專利名稱：基于電容箝位式的三電平鐵路功率調(diào)節(jié)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鐵路功率調(diào)節(jié)器，特別涉及一種基于電容箝位式三電平結(jié)構(gòu)的鐵路功率調(diào)節(jié)器。
背景技術(shù)：
高速鐵路牽引供電系統(tǒng)由于采用單相供電方式，產(chǎn)生負(fù)序電流，給電力系統(tǒng)中的發(fā)電、輸電和變電設(shè)備的運(yùn)行帶來(lái)嚴(yán)重危害，例如增加發(fā)電機(jī)的損耗，降低變壓器出力等， 嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)的安全、高效、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。另外，高速鐵路電力機(jī)車產(chǎn)生的諧波也降低了其供電系統(tǒng)和上級(jí)電力系統(tǒng)的可靠性。因此，必須采取有效措施抑制高速鐵路供電系統(tǒng)產(chǎn)生的負(fù)序和諧波電流。針對(duì)電氣化鐵路的負(fù)序、諧波問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已進(jìn)行了一定的研究。采用SVC安裝在牽引變壓器的兩供電臂進(jìn)行電氣化鐵路的負(fù)序補(bǔ)償，在牽引變壓器容量允許的情況下理論上可將負(fù)序完全補(bǔ)償，但是其動(dòng)態(tài)補(bǔ)償能力有限且會(huì)產(chǎn)生諧波。采取有源濾波器能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電氣化鐵路的諧波抑制，但不能有效補(bǔ)償負(fù)序電流。為此，一些高壓大容量的SATCOM 裝置被安裝在牽引系統(tǒng)的三相高壓側(cè)進(jìn)行負(fù)序和諧波的補(bǔ)償，但其容量大成本高。由于牽引供電系統(tǒng)是高壓大容量系統(tǒng)，現(xiàn)有的開關(guān)管的受壓范圍有限，傳統(tǒng)的兩電平PWM逆變器依靠單個(gè)的開關(guān)管顯然承受不了直流側(cè)的高壓。除了高壓缺陷以外，傳統(tǒng)兩電平逆變器還存在以下問(wèn)題1)高頻產(chǎn)生很高的dv/dt和浪涌電壓，易引起電機(jī)繞組絕緣擊穿；2)高頻開關(guān)產(chǎn)生很大的器件電壓應(yīng)力和開關(guān)損耗，使效率降低；3)高頻開關(guān)動(dòng)作對(duì)附近的通訊或其它電子設(shè)備產(chǎn)生寬頻帶的EMI ;4)功率因數(shù)低。為了解決上述兩電平的缺陷，針對(duì)鐵路供電系統(tǒng)的供電特性，日本學(xué)者提出了鐵路功率調(diào)節(jié)器(Railway Static Power Conditioner, RPC)，如圖1所示，它包括背靠背結(jié)構(gòu)兩三電平電壓源變流器和一個(gè)共用的直流電容，直流電容給兩變流器提供穩(wěn)定直流電壓。兩變流器通過(guò)輸出電抗和單相降壓變壓器連接到牽引變壓器的兩個(gè)二次側(cè)供電臂。RPC的兩變流器可以控制為受控電流源，能夠?qū)崿F(xiàn)兩供電臂間有功功率的雙向流動(dòng)，并且能進(jìn)行諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償。這種結(jié)構(gòu)可以使主電路開關(guān)管的電壓降低一半，可以使dv/dt降低一半，由于輸出多了一個(gè)電平，輸出電壓諧波含量減少。這樣有利于采用低壓器件實(shí)現(xiàn)高壓輸出，并且各開關(guān)器件間沒(méi)有均壓?jiǎn)栴}存在，減少了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，提高了設(shè)備的可靠性。圖1中的鐵路功率調(diào)節(jié)器5包含兩個(gè)單相降壓變壓器2，兩個(gè)輸出電抗器4和背靠背結(jié)構(gòu)的兩個(gè)單相三電平H橋變流器3。然而，這種鐵路功率調(diào)節(jié)器包含16個(gè)功率開關(guān)器件，功率器件多，成本高，電路復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、 可靠性高的基于電容箝位式三電平結(jié)構(gòu)的鐵路功率調(diào)節(jié)器。為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是一種基于電容箝位式的三電平鐵路功率調(diào)節(jié)器，包括兩個(gè)單相降壓變壓器、兩個(gè)輸出電抗器，還包括電容箝位式三電平功率模塊和直流側(cè)均壓電路，兩個(gè)單相降壓變壓器原邊分別與牽引系統(tǒng)的兩供電臂連接， 兩個(gè)單相降壓變壓器副邊經(jīng)輸出電抗器與電容箝位式三電平功率模塊相連，所述電容箝位式三電平功率模塊包括兩個(gè)電容箝位式三電平開關(guān)臂和至少兩個(gè)串聯(lián)電容組成的支路，電容箝位式三電平開關(guān)臂與串聯(lián)電容支路并聯(lián)；電容箝位式三電平開關(guān)臂由四個(gè)串聯(lián)的開關(guān)管和一個(gè)電容組成，電容與中間兩個(gè)開關(guān)管并聯(lián)；兩單相降壓變壓器副邊非浮地線通過(guò)輸出電抗器分別與兩個(gè)電容箝位式三電平開關(guān)臂的中點(diǎn)連接，降壓變壓器浮地與三電平功率模塊兩電容的中點(diǎn)連接；直流側(cè)均壓電路由兩個(gè)串聯(lián)的開關(guān)管和一個(gè)電感組成，直流側(cè)均壓電路的開關(guān)管串聯(lián)支路與電容箝位式三電平功率模塊并聯(lián)，直流側(cè)均壓電路的電感與電容箝位式三電平功率模塊電容串聯(lián)支路的中點(diǎn)連接。所述直流側(cè)均壓電路開關(guān)管和平衡電感的額定電流在三電平開關(guān)臂開關(guān)管額定電流的5%之內(nèi)。本發(fā)明采用三電平兩橋臂電容箝位式逆變器構(gòu)成，包含8個(gè)開關(guān)管和2個(gè)箝位電容Ca、cb替代了圖1所示的含有16個(gè)開關(guān)管和8個(gè)功率續(xù)流二極管。為了實(shí)現(xiàn)直流側(cè)電容電壓的均衡，采用了一種直流側(cè)均壓電路，由兩個(gè)容量很小的功率開關(guān)和平衡電感組成，成本低，并提高了補(bǔ)償系統(tǒng)的可靠性。


圖1為現(xiàn)有鐵路功率補(bǔ)償系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖；圖2為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)圖；圖3為三電平功率變換模塊結(jié)構(gòu)圖；圖4為本發(fā)明的系統(tǒng)控制框圖。其中1 =Scott牽引變壓器；2 單相降壓變壓器；3 三電平H橋變流器；4 輸出電抗器； 5 鐵路功率調(diào)節(jié)器RPC ；6 電容箝位式三電平功率模塊；7 直流側(cè)均壓電路；8 三電平逆變器。
具體實(shí)施例方式參見(jiàn)圖1，圖1為普通RPC的結(jié)構(gòu)圖。它由單相降壓變壓器2、三電平H橋變流器3 和2個(gè)輸出電抗器4組成。其中，三電平H橋變流器3由背靠背結(jié)構(gòu)兩三電平電壓源變流器和一個(gè)共用的直流電容組成，直流電容給兩變流器提供穩(wěn)定直流電壓。兩三電平變流器通過(guò)輸出電抗和單相降壓變壓器連接到牽引變壓器的兩個(gè)二次側(cè)供電臂。它包含16個(gè)功率開關(guān)器件8個(gè)功率續(xù)流二極管，功率器件多，成本高，電路復(fù)雜。參見(jiàn)圖2，圖2為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)圖。本發(fā)明的補(bǔ)償對(duì)象為高速鐵路供電系統(tǒng)。本發(fā)明提出的基于電容箝位式三電平結(jié)構(gòu)的鐵路功率調(diào)節(jié)器由兩個(gè)單相降壓變壓器2和三電平逆變器8構(gòu)成。其中，三電平逆變器8由兩個(gè)輸出電抗器4，電容箝位式三電平功率模塊6和直流側(cè)均壓電路7組成。兩個(gè)單相降壓變壓器原邊分別與牽引供電系統(tǒng)中的兩供電臂連接，兩個(gè)單相降壓變壓器副邊經(jīng)輸出電抗器與電容箝位式三電平功率模塊相連，電容箝位式三電平功率模塊由兩個(gè)電容箝位式三電平開關(guān)臂和一組串聯(lián)電容組成，兩單相降壓變壓器副邊非浮地線通
4過(guò)輸出電抗器分別與兩個(gè)電容箝位式三電平開關(guān)臂的中點(diǎn)連接，降壓變壓器浮地與三電平功率模塊兩電容的中點(diǎn)連接。定義圖中右端的供電臂為α相，另一臂為β相。與三電平結(jié)構(gòu)的鐵路功率調(diào)節(jié)器(RPC)比較，本發(fā)明用8個(gè)開關(guān)管和2個(gè)箝位電容ca、Cb替代了圖1所示的含有16個(gè)開關(guān)管和8個(gè)功率續(xù)流二極管。因此，這種補(bǔ)償結(jié)構(gòu)更為精簡(jiǎn)，降低了硬件的成本和復(fù)雜度，提高了補(bǔ)償系統(tǒng)的可靠性，將大大利于該補(bǔ)償系統(tǒng)的模塊化大功率發(fā)展。參見(jiàn)圖3，圖3為三電平逆變器結(jié)構(gòu)圖。該三電平逆變器由兩輸出電抗器4、電容箝位式三電平功率模塊6和直流側(cè)均壓電路7組成。圖3中，電容箝位式三電平功率模塊6 由兩相三電平開關(guān)臂和一組電容組成。其中，電容箝位式三電平功率模塊6的a相三電平開關(guān)臂由上對(duì)開關(guān)管Tal和Ta2，下對(duì)開關(guān)管T' 31和1~' a2及箝位電容Ca構(gòu)成；電容箝位式三電平功率模塊6的b相三電平開關(guān)臂由上對(duì)開關(guān)管Tbl和Tb2，下對(duì)開關(guān)管T'b2 及箝位電容Cb構(gòu)成；電容箝位式三電平功率模塊6的第三臂由電容C1和C2組成。直流側(cè)均壓電路7由小容量的開關(guān)管T1, T2和平衡電感Lb構(gòu)成。圖3中，Vsa，Vsb，V0為三相電源電壓；Va，Vb, V0為三電平逆變器輸出的三相電壓； ica, i。b，i0為三電平逆變器的三相輸入電流。用二個(gè)輸出電感L來(lái)抑制過(guò)大的電流變化率， 直流母線側(cè)的電容C1和C2用來(lái)獲得穩(wěn)定的直流電壓，每個(gè)橋臂有4個(gè)開關(guān)管和一個(gè)箝位電容來(lái)產(chǎn)生相對(duì)于交流電網(wǎng)側(cè)中性點(diǎn)的三電平，交流電網(wǎng)的中間相直接與直流側(cè)兩電容的中點(diǎn)相連。功率開關(guān)器件的所承受電壓為直流母線電壓的一半。本發(fā)明提出的三相逆變器結(jié)構(gòu)包含8個(gè)開關(guān)管和2個(gè)箝位電容Ca、Cb替代了圖1所示的含有16個(gè)開關(guān)管和8個(gè)功率續(xù)流二極管的RPC。假設(shè)逆變器所用開關(guān)管都工作在理想狀態(tài)，且飛跨電容的電壓等于直流側(cè)電容電壓，即Vci = Vc2 = Vca = Vcb = ud。/2。每一個(gè)三電平開關(guān)臂能輸出三種電平ud。/2，0，-udc;/2。 如果開關(guān)管Tal和Ta2開通(組合狀態(tài)1)，則交流電壓Va。等于ud。/2，正向輸入電流i。a將向電容C1充電，由于每個(gè)直流側(cè)電容上的電壓大于線電壓(ud。/2 > Vsao和VsJ，輸入電流i。a 在這個(gè)組合狀態(tài)是逐漸下降的。如果開關(guān)管Tal和T' al開通(組合狀態(tài)2)或Ta2和T' a2 開通(組合狀態(tài)3)，則交流電壓Va。等于0。當(dāng)開關(guān)管Tal和T' al開通(組合狀態(tài)2)時(shí)輸入電流i。a向電容C1充電同時(shí)箝位電容Ca放電，開關(guān)管Ta2和T' a2開通(組合狀態(tài)3) 時(shí)輸入電流i。a向箝位電容Ca充電同時(shí)電容C2放電。因此有兩個(gè)冗余的狀態(tài)(組合狀態(tài)2 和3)可以選擇去補(bǔ)償箝位電容上的電壓VCa。a開關(guān)臂的最后一個(gè)開關(guān)組合狀態(tài)是開關(guān)管 T' a2開通，此時(shí)交流電壓Va。= -ud。/2，在這個(gè)組合狀態(tài)逆變器輸入電流‘逐漸上升，電容C2放電。同樣的分析方法適用于逆變器b開關(guān)臂的控制輸入電流i。b和補(bǔ)償箝位電容Cb電壓的工作狀態(tài)。逆變器開關(guān)臂輸出狀態(tài)可以下式表示
‘1，如果乙和^閉合
0，如果工和乙閉合或72和7；2閉合(1)
-1，如果7^和7^2閉合其中，X e {a, b}，gx表示開關(guān)臂的輸出狀態(tài)。如果假設(shè)系統(tǒng)處于理想工作狀態(tài)， 則交流端電壓如下
權(quán)利要求
1.一種基于電容箝位式的三電平鐵路功率調(diào)節(jié)器，包括兩個(gè)單相降壓變壓器、兩個(gè)輸出電抗器，其特征在于，還包括電容箝位式三電平功率模塊和直流側(cè)均壓電路，兩個(gè)單相降壓變壓器原邊分別與牽引系統(tǒng)的兩供電臂連接，兩個(gè)單相降壓變壓器副邊經(jīng)輸出電抗器與電容箝位式三電平功率模塊相連，所述電容箝位式三電平功率模塊包括兩個(gè)電容箝位式三電平開關(guān)臂和至少兩個(gè)串聯(lián)電容組成的支路，電容箝位式三電平開關(guān)臂與串聯(lián)電容支路并聯(lián)；電容箝位式三電平開關(guān)臂由四個(gè)串聯(lián)的開關(guān)管和一個(gè)電容組成，電容與中間兩個(gè)開關(guān)管并聯(lián)；兩單相降壓變壓器副邊非浮地線通過(guò)輸出電抗器分別與兩個(gè)電容箝位式三電平開關(guān)臂的中點(diǎn)連接，降壓變壓器浮地與三電平功率模塊兩電容的中點(diǎn)連接；直流側(cè)均壓電路由兩個(gè)串聯(lián)的開關(guān)管和一個(gè)電感組成，直流側(cè)均壓電路的開關(guān)管串聯(lián)支路與電容箝位式三電平功率模塊并聯(lián)，直流側(cè)均壓電路的電感與電容箝位式三電平功率模塊電容串聯(lián)支路的中點(diǎn)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于電容箝位式的三電平鐵路功率調(diào)節(jié)器，其特征在于，所述直流側(cè)均壓電路開關(guān)管和電感的額定電流在三電平開關(guān)臂開關(guān)管額定電流的5%之內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于電容箝位式的三電平鐵路功率調(diào)節(jié)器，其由兩個(gè)單相變壓器，兩個(gè)輸出電抗器，一個(gè)電容箝位式三電平功率模塊和直流側(cè)均壓電路組成，兩個(gè)單相降壓變壓器原邊分別與三相牽引供電系統(tǒng)中的兩供電臂連接，兩個(gè)單相降壓變壓器副邊經(jīng)輸出電抗器與電容箝位式三電平功率模塊相連，直流側(cè)采用了一種均壓控制電路，通過(guò)小容量的開關(guān)器件和電感，實(shí)現(xiàn)直流側(cè)電容的均壓，提高裝置的可靠性能，與RPC相比，本發(fā)明只需要一對(duì)大功率開關(guān)臂，兩個(gè)箝位電容和一組直流側(cè)電容，降低了原來(lái)的有源容量成本，在完成同樣功能的前提下，減小了補(bǔ)償系統(tǒng)的硬件成本和復(fù)雜度，提高了補(bǔ)償系統(tǒng)的可靠性。
文檔編號(hào)H02J3/18GK102222921SQ201110152810
公開日2011年10月19日 申請(qǐng)日期2011年6月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月8日
發(fā)明者吳傳平, 孫運(yùn)賓, 張寅 , 王剛, 王逸超, 羅安, 馬伏軍 申請(qǐng)人:湖南大學(xué)