一种基于平衡变压器的同相供电装置拓扑结构和控制方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种基于平衡变压器的同相供电装置拓扑结构和控制方法，装置包括平衡变压器、H桥组、电抗器、隔离单元和软启隔离单元；平衡变压器副边的α绕组和β绕组串联连接至Z端；α绕组的V端和Z端通过第一电抗器L与第一H桥组的两个端相连；β绕组的Z端和T端通过第二电抗器L与第二H桥组的两个端相连；α绕组和β绕组串联后的V端和T端通过第三电抗器L与第三H桥组的两个端相连；平衡变压器的V端和T端与H桥组的连接处分别串联一个软启隔离单元；平衡变压器的V端和T端接供电臂。本发明专利技术减少工频变压器数量并省去多绕组变压器，简化为串联H桥结构，精简闭环控制算法并减少电流环数量。精简闭环控制算法并减少电流环数量。精简闭环控制算法并减少电流环数量。

【技术实现步骤摘要】
一种基于平衡变压器的同相供电装置拓扑结构和控制方法


[0001]本专利技术属于电气化铁路牵引供电
，涉及一种基于平衡变压器的同相供电装置拓扑结构和控制方法。

技术介绍

[0002]现代电气化铁路技术发展相对缓慢，相关技术研究亟需加强。其中，铁路牵引供电装备作为连接电力系统和铁路供电系统的枢纽设备，发挥着改善电能质量、提升铁路供电性能的关键作用，已被认定为铁路电气化改造的核心装备。
[0003]铁路牵引供电装备面临电分相和电能质量两方面技术挑战。电分相装置本身结构复杂且需频繁动作，其在与过分相的机车交互时还引发复杂的机电过程，严重影响铁路供电的整体性能，因此迫切需要供电装备具备同相供电能力以减少电分相数量。电能质量问题由单相供电的铁路负荷导致三相电力系统不平衡所引起，铁路负荷中的无功和谐波电流还将进一步加重电能质量问题，所以亟需供电装备具有负序、无功和谐波电流补偿能力。
[0004]现有同相供电技术在应对电分相和电能质量挑战时，存在工频变压器数量多、变流器结构复杂和控制算法繁琐等问题，因此迫切需要加强同相供电装置技术研究以促进技术升级。

技术实现思路

[0005]针对同相供电技术的不足，本专利技术提供一种基于平衡变压器的同相供电装置拓扑结构和控制方法。其目的在于解决过多电分相数量问题和电能质量综合治理问题；在此前提下进一步减少工频变压器数量并省去多绕组变压器，简化背靠背变流器结构为简洁的串联H桥结构，精简闭环控制算法并减少电流环数量。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术提供了如下的技术方案。
[0007]一种基于平衡变压器的同相供电装置拓扑结构，包括平衡变压器、H桥组、电抗器、隔离单元和软启隔离单元；
[0008]所述平衡变压器原边的三个端子接三相输电网，平衡变压器副边的α绕组和β绕组串联连接至Z端；α绕组的V端和Z端通过第一电抗器L与第一H桥组的两个端相连；β绕组的Z端和T端通过第二电抗器L与第二H桥组的两个端相连；α绕组和β绕组串联后的V端和T端通过第三电抗器L与第三H桥组的两个端相连；平衡变压器的V端和T端与H桥组的连接处分别串联一个软启隔离单元，Z端串联隔离单元；第三H桥组与第一H桥组和第二H桥组在V端和T端处共用软启隔离单元或分别设置一软启隔离单元；平衡变压器的V端和T端接供电臂。
[0009]作为本专利技术的进一步改进，还包括升压变压器；
[0010]所述平衡变压器的V端和T端与升压变压器原边的两个端相连；升压变压器副边的两个端接供电臂。
[0011]作为本专利技术的进一步改进，所述H桥组由多个H桥模块串联而成，每个H桥模块交流端口具有一个旁路开关，H桥模块是单相H桥变流器，可以是两电平单相H桥、三电平单相H桥
或多电平单相H桥。
[0012]作为本专利技术的进一步改进，所述隔离单元为第一断路器或第一断路器串联隔离开关；
[0013]所述软启隔离单元包括第二断路器、第三断路器和软启电阻，第三断路器和软启电阻串联后与第二断路器并联，或第二断路器、第三断路器直接串联，其中一个断路器再与软启电阻并联。
[0014]作为本专利技术的进一步改进，所述同相供电装置的拓扑结构中的电压、电流满足：
[0015]平衡变压器α、β绕组副边电压幅值相同，相位相差90
°
。
[0016]一种基于平衡变压器的同相供电装置拓扑结构的控制方法，包括：
[0017]控制α、β绕组副边电流i
α
、i
β
幅值相等且分别与副边电压u
α
,u
β
同相位；使平衡变压器原边输入三相对称且功率因数为1的电流。
[0018]作为本专利技术的进一步改进，包括锁相环步骤、负载电流检波步骤、指令电流生成步骤、H桥组电流及模块均压控制步骤；
[0019]所述锁相环步骤直接锁定平衡变压器原边的三相电网电压，或者锁定平衡变压器副边u
α
，u
β
电压，为控制系统提供相位基准；
[0020]所述负载电流检波步骤通过检测负载电流中的有功、无功和谐波成分，为生成H桥组电流指令提供依据；
[0021]所述指令电流合成步骤生成三个H桥组的电流指令；
[0022]H桥组电流及模块均压控制步骤用于闭环控制三个H桥组的输出电流并进行内部子模块均压。
[0023]作为本专利技术的进一步改进，所述负载电流检波步骤具体为：
[0024]负载电流i
L
反映到平衡变压器副边的电流i
o
包含有功成分i
p
和无功及谐波成分i
qh
，其计算方法为：
[0025][0026]将测量得到的电流i
o
与锁相环提供的u
o
输出电压相位基准sin(ωt
‑
45
°
)相乘，将有功电流转换为直流分量，同时将无功和谐波电流转换为交流分量，得到：
[0027][0028]上述信号经低通滤波器滤除交流分量后，再将剩余的直流分量扩大2倍便得到有功电流的幅值I
p
，该幅值再与输出电压u
o
的相位基准sin(ωt
‑
45
°
)相乘，得到输出电流i
o
中的有功电流分量i
p
。总输出电流i
o
剔除有功分量i
p
，便是无功及谐波分量的和i
qh
。进一步得到有功成分i
p
：
[0029][0030]作为本专利技术的进一步改进，所述指令电流生成步骤具体为：
[0031]依据有功电流幅值I
p
和锁相环提供的u
α
，u
β
电压相位基准sin(ωt)、sin(ωt
‑
90
°
)，计算得到有功电流i
p
在α、β轴的两个分量i
pα
，i
pβ
，进而得到通过负载电流检测计算出的H桥组输出的电流成分i
pβ
，i
pα
，i
qh
，其中，i
pα
，i
pβ
为：
[0032][0033]作为本专利技术的进一步改进，所述H桥组电流及模块均压步骤具体为：
[0034]子模块电容电压指令值与检测到的第一H桥组内所有H桥模块电容电压的加和平均值比较，其差值经闭环调节器处理，再与端电压u
α
的相位基准sin(ωt)相乘，生成第一H桥组的微调有功电流指令Δi
pα
，微调有功电流指令与检波算法生成的补偿电流指令i
pβ
相加，便得第一H桥组的总电流指令总电流指令与输出电流测量值i
h1
做差，并经闭环调节器处理得到子模块交流输出电压参考值u
h1...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于平衡变压器的同相供电装置拓扑结构，其特征在于，包括平衡变压器、H桥组、电抗器、隔离单元和软启隔离单元；所述平衡变压器原边的三个端子接三相输电网，平衡变压器副边的α绕组和β绕组串联连接至Z端；α绕组的V端和Z端通过第一电抗器L与第一H桥组的两个端相连；β绕组的Z端和T端通过第二电抗器L与第二H桥组的两个端相连；α绕组和β绕组串联后的V端和T端通过第三电抗器L与第三H桥组的两个端相连；平衡变压器的V端和T端与H桥组的连接处分别串联一个软启隔离单元，Z端串联隔离单元；第三H桥组与第一H桥组和第二H桥组在V端和T端处共用软启隔离单元或分别设置一软启隔离单元；平衡变压器的V端和T端接供电臂。2.根据权利要求1所述的一种基于平衡变压器的同相供电装置拓扑结构，其特征在于，还包括升压变压器；所述平衡变压器的V端和T端与升压变压器原边的两个端相连；升压变压器副边的两个端接供电臂。3.根据权利要求1所述的一种基于平衡变压器的同相供电装置拓扑结构，其特征在于，所述H桥组由多个H桥模块串联而成，每个H桥模块交流端口具有一个旁路开关，H桥模块是单相H桥变流器，可以是两电平单相H桥、三电平单相H桥或多电平单相H桥。4.根据权利要求1所述的一种同相供电装置拓扑结构，其特征在于，所述隔离单元为第一断路器或第一断路器串联隔离开关；所述软启隔离单元包括第二断路器、第三断路器和软启电阻，第三断路器和软启电阻串联后与第二断路器并联，或第二断路器、第三断路器直接串联，其中一个断路器再与软启电阻并联。5.根据权利要求1所述的一种基于平衡变压器的同相供电装置拓扑结构，其特征在于，所述同相供电装置的拓扑结构中的电压、电流满足：平衡变压器α、β绕组副边电压幅值相同，相位相差90
°
。6.根据权利要求1至5任一项所述的一种基于平衡变压器的同相供电装置拓扑结构的控制方法，其特征在于，包括：控制α、β绕组副边电流i
α
、i
β
幅值相等且分别与副边电压u
α
,u
β
同相位；使平衡变压器原边输入三相对称且功率因数为1的电流。7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，包括锁相环步骤、负载电流检波步骤、指令电流生成步骤、H桥组电流及模块均压控制步骤；所述锁相环步骤直接锁定平衡变压器原边的三相电网电压，或者锁定平衡变压器副边u
α
,u
β
电压，为控制系统提供相位基准；所述负载电流检波步骤通过检测负载电流中的有功、无功和谐波成分，为生成H桥组电流指令提供依据；所述指令电流合成步骤生成三个H桥组的电流指令；H桥组电流及模块均压控制步骤用于闭环控制三个H桥组的输出电流并进行内部子模块均压。8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述负载电流检波步骤具体为：负载电流i
L
反映到平衡变压器副边的电流i
o
包含有功成分i
p
和无功及谐波成分i
...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜思行，刘应虎，李聪，刘进军，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：