基于多功能平衡变压器的同相供电系统及其控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于多功能平衡变压器的同相供电系统及其控制方法，系统包括电网侧的三相高压直流母线，用于电力机车牵引和电能质量补偿的Y

【技术实现步骤摘要】
基于多功能平衡变压器的同相供电系统及其控制方法


[0001]本专利技术涉及电气化铁路牵引供电系统
，特别涉及一种基于多功能平衡变压器的同相供电系统及其控制方法。

技术介绍

[0002]近年来，高速铁路飞速发展。继续推动铁路高质量发展。与此同时，随着高速铁路数量的增多，电气化铁路带来的问题也日益严重。如何保证电气化铁路长期高效安全运行及减小电气化铁路对电力系统所带来的影响成为目前电气化铁路研究中亟需解决的问题。
[0003]目前高速铁路已广泛使用单相工频交流制的交
‑
直
‑
交型电力机车，其谐波含量小，功率因数接近于1，因此负序问题是其主要的电能质量问题。为了减小负序问题的影响，目前高速铁路中广泛使用轮换相序、分相分区的电分相供电方案。但电分相会带来机车掉速、过电压、施工选址受限等问题，对于机车的正常运行存在一定的安全隐患。现有的自动过分相技术主要包括地面开关自动切换过分相、车载自动过分相以及柱上自动过分相等。但自动过分相技术并不能完全解决电分相带来的危害。
[0004]为了解决负序和电分相问题，同相供电系统被提出。理论和实践表明，采用同相供电技术可以取消变电所出口处的电分相，且能够有效解决负序问题。同相供电系统包括基于补偿装置的同相供电系统和贯通式同相供电系统。目前已经投入使用的主要是基于补偿装置的同相供电系统，其主要由牵引变压器、匹配变压器以及补偿装置构成。其中补偿装置包括无源补偿装置、有源补偿装置以及无源与有源相结合的混合补偿装置。无源补偿装置不能动态调节无功、灵活性差、不能有效抑制谐波；混合补偿装置虽然能降低有源补偿容量，但有源补偿容量依然大，且控制方法复杂。因此，适用性强、动态调节能力强、补偿效果显著的有源补偿装置成为目前研究热点。但有源补偿装置具有容量较大、成本较高的问题，不利于普遍推广。目前用于同相供电系统的牵引变压器可以分为平衡变压器与非平衡变压器，平衡变压器主要包括Scott变压器、阻抗匹配平衡变压器等，非平衡变压器主要包括Vv变压器、YNd11变压器等。选择合适的牵引变压器对解决电气化铁路中的问题也具有重要意义。此外，为了保证铁路供电系统的安全性，一般要求同相供电系统的电网系统、牵引系统和补偿系统实现三端隔离。目前实现三端隔离的方式，主要是在未隔离的端口之间添加额外的隔离变压器，这不仅额外增加了变压器投资和占地面积，而且会使系统容量和损耗增大。

技术实现思路

[0005]针对上述问题，本专利技术提供一种基于多功能平衡变压器的同相供电系统及其控制方法。该系统不需要在牵引系统和补偿系统之间添加额外的隔离变压器就能实现电网系统、牵引系统、补偿系统的三端隔离，保证了同相供电系统的安全性。此外，通过设计YD
‑
MFBT副边绕组抽头位置可以匹配补偿装置所能承受的电压水平，同时系统补偿装置和变压器都具有较小的容量，有效降低了同相供电系统的容量和损耗。
[0006]本专利技术的目的是由以下技术方案实现的：
[0007]一种基于多功能平衡变压器的同相供电系统，包括电网侧的三相高压直流母线，用于电力机车牵引和电能质量补偿的Y
‑
D多功能平衡变压器YD
‑
MFBT以及三相MMC有源补偿装置MMC
‑
APC；
[0008]YD
‑
MFBT原边三个端子为A、B、C，副边五个端子为α、β、u、v、w，MMC
‑
APC交流侧三个端子为a、b、c；
[0009]YD
‑
MFBT原边为星形连接，副边为三角形接线，并在其中间b相的两端各增加一个外延支臂N
b1
、N
b2
，a相和c相中间分别引出抽头u、w，抽头u将a相分为两段绕组N
a1
、N
a2
，抽头w将c相分为两段绕组N
c1
、N
c2
；从a相和c相连接处引出抽头v，抽头u、v、w输出三相电压，用于连接MMC
‑
APC；
[0010]原边三个端子A、B、C分别与三相电网高压母线A相、B相、C相连接；副边三个端子u、v、w分别与MMC
‑
APC交流侧三个端子b、a、c对应相连；副边两端口α相、β相串联，接至牵引母线给电力机车供电。
[0011]作为本专利技术的进一步改进，所述MMC
‑
APC的每相由上下两个桥臂组成，每个桥臂由n个完全相同的子模块级联组成，子模块采用半桥结构。上下桥臂通过桥臂电感L
B
串联，R
B
为桥臂等效电阻；各相串联的子模块和桥臂电感L
B
相同且对称。
[0012]作为本专利技术的进一步改进，所述YD
‑
MFBT中的匝数和阻抗满足如下关系：
[0013][0014]其中，N
k
和Z
k
分别为绕组k的匝数和阻抗，k＝A,B,C；a,b,c；a1,a2；b1,b2；c1,c2。
[0015]作为本专利技术的进一步改进，所述YD
‑
MFBT中的匝数和阻抗满足x＝0.366，λ＝2.732，γ＝1.577y。
[0016]一种基于多功能平衡变压器的同相供电系统的控制方法，包括：
[0017]将两相负载电流分为对称有功分量谐波分量和无功分量使MMC
‑
APC交流侧补偿电流在YD
‑
MFBT原边产生的三相电流与谐波分量和无功分量在YD
‑
MFBT原边产生的三相电流之和为零，使得YD
‑
MFBT原边电流功率因数为1且三相对称。
[0018]控制方法具体包括：
[0019]由基尔霍夫定律和YD
‑
MFBT特性得，基本电流转换关系为：
[0020][0021]其中，为YD
‑
MFBT原边电流，即电网侧电流；为YD
‑
MFBT副边α、β端
口负载电流；为YD
‑
MFBT副边u、w抽头的补偿电流，v抽头电流
[0022][0023]将两相负载电流分为对称有功分量谐波分量和无功分量两部分：
[0024][0025]其中，对称有功分量在YD
‑
MFBT原边产生功率因数为1的对称三相电流；使补偿电流满足：
[0026][0027]就能使电网侧电流仅包含正序基波分量
[0028]由式(3)、(5)计算得：
[0029][0030]定义两相负载电流的基波有功分量有效值为I
pα
、I
pβ
，则其对称有功分量的有效值满足I
plα
＝I
plβ
＝0.5(I
pα
+I
pβ
)，且相位与α、β端口电压分别对应相同；
[0031]由此得到两相负载电流的谐波本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于多功能平衡变压器的同相供电系统，其特征在于，包括电网侧的三相高压直流母线，用于电力机车牵引和电能质量补偿的Y
‑
D多功能平衡变压器YD
‑
MFBT以及三相MMC有源补偿装置MMC
‑
APC；YD
‑
MFBT原边三个端子为A、B、C，副边五个端子为α、β、u、v、w，MMC
‑
APC交流侧三个端子为a、b、c；YD
‑
MFBT原边为星形连接，副边为三角形接线，并在其中间b相的两端各增加一个外延支臂N
b1
、N
b2
，a相和c相中间分别引出抽头u、w，抽头u将a相分为两段绕组N
a1
、N
a2
，抽头w将c相分为两段绕组N
c1
、N
c2
；从a相和c相连接处引出抽头v，抽头u、v、w输出三相电压，用于连接MMC
‑
APC；原边三个端子A、B、C分别与三相电网高压母线A相、B相、C相连接；副边三个端子u、v、w分别与MMC
‑
APC交流侧三个端子b、a、c对应相连；副边两端口α相、β相串联，接至牵引母线给电力机车供电。2.根据权利要求1所述的基于多功能平衡变压器的同相供电系统，其特征在于，所述MMC
‑
APC的每相由上下两个桥臂组成，每个桥臂由n个完全相同的子模块级联组成，子模块采用半桥结构；上下桥臂通过桥臂电感L
B
串联，R
B
为桥臂等效电阻；各相串联的子模块和桥臂电感L
B
相同且对称。3.根据权利要求1所述的基于多功能平衡变压器的同相供电系统，其特征在于，所述YD
‑
MFBT中的匝数和阻抗满足如下关系：其中，N
k
和Z
k
分别为绕组k的匝数和阻抗，...

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