[发明专利]基于三电平半桥结构的高速铁路功率调节器

说明书

技术领域

本发明涉及一种铁路功率调节器，特别涉及一种基于三电平半桥结构的高速铁路功率调节器。

背景技术

随着电气化铁路朝着高速、大功率的发展，其电力牵引系统的电能质量问题变得越来越至关重要。高速铁路牵引供电系统由于采用单相供电方式，产生负序电流，给电力系统中的发电、输电和变电设备的运行带来严重危害，严重影响电力系统的安全经济运行。另外，高速铁路电力机车产生的谐波也降低了其供电系统和上级电力系统的可靠性。因此，必须采取有效措施抑制高速铁路供电系统产生的负序和谐波电流。

随着电力电子技术的发展，国内外有很多的柔性交流输变电系统被用来实现电力系统的负序，无功和谐波等电能质量的综合治理。针对电气化铁路的负序、谐波问题，国内外已出现一些补偿措施。国内广泛采用SVC，STATCOM或者APF等功率补偿装置，安装在牵引变压器的三相侧或者牵引侧，进行无功和谐波补偿，减小负序电流和提高功率因数。国外也有通过采用在三相侧安装STATCOM或者在牵引侧安装铁路功率调节器等装置，来进行牵引供电系统的负序，无功和谐波的综合补偿，从而实现铁路电能质量的综合治理，但其成本很高且控制复杂。

由于牵引供电系统是高压大容量系统，现有的开关管的受压范围有限，传统的两电平PWM逆变器依靠单个的开关管显然承受不了直流侧的高压。除了高压缺陷以外，传统两电平逆变器还存在以下问题：1)高频产生很高的dv/dt和浪涌电压，易引起电机绕组绝缘击穿；2)高频开关产生很大的器件电压应力和开关损耗，使效率降低；3)高频开关动作对附近的通讯或其它电子设备产生宽频带的EMI；4)功率因数低。为了解决上述两电平的缺陷，日本长冈科技大学的南波江章等人在IEEE工业应用IAS年会上提出中点钳位(NPC)三电平铁路功率调节器，这种结构可以使主电路开关管的电压降低一半，可以使dv/dt降低一半，由于输出多了一个电平，输出电压谐波含量减少。这样有利于采用低压器件实现高压输出，并且各开关器件间没有均压问题存在，减少了产品的设计，提高了设备的可靠性。这种三电平铁路功率调节器的具体结构如图1所示。图1中的铁路功率调节器5包含两个单相降压变压器2，两个输出电抗器4和包含背靠背结构的两个单相三电平H桥变流器3，且共用一对直流侧电容。这种铁路功率调节器包含16个功率开关器件，功率器件多，成本高，电路复杂。

发明内容

为了解决现有技术的上述技术问题，本发明提供一种结构简单、成本低、效果好的基于三电平半桥结构的高速铁路功率调节器。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：由两个单相降压变压器、两个输出电抗器和一个三电平功率变换模块组成，所述两个单相降压变压器原边与牵引供电系统中的两单相供电臂连接，两个单相降压变压器副边经输出电抗器与三电平功率变换模块相连，所述三电平功率变换模块由两个三电平半桥变换器和两个串联电容组成，两单相降压变压器副边非浮地线通过输出电抗器分别与三电平功率变换模块的开关臂中点连接，降压变压器浮地与三电平功率变换模块两电容的中点连接。

本发明的技术效果在于：本发明采用两个三电平半桥变换器构成，与采取两个背靠背的三电平H桥变流器的铁路功率调节器相比，要减少8个功率开关器件，使铁路功率调节器的结构更简单，成本也大幅降低，并提高了补偿系统的可靠性。

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

附图说明

图1为现有铁路功率补偿系统的结构图。

图2为本发明的结构图。

图3为本发明的负序补偿原理图。

图4-图9为本发明中三电平半桥变换器工作原理图。

 

具体实施方式

上述图1、图2中：1--Scott牵引变压器  2--单相降压变压器  3--三电平H桥变流器  4--输出电抗器  5--铁路功率调节器  6--三电平功率变换模块  7--基于三电平半桥结构的高速铁路功率调节器  8--V/V牵引变压器。

参见图2，图2为本发明的结构图。