[發(fā)明專利]基于電容箝位式的三電平鐵路功率調(diào)節(jié)器

無效

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• 申請日: 2011-06-08
• 公開（公告）號: CN102222921A
• 公開（公告）日: 2011-10-19
• 發(fā)明（設計）人: 羅安;馬伏軍;吳傳平;張寅;王剛;孫運賓;王逸超
• 申請（專利權(quán)）人: 湖南大學
• 主分類號: H02J3/18
• 分類號: H02J3/18;H02J3/01
• 代理公司: 長沙正奇專利事務所有限責任公司 43113
• 代理人: 馬強

技術(shù)領域

本發(fā)明涉及一種鐵路功率調(diào)節(jié)器，特別涉及一種基于電容箝位式三電平結(jié)構(gòu)的鐵路功率調(diào)節(jié)器。

背景技術(shù)

高速鐵路牽引供電系統(tǒng)由于采用單相供電方式，產(chǎn)生負序電流，給電力系統(tǒng)中的發(fā)電、輸電和變電設備的運行帶來嚴重危害，例如增加發(fā)電機的損耗，降低變壓器出力等，嚴重影響電力系統(tǒng)的安全、高效、經(jīng)濟運行。另外，高速鐵路電力機車產(chǎn)生的諧波也降低了其供電系統(tǒng)和上級電力系統(tǒng)的可靠性。因此，必須采取有效措施抑制高速鐵路供電系統(tǒng)產(chǎn)生的負序和諧波電流。

針對電氣化鐵路的負序、諧波問題，國內(nèi)外學者已進行了一定的研究。采用SVC安裝在牽引變壓器的兩供電臂進行電氣化鐵路的負序補償，在牽引變壓器容量允許的情況下理論上可將負序完全補償，但是其動態(tài)補償能力有限且會產(chǎn)生諧波。采取有源濾波器能夠?qū)崿F(xiàn)對電氣化鐵路的諧波抑制，但不能有效補償負序電流。為此，一些高壓大容量的SATCOM裝置被安裝在牽引系統(tǒng)的三相高壓側(cè)進行負序和諧波的補償，但其容量大成本高。

由于牽引供電系統(tǒng)是高壓大容量系統(tǒng)，現(xiàn)有的開關管的受壓范圍有限，傳統(tǒng)的兩電平PWM逆變器依靠單個的開關管顯然承受不了直流側(cè)的高壓。除了高壓缺陷以外，傳統(tǒng)兩電平逆變器還存在以下問題：1)高頻產(chǎn)生很高的dv/dt和浪涌電壓，易引起電機繞組絕緣擊穿；2)高頻開關產(chǎn)生很大的器件電壓應力和開關損耗，使效率降低；3)高頻開關動作對附近的通訊或其它電子設備產(chǎn)生寬頻帶的EMI；4)功率因數(shù)低。為了解決上述兩電平的缺陷，針對鐵路供電系統(tǒng)的供電特性，日本學者提出了鐵路功率調(diào)節(jié)器(Railway?Static?Power?Conditioner，RPC)，如圖1所示，它包括背靠背結(jié)構(gòu)兩三電平電壓源變流器和一個共用的直流電容，直流電容給兩變流器提供穩(wěn)定直流電壓。兩變流器通過輸出電抗和單相降壓變壓器連接到牽引變壓器的兩個二次側(cè)供電臂。RPC的兩變流器可以控制為受控電流源，能夠?qū)崿F(xiàn)兩供電臂間有功功率的雙向流動，并且能進行諧波抑制和無功補償。這種結(jié)構(gòu)可以使主電路開關管的電壓降低一半，可以使dv/dt降低一半，由于輸出多了一個電平，輸出電壓諧波含量減少。這樣有利于采用低壓器件實現(xiàn)高壓輸出，并且各開關器件間沒有均壓問題存在，減少了產(chǎn)品的設計，提高了設備的可靠性。圖1中的鐵路功率調(diào)節(jié)器5包含兩個單相降壓變壓器2，兩個輸出電抗器4和背靠背結(jié)構(gòu)的兩個單相三電平H橋變流器3。然而，這種鐵路功率調(diào)節(jié)器包含16個功率開關器件，功率器件多，成本高，電路復雜。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，針對現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種結(jié)構(gòu)簡單、成本低、可靠性高的基于電容箝位式三電平結(jié)構(gòu)的鐵路功率調(diào)節(jié)器。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種基于電容箝位式的三電平鐵路功率調(diào)節(jié)器，包括兩個單相降壓變壓器、兩個輸出電抗器，還包括電容箝位式三電平功率模塊和直流側(cè)均壓電路，兩個單相降壓變壓器原邊分別與牽引系統(tǒng)的兩供電臂連接，兩個單相降壓變壓器副邊經(jīng)輸出電抗器與電容箝位式三電平功率模塊相連，所述電容箝位式三電平功率模塊包括兩個電容箝位式三電平開關臂和至少兩個串聯(lián)電容組成的支路，電容箝位式三電平開關臂與串聯(lián)電容支路并聯(lián)；電容箝位式三電平開關臂由四個串聯(lián)的開關管和一個電容組成，電容與中間兩個開關管并聯(lián)；兩單相降壓變壓器副邊非浮地線通過輸出電抗器分別與兩個電容箝位式三電平開關臂的中點連接，降壓變壓器浮地與三電平功率模塊兩電容的中點連接；直流側(cè)均壓電路由兩個串聯(lián)的開關管和一個電感組成，直流側(cè)均壓電路的開關管串聯(lián)支路與電容箝位式三電平功率模塊并聯(lián)，直流側(cè)均壓電路的電感與電容箝位式三電平功率模塊電容串聯(lián)支路的中點連接。

所述直流側(cè)均壓電路開關管和平衡電感的額定電流在三電平開關臂開關管額定電流的5％之內(nèi)。

本發(fā)明采用三電平兩橋臂電容箝位式逆變器構(gòu)成，包含8個開關管和2個箝位電容C_a、C_b替代了圖1所示的含有16個開關管和8個功率續(xù)流二極管。為了實現(xiàn)直流側(cè)電容電壓的均衡，采用了一種直流側(cè)均壓電路，由兩個容量很小的功率開關和平衡電感組成，成本低，并提高了補償系統(tǒng)的可靠性。

附圖說明

圖1為現(xiàn)有鐵路功率補償系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖；

圖2為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)圖；

圖3為三電平功率變換模塊結(jié)構(gòu)圖；

圖4為本發(fā)明的系統(tǒng)控制框圖。

其中：

1：Scott牽引變壓器；2：單相降壓變壓器；3：三電平H橋變流器；4：輸出電抗器；5：鐵路功率調(diào)節(jié)器RPC；6：電容箝位式三電平功率模塊；7：直流側(cè)均壓電路；8：三電平逆變器。