[发明专利]单相直流端口互联的级联多电平变流器

说明书

本发明提出的一种单相直流端口互联的级联多电平变流器，包括第一单相双绕组变压器、两个级联多电平电压源型变流器组和位于任一或两个变流器组交流侧的电抗器组；各级联多电平电压源型变流器组均分别包括若干单相电压源变流器，第一级联多电平电压源型变流器组交流侧通过第一单相双绕组变压器接入单相电网电源，第二级联多电平电压源型变流器组交流侧接入另一单相电网电源。在两级联多电平电压源型变流器组直流侧间还设有直流滤波器组。在第二级联多电平电压源型变流器组交流侧设置第二单相双绕组变压器或交流滤波器用于为单相无源电网供电。本发明具有两侧交流端口谐波特性好，全负荷范围运行效率高、损耗小，故障闭锁及冗余运行可靠性强等特点。

技术领域

本发明涉及牵引供电系统中的级联多电平变流器，特别是一种单相直流端口互联的级联多电平变流器。

背景技术

在牵引供电系统中，牵引变电所存在的不对称负荷引起的三相电压不平衡、谐波和功率因数偏低的问题。同时在牵引变电所和分区所存在电分相无电区，影响电力机车连续可靠受流，限制机车平均速度，严重的还会引起拉弧、机车趴窝等行车事故。

利用大容量单相直流端口互联的级联多电平变流器，在牵引变电所牵引侧可实现对负序、无功和谐波的综合补偿。同时，将一台或多台单相直流端口互联的级联多电平变流器安装在外部三相电网和单相牵引网之间，可实现外部电网与牵引网的解耦隔离，全面解决牵引变电所的电能质量问题，同时取消牵引网电分相，实现贯通方式的单相交流供电。

作为实现上述技术目的的核心设备，要求单相“交-直-交”型“背靠背”电力电子变流器需要具备两端口电气隔离能力，两侧交流端口谐波特性好，全负荷范围运行效率高、损耗小，故障闭锁及冗余运行可靠性强。

本发明申请人先后提出了两项相关授权专利“用于电气化铁路供电的单相统一电能质量控制器”(专利号：ZL200710175253.2)和“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”(专利号：ZL200810119942.6)，不过都存在一定的不足。其中：

发明专利ZL200710175253.2一侧采用单相多绕组变压器带来以下缺点：1)单相多绕组变压器加工工艺较为复杂，体积和重量偏大、制造成本较高，而且分裂式变压器较大的漏抗降低了变流器的容量利用率；2)为了在单相多绕组变压器原边端口获得相对较好的谐波特性，需要在各副边各绕组之间进行移相控制，进而形成较大的特征次谐波环流，增加了运行损耗，进一步降低了副边接入的电力电子变流器的容量利用率。

发明专利ZL2008101199426一侧采用不少于2个单相变压器，每个单相变压器具有由不少于2个副边绕组构成的串联多重化变压器组，实现了设备两侧交流端口的电气隔离和电气匹配。由于减少了单台多分裂变压器的分裂数，在一定程度上降低了多分裂变压器的制造难度。同时，通过多台变压器的串联，改善了串联多重化变压器原边端口的谐波特性，减少了副边绕组之间的特征次谐波环流。但是，多台变压器串联引入了新的问题：1)由于每台变压器励磁电抗值存在固有差异，当设备出现故障，当带载运行进入脉冲闭锁状态时，各变压器副边绕组的感应电压差异较大，可能引起各副边变流器的直流电压不一致，严重的还会过压损坏设备。为了抑制这种变压器的不一致，需要采取额外附加的阻尼电路，增加了电路复杂程度和成本，降低了运行效率。2)串联多重化变压器组总的副边绕组数量并未实质减少，仍与变流器一侧的功率单元的总数量相同，多重化变压器组的制造成本和保护成本仍然较高。当设备出现N-1乃至N-2单元故障冗余运行时，进一步增大了变压器与变流器功率单元之间控制、保护的配合难度，减低了运行可靠性。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提供一种单相直流端口互联的级联多电平变流器，该变流器避免了采用多分裂变压器或者多台变压器串联多重化引起的前述诸多问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：