[发明专利]基于变压器串联多重化和链式结构的统一电能质量控制器

说明书

技术领域

本发明属于电力系统柔性交流输配电和电力电子技术领域，涉及大容量电力电子装置和用户电能质量问题治理，特别是提供了一种用于电气化铁路供电系统的基于单相变压器串联多重化和链式H桥结构变流器的统一电能质量控制器(Unified Power QualityController，UPQC)装置。

背景技术

电力机车作为大容量单相负荷会将负序电流注入电气化铁路(简称电铁)供电系统，并引起供电系统电压三相不平衡、电压波动等电能质量问题。中国目前的电铁供电系统为异相供电模式，在此种供电模式下普遍采用的相序轮换技术和平衡变压器技术仅能在一定范围内改善负序电流的影响，实际中通常无法满足国家电能质量相关标准。此外，异相供电模式所固有的电分相环节是其薄弱环节，对高速重载运行有极大约束作用。采用同相供电模式可以避免或减少牵引网电分相环节，进而解决由电分相带来的一系列问题，大大提高列车的运能。但同相供电方案的缺点是容易引起负序电流，造成的不平衡问题较之于异相供电模式更为严重。

交流机车广泛采用再生制动能量回馈方式，以提高交流机车的运行效率，交流电力机车的再生电制动功率最高可达4～6MW以上，在进站停车，尤其在山区下坡道上的节能效果尤其明显。但这种再生能量回馈方式是电力机车通过牵引网向外电网回馈能量，因此由有功潮流的反向流动而引起继电保护装置误动和拒动的可能性大大增加。

电气化铁路牵引变压器负荷波动较为剧烈，在列车紧密运行情况下，牵引变压器过负荷往往达到2倍甚至更高，牵引负荷的增加带来问题是牵引变压器成本的升高。该成本不仅包括由于牵引变压器容量增加而升高的制造成本，也包括电力系统收取的牵引变压器固定安装容量费用。尽管采用单相牵引变压器在容量利用率上优势明显，但单相牵引变压器的劣势是负序问题最为严重，且难以通过在牵引变电站二次侧安装补偿装置予以治理。目前，由于变压器成本的制约，牵引变压器过载比呈下降趋势，降低了牵引供电系统的可靠性和安全性。

以上所述的高速电铁的电能质量问题涵盖了多个方面的控制目标，需要采用功能强大的电能质量控制设备与大容量的电能存储设备进行协调工作，实现高速电铁供电系统电能质量的综合治理。

借助现代电力电子的技术可以以相对小的投资实施对负序控制，从而在各种电铁负荷条件下确保牵引变压器高压侧电流三相平衡，同时实现谐波含量低和功率因数高的控制目标。各国对此已进行了相关研究，专利“用于电气化铁路供电的单相统一电能质量控制器”(公开号：CN101170284)提出了一种基于IGBT或IGCT的单相统一电能质量控制器(本申请中称之为多绕组变压器电铁补偿装置)。该装置在拓扑结构上采用了单相多绕组变压器和链式结构变流器，仅在一侧使用了一个单相多绕组变压器，另一侧采用控制方法成熟、便于工业实现的链式结构变流器，具有占地面积小，损耗小，成本低的优点。

上述多绕组变压器电铁补偿装置的结构原理图如图1所示，该装置包括单相多绕组变压器1(由1个原边绕组P_R和n个副边绕组S_R1、S_R2、…S_Rn构成)，变压器1的n个副边绕组分别连接n个电压源变流器(V₁、V₂......V_n)2；通过n个直流电容单元(C₁、C₂......C_n)3与n个电压源变流器2相连的共n个链节的单相链式H桥变流器(L₁、L₂......Ln)4，该n个链节的单相链式H桥变流器4交流端口x’、y’与电抗器(jX₁、jX₂)5连接后再通过x、y端口与牵引电网直联。通过变流器组2、4内开关网络的变换，即可在变压器1的高压侧和链式H桥变流器4的交流侧分别得到一个幅值和相位均可独立调节的等效受控电压源，进而使多绕组变压器电铁补偿装置能分别对其x、y和z、w端口与牵引变压器二次侧两相绕组接入点的无功电流、谐波电流实现独立补偿；同时，该装置可通过共用的电容单元3，在其x、y和z、w两端口两者之间进行有功功率的转移。该多绕组变压器电铁补偿装置通过对有功功率的控制调节和对无功功率的平衡补偿，可实现牵引变压器高压侧三相电流的平衡，整体上达到对负序电流的补偿目的。