串聯(lián)的開關(guān)器件和電感組成，通過控制開關(guān)的通斷來控制被箝位的兩個直流電容自動充放電，以維持各直流分電容電壓的均衡。在確保中間電容電壓平衡的前提下，單相H橋逆變器與之相連并輸出幅值、相位、頻率可調(diào)的單相電壓，多個變電所可通過控制調(diào)節(jié)輸出電壓完成建網(wǎng)和系統(tǒng)潮流調(diào)度。以下對各模塊電路的結(jié)構(gòu)、工作原理和功能進(jìn)行分別說明:
[0029](I)多電平二極管箝位三相-單相PWM變換器
[0030]多電平二極管箝位三相-單相PWM變換器連接三相電網(wǎng)系統(tǒng)與牽引網(wǎng)系統(tǒng)，為機(jī)車供電傳輸能量。以五電平為例，如圖5所示:變換器整流側(cè)輸入端通過電抗器與降壓變壓器相連，中間直流電容兩端分別與變換器的整流器輸出和逆變器輸入連接，將三相交流電轉(zhuǎn)換為單相交流電。以第一組橋臂電路為例，共有8個開關(guān)管，其中Sll和S15，S12和S16，S13和S17，S14和S18為對管，對管的開關(guān)信號互補(bǔ)，即其中一個開關(guān)管導(dǎo)通，則對管必須關(guān)斷；若其關(guān)斷，則對管導(dǎo)通。以直流側(cè)負(fù)端為電壓基準(zhǔn)，選擇導(dǎo)通不同的開關(guān)管將得到不同的電平，各個工作模式下開關(guān)模態(tài)以及對應(yīng)的端口電壓V。如表1所示:
[0031]表1五電平二極管箝位PWM變換器單橋臂開關(guān)模態(tài)
[0032]
【權(quán)利要求】
1.一種基于多電平變換器并聯(lián)的貫通式牽引供電系統(tǒng)，其特征在于:由多個貫通式牽引供電變電所并聯(lián)建網(wǎng)組成，鄰近變電所的牽引網(wǎng)直接相連，形成貫通式牽引供電網(wǎng)絡(luò)；所述貫通式牽引供電變電所由與三相電網(wǎng)接入的輸入降壓變壓器和與之輸出端相連的呈并聯(lián)狀態(tài)的一個以上多電平三相-單相交-直-交變換器，以及連接變換器和牽引網(wǎng)的輸出升壓變壓器組成；所述多電平三相-單相交-直-交變換器由多電平三相整流器、直流環(huán)節(jié)及其輔助均壓電路、多電平單相逆變器和輸入輸出連接電抗器組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述之基于多電平變換器并聯(lián)的貫通式牽引供電系統(tǒng)，其特征在于:所述多電平三相-單相交-直-交變換器由三相多電平二極管箝位整流電路、直流環(huán)節(jié)及其輔助均壓電路、多電平二極管箝位單相H橋逆變電路和輸入輸出連接電抗器組成；所述三相多電平二極管箝位整流電路采用SVPWM調(diào)制；所述直流輔助均壓電路由多個串聯(lián)的開關(guān)器件和電感組成，通過控制開關(guān)的通斷來控制被箝位的兩個直流電容自動充放電；所述多電平二極管箝位單相H橋逆變電路采用單相SVPWM調(diào)制，通過均流控制使得變電所內(nèi)多個并聯(lián)的變換器平均分配功率，抑制并聯(lián)變換器間的環(huán)流。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述之一種基于多電平并聯(lián)變換器的貫通式牽引供電系統(tǒng)，其特征在于:所述基于多電平變換器并聯(lián)的貫通式牽引變電所輸出的電壓幅值、頻率和相位可控，各單相H橋逆變器為電壓源型變換器，變電所表現(xiàn)為電壓源性質(zhì)；多個電壓源型變電所并聯(lián)構(gòu)成貫通式牽引供電網(wǎng)絡(luò)，通過調(diào)整逆變器輸出電壓可進(jìn)行牽引網(wǎng)潮流調(diào)度及并聯(lián)變電所間的環(huán)流抑制。
【文檔編號】B60M3/00GK104029610SQ201410181843
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年4月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月30日
【發(fā)明者】何曉瓊, 彭旭, 周瑛英 申請人:西南交通大學(xué)