一種電氣化鐵道用直掛式大容量電能質量綜合治理裝置制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種電氣化鐵道用直掛式大容量電能質量綜合治理裝置，包括有源補償系統和無源補償系統，所述無源補償系統包含兩臺用來濾除高次諧波并提供部分容性無功功率的無源高通濾波器；所述有源補償系統由多個有源補償單元并聯而成。本發明具有結構簡單、成本低廉、可靠性好、能解決多種電能質量問題等優點。
【專利說明】一種電氣化鐵道用直掛式大容量電能質量綜合治理裝置
【技術領域】
[0001]本發明主要涉及到電氣化鐵路牽引供電系統領域，特指一種適用于電氣化鐵道的直掛式大容量電能質量綜合治理裝置。
【背景技術】
[0002]鑒于速度快、運量大、綜合效益突出等優勢，電氣化鐵路是鐵路發展的必然趨勢。電氣化鐵路的發展給交流牽引供電系統提出了更高的要求。由于機車負載的特殊性，牽引供電系統存在一系列的電能質量問題。電氣化鐵路牽引供電系統不同于一般三相電力系統。對于供電給牽引變電站的三相電力系統來說，牽引負荷具有非線性、不對稱及波動性等特點。因此，牽引負荷會給電力系統帶來諸多電能質量問題，如:諧波超標、負序過大、功率因數不達標、電壓波動及閃變等，牽引網電能質量的下降將導致保護誤動、系統諧振、機車出力減小甚至停運等故障。
[0003]為解決牽引供電系統在異相供電模式下的一系列電能質量問題，許多科研工作者進行了深入研究，已提出不少實現方案。用來解決諧波、無功、負序、電壓波動等電能質量問題的有效措施之一便是在牽引供電系統的牽引側裝設補償裝置。相比于無源補償，有源補償(或混合補償)裝置具有許多優點，是牽引供電系統補償技術的發展方向。然而在高壓大容量應用領域中，有源補償裝置通常采用工頻變壓器接入電網，笨重的工頻變壓器增加了補償裝置的成本、體積及損耗，并且會惡化裝置的動態響應特性及補償效果。隨著級聯型多電平技術的發展，高壓直掛式補償裝置引起了人們的廣泛關注。從理論上說，只要等效開關頻率足夠高，補償裝置就有可能實現對高次諧波的補償，但這種補償裝置成本過高，控制較復雜。鑒于實際控制系統的固有延時及裝置本身的惰性，用純有源裝置實現對富含高次諧波電流的負載(如:基于交流傳動的高速列車)進行諧波補償的難度非常大。
[0004]由上述分析可知，針對電氣化鐵路電能質量治理，目前所采用的治理策略還存在一定局限性，主要體現為:
[0005]1、補償裝置需采用變壓器接入牽引網，笨重的工頻變壓器增加了補償裝置的成本、體積及損耗，并且會惡化裝置的動態響應特性及補償效果。采用多重化變壓器時，各繞組間的電磁耦合會增加控制系統的設計難度。
[0006]2、基于晶閘管的補償裝置響應速度較慢，裝置本身會產生諧波電流。
[0007]3、直掛式補償裝置的設計不盡合理，實現模塊化設計的難度較大。功率模塊不具備旁路功能，裝置無法實現冗余運行。
[0008]4、基于純有源補償的治理策略經濟性不佳、治理效果有限。

【發明內容】

[0009]本發明要解決的技術問題就在于:針對現有技術存在的技術問題，本發明提供一種結構簡單、成本低廉、可靠性好、能解決多種電能質量問題的電氣化鐵道用直掛式大容量電能質量綜合治理裝置。[0010]為解決上述技術問題，本發明采用以下技術方案:
[0011]一種電氣化鐵道用直掛式大容量電能質量綜合治理裝置，包括有源補償系統和無源補償系統，所述無源補償系統包含兩臺用來濾除高次諧波并提供部分容性無功功率的無源高通濾波器；所述有源補償系統由多個有源補償單元并聯而成。
[0012]作為本發明的進一步改進:
[0013]所述無源高通濾波器安裝于牽引網末端的分區所或開閉所，所述有源補償系統的兩個交流側分別接于牽引變壓器的兩個異相供電臂與地之間。
[0014]所述有源補償單元由兩個連接電抗、若干個具有高頻隔離環節的PET功率模塊級聯而成。
[0015]所述PET功率模塊包含左側AC/DC變流器、右側AC/DC變流器及諧振型雙向高頻隔尚DC-DC變流器。
[0016]所述左側AC/DC變流器為單相半橋變流電路，所述單相半橋電路的交流側出口并聯一個雙向半導體旁路開關K1，所述左側AC/DC變流器的直流側由兩個電容C2串聯而成，每個電容C2均并聯一個電阻R1，在左側AC/DC變流器的正-負直流母線之間設置Ll-Cl諧振濾波支路；所述右側AC/DC變流器的結構與左側AC/DC變流器相同。
[0017]所述左側AC/DC變流器為單相全橋變流器、單相半橋二極管鉗位型AC-DC變流器或飛跨電容型多電平變流器；所述右側AC/DC變流器的結構與左側AC/DC變流器相同。
[0018]所述諧振型雙向高頻隔離DC-DC變流器包括半橋電路、Lr-Lm-Cr諧振電路、高頻變壓器，諧振型雙向高頻隔離DC-DC變流器在高頻變壓器一次側實現零電壓開關與小電流關斷，在高頻變壓器二次側實現零電流開關；所述Lr-Lm-Cr諧振電路包括電感元件Lr、Lm及電容元件Cr ;所述諧振型雙向高頻隔離DC-DC變流器分別與左側AC/DC變流器、右側AC/DC變流器共用直流母線。
[0019]與現有技術相比，本發明的優點在于:
[0020]1、本發明的電氣化鐵道用直掛式大容量電能質量綜合治理裝置，將有源補償與無源補償相結合，充分利用各自的優點并有效降低裝置成本。此結構能實現高壓直掛式大容量輸出、顯著提高裝置的運行可靠性、減小傳導電磁干擾及降低系統設計難度。依據實際容量需求，該裝置能實現各子系統的靈活配置。各有源補償單元既可獨立工作，也能并列運行。針對不同的補償目標，本裝置能靈活選擇控制模式并實現多目標最優協調控制，提供電氣化鐵路電能質量問題的系統解決方案。即，本裝置的各個有源補償單元可靈活選擇不同的控制模式，不同控制模式之間可分配不同的優先級。在選定補償目標后，補償系統的各補償單元可作為一個整體，實現并列運行控制或主從控制。補償系統的各補償單元也可分別依據不同的補償目標優先級，選擇不同的控制模式，以此實現各補償單元的獨立控制。
[0021]2、本發明中有源補償系統包含若干個完全一致的有源補償單元，每個有源補償單元均由若干個PET功率模塊級聯而成，根據實際工況，可靈活確定有源補償單元的個數。由多個有源補償單元組成的有源補償系統能顯著提高裝置的運行可靠性，并減小裝置的傳導電磁干擾。進一步，該結構還能實現旁路運行、諧振軟開關、二次脈動抑制等功能，且易于模塊化設計。
[0022]3、本發明中基于LLC諧振半橋變流器設計的PET功率模塊，能有效提高器件開關頻率、降低高頻隔離變壓器的體積與重量，并減小裝置損耗及功率器件個數。該PET功率模塊無需采用其它措施就能自動平衡高頻變壓器中的直流分量，不易發生直流磁飽和。在故障狀態下，PET功率模塊能實現旁路功能。
[0023]4、本發明中無源補償系統安裝于牽引網末端的分區所(或開閉所)，用以濾除高次諧波電流(13次以上，不含13次)，同時兼顧提高牽引網末端電壓、補償機車無功功率等功倉泛。
[0024]5、本發明具有滿足高壓、大容量、高效、高可靠性等特點，且能綜合解決諧波、無功、負序、電壓波動及閃變等問題，進一步本發明還滿足了高性價比的要求。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]圖1是本發明的結構框架原理示意圖。
[0026]圖2是本發明在具體應用實例中采用AC-DC單相半橋變流器的拓撲結構原理示意圖。
[0027]圖3是本發明在具體應用實例中諧振型雙向高頻隔離DC-DC變流器的拓撲結構原理示意圖。
[0028]圖4是本發明在具體應用實例中采用AC-DC單相全橋變流器的拓撲結構原理示意圖。
[0029]圖5是本發明在具體應用實例中采用單相半橋二極管鉗位型AC-DC變流器的拓撲結構原理示意圖。
[0030]圖6是本發明在基于AT供電的牽引系統中應用時的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0031]以下將結合說明書附圖和具體實施例對本發明做進一步詳細說明。
[0032]如圖1所示，本發明的種電氣化鐵道用直掛式大容量電能質量綜合治理裝置，包括有源補償系統和無源補償系統；其中，無源補償系統包含兩臺無源高通濾波器，用來濾除高次諧波(13次以上，不含13次)，并提供部分容性無功功率。有源補償系統由多個補償單元并聯而成，為簡化分析，本實施例中以僅包含兩個并聯的有源補償單元為例，即有源補償單元A與有源補償單元B。有源補償單元A與有源補償單元B的拓撲結構完全一致，均由兩個連接電抗與若干個具有高頻隔離環節的AC-DC-AC-DC-AC型電力電子變壓器(PET)功率模塊級聯而成。有源補償單元A與有源補償單元B并聯后，直掛于牽引網的兩個異相供電臂與地之間。在確定的容量需求工況下，有源補償單元A與有源補償單元B的并聯結構能減小裝置在高壓大容量工況下的傳導電磁干擾、提高裝置的可靠性，并可減小單個PET功率單元的重量、體積、損耗等，由此可有效降低系統的設計難度。
[0033]其中，PET功率模塊包含左、右側兩個AC/DC變流器及諧振型雙向高頻隔離DC-DC
變流器。
[0034]左側AC/DC變流器為單相半橋變流電路，如圖2所示為左側AC/DC變流器的拓撲結構示意圖，單相半橋電路的交流側出口并聯一個雙向半導體旁路開關Kl。左側AC/DC變流器的直流側由兩個電容C2串聯而成，每個電容C2均并聯一個電阻R1，以實現放電及均壓功能。在變流器正-負直流母線之間設置Ll-Cl諧振濾波支路，以抑制變流器直流側電壓存在的“二次紋波”。[0035]諧振型雙向高頻隔離DC-DC變流器(LLC DC-DC諧振變流器)包括半橋電路、Lr-Lm-Cr諧振電路、高頻變壓器(HFT)，如圖3所示為諧振型雙向高頻隔離DC-DC變流器的拓撲結構示意圖。諧振型雙向高頻隔離DC-DC變流器在高頻變壓器一次側可實現零電壓開關(ZVS )與小電流關斷，在高頻變壓器二次側可實現零電流開關(ZCS )。Lr-Lm-Cr諧振電路包括電感元件Lr、Lm及電容元件Cr，電感元件Lr、Lm可利用高頻變壓器的漏抗與勵磁電抗實現。諧振型雙向高頻隔離DC-DC變流器分別與左、右兩側的AC-DC變流器共用直流母線。
[0036]右側AC/DC變流器與左側AC/DC變流器的結構完全一致。可以理解，在其他實施例中，也可以右側AC/DC變流器和左側AC/DC變流器也可以采用單相全橋變流器(如圖4)、單相半橋二極管鉗位型AC-DC變流器(如圖5)或飛跨電容型多電平變流器等其他類型的拓撲結構，這些也應在本發明的保護范圍之內。
[0037]本發明為混合型治理裝置，為避免高通濾波器引發系統諧振，不能采用基于負載電流檢測的工作模式，而需采用基于牽引網母線電流檢測的工作模式，從而構成閉環控制系統。閉環控制系統將產生諧振的傳遞函數包含在閉環內，只要選擇適當的校正環節即可抑制諧振。為減小無源高通濾波器與有源補償系統之間的耦合，充分利用有源與無源補償各自的優點，諧波電流跟蹤控制采用指定次諧波電流分頻控制，其具體實現策略可采用基于多同步旋轉坐標系的分頻控制或比例-諧振控制。有源補償系統的控制器設計分三部分:左側AC/DC變流器控制、右側AC/DC變流器控制、中間諧振DC-DC變流器控制。鑒于PET功率單元的對稱結構，可基于單相級聯型多電平變流器的數學模型設計左、右兩側AC/DC變流器的控制策略。中間諧振DC-DC變流器工作于開關頻率固定、占空比為50%的脈沖寬度調制模式。開關頻率的選擇必須小于諧振頻率，以便實現隔離變壓器一次側的零電壓開通及小電流關斷。為減小諧振變流器直流側電容電壓的波動，可在各路PWM載波信號中插入相移。依據能量流動的方向，可使諧振變流器的一側工作于PWM模式，另一側工作于二極管整流模式，由此可簡化控制器設計及實現能量的雙向流動。
[0038]當本發明的電能質量治理裝置實現綜合補償功能時，需考慮多目標補償之間的協調控制。針對不同的補償目標，本裝置的各個有源補償單元可靈活選擇不同的控制模式，不同控制模式之間可分配不同的優先級。在選定補償目標后，補償系統的各補償單元可作為一個整體，實現并列運行控制或主從控制。補償系統的各補償單元也可分別依據不同的補償目標優先級，選擇不同的控制模式，以此實現各補償單元的獨立控制。通過將優化算法與控制模式相結合，可實現補償系統的多目標最優協調控制。
[0039]鑒于AT供電模式的優越性，本實施例中，以AT供電牽引變電站為例進一步描述本發明電能質量綜合治理裝置的補償原理，可以理解，本發明并不局限于AT供電牽引變電站，也能應用于其他供電模式的牽引變電站。
[0040]本發明具體應用于采用AT供電模式的牽引變電站后，其配置方式如圖6所示。無源高通濾波器(HPF)安裝于牽引網末端的分區所或開閉所，主要負責濾除高次諧波(13次以上，不含13次)，并能提高牽引網末端電壓及補償機車無功功率。有源補償系統的兩個交流側分別接于牽引變壓器的兩個異相供電臂與地之間。有源補償系統用于實現無功與低次諧波補償(13次以下，包含13次)、治理負序、抑制電壓波動及閃變。
[0041](I)負序治理:
[0042]設電源電壓三相對稱，且幅值為U，分別表示為:
【權利要求】
1.一種電氣化鐵道用直掛式大容量電能質量綜合治理裝置，其特征在于，包括有源補償系統和無源補償系統，所述無源補償系統包含兩臺用來濾除高次諧波并提供部分容性無功功率的無源高通濾波器；所述有源補償系統由多個有源補償單元并聯而成。
2.根據權利要求1所述的電氣化鐵道用直掛式大容量電能質量綜合治理裝置，其特征在于，所述無源高通濾波器安裝于牽引網末端的分區所或開閉所，所述有源補償系統的兩個交流側分別接于牽引變壓器的兩個異相供電臂與地之間。
3.根據權利要求1或2所述的電氣化鐵道用直掛式大容量電能質量綜合治理裝置，其特征在于，所述有源補償單元由兩個連接電抗、若干個具有高頻隔離環節的PET功率模塊級聯而成。
4.根據權利要求3所述的電氣化鐵道用直掛式大容量電能質量綜合治理裝置，其特征在于，所述PET功率模塊包含左側AC/DC變流器、右側AC/DC變流器及諧振型雙向高頻隔離DC-DC變流器。
5.根據權利要求4所述的電氣化鐵道用直掛式大容量電能質量綜合治理裝置，其特征在于，所述左側AC/DC變流器為單相半橋變流電路，所述單相半橋電路的交流側出口并聯一個雙向半導體旁路開關K1，所述左側AC/DC變流器的直流側由兩個電容C2串聯而成，每個電容C2均并聯一個電阻R1，在左側AC/DC變流器的正-負直流母線之間設置Ll-Cl諧振濾波支路；所述右側AC/DC變流器的結構與左側AC/DC變流器相同。
6.根據權利要求4所述的電氣化鐵道用直掛式大容量電能質量綜合治理裝置，其特征在于，所述左側AC/DC變流器為單相全橋變流器、單相半橋二極管鉗位型AC-DC變流器或飛跨電容型多電平變流器；所述右側AC/DC變流器的結構與左側AC/DC變流器相同。
7.根據權利要求4所述的電氣化鐵道用直掛式大容量電能質量綜合治理裝置，其特征在于，所述諧振型雙向高頻隔離DC-DC變流器包括半橋電路、Lr-Lm-Cr諧振電路、高頻變壓器，諧振型雙向高頻隔離DC-DC變流器在高頻變壓器一次側實現零電壓開關與小電流關斷，在高頻變壓器二次側實現零電流開關；所述Lr-Lm-Cr諧振電路包括電感元件Lr、Lm及電容元件Cr ;所述諧振型雙向高頻隔離DC-DC變流器分別與左側AC/DC變流器、右側AC/DC變流器共用直流母線。
【文檔編號】H02J3/01GK103560508SQ201310449793
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年9月27日 優先權日:2013年9月27日
【發明者】曹洋, 仇樂兵, 唐建宇, 徐萬良, 彭勃, 林麗, 周方圓, 譚勝武, 陳孟君, 田華貴, 黃超, 李保國, 劉永麗, 呂順凱, 張 杰 申請人:株洲變流技術國家工程研究中心有限公司