一种基于模块化级联H桥的有源补偿同相供电系统.pdf

本发明公开了一种基于模块化级联H桥的同相供电系统,牵引变压器原边接于三相电网，次边形成两个牵引侧；级联H桥有源补偿装置由三个级联H桥臂构成“∏”型结构，记“∏”结构上方一桥臂为横臂，另两桥臂为纵臂；牵引变压器次边两牵引侧分别与“∏”结构的左右两纵臂并联后再由两牵引侧之一接于牵引母线，转变两侧供电为单侧供电，即同相供电，可实现负序、无功、谐波的补偿。三个桥臂分别直挂于交流系统，纵臂承受单相交流电压，横臂承受两牵引侧电压差值。对高速和重载交直交牵引负载，功率因为接近于1，可采用三桥臂“∏”的变体两桥臂或“II”结构，更有利于简化有源补偿装置结构，降低容量。采用无耦合式交－交变换系统，易于控制。模块化设计使其具有一定的过负载能力。本发明结构简单、技术先进、可靠，易于实施。

权利要求书1.  一种基于模块化级联H桥的同相供电系统,其特征在于，主要由牵引变压器和级联H桥有源补偿装置组成，其中，牵引变压器原边接于三相电网，次边形成两个牵引侧α和β；级联H桥有源补偿装置由三个级联H桥臂构成“∏”型结构，记“∏”结构上方一桥臂为横臂，另两桥臂为纵臂；即：横臂跨接在牵引变压器次边两牵引侧α和β之间，牵引变压器次边两牵引侧α和β分别与“∏”结构的左右两纵臂并联后再由牵引侧之一α(或β)接于牵引母线，转变两侧供电为单侧供电，即同相供电，以实现负序、无功、谐波的补偿；每个级联H桥臂均由结构相同的H桥模块SM与电感L串联而成；H桥模块SM为二电平单相全桥结构，由四个可控开关和一个直流储能电容构成，可控开关由IGBT与反向二极管并联而成；三个桥臂分别直挂于交流系统，纵臂承受单相交流电压，横臂承受两牵引侧电压差值；桥臂交流电压由SM的直流电容电压Uc组合得到，并由电感L上的电压加以弥补。2.  根据权利要求1所述的一种基于级联H桥的同相供电系统，其特征在于:所述牵引变压器为三相－两相变压器YNd11,VV,Scott中的一种。3.  根据权利要求1所述的一种基于级联H桥的同相供电系统，其特征在于:对于已采用大功率交直交型电力机车或动车组的高速和重载铁路，其负荷的功率因数接近于1，可忽略无功功率，在这种情况下，对于120度接线牵引变压器，级联H桥有源补偿装置省去一个纵臂，变成两桥臂型结构，两牵引侧与有源补偿装置联结形式为：横臂跨接在牵引变压器次边两牵引侧α和β之间，纵臂与牵引变压器次边牵引侧之一α(或β)并联后由另一牵引侧β(或α)接于牵引母线；对于90度接线牵引牵引变压器，级联H桥有源补偿装置省去横臂，变成两桥臂型结构，两牵引侧与有源补偿装置联结形式为：牵引变压器次边两牵引侧α和β分别与结构的左右两纵臂并联，而此时牵引母线接于原“∏”结构横臂所在位置，即牵引母线正负极跨接在牵引变压器次边两牵引侧α和β之间。

说明书一种基于模块化级联H桥的有源补偿同相供电系统
技术领域
本发明涉及一种基于模块化级联H桥的有源补偿同相供电系统，特别涉及交流电气化铁路和电力电子技术领域。
背景技术
基于有源补偿技术的电气化铁路同相供电系统是一种较为理想的供电方案，它克服了无源补偿在高频谐振、动态性及灵活性等方面的不足，有效地解决了电分相问题，实现了负序、谐波和无功的综合补偿。受电力电子器件单管电压等级和容量的限制，目前有源补偿装置往往需要借助于中间变压器得以实现。因为电气化铁道牵引网最高电压可达31kV,而目前牵引变流器的功率开关器件最高电压等级为6.5kV，并且器件价格随电压等级升高呈非线性增加。然而，中间变压器的使用是以升高电流换取较低电压的做法，对有源补偿装置的容量并无裨益。这样反而增加了变压器投资和系统损耗，占地面积和设备散热也随之而来，给工程实施带来诸多不便，特别是既有线改造场地受限时更为明显。
通过将多个模块化H桥进行级联，可适应更高的电压等级和容量要求，再加之模块化程度高，易于扩展，谐波特性优秀、开关器件损耗小等特点，可适用于电气化铁路27.5kV电压等级而取消中间变压器环节，补偿装置的过载能力也能得以改善。
本发明提出一种基于模块化级联H桥的有源补偿同相供电系统，实现三相－两相牵引变电所两牵引臂供电到单牵引臂供电的转换，主要用于交流电气化铁路供电场合，亦可用于其它无功、谐波补偿场合。
发明内容
本发明的目的就是提供一种基于模块化级联H桥的有源补偿同相供电系统，取消电分相，实现负序、谐波和无功的综合治理，主要用于交流电气化铁路供电场合，亦可用于其它无功、谐波补偿场合。
本发明解决其技术问题，所采用的技术方案为：一种基于模块化级联H桥的同相供电系统,其特征在于，主要由牵引变压器和级联H桥有源补偿装置组成，其中，牵引变压器原边接于三相电网，次边形成两个牵引侧α和β；级联H桥有源补偿装置由三个级联H桥臂构成“∏”型结构，记“∏”结构上方一桥臂为横臂，另两桥臂为纵臂；即：横臂跨接在牵引变压器次边两牵引侧α和β之间，牵引变压器次边两牵引侧α和β分别与“∏”结构的左右两纵臂并联后再由牵引侧之一α(或β)接于牵引母线，转变两侧供电为单侧供电，即同相供电，以实现负序、无功、谐波的补偿；每个级联H桥臂均由结构相同的H桥模块SM与电感L串联而成；H桥模块SM为二电平单相全桥结构，由四个可控开关和一个直流储能电容构成，可控开关由IGBT与反向二极管并联而成；三个桥臂分别直挂于交流系统，纵臂承受单相交流电压，横臂承受两牵引侧电压差值；桥臂交流电压由SM的直流电容电压Uc组合得到，并由电感L上的电压加以弥补。
本发明的工作原理是：
1，当牵引母线接于牵引变压器次边牵引侧α时，α侧向牵引母线提供(吸收，系再生制动工况)主要功率，剩余功率由β侧通过“∏”型有源补偿装置提供(吸收)，总的负序、无功和谐波标准在国标要求范围内。当牵引母线接于β侧时，情况亦然。当两牵引侧电压相位角相差120度时，称为120度按线，三个级联H桥臂承受的交流电压相等，SM子模块数相等。当两牵引侧电压相位角相差90度时，称为90度接线，横臂承受电压为纵臂电压的倍，SM子模块数目也为纵臂的倍，接有牵引母线的牵引侧仅提供(吸收)有功功率，剩余的有功和全部无功均通过“∏”型有源补偿装置提供(吸收)。各个级联H桥臂结构上彼此独立，无相互耦合联系。由于无共同直流环节，属交－交型变换能量传递系统。通过控制各个级联H桥臂可实现负序、无功、谐波的补偿。当需要进行牵引网防融冰时，只需要牵引母线侧的桥臂产生相应大小的防融冰电流即可。
2，对于已采用大功率交直交型电力机车或动车组的高速和重载铁路，其负荷的功率因数接近于1，可忽略无功功率。在这种情况下，对于120度接线牵引变压器，级联H桥有源补偿装置可省去一个纵臂，变成两桥臂“Г”型结构，两牵引侧与有源补偿装置联结形式为：横臂跨接在牵引变压器次边两牵引侧α和β之 间，纵臂与牵引变压器次边牵引侧之一α(或β)并联后由另一牵引侧β(或α)接于牵引母线；对于90度接线牵引牵引变压器，级联H桥有源补偿装置省去横臂，变成两桥臂“II”型结构，两牵引侧与有源补偿装置联结形式为：牵引变压器次边两牵引侧α和β分别与“II”结构的左右两纵臂并联，而此时牵引母线接于原“∏”结构横臂所在位置，即牵引母线正负端钮跨接在牵引变压器次边两牵引侧α和β之间。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
一、本发明采用“∏”型模块化级联H桥拓扑实现了同相供电系统负序、无功和谐波的补偿，较现有的有源补偿同相供电系统省去了中间变压器，并保证了更好的过负载能力。
二、本发明采用的“∏”结构具有通用性，可适用于各类三相－两相牵引变电所。
三、本发明采用的“∏”结构的变体“Г”、“II”结构，在保证补偿性能的前提下，更利于简化有源补偿装置结构，降低容量。
四、本发明采用无耦合式交－交变换系统，结构简单，易于控制。
五、本发明具备交流牵引网防融冰功能。
六、本发明技术先进、可靠，易于实施。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的描述。
附图说明
图1是本发明实施例1的结构示意图。
图2是本发明实施例2的结构示意图。
图3是本发明实施例3的结构示意图。
图4是本发明实施例的级联H桥臂的结构示意图。
图5是本发明实施例的H桥示意图。
具体实施方式
实施例1
图1示出，本发明的一种具体实施方式为：本发明解决其技术问题，所采 用的技术方案为：一种基于模块化级联H桥的同相供电系统,主要由牵引变压器和级联H桥有源补偿装置组成；其中，牵引变压器为三相－两相变压器YNd11,VV,Scott中的一种，其原边接于三相电网，次边ax和bx为两个牵引侧输出；级联H桥有源补偿装置由三个级联H桥臂构成“∏”型结构，记“∏”结构上方一桥臂MMCc为横臂，另两桥臂为纵臂MMCa、MMCb；牵引变压器次边两牵引侧ax、bx分别与“∏”结构的MMCa、MMCb纵臂并联后再由牵引侧ax接于牵引母线，bx不接牵引母线，因此，可将两侧供电转变为单侧供电，即同相供电。每个级联H桥臂均由结构相同的H桥模块SM与电感L串联而成，如图4所示；H桥模块SM为二电平单相全桥结构，由四个可控开关和一个直流储能电容构成，可控开关由IGBT与反向二极管并联而成，如图5所示。三个桥臂分别直挂于交流系统，MMCa和MMCb承受单相交流电压，MMCc承受两牵引侧电压差值。桥臂交流电压由SM的直流电容电压Uc组合得到，并由电感L上的电压加以弥补。
其工作原理是：
当牵引母线接于牵引变压器次边ax时，ax向牵引母线提供(吸收，系再生制动工况)主要功率，剩余功率由bx通过“∏”型有源补偿装置提供(吸收)，总的负序、无功和谐波标准在国标要求范围内。当牵引母线接于bx时，情况亦然。当两牵引侧电压相位角相差120度时，称为120度接线，三个级联H桥臂承受的交流电压相等，SM子模块数相等。当两牵引侧电压相位角相差90度时，称为90度接线，横臂承受电压为纵臂电压的倍，横臂SM子模块数目也为纵臂的倍，接有牵引母线的牵引侧仅提供(吸收)有功功率，剩余的有功和全部无功均通过“∏”型有源补偿装置提供(吸收)。各个级联H桥臂结构上彼此独立，无相互耦合联系。由于无共同直流环节，属交－交型变换能量传递系统。通过控制各个级联H桥臂可实现负序、无功、谐波的补偿。当需要进行牵引网防融冰时，只需要牵引母线侧的桥臂产生相应大小的防融冰电流即可。
实施例2
当牵引负荷功率因数为1时的情况，将图1中的桥臂MMCa省略，形成图2所示本发明的第二种具体实施方式——120接线“Г”型结构：牵引变压器次边ax连接牵引母线，桥臂MMCc连接牵引变压器次边两相输出ax和bx；桥臂MMCb并联在牵引变压器次边bx。因此，H桥有源补偿装置由两个级联H桥臂构成“Г” 型结构。该结构也可将两侧供电转变为单侧供电，即同相供电。每个级联H桥臂与实施方式1相同。
实施例3
当牵引负荷功率因数为1时的情况，将图1中的桥臂MMCc省略，形成图3所示本发明的第三种具体实施方式——90接线“II”型结构：牵引变压器次边ax和bx分别与桥臂MMCa、MMCb并联，牵引正极母线的接于ax的a端钮，牵引负极母线接于bx的b端钮。因此，H桥有源补偿装置由两个级联H桥臂构成“II”型结构。该结构也可将两侧供电转变为同相供电。由于此时牵引母线电压为牵引侧ax(或bx)的倍，故需将牵引变压器次边电压降为原来的每个级联H桥臂与实施方式1相同。
应用实例：一电气化铁路单相V/V接线牵引变电所，原边进线额定(线)电压(有效值)为220kV，次边两牵引侧额定电压(有效值)均为27.5kV；有源补偿同相供电装置采用基于级联H桥“∏”型结构：两牵引侧ax、bx并联于MMCa、MMCb纵臂，牵引负荷接于ax侧。由于ax与bx的电压相位差为120°，三组级联H桥臂承受的电压相等，都为27.5kV。在完全补偿负序、谐波和无功情况下，通过MMCb和MMCc桥臂的电流为×(负荷有功电流)，通过MMCa桥臂的电流为负荷无功和谐波电流。由于未使用中间变压器，减少了占地和投资，更为可观的是流过桥臂的电流未受变压器抬升，有源补偿装置过载能力得以保障。
本发明三种结构形式的有源补偿装置各个级联H桥臂结构彼此独立，无相互耦合联系；无共同直流环节，属交－交型变换能量传递系统；模块化设计使其具备过负载能力。当牵引母线接于牵引变压器次边牵引侧α时，α侧向牵引母线提供(吸收，系再生制动工况)主要功率，剩余功率由β侧通过“∏”型有源补偿装置提供(吸收)，总的负序、无功和谐波标准在国标要求范围内。当牵引母线接于β侧时，情况亦然。