基于两相三线制变流器的高速铁路负序和谐波补偿系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于两相三线制变流器的高速铁路负序和谐波补偿系统。它包括两个单相降压变压器，所述两个单相降压变压器原边与三相Ｖ／Ｖ牵引供电系统中的两单相供电臂连接，两单相变压器副边中与原边地对应的两端连接起来，从而使两单相降压变压器副边形成三线，还包括一个两相三线制变流器，所述的两相三线制变流器包含三个开关臂，其中一开关臂与两单相电压共用地线连接，其余两开关臂分别通过一个电感与两单相降压变压器副边中的其余两线连接。本发明专利技术与两个普通单相变流器相比要少一开关臂，在减少开关器件的同时并未增加开关器件的电流等级，并且其输出电感比普通三相变流器要少一个，节省了成本；直流侧电压利用率比普通三相变流器高一倍。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种高速铁路负序和谐波综合补偿系统，特别涉及一种基于两相三线 制变流器的高速铁路负序和谐波补偿系统。
技术介绍
高速铁路牵引供电系统由于采用单相供电方式，产生负序电流，给电力系统中的 发电、输电和变电设备的运行带来严重危害，例如增加发电机的损耗，降低变压器出力等， 严重影响电力系统的安全经济运行。另外，高速铁路电力机车产生的谐波也降低了其供电 系统和上级电力系统的可靠性。因此，必须采取有效措施抑制高速铁路供电系统产生的负 序和谐波电流。针对电气化铁路的负序、谐波问题，国内外已出现一些补偿措施。采用SVC安装 在牵引变压器的两供电臂进行电气化铁路的负序补偿，在牵引变压器容量允许的情况下理 论上可将负序完全补偿，但增加了牵引变压器的容量和出力，并降低了两供电臂功率因数。 采取单相有源滤波器能够实现对电气化铁路的谐波抑制，但不能有效补偿电气化铁路中的 负序电流。针对铁路供电系统的单相供电特性，日本学者提出了铁路功率调节器(Railway Static Power Conditioner, RPC)，利用背靠背的两个单相变流器进行有功、无功及谐波的 控制，能实现对负序和谐波综合补偿，但两个单相变流器包含8个功率开关器件，功率开关 器件较多，其具体结构见图1。另外，还有学者提出一种三相有源补偿系统——有源电能质 量补偿器(Active Power Quality Compensator，APQC)，其结构是采用Scott变压器将两单 相电变换为三相平衡电压，再将一个三相变流器通过三个输出电感与三相平衡电连接，比 RPC节省了一臂功率开关器件，但增加了功率器件的电压等级，且需要结构较复杂的Scott 变压器和多了一个输出电感，其具体结构见图2。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术提供一种基于两相三线制变流器的高速铁路负序 和谐波补偿系统。本专利技术解决上述技术问题的技术方案是包括两个单相降压变压器，所述两个单 相降压变压器原边与三相v/ν牵引供电系统中的两单相供电臂连接，两单相变压器副边中 与原边地对应的两端连接起来，从而使两单相降压变压器副边形成三线，其特征在于还包 括一个两相三线制变流器，所述的两相三线制变流器包含三个开关臂，其中一开关臂与两 单相电压共用地线连接，其余两开关臂分别通过一个电感与两单相降压变压器副边中的其 余两线连接。本专利技术的技术效果在于(1)该系统中两相三线制变流器开关器件少，比RPC采取 两个背靠背单相变流器要少2个功率开关器件；采用结构较简单的两个单相变压器将两单 相电压与输出电感只有两个的两相三线制变流器连接，比有源电能质量补偿器APQC采用 的Scott变压器结构要简单，且要少1个输出电感。(2)两相三线制变流器各相补偿电流的基波幅值是相等的。也就是说，两相三线制 变流器中共用地线的一臂开关器件的电流等级并未增加，新型补偿系统更体现了其结构优势。(3)两相三线制变流器的直流侧电压利用率比普通三相制变流器高一倍，可降低 直流侧电容的成本；(4)通过调节3个开关桥臂的开断状态，可以维持两相三线制变流器的 直流侧电压稳定，并调节两相三线制变流器的输出电流，实现对高速铁路供电系统的负序 和谐波综合补偿。下面结合附图对本专利技术作进一步的说明。 附图说明图1为RPC的结构图。图2为APQC的结构图。图3为本专利技术的结构图。图4为本专利技术的电路图。图5是两相三线制变流器的开关模型。图6是本专利技术的等效电路图。图7是本专利技术的负序补偿原理图。具体实施例方式参见图3，图3为本专利技术的结构图。本专利技术4的补偿对象为采用三相V/V牵引变 压器1的高速铁路供电系统。本专利技术4由两个单相降压变压器2和两相三线制变流器3组 成。两个单相变压器的原边分别与两单相牵引供电臂连接，并将两单相变压器副边中与原 边地对应的两端连接起来，从而形成三线。变压器副边形成的三相与两相三线制变流器连 接。两相三线制变流器由普通三桥臂变流器和两个输出电感La和“构成，变流器中与地 线对应连接的输出端没有输出电感。定义图中与三相V/V变压器副边ac端连接的供电臂 为α相，另一臂为β相。本专利技术与APQC比较，采用了两个单相变压器，其结构相对于Scott变压器要简单， 且输出电感只需2个；与RPC比较，节省了一臂功率开关器件。因此，这种补偿结构更为精简。下面结合附图4、5、6、7对综合补偿系统的工作原理和效果作进一步的阐述。参见图4，图4为本专利技术的等效电路图。设三相V/V变压器变比为kv，两单相变压 器变比均为ks，将机车负载等效为电流源。忽略电感电阻，α和β相的供电臂网侧阻抗分 别等效为电感Lsa和Lse，两相三线制变流器1等效变换到27. 5kV侧，忽略电网阻抗，令 参见图5，图5为两相三线制变流器的开关模型。运用开关电路建模方法将图2中的两相三线制变流器1等效为图5所示。对应图5中每个桥臂的开断状态，定义开关函数为 上式中Si (i = α，η, β)对应α相、地线、β相所连接的开关桥臂的开断状态。 根据基尔霍夫定律和图5电路关系，可以得到其电压电流关系方程 流器α相和β相的输出电压。上式中，ua inv和uMnv分别代表两相三线制变 根据开关器件的通断情况，可以得到j_ ^ ,从K- = ^(4)上式可以发现，Uainv和uMnv有ud。、0和-Ude三种状态，而普通三相变换器的最大输出电压 为^可见两相三线制变流器的直流侧电压利用率比普通三相变换器高一倍。 可以看出，两相三线制变流器α相电流由与α相和地线连接的开关桥臂开关信号调节得 到，β相电流由与β相和地线连接的开关桥臂开关信号调节得到。可以发现，与地线连接 的开关臂实际上同时控制着α相和β相电流。因此，可以将两相三线制变流器视为两个 单相变流器，这两个单相变流器共用与地线连接的开关桥臂，并共用直流侧电容。通过调节 3个开关桥臂的开断状态，可以调节两相三线制变流器α相和β相电流，也就相应地调节 了地线电流；通过合适调节，能维持直流侧电压稳定，实现两供电臂之间的有功转移，并补 偿无功和谐波，从而实现对高速铁路供电系统的负序与谐波综合补偿。 参见图6，图6为本专利技术的等效电路图。根据上面的分析可知，两相三线制变流器 可视为两单相变流器合并而成，因此可将其控制为受控电流源Ι。α和I。e，本专利技术的电流图5可等效为图6所示。由图6可得< 参见图7，图7为综合 β(6)补偿系统补偿负序电流的原理图。以三相电压中A相电压相位为基准，由于高速铁路机车 采用PWM四象限整流控制方式，基波功率因数近似为1。则两供电臂负载电流可以表示为 式(7)中， 分别为α、β相负载电流的基(7)波成分幅值，ILah> Iwh分别表示α、β相负载谐波电流总和。 分析负序补偿原理只考虑基波成分，图5中的各变量均只表示基波成分。根据式(7)V/V变压器原边三相电流可以表示为 通(8)过两相三线制变流器在两单相供电臂间转移幅值大小为两供电臂有功电流差值的-半-L,,)的有功电流，使两供电臂网侧有功电流相等，则三相电流变为图7中所示的I' A、I' jPI' c，其值为 从图7可看出，此时三相电流Γ Α、Γc不平衡有所改善，但三相电流还未平衡。从图7可见，还需在两单相供电臂补偿一定的无功电流，无功本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于两相三线制变流器的高速铁路负序和谐波补偿系统，包括两个单相降压变压器，所述两个单相降压变压器原边与三相Ｖ／Ｖ牵引供电系统中的两单相供电臂连接，两单相变压器副边中与原边地对应的两端连接起来，从而使两单相降压变压器副边形成三线，其特征在于：还包括一个两相三线制变流器，所述的两相三线制变流器包含三个开关臂，其中一开关臂与两单相电压共用地线连接，其余两开关臂分别通过一个电感与两单相降压变压器副边中的其余两线连接。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：罗安，吴传平，孙娟，章兢，马伏军，徐先勇，张寅，王刚，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：43