一種級聯(lián)型無輸入及輸出變壓器的貫通式同相供電系統(tǒng)技術(shù)方案

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種級聯(lián)型無輸入及輸出變壓器的貫通式同相供電系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由三相分別級聯(lián)一個(gè)以上單相-單相結(jié)構(gòu)的交直交變換器而后三相并聯(lián)的電力電子變換裝置組成，級聯(lián)的電力電子變換裝置三相并聯(lián)后直接連接牽引接觸網(wǎng)，通過多模塊級聯(lián)結(jié)構(gòu)，使單相-單相交直交變換器能夠承受較高的電壓等級，同時(shí)提高了變換器輸出的電壓等級，因此可取消輸入、輸出變壓器，三相平均分擔(dān)機(jī)車負(fù)載所需功率，且能量可雙向流動(dòng)。由于輸出電壓幅值、相位、頻率可控制，因此鄰近變電所的接觸網(wǎng)可直接相連，形成貫通牽引供電網(wǎng)絡(luò)。本發(fā)明專利技術(shù)提出能夠取消牽引變電所的輸入、輸出變壓器，解決了牽引變電所中變壓器體積大、質(zhì)量大、檢修麻煩造價(jià)高的缺點(diǎn)，有利于提高牽引變電所容量，降低變電所運(yùn)行成本。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
一種級聯(lián)型無輸入及輸出變壓器的貫通式同相供電系統(tǒng)
本專利技術(shù)涉及一種級聯(lián)型三相-單相變換器裝置，特別是其在無過分相區(qū)間的貫通式同相供電系統(tǒng)中的應(yīng)用。
技術(shù)介紹
目前，世界諸多國家的電氣化鐵路基本均采取三相-兩相(異相)供電模式，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。變電所通過牽引變壓器從三相電網(wǎng)取電降壓后分兩供電臂輸出，為牽引網(wǎng)供電。由于供電臂電壓相位、幅值和頻率難以完全一致，因此各供電臂間須設(shè)置電分相。隨著高速、重載鐵路的發(fā)展，如下問題將更加突出：(1)電能質(zhì)量問題：既有異相牽引供電系統(tǒng)的單相負(fù)荷反映至三相電網(wǎng)會(huì)產(chǎn)生負(fù)序電流，造成三相電壓不平衡，高速重載列車牽引功率的增大，使負(fù)序問題愈發(fā)突出，同時(shí)，還存在無功和諧波等問題。(2)過電分相問題：既有牽引供電系統(tǒng)必然存在電分相，而電分相裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性低，是牽引供電系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)與事故多發(fā)點(diǎn)。(3)供電能力問題：異相供電系統(tǒng)中，牽引網(wǎng)設(shè)置有電分相裝置，牽引變電所之間難以做到相互支援，每個(gè)變電所的牽引變壓器需一主一備，牽引變電所配置的容量難以得到充分利用，供電能力受限。如何解決牽引供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量問題，減少甚至取消電分相裝置是當(dāng)前牽引供電系統(tǒng)研究的熱點(diǎn)問題?；谌?單相變換器的貫通式同相供電系統(tǒng)可以完全取消電分相裝置，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2，牽引變電所結(jié)構(gòu)如圖3。變換器輸出電壓幅值、頻率和相位可控，可使各變電所輸出電壓一致，構(gòu)成貫通供電系統(tǒng)，完全取消牽引網(wǎng)電分相；通過采用適當(dāng)?shù)目刂撇呗裕?單相變換器可平衡無功、補(bǔ)償諧波；牽引網(wǎng)全線貫通，負(fù)荷接入平衡，可消除三相電網(wǎng)的負(fù)序電流；變電所間不再存在供電死區(qū)，各變電所可互為備用，可大大提高牽引供電系統(tǒng)的供電能力與可靠性。因此，貫通式同相供電系統(tǒng)可解決既有牽引供電系統(tǒng)中的電能質(zhì)量和電分相問題，并且可大大提升系統(tǒng)供電能力與可靠性。但是受電力電子器件發(fā)展水平的限制，傳統(tǒng)兩電平三相-單相變換器無法直接接入三相電網(wǎng)，也無法直接輸出27.5kV牽引網(wǎng)電壓，因此，在三相輸入側(cè)須匹配三相降壓變壓器，單相輸出側(cè)匹配單相升壓變壓器。變壓器的存在使得系統(tǒng)對變換器、導(dǎo)線等相應(yīng)的配套設(shè)備要求更高，設(shè)備以及線路損耗也隨之變大，變電所系統(tǒng)也較復(fù)雜，體積和重量難以降低。圖3是基于三相-單相變換器的級聯(lián)型無輸出變壓器的貫通式同相供電系統(tǒng)變電所結(jié)構(gòu)框圖，變電所由與三相電網(wǎng)接入的輸入變壓器及與之輸出端相連的由級聯(lián)一個(gè)以上三相-單相結(jié)構(gòu)的交-直-交變換器所組成，三相-單相變換器級聯(lián)輸出機(jī)車等負(fù)載要求的單相交流電壓。采用級聯(lián)式多電平變換器結(jié)構(gòu)，接口電壓在滿足高于輸出電壓等級的前提下可取消輸出變壓器，提升系統(tǒng)容量。但是，該系統(tǒng)接口電壓、容量和性能受限，輸入仍需匹配三相降壓變壓器。三相降壓變壓器體積和質(zhì)量較大，且造價(jià)較高，限制了變電所的供電容量和建設(shè)能力。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
鑒于現(xiàn)有技術(shù)的不足，本專利技術(shù)的目的是提供一種級聯(lián)型無輸入及輸出變壓器的貫通式同相供電系統(tǒng)，該系統(tǒng)可在無輸入、輸出變壓器的條件下既可以從三相電網(wǎng)吸收并向牽引網(wǎng)提供有功功率，也可以從牽引網(wǎng)吸收并向三相電網(wǎng)回饋有功功率，實(shí)現(xiàn)電氣化鐵路同相供電和牽引網(wǎng)的相互貫通。而且該裝置結(jié)構(gòu)簡單，成本低，其使用，維護(hù)方便。本專利技術(shù)解決其技術(shù)問題，所采用的技術(shù)方案為：一種級聯(lián)型無輸入及輸出變壓器的貫通式同相供電系統(tǒng)，三相電網(wǎng)的每一相(A，B，C)經(jīng)電抗器(LA，LB，LC)再級聯(lián)n(n>1)個(gè)單相-單相PWM變換器(A1～An，B1～Bn，C1～Cn)接出，每相級聯(lián)輸出分別經(jīng)電抗器(La，Lb，Lc)后并聯(lián)直接連接牽引接觸網(wǎng)，輸出機(jī)車及負(fù)載要求之交流電壓與鄰近變電所的接觸網(wǎng)直接相連，形成貫通牽引供電網(wǎng)絡(luò)。其中：a、A相支路第一個(gè)單相-單相PWM變換器A1電網(wǎng)側(cè)正端口A1P經(jīng)電抗器LA與三相電網(wǎng)A相，A1的電網(wǎng)側(cè)負(fù)端口A1n與第二個(gè)單相-單相PWM變換器A2的電網(wǎng)側(cè)正端口A2P相連……，第n-1個(gè)單相-單相PWM變換器A(n-1)的電網(wǎng)側(cè)負(fù)端口A(n-1)N與第n個(gè)單相-單相PWM變換器An的電網(wǎng)側(cè)正端口AnP相連；B、C相支路連接與A相對稱相同；每一相(A，B，C)第n個(gè)單相-單相PWM變換器的電網(wǎng)側(cè)負(fù)端口AnN，BnN，CnN共同連接于O點(diǎn)(相當(dāng)于三相側(cè)星形連接的中性點(diǎn))；b、A相支路第一個(gè)單相-單相PWM變換器A1的牽引網(wǎng)側(cè)負(fù)端口a1n與第二個(gè)單相-單相PWM變換器A2的牽引網(wǎng)側(cè)正端口a2P相連……，第n-1個(gè)單相-單相PWM變換器A(n-1)的牽引網(wǎng)側(cè)負(fù)端口a(n-1)N與第n個(gè)單相-單相PWM變換器An的牽引網(wǎng)側(cè)正端口anP相連；B、C相支路連接與A相對稱相同；每一相(A，B，C)第1個(gè)單相-單相PWM變換器的牽引網(wǎng)側(cè)正端口a1P，b1P，c1P共同連接于牽引網(wǎng)正端P點(diǎn)；每一相(A，B，C)第n個(gè)單相-單相PWM變換器的牽引網(wǎng)側(cè)負(fù)端口anN，bnN，cnN共同連接于牽引網(wǎng)負(fù)端N點(diǎn)。所述單相-單相PWM變換器主要由單相PWM整流電路、雙向DC-DC變換電路和單相PWM逆變電路組成。圖6為可實(shí)現(xiàn)本專利技術(shù)的基于兩電平H橋單相-單相變換器結(jié)構(gòu)圖。圖中Smn表示第m個(gè)橋臂的第n個(gè)編號的開關(guān)器件，C1…Cn表示直流電容。單相PWM整流器直流側(cè)輸出經(jīng)DC/DC變換器降壓再經(jīng)單相PWM整流器逆變成單相交流電，每一相的多個(gè)單相-單相變換器整流側(cè)與逆變側(cè)分別級聯(lián)獲得高電壓等級的輸入和輸出。需要說明的是，根據(jù)實(shí)際需求，變換器可以是兩電平結(jié)構(gòu)，也可以是多電平結(jié)構(gòu)，例如，圖7所示的基于三電平二極管箝位H橋結(jié)構(gòu)的單相-單相PWM變換器，以及圖8所示的基于n電平二極管箝位H橋結(jié)構(gòu)的單相-單相PWM變換器。采用本專利技術(shù)的結(jié)構(gòu)，單相-單相變換器級聯(lián)結(jié)構(gòu)承受高壓，三相級聯(lián)后并聯(lián)輸出取消牽引變電所的輸入、輸出變壓器，A、B、C三相平均分擔(dān)機(jī)車負(fù)載所需功率，且能量可雙向流動(dòng)，提高牽引變電所容量，降低變電所運(yùn)行成本。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本專利技術(shù)有益效果是：1、本專利技術(shù)提出的級聯(lián)型無輸入、輸出變壓器的貫通式同相供電系統(tǒng)可以取消輸入、輸出變壓器，有效提高變電所容量，減小變電所占地面積，降低牽引變電所造價(jià)和維護(hù)成本。2、每相的單相-單相變換器級聯(lián)以后并聯(lián)輸出，在實(shí)際工作中每相電路均分電流，不僅擴(kuò)展了變電所的容量，同時(shí)也保證了三相電網(wǎng)的平衡。3、由于單相兩電平逆變器輸出電壓相位、頻率和幅值完全可控，因此可以根據(jù)供電臂的電壓信息調(diào)整逆變器輸出的電壓相位、頻率和幅值，使之滿足并網(wǎng)要求，相鄰變電所可實(shí)現(xiàn)貫通供電。附圖說明圖1是既有異相牽引供電系統(tǒng)簡圖；圖2是基于三相-單相變換器的貫通式同相供電系統(tǒng)簡圖；圖3是基于三相-單相PWM變換器的貫通式同相供電系統(tǒng)變電所結(jié)構(gòu)；圖4是基于三相-單相PWM變換器的無輸出變壓器的貫通式同相供電系統(tǒng)；圖5是本專利技術(shù)級聯(lián)型無輸入、輸出變壓器的貫通式同相供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；圖6是本專利技術(shù)基于兩電平H橋結(jié)構(gòu)的單相-單相PWM變換器；圖7是本專利技術(shù)基于三電平二極管箝位H橋結(jié)構(gòu)的單相-單相PWM變換器；圖8是本專利技術(shù)基于n電平二極管箝位H橋結(jié)構(gòu)的單相-單相PWM變換器。具體實(shí)施方式圖5是本專利技術(shù)級聯(lián)型無輸入及輸出變壓器的貫通式同相供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，三相電網(wǎng)的每一相(A，B，C)經(jīng)電抗器(LA，LB，LC)再級聯(lián)n(n>1)個(gè)單相-單相PWM變換器(A1～An，B1～Bn，本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種級聯(lián)型無輸入及輸出變壓器的貫通式同相供電系統(tǒng)，其特征在于，三相電網(wǎng)的每一相(A，B，C)經(jīng)電抗器(LA，LB，LC)再級聯(lián)n(n>1)個(gè)單相?單相PWM變換器(A1～An，B1～Bn，C1～Cn)接出，每相級聯(lián)輸出分別經(jīng)電抗器(La，Lb，Lc)后并聯(lián)直接連接牽引接觸網(wǎng)，輸出機(jī)車及負(fù)載要求之交流電壓與鄰近變電所的接觸網(wǎng)直接相連，形成貫通牽引供電網(wǎng)絡(luò)；其中：a、A相支路第一個(gè)單相?單相PWM變換器A1電網(wǎng)側(cè)正端口A1P經(jīng)電抗器LA與三相電網(wǎng)A相，A1的電網(wǎng)側(cè)負(fù)端口A1n與第二個(gè)單相?單相PWM變換器A2的電網(wǎng)側(cè)正端口A2P相連……，第n?1個(gè)單相?單相PWM變換器A(n?1)的電網(wǎng)側(cè)負(fù)端口A(n?1)N與第n個(gè)單相?單相PWM變換器An的電網(wǎng)側(cè)正端口AnP相連；B、C相支路連接與A相對稱相同；每一相(A，B，C)第n個(gè)單相?單相PWM變換器的電網(wǎng)側(cè)負(fù)端口AnN，BnN，CnN共同連接于O點(diǎn)；b、A相支路第一個(gè)單相?單相PWM變換器A1的牽引網(wǎng)側(cè)負(fù)端口a1n與第二個(gè)單相?單相PWM變換器A2的牽引網(wǎng)側(cè)正端口a2P相連……，第n?1個(gè)單相?單相PWM變換器A(n?1)的牽引網(wǎng)側(cè)負(fù)端口a(n?1)N與第n個(gè)單相?單相PWM變換器An的牽引網(wǎng)側(cè)正端口anP相連；B、C相支路連接與A相對稱相同；每一相(A，B，C)第1個(gè)單相?單相PWM變換器的牽引網(wǎng)側(cè)正端口a1P，b1P，c1P共同連接于牽引網(wǎng)正端P點(diǎn)；每一相(A，B，C)第n個(gè)單相?單相PWM變換器的牽引網(wǎng)側(cè)負(fù)端口anN，bnN，cnN共同連接于牽引網(wǎng)負(fù)端N點(diǎn)。...

【技術(shù)特征摘要】
1.一種級聯(lián)型無輸入及輸出變壓器的貫通式同相供電系統(tǒng)，其特征在于，三相電網(wǎng)的每一相(A，B，C)經(jīng)電抗器(LA，LB，LC)再級聯(lián)n(n>1)個(gè)單相-單相PWM變換器(A1～An，B1～Bn，C1～Cn)接出，每相級聯(lián)輸出分別經(jīng)電抗器(La，Lb，Lc)后并聯(lián)直接連接牽引接觸網(wǎng)，輸出機(jī)車及負(fù)載要求之交流電壓與鄰近變電所的接觸網(wǎng)直接相連，形成貫通牽引供電網(wǎng)絡(luò)；其中：a、A相支路第一個(gè)單相-單相PWM變換器A1電網(wǎng)側(cè)正端口A1P經(jīng)電抗器LA與三相電網(wǎng)A相，A1的電網(wǎng)側(cè)負(fù)端口A1n與第二個(gè)單相-單相PWM變換器A2的電網(wǎng)側(cè)正端口A2P相連……，第n-1個(gè)單相-單相PWM變換器A(n-1)的電網(wǎng)側(cè)負(fù)端口A(n-1)N與第n個(gè)單相-單相PWM變換器An的電網(wǎng)側(cè)正端口AnP相連；B、C相支路連接與A相對稱相同；每一相(A，B，C)第n個(gè)單相-單相PWM變換器的電網(wǎng)側(cè)負(fù)端口AnN，BnN，CnN共同連接于O點(diǎn)；b、A相支路第一個(gè)...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：何曉瓊，彭旭，趙晨，周瑛英，舒澤亮，
申請(專利權(quán))人：西南交通大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：四川;51