[发明专利]一种级联型无输出变压器的同相供电系统

说明书

技术领域

本发明涉及电气化铁路供电系统，特别是无过分相区间牵引网设备技术领域。

背景技术

我国现行电气化铁路供电系统及其技术存在电能质量和过分相问题。目前电气化铁路牵引供电系统运行方式主要是两相(异相)供电，相对三相电力系统而言，高速重载列车牵引功率的增大使负序问题愈发突出，电能质量中的无功和谐波等问题也较严重。另外，电分相造成的列车速度和牵引力损失问题，严重影响牵引供电系统整体性能。

图1是传统分相供电系统。图中共有3个独立的变电所，从各自输入端的三相电网分两臂输出为两相牵引供电，由于临近的牵引供电臂的电压相位、幅值和频率难以满足完全一致，因此各臂相互之间都必须设置过分相装置。不包括两端供电臂的连接，图中6个臂间总需要5个过分相区间。由于电分相装置结构复杂，投资大，可靠性较低，是整个牵引供电系统中薄弱的环节之一。

为有效解决上述问题，借助现代电力电子技术和控制理论，实现电气化铁路同相供电和牵引网的相互贯通是一种理想的解决方案。图2是基于本专利提出的变换器构建的牵引供电所，3个变电所输出电压幅值、频率和相位一致，满足同相供电的互联条件，因此各变电所的牵引网的输出可以相互连接，形成贯通牵引供电系统。各区段牵引网不再需要设置过分相区间，因此，避免了数量众多的过分相装置的投资，同时避免了过分相造成的列车牵引动力的损失。

图3是基于三相-单相PWM变换器实现贯通供电系统框图，该系统可以采用如图4所示的两电平变换器结构，该系统受开关器件容量限制，通常多模块并联结构。同时，系统接口电压、容量和性能受限，输入和输出端还必须匹配三相降压变压器和单相升压变压器，系统复杂，的体积、质量和造价难以降低。

多电平变换器可有效提高变换器输入输出电压等级，级联多个多电平变换器后，接口电压在满足高于输入输出电压等级的前提下可取消输入输出变压器，即可实现无变压器的变换器系统结构。二极管筘位多电平变换器结构是实现上述方案的有效拓扑结构。该拓扑结构利用多个电容器串联跨接在直流侧两端，将直流母线电压分为多个电平；同时，变换器每个桥臂的多个串联开关器件通过二极管连接在每个直流电容上，即通过二极管将开关器件的电压筘位到连接的直流电容电压上。因此，每个桥臂的开关器件在不同的开关组合下可输出不同电平的电压信号。通过PWM(Pulse Width Modulation，脉宽调制)调制方法，二极管筘位式多电平变换器将多个电平合成调制信号，电平数越多，变换器输出的电压越逼近调制信号。

但是，当二级管筘位多电平变换器传递有功电流时，各电容器上的输入输功率不能保证平衡，因此会导致不同电容电压逐渐上升或下降，即出现所谓的电容电压不平衡问题。直流电压失稳后，多电平变换器将退化成两电平变换器，同时失去多电平所具有的诸多优点。通过优化的PWM调制方法，直流电容在一定条件下能够实现电压平衡与稳定，其稳定的条件与负载电流的相角有关。理论分析已证明：当多电平变换器传递纯有功电流时，即负载电流角度再0度附近时，为保证直流电压稳定需要求PWM调制深度最高要求是小于约55％，极大的限制二极管筘位多电平变换器在有功传递领域的应用。

同相供电系统的负载特性要求变换器系统传递有功，如果二极管筘位多电平变换器直接应用在理想同相供电系统的变换器系统中，同样会受到直流电压不平衡问题的影响。

发明内容

鉴于现有技术的不足，本发明的目的是提出一种级联交-直-交变换器实现无输出变压器的理想同相供电系统，使其可在无输出变压器的条件下既可以从三相电网吸收并向牵引网提供有功功率，也可以从牵引网吸收并向三相电网回馈有功功率，实现电气化铁路同相供电和牵引网的相互贯通。

本发明的目的是通过如下的手段实现的。

一种级联型无输出变压器的同相供电系统，由与三相电网接入的输入变压器及与之输出端相连的由级联一个以上三相-单相结构的交-直-交变换器的电力电子变换装置所组成，级联的低电压等级的电力电子变换装置直接连接牵引接触网，输出机车等负载要求交流电压，邻近变电所的接触网直接相连，形成贯通牵引供电网络；所述电力电子变换装置主要由三相二极管筘位多电平整流电路、辅助直流稳压电路、单相二极管筘位多电平逆变电路和输入输出连接电抗器组成。

与现有技术相比，本发明有益效果是：

1、本发明提出的级联多三相-单相变换器结构可以实现无输出变压器的系统，如果单个变换器的电平数和开关器件耐压等级足够，甚至可取消三相侧的输入变压器，实现无变压器的三相-单相的同相供电变换器。