專利名稱：基于三電平半橋結(jié)構(gòu)的高速鐵路功率調(diào)節(jié)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鐵路功率調(diào)節(jié)器，特別涉及一種基于三電平半橋結(jié)構(gòu)的高速鐵 路功率調(diào)節(jié)器。
背景技術(shù)：
隨著電氣化鐵路朝著高速、大功率的發(fā)展，其電力牽引系統(tǒng)的電能質(zhì)量問題變 得越來越至關(guān)重要。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(fù)序電流，給 電力系統(tǒng)中的發(fā)電、輸電和變電設(shè)備的運(yùn)行帶來嚴(yán)重危害，嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)的安全經(jīng) 濟(jì)運(yùn)行。另外，高速鐵路電力機(jī)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(fù)序和諧波電流。
隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外有很多的柔性交流輸變電系統(tǒng)被用來實(shí)現(xiàn)電 力系統(tǒng)的負(fù)序，無功和諧波等電能質(zhì)量的綜合治理。針對電氣化鐵路的負(fù)序、諧波問 題，國內(nèi)外已出現(xiàn)一些補(bǔ)償措施。國內(nèi)廣泛采用SVC，STATCOM或者APF等功率補(bǔ)償 裝置，安裝在牽引變壓器的三相側(cè)或者牽引側(cè)，進(jìn)行無功和諧波補(bǔ)償，減小負(fù)序電流和 提高功率因數(shù)。國外也有通過采用在三相側(cè)安裝STATCOM或者在牽引側(cè)安裝鐵路功率 調(diào)節(jié)器等裝置，來進(jìn)行牽引供電系統(tǒng)的負(fù)序，無功和諧波的綜合補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)鐵路電 能質(zhì)量的綜合治理，但其成本很高且控制復(fù)雜。
由于牽引供電系統(tǒng)是高壓大容量系統(tǒng)，現(xiàn)有的開關(guān)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(guān)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(jī) 繞組絕緣擊穿；2、高頻開關(guān)產(chǎn)生很大的器件電壓應(yīng)力和開關(guān)損耗，使效率降低；幻高頻 開關(guān)動作對附近的通訊或其它電子設(shè)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，日本長R科技大學(xué)的南波江章等人在IEEE工業(yè)應(yīng)用IAS年會上提出中 點(diǎn)鉗位(NPC)三電平鐵路功率調(diào)節(jié)器，這種結(jié)構(gòu)可以使主電路開關(guān)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(shí)現(xiàn)高壓輸出，并且各開關(guān)器件間沒有均壓問題存在，減少了產(chǎn)品的設(shè)計， 提高了設(shè)備的可靠性。這種三電平鐵路功率調(diào)節(jié)器的具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。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和包含背靠背結(jié)構(gòu)的兩個 單相三電平H橋變流器3，且共用一對直流側(cè)電容。這種鐵路功率調(diào)節(jié)器包含16個功率 開關(guān)器件，功率器件多，成本高，電路復(fù)雜。發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有技術(shù)的上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種結(jié)構(gòu)簡單、成本低、效果 好的基于三電平半橋結(jié)構(gòu)的高速鐵路功率調(diào)節(jié)器。
本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案是由兩個單相降壓變壓器、兩個輸出電 抗器和一個三電平功率變換模塊組成，所述兩個單相降壓變壓器原邊與牽引供電系統(tǒng)中的兩單相供電臂連接，兩個單相降壓變壓器副邊經(jīng)輸出電抗器與三電平功率變換模塊相 連，所述三電平功率變換模塊由兩個三電平半橋變換器和兩個串聯(lián)電容組成，兩單相降 壓變壓器副邊非浮地線通過輸出電抗器分別與三電平功率變換模塊的開關(guān)臂中點(diǎn)連接， 降壓變壓器浮地與三電平功率變換模塊兩電容的中點(diǎn)連接。
本發(fā)明的技術(shù)效果在于本發(fā)明采用兩個三電平半橋變換器構(gòu)成，與采取兩個 背靠背的三電平H橋變流器的鐵路功率調(diào)節(jié)器相比，要減少8個功率開關(guān)器件，使鐵路功 率調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)更簡單，成本也大幅降低，并提高了補(bǔ)償系統(tǒng)的可靠性。
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。


圖1為現(xiàn)有鐵路功率補(bǔ)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為本發(fā)明的負(fù)序補(bǔ)償原理圖。
圖4-圖9為本發(fā)明中三電平半橋變換器工作原理圖。
具體實(shí)施方式
上述圖1、圖2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4一輸出電抗器5—鐵路功率調(diào)節(jié)器6—三電平功率變換模塊7—基于三電平半 橋結(jié)構(gòu)的高速鐵路功率調(diào)節(jié)器8-V/V牽引變壓器。
參見圖2，圖2為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)圖。
本發(fā)明的補(bǔ)償對象為采用三相V/V牽引變壓器8的高速鐵路供電系統(tǒng)。本發(fā)明 提出的基于三電平半橋結(jié)構(gòu)的高速鐵路功率調(diào)節(jié)器7由兩個單相降壓變壓器2，兩個輸出 電抗器4和三電平功率變換模塊6組成。兩個單相降壓變壓器的原邊分別與兩單相牽引 供電臂連接，并將兩單相降壓變壓器副邊與三電平功率變換模塊相連接。其中兩單相降 壓變壓器副邊非浮地線通過輸出電抗器分別與三電平功率變換模塊的開關(guān)臂中點(diǎn)連接， 降壓變壓器浮地與功率變換模塊兩電容的中點(diǎn)連接在一起。定義圖中與三相V/V變壓器副邊ac端連接的供電臂為ff相，另一臂為應(yīng)相。
本發(fā)明與三電平結(jié)構(gòu)的鐵路功率調(diào)節(jié)器比較，節(jié)省了一對開關(guān)臂即8個功率開 關(guān)器件。因此，這種補(bǔ)償結(jié)構(gòu)更為精簡，降低了硬件的成本和復(fù)雜度，提高了補(bǔ)償系統(tǒng) 的可靠性，將大大利于該補(bǔ)償系統(tǒng)的模塊化大功率發(fā)展。
參見圖3，圖3為本發(fā)明中的V/V牽引結(jié)構(gòu)下的功率調(diào)節(jié)器的負(fù)序補(bǔ)償原理圖。
由于高速鐵路機(jī)車一般為交直交電力機(jī)車，采取四象限PWM脈沖整流控制方式，功率因數(shù)接近1。假設(shè)β相供電臂有機(jī)車負(fù)載電流為Λ ,而於相供電臂機(jī)車負(fù)載 電流為1#。υΛ、Ub、UeSvzV牽引系統(tǒng)的原邊三相電壓，Ua、&為牽引變壓 器副邊兩橋臂電壓，其相角相差Jf/3。在鐵路功率調(diào)節(jié)器補(bǔ)償前，兩橋臂分別有有功機(jī) 車負(fù)載電流Jai, 1β1。首先通過綜合補(bǔ)償裝置將兩牽引臂有功電流差值的一半(即為
權(quán)利要求
1. 一種基于三電平半橋結(jié)構(gòu)的高速鐵路功率調(diào)節(jié)器，由兩個單相降壓變壓器、兩個 輸出電抗器和一個三電平功率變換模塊組成，所述兩個單相降壓變壓器原邊與牽引供電 系統(tǒng)中的兩單相供電臂連接，兩個單相降壓變壓器副邊經(jīng)輸出電抗器與三電平功率變換 模塊相連，其特征在于所述三電平功率變換模塊由兩個三電平半橋變換器和兩個串聯(lián) 電容組成，兩單相降壓變壓器副邊非浮地線通過輸出電抗器分別與三電平功率變換模塊 的開關(guān)臂中點(diǎn)連接，降壓變壓器浮地與三電平功率變換模塊兩電容的中點(diǎn)連接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于三電平半橋結(jié)構(gòu)的高速鐵路功率調(diào)節(jié)器。它由兩個單相降壓變壓器、兩個輸出電抗器和一個三電平功率變換模塊組成，所述兩個單相降壓變壓器原邊與牽引供電系統(tǒng)中的兩單相供電臂連接，兩個單相降壓變壓器副邊經(jīng)輸出電抗器與三電平功率變換模塊相連。本發(fā)明與采用兩個三電平H橋變流器的結(jié)構(gòu)相比，減少了一對三電平半橋變換器即8個功率開關(guān)管，將原來的有源容量成本下降了一倍，在完成同樣功能的前提下，減小了補(bǔ)償系統(tǒng)的硬件成本和復(fù)雜度，提高了補(bǔ)償系統(tǒng)的可靠性。
文檔編號H02J3/18GK102025162SQ20101057838
公開日2011年4月20日 申請日期2010年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月8日
發(fā)明者蘭征, 孫運(yùn)賓, 楚烺, 王曉, 羅安, 馬伏軍 申請人:湖南大學(xué)