一種級聯型無輸入及輸出變壓器的貫通式同相供電系統技術方案

本發明專利技術公開了一種級聯型無輸入及輸出變壓器的貫通式同相供電系統。該系統主要由三相分別級聯一個以上單相-單相結構的交直交變換器而后三相并聯的電力電子變換裝置組成，級聯的電力電子變換裝置三相并聯后直接連接牽引接觸網，通過多模塊級聯結構，使單相-單相交直交變換器能夠承受較高的電壓等級，同時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，三相平均分擔機車負載所需功率，且能量可雙向流動。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可直接相連，形成貫通牽引供電網絡。本發明專利技術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、質量大、檢修麻煩造價高的缺點，有利于提高牽引變電所容量，降低變電所運行成本。

【技術實現步驟摘要】
一種級聯型無輸入及輸出變壓器的貫通式同相供電系統
本專利技術涉及一種級聯型三相-單相變換器裝置，特別是其在無過分相區間的貫通式同相供電系統中的應用。
技術介紹
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，其結構如圖1所示。變電所通過牽引變壓器從三相電網取電降壓后分兩供電臂輸出，為牽引網供電。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置電分相。隨著高速、重載鐵路的發展，如下問題將更加突出：(1)電能質量問題：既有異相牽引供電系統的單相負荷反映至三相電網會產生負序電流，造成三相電壓不平衡，高速重載列車牽引功率的增大，使負序問題愈發突出，同時，還存在無功和諧波等問題。(2)過電分相問題：既有牽引供電系統必然存在電分相，而電分相裝置結構復雜、可靠性低，是牽引供電系統的薄弱環節與事故多發點。(3)供電能力問題：異相供電系統中，牽引網設置有電分相裝置，牽引變電所之間難以做到相互支援，每個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的電能質量問題，減少甚至取消電分相裝置是當前牽引供電系統研究的熱點問題。基于三相-單相變換器的貫通式同相供電系統可以完全取消電分相裝置，系統結構如圖2，牽引變電所結構如圖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，構成貫通供電系統，完全取消牽引網電分相；通過采用適當的控制策略，三相-單相變換器可平衡無功、補償諧波；牽引網全線貫通，負荷接入平衡，可消除三相電網的負序電流；變電所間不再存在供電死區，各變電所可互為備用，可大大提高牽引供電系統的供電能力與可靠性。因此，貫通式同相供電系統可解決既有牽引供電系統中的電能質量和電分相問題，并且可大大提升系統供電能力與可靠性。但是受電力電子器件發展水平的限制，傳統兩電平三相-單相變換器無法直接接入三相電網，也無法直接輸出27.5kV牽引網電壓，因此，在三相輸入側須匹配三相降壓變壓器，單相輸出側匹配單相升壓變壓器。變壓器的存在使得系統對變換器、導線等相應的配套設備要求更高，設備以及線路損耗也隨之變大，變電所系統也較復雜，體積和重量難以降低。圖3是基于三相-單相變換器的級聯型無輸出變壓器的貫通式同相供電系統變電所結構框圖，變電所由與三相電網接入的輸入變壓器及與之輸出端相連的由級聯一個以上三相-單相結構的交-直-交變換器所組成，三相-單相變換器級聯輸出機車等負載要求的單相交流電壓。采用級聯式多電平變換器結構，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，提升系統容量。但是，該系統接口電壓、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量較大，且造價較高，限制了變電所的供電容量和建設能力。
技術實現思路
鑒于現有技術的不足，本專利技術的目的是提供一種級聯型無輸入及輸出變壓器的貫通式同相供電系統，該系統可在無輸入、輸出變壓器的條件下既可以從三相電網吸收并向牽引網提供有功功率，也可以從牽引網吸收并向三相電網回饋有功功率，實現電氣化鐵路同相供電和牽引網的相互貫通。而且該裝置結構簡單，成本低，其使用，維護方便。本專利技術解決其技術問題，所采用的技術方案為：一種級聯型無輸入及輸出變壓器的貫通式同相供電系統，三相電網的每一相(A，B，C)經電抗器(LA，LB，LC)再級聯n(n>1)個單相-單相PWM變換器(A1～An，B1～Bn，C1～Cn)接出，每相級聯輸出分別經電抗器(La，Lb，Lc)后并聯直接連接牽引接觸網，輸出機車及負載要求之交流電壓與鄰近變電所的接觸網直接相連，形成貫通牽引供電網絡。其中：a、A相支路第一個單相-單相PWM變換器A1電網側正端口A1P經電抗器LA與三相電網A相，A1的電網側負端口A1n與第二個單相-單相PWM變換器A2的電網側正端口A2P相連……，第n-1個單相-單相PWM變換器A(n-1)的電網側負端口A(n-1)N與第n個單相-單相PWM變換器An的電網側正端口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個單相-單相PWM變換器的電網側負端口AnN，BnN，CnN共同連接于O點(相當于三相側星形連接的中性點)；b、A相支路第一個單相-單相PWM變換器A1的牽引網側負端口a1n與第二個單相-單相PWM變換器A2的牽引網側正端口a2P相連……，第n-1個單相-單相PWM變換器A(n-1)的牽引網側負端口a(n-1)N與第n個單相-單相PWM變換器An的牽引網側正端口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個單相-單相PWM變換器的牽引網側正端口a1P，b1P，c1P共同連接于牽引網正端P點；每一相(A，B，C)第n個單相-單相PWM變換器的牽引網側負端口anN，bnN，cnN共同連接于牽引網負端N點。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為可實現本專利技術的基于兩電平H橋單相-單相變換器結構圖。圖中Smn表示第m個橋臂的第n個編號的開關器件，C1…Cn表示直流電容。單相PWM整流器直流側輸出經DC/DC變換器降壓再經單相PWM整流器逆變成單相交流電，每一相的多個單相-單相變換器整流側與逆變側分別級聯獲得高電壓等級的輸入和輸出。需要說明的是，根據實際需求，變換器可以是兩電平結構，也可以是多電平結構，例如，圖7所示的基于三電平二極管箝位H橋結構的單相-單相PWM變換器，以及圖8所示的基于n電平二極管箝位H橋結構的單相-單相PWM變換器。采用本專利技術的結構，單相-單相變換器級聯結構承受高壓，三相級聯后并聯輸出取消牽引變電所的輸入、輸出變壓器，A、B、C三相平均分擔機車負載所需功率，且能量可雙向流動，提高牽引變電所容量，降低變電所運行成本。與現有技術相比，本專利技術有益效果是：1、本專利技術提出的級聯型無輸入、輸出變壓器的貫通式同相供電系統可以取消輸入、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和維護成本。2、每相的單相-單相變換器級聯以后并聯輸出，在實際工作中每相電路均分電流，不僅擴展了變電所的容量，同時也保證了三相電網的平衡。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，因此可以根據供電臂的電壓信息調整逆變器輸出的電壓相位、頻率和幅值，使之滿足并網要求，相鄰變電所可實現貫通供電。附圖說明圖1是既有異相牽引供電系統簡圖；圖2是基于三相-單相變換器的貫通式同相供電系統簡圖；圖3是基于三相-單相PWM變換器的貫通式同相供電系統變電所結構；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；圖5是本專利技術級聯型無輸入、輸出變壓器的貫通式同相供電系統結構圖；圖6是本專利技術基于兩電平H橋結構的單相-單相PWM變換器；圖7是本專利技術基于三電平二極管箝位H橋結構的單相-單相PWM變換器；圖8是本專利技術基于n電平二極管箝位H橋結構的單相-單相PWM變換器。具體實施方式圖5是本專利技術級聯型無輸入及輸出變壓器的貫通式同相供電系統結構圖，三相電網的每一相(A，B，C)經電抗器(LA，LB，LC)再級聯n(n>1)個單相-單相PWM變換器(A1～An，B1～Bn，本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種級聯型無輸入及輸出變壓器的貫通式同相供電系統，其特征在于，三相電網的每一相(A，B，C)經電抗器(LA，LB，LC)再級聯n(n>1)個單相?單相PWM變換器(A1～An，B1～Bn，C1～Cn)接出，每相級聯輸出分別經電抗器(La，Lb，Lc)后并聯直接連接牽引接觸網，輸出機車及負載要求之交流電壓與鄰近變電所的接觸網直接相連，形成貫通牽引供電網絡；其中：a、A相支路第一個單相?單相PWM變換器A1電網側正端口A1P經電抗器LA與三相電網A相，A1的電網側負端口A1n與第二個單相?單相PWM變換器A2的電網側正端口A2P相連……，第n?1個單相?單相PWM變換器A(n?1)的電網側負端口A(n?1)N與第n個單相?單相PWM變換器An的電網側正端口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個單相?單相PWM變換器的電網側負端口AnN，BnN，CnN共同連接于O點；b、A相支路第一個單相?單相PWM變換器A1的牽引網側負端口a1n與第二個單相?單相PWM變換器A2的牽引網側正端口a2P相連……，第n?1個單相?單相PWM變換器A(n?1)的牽引網側負端口a(n?1)N與第n個單相?單相PWM變換器An的牽引網側正端口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個單相?單相PWM變換器的牽引網側正端口a1P，b1P，c1P共同連接于牽引網正端P點；每一相(A，B，C)第n個單相?單相PWM變換器的牽引網側負端口anN，bnN，cnN共同連接于牽引網負端N點。...

【技術特征摘要】
1.一種級聯型無輸入及輸出變壓器的貫通式同相供電系統，其特征在于，三相電網的每一相(A，B，C)經電抗器(LA，LB，LC)再級聯n(n>1)個單相-單相PWM變換器(A1～An，B1～Bn，C1～Cn)接出，每相級聯輸出分別經電抗器(La，Lb，Lc)后并聯直接連接牽引接觸網，輸出機車及負載要求之交流電壓與鄰近變電所的接觸網直接相連，形成貫通牽引供電網絡；其中：a、A相支路第一個單相-單相PWM變換器A1電網側正端口A1P經電抗器LA與三相電網A相，A1的電網側負端口A1n與第二個單相-單相PWM變換器A2的電網側正端口A2P相連……，第n-1個單相-單相PWM變換器A(n-1)的電網側負端口A(n-1)N與第n個單相-單相PWM變換器An的電網側正端口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個單相-單相PWM變換器的電網側負端口AnN，BnN，CnN共同連接于O點；b、A相支路第一個...

【專利技術屬性】
技術研發人員：何曉瓊，彭旭，趙晨，周瑛英，舒澤亮，
申請(專利權)人：西南交通大學，
類型：發明
國別省市：四川;51