[发明专利]基于不控整流和阶梯波合成逆变的电气化铁路同相供电方案

权利要求书

1.一种基于不控整流和阶梯波合成逆变的电气化铁路同相供电系统，其特征是：电气化铁路同相供电系统包括，移相变压器、三相不控整流器、滤波电容器、单相逆变器和直流储能器；移相变压器的输入端与三相高压交流电连接，移相变压器的输出端与三相不控整流器连接，三相不控整流器通过滤波电容器和直流储能器与单相逆变器连接；直流储能器的输入端能与其它能源连接；单相逆变器的输出端分别与上行接触网和下行接触网连接。

2.权利要求1所述的一种基于不控整流和阶梯波合成逆变的电气化铁路同相供电系统的方法，其特征是：电气化铁路同相供电方法是：在同一供电线路上所有牵引变电所(TS)的单相27.5kV交流输出端分别接入上行和下行接触网，在接触网上设置分段断路器，以便于检修和故障隔离；上行和下行接触网并联运行，减小接触网阻抗，抑制线路压降；其中所有牵引变电所的相位信息由GPS同步时钟提供，保证整个供电线路中电压的幅值、频率和相位保持一致，实现各牵引变电所的单相牵引电源互为备用；逆变侧直流滤波环节设置直流储能器，缓存“制动功率大于牵引功率”小概率事件发生时的剩余再生能量，为其他能源的引入提供接口。

3.根据权利要求2所述的基于不控整流和阶梯波合成逆变的电气化铁路同相供电系统的方法，其特征是：阶梯波合成调制，将12个H桥逆变器产生的方波利用逼近正弦波的原则合成阶梯波；在计算12个方波的开关角时，合理选择各个方波的宽度和中心角，控制合成阶梯波u的幅值和相位；利用中点相交法，即每个方波边缘高度的中点均与期望标准正弦波相交，根据此关系直接求反三角函数即可得出各个方波的开关角；当不同方波的同次谐波相位差为π时，该次谐波相互抵消，从而使输出电压的总谐波含量降低；根据各个方波的不同宽度组合，提出三种阶梯波合成和输出电压调制策略，即“方波全部采用理想宽度”、“方波的宽度全部相同”和“两组方波宽度分别相同”。

4.根据权利要求3所述的基于不控整流和阶梯波合成逆变的电气化铁路同相供电系统的方法，其特征是：所述的方波全部采用理想宽度：

12个方波完全按照理想宽度，即方波V_dc7～V_dc12的开通角和V_dc1～V_dc6的关断角全部满足中点相交法所述的方波幅值中点与参考正弦波相交的条件，此时

β_n＝π-α_13-n(n＝1,2,...,6) (12)

每个方波的宽度为：

θ_n＝β_n-α_n(n＝1,2,...,12) (13)

从而计算出[0,π]区间内各方波的开通角和关断角：

进而可以计算出12个方波的宽度：

当12个方波的开关角确定时，合成后的输出电压波形也就确定，此时阶梯波非常接近正弦波，输出电压的总谐波含量为2.7235％，谐波含量较低；当负载增大或减小时，保持V_dc1～V_dc6的开通角和V_dc7～V_dc12的关断角不变，增大或减小方波的宽度即可调节合成电压。

5.根据权利要求3所述的基于不控整流和阶梯波合成逆变的电气化铁路同相供电系统的方法，其特征是：所述的方波的宽度全部相同：

12个方波的宽度相同时，需要找出使输出电压谐波含量最低时的方波共同宽度，其共同宽度为2.0698弧度，从而可以计算[0,π]区间内各个方波的开通角和关断角：

此时输出电压的总谐波含量为5.1436％，整流侧直流电压出现波动时，保持V_dc1～V_dc6的开通角和V_dc7～V_dc12的关断角不变，通过改变方波宽度来调节逆变侧输出电压。

6.根据权利要求3所述的基于不控整流和阶梯波合成逆变的电气化铁路同相供电系统的方法，其特征是：所述的两组方波宽度分别相同：

12个方波分成两组，每6个宽度相等，需找出使合成电压总谐波含量最低时的两组方波宽度；两组方波的宽度分别为θ_a＝1.9895弧度、θ_b＝2.0940弧度；即θ₁、θ₂、θ₃、θ₁₀、θ₁₁、θ₁₂的宽度为1.9895弧度，θ₄、θ₅、θ₆、θ₇、θ₈、θ₉的宽度为2.0940弧度；计算出[0,π]区间内各个方波的开通角和关断角：

此时阶梯波的总谐波含量为3.5024％，整流侧直流电压变化时，采取以下调制策略：

保持V_dc1～V_dc6的开通角和V_dc7～V_dc12的关断角不变，当整流侧直流电压降低时，先把较窄的6个方波(θ₁、θ₂、θ₃、θ₁₀、θ₁₁、θ₁₂)调宽，当12个方波宽度相等时，再把所有的方波同时调宽；当整流侧直流电压升高时，先把较宽的6个方波(θ₄、θ₅、θ₆、θ₇、θ₈、θ₉)调窄，当12个方波宽度相等时，再把所有的方波同时调窄。