基于不控整流和階梯波合成逆變的電氣化鐵路同相供電方案的制作方法
本發(fā)明涉及一種電氣化鐵路同相供電方案，特別是一種基于不控整流和階梯波合成逆變的電氣化鐵路同相供電方案。
背景技術(shù)：
電氣化鐵路憑借行駛速度快、運(yùn)載能力強(qiáng)、節(jié)能環(huán)保等一系列優(yōu)點(diǎn)在世界各地迅速發(fā)展，電力機(jī)車作為一種大功率單相交流負(fù)載，對公共電網(wǎng)的電能質(zhì)量影響越來越嚴(yán)重，尤其是無功、諧波和負(fù)序。
傳統(tǒng)的牽引供電系統(tǒng)中，三相-兩相牽引變壓器將110kv(或220kv)三相高壓轉(zhuǎn)換成兩相27.5kv電壓連接至接觸網(wǎng)。為了降低負(fù)序?qū)搽娋W(wǎng)的影響，常采用分段供電、輪換相序的方式接入高壓電網(wǎng)，牽引變壓器低壓側(cè)的相位不同，因此變壓器兩個輸出端以及相鄰變壓器之間必須進(jìn)行分相隔離。電分相的存在使得電力機(jī)車電流頻繁切斷，嚴(yán)重影響了電氣化鐵路的高速重載化。
為了降低牽引供電系統(tǒng)造成的無功、負(fù)序、諧波和電壓閃變等電能質(zhì)量問題，通常采用svc、apf、statcom等方式進(jìn)行補(bǔ)償，傳統(tǒng)的補(bǔ)償方式能夠大大降低無功和諧波，但對降低負(fù)序的作用有限，且無法解決電分相的問題。為了綜合解決牽引供電系統(tǒng)對公共電網(wǎng)的不良影響，減少或取消電分相裝置，同相供電的思想應(yīng)運(yùn)而生。同相供電系統(tǒng)中，整個供電區(qū)段上的電壓幅值、頻率和相位保持一致，從而能夠取消電分相裝置。目前主要有兩類同相供電方式：一類采用對稱補(bǔ)償?shù)姆绞?，牽引變壓器低壓?cè)一相接入供電臂，并通過變流裝置連接至另一相，控制變流器使?fàn)恳儔浩鞯蛪簜?cè)兩相的功率相等，從而減小或消除負(fù)序電流，取消了傳統(tǒng)供電方式中變壓器低壓側(cè)兩相之間的電分相；第二類同相供電采用三相-單相變換的方式，利用pwm變流器將三相高壓轉(zhuǎn)換為單相電壓供給接觸網(wǎng)，能夠從源頭上消除負(fù)序，大幅度降低諧波并提高功率因數(shù)。
不論是對稱補(bǔ)償方式還是三相-單相pwm變流器方式，均大量采用了全控型電力電子器件，高頻器件的通態(tài)損耗及開關(guān)損耗大、成本高昂、可靠性較低，在牽引供電系統(tǒng)這類大功率場合，上述問題更不容忽視，因此提供一種新型的電氣化鐵路同相供電方案就很有必要。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是要提供一種基于不控整流和階梯波合成逆變的電氣化鐵路同相供電方案，解決當(dāng)前電氣化鐵路同相供電方案存在的開關(guān)損耗大、成本高昂、可靠性低的問題。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：電氣化鐵路同相供電方案包括電氣化鐵路同相供電系統(tǒng)及電氣化鐵路同相供電方法；
電氣化鐵路同相供電系統(tǒng)包括，移相變壓器、三相不控整流器、濾波電容器、單相逆變器和直流儲能器；移相變壓器的輸入端與三相高壓交流電連接，移相變壓器的輸出端與三相不控整流器連接，三相不控整流器通過濾波電容器和直流儲能器與單相逆變器連接；直流儲能器的輸入端能與其它能源連接；單相逆變器的輸出端分別與上行接觸網(wǎng)和下行接觸網(wǎng)連接。
電氣化鐵路同相供電方法是：在同一供電線路上所有牽引變電所(ts)的單相27.5kv交流輸出端分別接入上行和下行接觸網(wǎng)，在接觸網(wǎng)上設(shè)置分段斷路器，以便于檢修和故障隔離；上行和下行接觸網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行，減小接觸網(wǎng)阻抗，抑制線路壓降；其中所有牽引變電所的相位信息由gps同步時鐘提供，保證整個供電線路中電壓的幅值、頻率和相位保持一致，實(shí)現(xiàn)各牽引變電所的單相牽引電源互為備用，大大降低備用容量、牽引設(shè)備投資和運(yùn)行、維護(hù)成本；逆變側(cè)直流濾波環(huán)節(jié)設(shè)置直流儲能器，緩存“制動功率大于牽引功率”小概率事件發(fā)生時的剩余再生能量，為其他能源的引入提供接口。
所述的階梯波合成調(diào)制，將12個h橋逆變器產(chǎn)生的方波利用逼近正弦波的原則合成階梯波；在計算12個方波的開關(guān)角時，合理選擇各個方波的寬度和中心角，控制合成階梯波u的幅值和相位；利用中點(diǎn)相交法，即每個方波邊緣高度的中點(diǎn)均與期望標(biāo)準(zhǔn)正弦波相交，根據(jù)此關(guān)系直接求反三角函數(shù)即可得出各個方波的開關(guān)角；當(dāng)不同方波的同次諧波相位差為π時，該次諧波相互抵消，從而使輸出電壓的總諧波含量降低；根據(jù)各個方波的不同寬度組合，提出三種階梯波合成和輸出電壓調(diào)制策略，即“方波全部采用理想寬度”、“方波的寬度全部相同”和“兩組方波寬度分別相同”
調(diào)制方式一：方波全部采用理想寬度
12個方波完全按照理想寬度，即方波vdc7～vdc12的開通角和vdc1～vdc6的關(guān)斷角全部滿足中點(diǎn)相交法所述的方波幅值中點(diǎn)與參考正弦波相交的條件，此時
βn＝π-α13-n(n＝1,2,...,6)(12)
每個方波的寬度為：
θn＝βn-αn(n＝1,2,...,12)(13)
從而可以計算出[0,π]區(qū)間內(nèi)各方波的開通角和關(guān)斷角：
進(jìn)而可以計算出12個方波的寬度：
當(dāng)12個方波的開關(guān)角確定時，合成后的輸出電壓波形也就確定，此時階梯波非常接近正弦波，輸出電壓的總諧波含量為2.7235％，諧波含量較低；當(dāng)負(fù)載增大或減小時，保持vdc1～vdc6的開通角和vdc7～vdc12的關(guān)斷角不變，增大或減小方波的寬度即可調(diào)節(jié)合成電壓。
調(diào)制方式二：方波的寬度全部相同
12個方波的寬度相同時，需要找出使輸出電壓諧波含量最低時的方波共同寬度，其共同寬度為2.0698弧度，從而可以計算[0，π]區(qū)間內(nèi)各個方波的開通角和關(guān)斷角：
此時輸出電壓的總諧波含量為5.1436％，整流側(cè)直流電壓出現(xiàn)波動時，保持vdc1～vdc6的開通角和vdc7～vdc12的關(guān)斷角不變，通過改變方波寬度來調(diào)節(jié)逆變側(cè)輸出電壓。
調(diào)制方式三：兩組方波寬度分別相同
12個方波分成兩組，每6個寬度相等，需找出使合成電壓總諧波含量最低時的兩組方波寬度。兩組方波的寬度分別為θa＝1.9895弧度、θb＝2.0940弧度；即θ1、θ2、θ3、θ10、θ11、θ12的寬度為1.9895弧度，θ4、θ5、θ6、θ7、θ8、θ9的寬度為2.0940弧度；計算出[0,π]區(qū)間內(nèi)各個方波的開通角和關(guān)斷角：
此時階梯波的總諧波含量為3.5024％，整流側(cè)直流電壓變化時，采取以下調(diào)制策略：保持vdc1～vdc6的開通角和vdc7～vdc12的關(guān)斷角不變，當(dāng)整流側(cè)直流電壓降低時，先把較窄的6個方波(θ1、θ2、θ3、θ10、θ11、θ12)調(diào)寬，當(dāng)12個方波寬度相等時，再把所有的方波同時調(diào)寬；當(dāng)整流側(cè)直流電壓升高時，先把較寬的6個方波(θ4、θ5、θ6、θ7、θ8、θ9)調(diào)窄，當(dāng)12個方波寬度相等時，再把所有的方波同時調(diào)窄。
有益效果及優(yōu)點(diǎn)，由于采用了上述方案，該同相供電方案的牽引變電所將三相高壓轉(zhuǎn)換為27.5kv單相交流電供給電力機(jī)車，其中三相-單相變換裝置的整流側(cè)采用基于移相變壓器的三相不控整流電路，逆變側(cè)采用h橋級聯(lián)逆變電路并以階梯波合成方式進(jìn)行調(diào)制。該方案綜合利用了多相不控整流的高功率因數(shù)、高可靠性、低成本和階梯波合成逆變的低工作頻率、低開關(guān)損耗等優(yōu)點(diǎn)，能夠在為電力機(jī)車提供穩(wěn)定單相交流電壓的同時，從源頭上消除三相不平衡。所有牽引變電所的相位信息由gps同步時鐘提供，保證整個供電線路中電壓的幅值、頻率和相位保持一致，符合貫通式同相供電的條件，能夠完全取消接觸網(wǎng)的電分相，有利于電氣化鐵路向高速化、重載化發(fā)展。全線牽引變電所并聯(lián)運(yùn)行，可互為備用，不需要在各牽引變電所內(nèi)單獨(dú)設(shè)置備用供電容量，節(jié)省容量投資。逆變側(cè)直流環(huán)節(jié)設(shè)置適量儲能電池，緩存“制動功率大于牽引功率”小概率事件發(fā)生時的剩余再生能量，同時還能為其他能源的引入提供接口，這點(diǎn)對電網(wǎng)絡(luò)比較稀疏而可再生能源資源豐富的地區(qū)尤為重要。
附圖說明
圖1為本發(fā)明的電氣化鐵路同相供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
圖2為本發(fā)明的電氣化鐵路牽引變電所運(yùn)行原理圖。
圖3為本發(fā)明的電氣化鐵路牽引變電所結(jié)構(gòu)圖。
圖4為本發(fā)明的方波合成階梯波示意圖。
圖5為本發(fā)明的中點(diǎn)相交法示意圖。
圖6為本發(fā)明的調(diào)制方式一中整流電壓相對值與方波寬度變化量的關(guān)系圖。
圖7為本發(fā)明的調(diào)制方式二中整流電壓相對值與方波寬度的關(guān)系圖。
圖8為本發(fā)明的調(diào)制方式三中整流電壓相對值與方波寬度變化量的關(guān)系圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。
實(shí)施例1：電氣化鐵路同相供電方案包括電氣化鐵路同相供電系統(tǒng)及電氣化鐵路同相供電方法；
電氣化鐵路同相供電系統(tǒng)包括，移相變壓器、三相不控整流器、濾波電容器、單相逆變器和直流儲能器；移相變壓器的輸入端與三相高壓交流電連接，移相變壓器的輸出端與三相不控整流器連接，三相不控整流器通過濾波電容器和直流儲能器與單相逆變器連接；直流儲能器的輸入端能與其它能源連接；單相逆變器的輸出端分別與上行接觸網(wǎng)和下行接觸網(wǎng)連接。
電氣化鐵路同相供電方法是：在同一供電線路上所有牽引變電所(ts)的單相27.5kv交流輸出端分別接入上行和下行接觸網(wǎng)，在接觸網(wǎng)上設(shè)置分段斷路器，以便于檢修和故障隔離；上行和下行接觸網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行，減小接觸網(wǎng)阻抗，抑制線路壓降；其中所有牽引變電所的相位信息由gps同步時鐘提供，保證整個供電線路中電壓的幅值、頻率和相位保持一致，實(shí)現(xiàn)各牽引變電所的單相牽引電源互為備用，大大降低備用容量、牽引設(shè)備投資和運(yùn)行、維護(hù)成本；逆變側(cè)直流濾波環(huán)節(jié)設(shè)置直流儲能器，緩存“制動功率大于牽引功率”小概率事件發(fā)生時的剩余再生能量，為其他能源的引入提供接口。
牽引變電所運(yùn)行原理如圖2所示，其中三相高壓先經(jīng)兩臺并聯(lián)運(yùn)行的整流變壓器降壓，其中每臺移相變壓器各有3個y型接線的低壓側(cè)和3個δ型接線的低壓側(cè)，從而兩臺移相變壓器共4組低壓側(cè)。y型接線和δ型接線的副邊線圈匝數(shù)之比為
逆變側(cè)采用階梯波合成調(diào)制法，將12個h橋逆變器產(chǎn)生的方波利用逼近正弦波的原則合成階梯波，12組方波合成階梯波的原理如圖4所示。在計算12個方波的開關(guān)角時，利用中點(diǎn)相交法，即每個方波邊緣高度的中點(diǎn)均與期望標(biāo)準(zhǔn)正弦波相交，根據(jù)此關(guān)系直接求反三角函數(shù)即可得出各個方波的開關(guān)角，其原理如圖5所示，具體如下：
12個方波依次為vdc1～vdc12，在[0,π]區(qū)間中，vdc1～vdc12的開通角依次為α1～α12，關(guān)斷角為β1～β12，方波的中心角為
由于逆變輸出電壓u由12個方波合成，則方波的幅值vdc和逆變電壓峰值upeak的關(guān)系為：
根據(jù)圖5所示的中點(diǎn)相交法，可求出方波vdc1～vdc6的開通角α1～α6：
為保證方波寬度變化時，vdc1～vdc6和vdc12～vdc7仍然關(guān)于四分之一正弦波周期對稱，在[0,π]區(qū)間中令vdc7～vdc12的關(guān)斷角β7～β12為：
βn＝π-α13-n(n＝7,8,...,12)(4)
保持vdc1～vdc6的開通角和vdc7～vdc12的關(guān)斷角不變，設(shè)12個方波的寬度為θ1～θ12，則可得出方波的中心角為：
若方波ustep的寬度為θ，中心角為
式中i為各次諧波的次數(shù)。對方波進(jìn)行傅里葉分解后，可以看出基波和各次諧波的幅值不僅和方波與高度v成正比，還與
12個方波vdc1～vdc12的傅里葉表達(dá)式u1～u12為：
式中n為參與合成階梯波的方波個數(shù)，i為各次諧波次數(shù)。12個方波合成階梯波u的傅里葉表達(dá)式為：
階梯波u的總諧波含量thd為：
式中h1為u的基波有效值，hi為i次諧波有效值。
合理選擇各個方波的寬度和中心角，就可以控制合成階梯波u的幅值和相位。當(dāng)不同方波的同次諧波相位差為π時，該次諧波相互抵消，從而使輸出電壓的總諧波含量降低。根據(jù)各個方波的不同寬度組合，提出三種階梯波合成和輸出電壓調(diào)制策略，即“方波全部采用理想寬度”、“方波的寬度全部相同”和“兩組方波寬度分別相同”。
調(diào)制方式一：方波全部采用理想寬度
12個方波完全按照理想寬度，即方波vdc7～vdc12的開通角和vdc1～vdc6的關(guān)斷角全部滿足中點(diǎn)相交法所述的方波幅值中點(diǎn)與參考正弦波相交的條件，此時
βn＝π-α13-n(n＝1,2,...,6)(12)
每個方波的寬度為：
θn＝βn-αn(n＝1,2,...,12)(13)
從而可以計算出[0，π]區(qū)間內(nèi)各方波的開通角和關(guān)斷角：
進(jìn)而可以計算出12個方波的寬度：
當(dāng)12個方波的開關(guān)角確定時，合成后的輸出電壓波形也就確定，此時階梯波非常接近正弦波，輸出電壓的總諧波含量為2.7235％，諧波含量較低。當(dāng)負(fù)載增大或減小時，保持vdc1～vdc6的開通角和vdc7～vdc12的關(guān)斷角不變，增大或減小方波的寬度即可調(diào)節(jié)合成電壓。為了保持逆變側(cè)輸出電壓基波有效值不變，整流側(cè)直流電壓相對值和方波寬度應(yīng)采取的變化量關(guān)系曲線如圖6所示，其中變化量為正值時表示增加方波寬度，變化量為負(fù)值時表示減少方波寬度。
調(diào)制方式二：方波的寬度全部相同
12個方波的寬度相同時，需要找出使輸出電壓諧波含量最低時的方波共同寬度，其共同寬度為2.0698弧度，從而可以計算[0，π]區(qū)間內(nèi)各個方波的開通角和關(guān)斷角：
此時輸出電壓的總諧波含量為5.1436％，整流側(cè)直流電壓出現(xiàn)波動時，保持vdc1～vdc6的開通角和vdc7～vdc12的關(guān)斷角不變，通過改變方波寬度來調(diào)節(jié)逆變側(cè)輸出電壓。為了保持輸出電壓基波有效值不變，整流側(cè)直流電壓相對值與方波寬度期望值的關(guān)系曲線如圖7所示。
調(diào)制方式三：兩組方波寬度分別相同
12個方波分成兩組，每6個寬度相等，需找出使合成電壓總諧波含量最低時的兩組方波寬度。兩組方波的寬度分別為θa＝1.9895弧度、θb＝2.0940弧度。即θ1、θ2、θ3、θ10、θ11、θ12的寬度為1.9895弧度，θ4、θ5、θ6、θ7、θ8、θ9的寬度為2.0940弧度。從而可以計算出[0,π]區(qū)間內(nèi)各個方波的開通角和關(guān)斷角：
此時階梯波的總諧波含量為3.5024％，整流側(cè)直流電壓變化時，采取以下調(diào)制策略：保持vdc1～vdc6的開通角和vdc7～vdc12的關(guān)斷角不變，當(dāng)整流側(cè)直流電壓降低時，先把較窄的6個方波(θ1、θ2、θ3、θ10、θ11、θ12)調(diào)寬，當(dāng)12個方波寬度相等時，再把所有的方波同時調(diào)寬；當(dāng)整流側(cè)直流電壓升高時，先把較寬的6個方波(θ4、θ5、θ6、θ7、θ8、θ9)調(diào)窄，當(dāng)12個方波寬度相等時，再把所有的方波同時調(diào)窄。為了保持輸出電壓基波有效值不變，整流側(cè)電壓相對值與方波寬度變化量期望值的關(guān)系曲線如圖8所示。
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