一种级联型无输出变压器的同相供电系统技术方案

本发明专利技术公开了一种级联型无输出变压器的同相供电系统。该系统主要由级联一个以上三相-单相结构的交-直-交变换器的电力电子变换装置组成，级联的电力电子变换装置直接连接牵引接触网，通过多模块级联结构，提高了输出变换器的电压等级，因此可取消输出变压器。由于输出电压幅值、相位、频率可控制，因此邻近变电所的接触网可直接相连，形成贯通牵引供电网络。本发明专利技术提出适用于任意电平二极管筘位电路的三相-单相变换器结构，该结构包含直流稳压均压辅助电路，可实现在任意功率因数条件下，特别是在传递有功电流时多个直流电容的电压均压与稳压目标，保证任意调制深度条件下实现有功传递或无功输出。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及电气化铁路供电系统，特别是无过分相区间牵引网设备

技术介绍
我国现行电气化铁路供电系统及其技术存在电能质量和过分相问题。目前电气化铁路牵引供电系统运行方式主要是两相(异相)供电，相对三相电力系统而言，高速重载列车牵引功率的增大使负序问题愈发突出，电能质量中的无功和谐波等问题也较严重。另外， 电分相造成的列车速度和牵引力损失问题，严重影响牵引供电系统整体性能。 图1是传统分相供电系统。图中共有3个独立的变电所，从各自输入端的三相电网分两臂输出为两相牵引供电，由于临近的牵引供电臂的电压相位、幅值和频率难以满足完全一致，因此各臂相互之间都必须设置过分相装置。不包括两端供电臂的连接，图中6个臂间总需要5个过分相区间。由于电分相装置结构复杂，投资大，可靠性较低，是整个牵引供电系统中薄弱的环节之一。为有效解决上述问题，借助现代电力电子技术和控制理论，实现电气化铁路同相供电和牵引网的相互贯通是一种理想的解决方案。图2是基于本专利提出的变换器构建的牵引供电所，3个变电所输出电压幅值、频率和相位一致，满足同相供电的互联条件，因此各变电所的牵引网的输出可以相互连接，形成贯通牵引供电系统。各区段牵引网不再需要设置过分相区间，因此，避免了数量众多的过分相装置的投资，同时避免了过分相造成的列车牵引动力的损失。图3是基于三相-单相PWM变换器实现贯通供电系统框图，该系统可以采用如图4 所示的两电平变换器结构，该系统受开关器件容量限制，通常多模块并联结构。同时，系统接口电压、容量和性能受限，输入和输出端还必须匹配三相降压变压器和单相升压变压器， 系统复杂，的体积、质量和造价难以降低。多电平变换器可有效提高变换器输入输出电压等级，级联多个多电平变换器后， 接口电压在满足高于输入输出电压等级的前提下可取消输入输出变压器，即可实现无变压器的变换器系统结构。二极管筘位多电平变换器结构是实现上述方案的有效拓扑结构。该拓扑结构利用多个电容器串联跨接在直流侧两端，将直流母线电压分为多个电平；同时，变换器每个桥臂的多个串联开关器件通过二极管连接在每个直流电容上，即通过二极管将开关器件的电压筘位到连接的直流电容电压上。因此，每个桥臂的开关器件在不同的开关组合下可输出不同电平的电压信号。通过PWM(Pulse Width Modulation，脉宽调制)调制方法，二极管筘位式多电平变换器将多个电平合成调制信号，电平数越多，变换器输出的电压越逼近调制信号。但是，当二级管筘位多电平变换器传递有功电流时，各电容器上的输入输功率不能保证平衡，因此会导致不同电容电压逐渐上升或下降，即出现所谓的电容电压不平衡问题。直流电压失稳后，多电平变换器将退化成两电平变换器，同时失去多电平所具有的诸多优点。通过优化的PWM调制方法，直流电容在一定条件下能够实现电压平衡与稳定，其稳定的条件与负载电流的相角有关。理论分析已证明当多电平变换器传递纯有功电流时，即负载电流角度再O度附近时，为保证直流电压稳定需要求PWM调制深度最高要求是小于约 55 %，极大的限制二极管筘位多电平变换器在有功传递领域的应用。同相供电系统的负载特性要求变换器系统传递有功，如果二极管筘位多电平变换器直接应用在理想同相供电系统的变换器系统中，同样会受到直流电压不平衡问题的影响
技术实现思路
鉴于现有技术的不足，本专利技术的目的是提出一种级联交-直-交变换器实现无输出变压器的理想同相供电系统，使其可在无输出变压器的条件下既可以从三相电网吸收并向牵引网提供有功功率，也可以从牵引网吸收并向三相电网回馈有功功率，实现电气化铁路同相供电和牵弓I网的相互贯通。本专利技术的目的是通过如下的手段实现的。一种级联型无输出变压器的同相供电系统，由与三相电网接入的输入变压器及与之输出端相连的由级联一个以上三相-单相结构的交-直-交变换器的电力电子变换装置所组成，级联的低电压等级的电力电子变换装置直接连接牵引接触网，输出机车等负载要求交流电压，邻近变电所的接触网直接相连，形成贯通牵引供电网络；所述电力电子变换装置主要由三相二极管筘位多电平整流电路、辅助直流稳压电路、单相二极管筘位多电平逆变电路和输入输出连接电抗器组成。与现有技术相比，本专利技术有益效果是1、本专利技术提出的级联多三相-单相变换器结构可以实现无输出变压器的系统，如果单个变换器的电平数和开关器件耐压等级足够，甚至可取消三相侧的输入变压器，实现无变压器的三相_单相的同相供电变换器。2、由于整流器和逆变器均采用可控器件，因此各模块可以四象限模式工作，即本专利技术提出的理想同相供电系统结构既可以从三相电网吸收并向牵引网提供有功功率，也可以从牵引网吸收并向三相电网回馈有功功率。另外，多电平单相逆变器也可为牵引网提供无功和谐波补偿功能。3、由于多电平二极管筘位逆变器输出电压相位、频率和幅值完全可控，因此可以根据供电臂的电压信息调整逆变器输出的电压相位、频率和幅值，使之满足并网要求，为相邻变电所牵弓I供电实现贯通供电提供可能。4、三相-单相变换器中的二极管筘位多电平逆变器和整流器由于采用了直流稳压辅助电路，直流电容电压可以通过辅助稳压回路维持均压和稳定，都可以工作任何功率因数的有功或无功变换模式下，扩展了二极管筘位多点平逆变器和整流器的工作范围。同时，该辅助稳压电路独立工作，与主电路的调制方法和控制方法无关，不影响现有主电路和控制原理，因此该直流辅助均压电路也适用于任何电平数的多电平二极管筘位变换装置。附图说明图1是具有三个传统供电所的分相供电系统示意图；图2是本专利技术级联型无输出变压器的同相供电系统运行简图3是本专利技术基于三相_单相PWM变换器的具有升降压变压器的同相供电系统；图4是两电平三相-单相PWM变换器结构简图；图5是本专利技术级联型无输出变压器的同相供电系统框图；图6是本专利技术基于五电平二极管筘位型交直交三相_单相变换器结构图；图7是本专利技术基于任意多电平的二极管筘位型交直交三相_单相变换器结构图；图8是本专利技术适用于五电平二极管筘位型变换器的辅助直流均压电路图。图表中的标记为图 1-图 3 中 L1A/L1B/L1C、L2A/L2B/L2C、L3A/L3B/L3C 表示相互独立的三相供电系统的三相电网。图4中LP1/LP2. . . LPn是η个三相-单相变换器输出正端口，LNl/ LN2. . . LNn是η个三相-单相变换器输出负端口。图5-图8中Smn表示第m个桥臂的第η 个编号的开关器件，Dmn表示第m个桥臂的第η个编号的二极管，Cl. .. Cn表示直流电容， CAl. . . CAn表示辅助直流电容，SAl. . . SAn表示辅助开关器件，LA/LB/LC表示输入端三相连接电抗器，LP1/LN1表示输出端单相连接电抗器。具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细说明。图2是本专利技术级联型无输出变压器的贯通方式的同相供电系统结构简图，该系统主要由图3所示的三相-单相PWM变换器及升/降压变压器等构成。变换器从三相交流侧吸收有功电流并变换为直流后，再通过单相逆变器输出单相交流电压，为牵引负载提供无功和有功电流。由于三相整流器和单相逆变器都可以运行在四象限内，因此三相-单相P丽变换器能够同时平衡分配三相侧系统的有功电流，同时控制输出侧电本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种级联型无输出变压器的同相供电系统，其特征在于，由与三相电网接入的输入变压器及与之输出端相连的由级联一个以上三相－单相结构的交－直－交变换器的电力电子变换装置所组成，级联的低电压等级的电力电子变换装置直接连接牵引接触网，输出机车等负载要求交流电压，邻近变电所的接触网直接相连，形成贯通牵引供电网络；所述电力电子变换装置主要由三相二极管筘位多电平整流电路、辅助直流稳压电路、单相二极管筘位多电平逆变电路和输入输出连接电抗器组成。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：舒泽亮，李群湛，解绍锋，陆可，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：90