基于变压器串联多重化和链式结构的统一电能质量控制器制造技术

本发明专利技术涉及基于变压器串联多重化和链式结构的统一电能质量控制器，属于电力系统柔性交流输配电和电力电子技术领域，该控制器包括一个单相串联多重化变压器组，该变压器组由ｍ个单相变压器构成，分别与所述ｍ个单相变压器的ｎ个副边绕组相连接的ｎ个电压源变流器，构成串联的多重化变流器组；通过ｎ个直流电压支撑单元与所述ｎ个电压源变流器相连的ｎ个链节的单相链式Ｈ桥变流器，该ｎ个链节的单相链式Ｈ桥变流器的交流端口通过电抗器与电网直联，ｍ、ｎ取值范围在２及２以上的正整数，且ｍ≤ｎ；本发明专利技术可以实现精确的电流控制，且具备较快的动态响应速度，能够解决电气化铁路牵引变电所存在的三相电压不平衡和电压波动，功率因数低下以及谐波污染等问题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电力系统柔性交流输配电和电力电子
，涉及大容量电力电子装置 和用户电能质量问题治理，特别是提供了一种用于电气化铁路供电系统的基于单相变压器串联多重化和链式H桥结构变流器的统一电能质量控制器(Unified Power Quality Controller, UPQC)装置。
技术介绍
电力机车作为大容量单相负荷会将负序电流注入电气化铁路(简称电铁)供电系统， 并引起供电系统电压三相不平衡、电压波动等电能质量问题。中国目前的电铁供电系统为 异相供电模式，在此种供电模式下普遍采用的相序轮换技术和平衡变压器技术仅能在一定 范围内改善负序电流的影响，实际中通常无法满足国家电能质量相关标准。此外，异相供 电模式所固有的电分相环节是其薄弱环节，对高速重载运行有极大约束作用。采用同相供 电模式可以避免或减少牵引网电分相环节，进而解决由电分相带来的一系列问题，大大提 高列车的运能。但同相供电方案的缺点是容易引起负序电流，造成的不平衡问题较之于异 相供电模式更为严重。交流机车广泛采用再生制动能量回馈方式，以提高交流机车的运行效率，交流电力机 车的再生电制动功率最高可达4 6MW以上，在进站停车，尤其在山区下坡道上的节能 效果尤其明显。但这种再生能量回馈方式是电力机车通过牵引网向外电网回馈能量，因此 由有功潮流的反向流动而引起继电保护装置误动和拒动的可能性大大增加。电气化铁路牵引变压器负荷波动较为剧烈，在列车紧密运行情况下，牵引变压器过负 荷往往达到2倍甚至更高，牵引负荷的增加带来问题是牵引变压器成本的升高。该成本不 仅包括由于牵引变压器容量增加而升高的制造成本，也包括电力系统收取的牵引变压器固 定安装容量费用。尽管采用单相牵引变压器在容量利用率上优势明显，但单相牵引变压器 的劣势是负序问题最为严重，且难以通过在牵引变电站二次侧安装补偿装置予以治理。目 前，由于变压器成本的制约，牵引变压器过载比呈下降趋势，降低了牵引供电系统的可靠 性和安全性。以上所述的高速电铁的电能质量问题涵盖了多个方面的控制目标，需要采用功能强大 的电能质量控制设备与大容量的电能存储设备进行协调工作，实现高速电铁供电系统电能 质量的综合治理。借助现代电力电子的技术可以以相对小的投资实施对负序控制，从而在各种电铁负荷 条件下确保牵引变压器高压侧电流三相平衡，同时实现谐波含量低和功率因数高的控制目标。各国对此已进行了相关研究，专利"用于电气化铁路供电的单相统一电能质量控制器"(公开号CN101170284)提出了一种基于IGBT或IGCT的单相统一电能质量控制器(本 申请中称之为多绕组变压器电铁补偿装置)。该装置在拓扑结构上采用了单相多绕组变压 器和链式结构变流器，仅在一侧使用了一个单相多绕组变压器，另一侧采用控制方法成熟、 便于工业实现的链式结构变流器，具有占地面积小，损耗小，成本低的优点。上述多绕组变压器电铁补偿装置的结构原理图如图1所示，该装置包括单相多绕组变 压器1 (由1个原边绕组PR和n个副边绕组Sw、 SR2、…SRn构成)，变压器1的n个副 边绕组分别连接n个电压源变流器(Vh V2......Vn) 2;通过n个直流电容单元(d、C2......Cn)3与n个电压源变流器2相连的共n个链节的单相链式H桥变流器(U、L2......Ln) 4，该n个链节的单相链式H桥变流器4交流端口x'、 y'与电抗器(jX!、 jX2)5连接后再通过x、 y端口与牵引电网直联。通过变流器组2、 4内开关网络的变换，即可 在变压器1的高压侧和链式H桥变流器4的交流侧分别得到一个幅值和相位均可独立调节 的等效受控电压源，进而使多绕组变压器电铁补偿装置能分别对其x、 y和z、 w端口与牵 引变压器二次侧两相绕组接入点的无功电流、谐波电流实现独立补偿；同时，该装置可通 过共用的电容单元3，在其x、 y和z、 w两端口两者之间进行有功功率的转移。该多绕组 变压器电铁补偿装置通过对有功功率的控制调节和对无功功率的平衡补偿，可实现牵引变 压器高压侧三相电流的平衡，整体上达到对负序电流的补偿目的。上述多绕组变压器电铁补偿装置仅使用一个变压器，具有占地面积小，损耗小且成本 较低的优点，链式结构便于高电压直接输出，还具有控制灵活，可靠性高等优点。但是， 采用单相多绕组变压器会带来一系列缺点单相多绕组变压器加工工艺较为复杂，难以做到原副边及副边各绕组之间等效漏抗相等，这种并联结构存在难以克服的各绕组电流不均问题；此外单相多绕组变压器副边绕组之间的互阻抗相对较小，在副边并联电压出现微小的不等时就会产生较大的环流，即使采用分裂式接法，也只能在一定程度上增加各副边绕组之间的等效漏电抗，当采用移相载波PWM策略时仍然可能在各绕组间引起较大的环流。而且随着模块数目的增多，元件参数的差异导致的均流与环流问题将更严重。此外分裂式 接法的多绕组变压器不仅制作工艺困难，制造成本较高，而且分裂式变压器较大的漏抗降 低了变流器容量利用率。上述多绕组变压器电铁补偿装置采用电容作为直流电压支撑单元，可以对牵引变电站 的负序、无功、谐波电流进行综合补偿，然而电铁负荷运行方式多样(起动、加减速、制 动等)，负荷量波动剧烈(可能出现短时剧增)，需要结合电能存储系统来实现对有功、无 功功率的四象限独立控制，以适应复杂的运行情况，尤其是吸收交流机车再生制动回馈能 量以及对牵引变压器负荷曲线进行削峰。仅采用普通的直流电容单元显然不具备这种效 果
技术实现思路
本专利技术的目的是为克服已有技术的不足之处，提出了一种基于变压器串联多重化和链式结构的统一电能质量控制器(简称UPQC)，用于治理电铁供电系统中存在的负序、无功、谐波超标等电能质量问题。本专利技术仅在一侧使用变压器，具有占地面积小，损耗小且成本较低的优点；此外，针对采用多绕组变压器实现的多功率模块并联方式下存在的电流 均流、电流环流等问题，所提出的采用单相串联多重化变压器组的UPQC装置，可通过标 准化电力电子模块实现装置大容量化，具有运行效率高，谐波特性好，动态响应速度快等 优点；本专利技术可灵活选用直流电容单元或直流储能元件单元作为直流电压支撑单元，选用 后者本专利技术还兼具吸收交流机车再生回馈能量和对牵引变压器负荷曲线削峰的作用；是对现有技术的发展和改进。为实现上述目的，本专利技术提出的UPQC，其特征在于，采用单相串联多重化变压器组 实现多个电压源变流器相互串联和电气隔离功能，该控制器包括一个单相串联多重化变压 器组，该变压器组由m个单相变压器构成，各单相变压器的原边绕组按同名端依次顺序串 联；分别与所述m个单相变压器的共计n个副边绕组相连接的n个电压源变流器，构成 串联的多重化变流器组；通过n个直流电压支撑单元与所述n个电压源变流器相连的共n 个链节的单相链式H桥变流器，该n个链节的单相链式H桥变流器的交流端口通过电抗 器与牵引电网直联，(根据接入系统电压等级及功率开关器件耐压等级，n为取值范围可为 2及2个以上的正整数)。所采用的单相串联多重化变压器组是由m个单相变压器的原边绕组按其同名端依次 顺序串联而成，每个单相变压器可拥有1个或1个以上的副边绕组。m个单相变压器副边 绕组数总和为n， msn，每个副边绕组分别与一个电压源变流器相连本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于变压器串联多重化和链式结构的统一电能质量控制器，其特征在于，该控制器包括一个单相串联多重化变压器组，该变压器组由ｍ个单相变压器构成，ｍ个单相变压器的原边绕组按同名端依次顺序串联；分别与所述ｍ个单相变压器的ｎ个副边绕组相连接的ｎ个电压源变流器，构成串联的多重化变流器组；通过ｎ个直流电压支撑单元与所述ｎ个电压源变流器相连的ｎ个链节的单相链式Ｈ桥变流器，该ｎ个链节的单相链式Ｈ桥变流器的交流端口通过电抗器与电网直联，ｍ、ｎ取值范围为２及２以上的正整数，且ｍ≤ｎ；所述的ｍ个单相变压器的首、末端单相变压器原边绕组的两个自由端口为单相串联多重化变压器组的原边绕组端口，与电网相连。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：魏应冬，姜齐荣，皮俊波，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]