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的制作方法

专利名称：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的制作方法
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 Quality Controller, 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PR和n个副边绕组Sw、 SR2、…SRn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(Vh V2......Vn) 2;通过n个直流电容单元(d、
C2......Cn)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(U、
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(jX!、 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。
上述多绕组变压器电铁补偿装置仅使用一个变压器，具有占地面积小，损耗小且成本 较低的优点，链式结构便于高电压直接输出，还具有控制灵活，可靠性高等优点。但是， 采用单相多绕组变压器会带来一系列缺点单相多绕组变压器加工工艺较为复杂，难以做
到原副边及副边各绕组之间等效漏抗相等，这种并联结构存在难以克服的各绕组电流不均
问题；此外单相多绕组变压器副边绕组之间的互阻抗相对较小，在副边并联电压出现微小
的不等时就会产生较大的环流，即使采用分裂式接法，也只能在一定程度上增加各副边绕
组之间的等效漏电抗，当采用移相载波PWM策略时仍然可能在各绕组间引起较大的环流。
而且随着模块数目的增多，元件参数的差异导致的均流与环流问题将更严重。此外分裂式 接法的多绕组变压器不仅制作工艺困难，制造成本较高，而且分裂式变压器较大的漏抗降 低了变流器容量利用率。
上述多绕组变压器电铁补偿装置采用电容作为直流电压支撑单元，可以对牵引变电站 的负序、无功、谐波电流进行综合补偿，然而电铁负荷运行方式多样(起动、加减速、制 动等)，负荷量波动剧烈(可能出现短时剧增)，需要结合电能存储系统来实现对有功、无 功功率的四象限独立控制，以适应复杂的运行情况，尤其是吸收交流机车再生制动回馈能 量以及对牵引变压器负荷曲线进行削峰。仅采用普通的直流电容单元显然不具备这种效 果
发明内容
本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出了一种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(简称UPQC)，用于治理电铁供电系统中存在的负序、无
功、谐波超标等电能质量问题。本发明仅在一侧使用变压器，具有占地面积小，损耗小且
成本较低的优点；此外，针对采用多绕组变压器实现的多功率模块并联方式下存在的电流 均流、电流环流等问题，所提出的采用单相串联多重化变压器组的UPQC装置，可通过标 准化电力电子模块实现装置大容量化，具有运行效率高，谐波特性好，动态响应速度快等 优点；本发明可灵活选用直流电容单元或直流储能元件单元作为直流电压支撑单元，选用 后者本发明还兼具吸收交流机车再生回馈能量和对牵引变压器负荷曲线削峰的作用；是对
现有技术的发展和改进。
为实现上述目的，本发明提出的UPQC，其特征在于，采用单相串联多重化变压器组 实现多个电压源变流器相互串联和电气隔离功能，该控制器包括一个单相串联多重化变压 器组，该变压器组由m个单相变压器构成，各单相变压器的原边绕组按同名端依次顺序串 联；分别与所述m个单相变压器的共计n个副边绕组相连接的n个电压源变流器，构成 串联的多重化变流器组；通过n个直流电压支撑单元与所述n个电压源变流器相连的共n 个链节的单相链式H桥变流器，该n个链节的单相链式H桥变流器的交流端口通过电抗 器与牵引电网直联，(根据接入系统电压等级及功率开关器件耐压等级，n为取值范围可为 2及2个以上的正整数)。
所采用的单相串联多重化变压器组是由m个单相变压器的原边绕组按其同名端依次 顺序串联而成，每个单相变压器可拥有1个或1个以上的副边绕组。m个单相变压器副边 绕组数总和为n， msn，每个副边绕组分别与一个电压源变流器相连。优选的各单相变压 器励磁电抗一致性好，主要设计参数相同，以便于可批量生产。
本发明的工作原理如下
UPQC可以减轻或消除电气化铁路异相或同相供电系统中存在的负序电流。异相供电 模式下，当与牵引变压器二次侧两相绕组相连的供电臂中电铁负荷不平衡时，UPQC从电 铁负荷较轻一侧(称为整流侧)吸收有功电流，并通过共用的直流电压支撑单元传输至电 铁负荷较重一侧(称逆变侧)。同相供电模式下，UPQC接入牵引网供电臂的一侧工作在 逆变状态，另一侧工作于整流状态。通过控制对有功电流的转移，UPQC使与之相连的牵 引变压器二次侧两相负荷的有功功率实现平衡。基于能量的均压控制保证各组变流器直流 侧电容电压的均等(本发明采用所述直流电容单元时)。
UPQC可以补偿直流电力机车消耗的无功功率。UPQC对牵引变压器二次侧的无功电 流进行检测，然后产生幅值和相位相对应的无功补偿电流注入牵引变压器二次侧两相绕组 接入点，使牵引变压器中仅流过纯有功电流，功率因数在0.99以上。
UPQC可以滤除直流电力机车产生的谐波电流。UPQC谐波电流补偿原理与无功电流 补偿原理相似，基于电流跟踪控制技术确保UPQC可补偿负荷产生的大部分谐波电流，使 补偿后牵引变压器注入电铁供电系统的电流近似为纯基波电流。UPQC采用直流储能元件单元作为直流电压支撑单元时，可以构成带有储能元件的统 一电能质量控制器(UPQC+ESS)。在交流机车工作于再生制动模式时，UPQC+ESS系 统的储能元件可以有效地吸收制动回馈能量，避免了有功潮流的反向流动而引起的外部供 电系统继电保护装置误动和拒动。
电铁牵引供电系统中机车负荷波动较为剧烈，当机车负荷处于紧密运行时，牵引变压 器过负荷率将可能超过国标要求。UPQC+ESS通过有功功率转移、无功功率补偿和谐波 电流补偿，在使牵引变压器系统侧为三相平衡的纯有功基波电流的同时，可利用其储能元 件在自身容量允许的范围内向牵引变压器二次侧注入一定的有功功率，从而有效减小牵引 变压器承担的峰值负荷容量，实现对牵引变压器负荷削峰的作用。
本发明的特点及有益效果
本发明的拓扑结构方面的特点是装置一侧为单相串联多重化变压器组，实现了 UPQC两侧系统的电气隔离，串联多重化变流器组与链式H桥结构变流器的"背靠背"式 电气连接；UPQC的单相串联多重化变压器组原边侧接入牵电网一侧供电臂，UPQC另一 侧链式H桥结构变流器，通过电抗器与牵引电网供电臂直连，由于省去了一个变压器，因 而占地面积小，损耗小并且成本更低。.
采取这样的结构，不仅满足了高压大容量的要求，而且UPQC两侧的变流器(组)拓 扑结构都非常适于采用载波移相的PWM控制策略或其他等效控制策略。载波移相的PWM
策略优点是当单个开关器件运行于较低开关频率时，可在装置交流侧获得较高的等效开关 频率(相对于单个电压源变流器的特征谐波提高m倍)。因此，在UPQC装置的单相串联
多重化变压器组的高压侧和链式H桥结构变流器的交流侧，均可获得较好的谐波电流抑制 特性和动态响应特性，同时还能保持较低的开关损耗，提高装置运行效率。单相变压器原 边绕组相互串联后，各个电压源变流器模块流过的电流相伺，相对于各模块并联方式，避 免了模块之间的电流均流问题，也消除了采用载波移相PWM策略时各并联功率模块间的 环流问题。
本发明中所述的控制器的直流电压支撑单元既可以采用直流电容单元也可以采用直 流储能元件单元。当控制器采用直流储能元件单元时，可以构成带有储能元件的统一电能 质量控制器，其效果是，可分别通过串联多重化变流器组和链式H桥结构变流器实现对有 功功率和无功功率的四象限自由控制，使本发明的控制器增加对交流机车再生制动回馈能 量的吸收功能和对牵引变压器负荷的削峰功能，提高了牵引变压器容量利用率。有利于充 分利用牵引变压器过负荷能力，降低牵引变压器的安装容量，从而降低固定电费，'提高经 济效益。
本发明是基于自关断开关器件IGBT和脉宽调制技术(PWM)的大功率电力电子装置， 功率容量范围通常在几MVA 百MVA之间。本发明可应用于采用异相供电模式和同相供 电模式的电铁牵引变电所，用以解决由于电铁不平衡负荷引起的负序电流注入问题，直流 驱动电力机车负荷引起的功率因数低下和谐波污染问题。具有抑制变电所三相电压不平衡和三相电压波动，实现动态无功补偿和谐波补偿，稳定牵引网电压和提高电气化铁路运能
等功能。本发明所述UPQC的直流电压支撑单元采用直流储能元件单元时，可构成 UPQC+ESS装置，除以上所述功能之外，还可解决由交流机车再生制动产生的回馈能量 引起的牵引站有功潮流反向流动问题，以及牵引变压器过负荷率超标，牵引变压器利用率 低下等问题。
本发明对应的UPQC易于生产实现和维修保养，变压器和H桥变流器的标准化结构 利于工业生产，降低了 UPQC的生产成本。链式结构可实现冗余设计，运行时可自动旁路 故障链节，提高了 UPQC的可靠性。


图1为已有的基于多绕组变压器和链式结构的统一电能质量控制器结构示意图。
图2为本发明的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装置结构图。
图3为本发明的单相串联多重化变压器组实施例结构示意图(每个单相变压器副边绕 组数为2)。
图4为本发明的与单相串联多重化变压器组副边相连的第i个电压源变流器实施例结 构示意图。—
图5为本发明的具有n个链节的单相链式H桥变流器实施例结构示意图。
图6为本发明的直流电压支撑单元选用直流电容单元时的实施例结构示意图。
图7为本发明的直流电压支撑单元选用直流储能元件单元时的实施例结构示意图。
图8为本发明容量为30MVA的UPQC装置实施例的补偿仿真结果。
图9为本发明容量为30MVA的UPQC装置实施例中变压器原边绕组电流和其中一个
副边绕组电流的仿真结果。
图10为已有的多绕组变压器电铁补偿装置的30MVA装置实施例变压器原边绕组电流
和其中一个副边绕组电流的仿真结果。
图11为本发明容量为30MVA的UPQC+ESS装置实施例吸收交流机车再生制动回馈
能量的仿真结果。
图12为本发明容量为30MVA的UPQC+ESS装置实施例实现牵引变压器负荷削峰的
仿真结果。
图13为本发明在异相供电模式电铁牵引变电所应用示意图 图14为本发明在同相供电模式电铁牵引变电所应用示意图
具体实施例方式
本发明结合附图及实施例详细说明如下
本发明的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(UPQC)装置总体结构如图2所示，本装置包括:单相串联多重化变压器组1(由m个原边绕组PR1、PR2、一 PRm和n个副边绕组Sw、 SR2、…SRn构成，m-n)，该变压器组由m个单相变压器构成， 各单相变压器的原边绕组按同名端依次顺序串联;分别与所述m个单相变压器的n个副边 绕组相连接的n个电压源变流器，构成的串联多重化变流器组2;通过n个直流电压支撑 单元3 (可选用直流电容单元或直流储能元件单元)与所述n个电压源变流器相连的共n 个链节的单相链式H桥变流器4，该n个链节的单相链式H桥变流器4的交流端口通过电 抗器5与牵引电网直联(根据接入系统电压等级及功率开关器件耐压等级，n为可取值范 围在2及2个以上的正整数)。
所述的串联多重化变流器组中n个电压源变流器均采用单相二电平H桥结构，对由串 联多重化变压器组决定的处于串联关系的m组变流器，采用相应的载波移相的脉冲分配 (PWM)控制技术(属于常规技术，且不属于本发明内容)或其他等效的脉冲分配控制 技术，使得串联多重化变压器原边及副边侧获得良好的谐波抑制特性。
所述的单相链式H桥结构变流器由多个单相二电平H桥变流器(称为一个链节)串 联而成，每个链节依次与串联多重化变压器副边绕组侧的一个电压源变流器通过直流电压 支撑单元，以"背靠背"方式实现电气连接。单相链式H桥结构变流器交流侧通过连接电 抗器直接接入电网的供电臂(牵引电网电压等级为27.5kV)。单相链式H桥结构变流器采 用载波移相控制技术(属于常规技术，且不属于本发明内容)或其他等效的脉冲分配控制 技术，以使其输出侧获得良好的谐波抑制特性。
本发明所述的电压源变流器和链式结构中单相二电平H桥结构变流器规格相同，工业 上可实现标准化生产，以降低生产成本；装置可以采取冗余设计，以提高UPQC运行可靠 性。
本发明可灵活选用直流电容单元或直流储能元件单元作为直流电压支撑单元。直流电 容单元可由大容值的电解电容通过适当的串联、并联构成；选用直流储能元件单元作为直 流支撑单元，可形成带有电能存储系统的大容量统一电能质量补偿装置(UPQC+ESS)， 其电能存储系统可吸收/发送一定的有功能量(kWh及以上量级)，使整个装置具有了对有 功、无功功率的四象限独立控制能力，除了具备对牵引变电站进行负序、无功、谐波电流 综合补偿的功能外，还兼具吸收交流机车再生回馈能量和对牵引变压器负荷曲线削峰的作 用。直流储能元件单元可选用各类电池储能元件、超导磁储能系统、飞轮储能系统或超级 电容储能系统之任一种。。
本发明采用基于电流跟踪的控制技术(属于常规技术，且不属于本发明内容)，以确 保本发明对与牵引变压器二次侧两相绕组接入点的无功电流、谐波电流实现补偿，并控制 有功电流的转移以及维持各独立直流电容的电压平均值在设定范围之内(装置采用所述直 流电容单元时)或控制有功电流的补偿(装置采用所述直流储能元件单元时)。基于能量 的均压控制，保证各独立直流电容电压的相互均等(装置采用所述直流电容单元时)。
与图1所示的基于单相多绕组变压器的电铁补偿器相比，本发明所述的单相变压器串联多重化结构继承了原有多绕组变压器电铁补偿装置的链式结构的优点，同时还解决了原 结构中存在的一系列问题
1) 单相变压器串联多重化结构特别适于采用载波移相PWM技术或其他等效PWM 控制技术，使各电压源模块输出电压的开关频率次特征谐波电压由于载波移相而依次产生 一定的相角差，经过串联合成后输出电压总的特征谐波电压次数成倍增加，相当于变压器
侧等效开关频率大大提高，因而显著改善该侧电压、电流THD，也提高了装置对负荷谐波 电流的补偿能力。
2) 单相多绕组变压器加工工艺较为复杂，当副边绕组数较多时各副边绕组之间等效 漏抗难以保持一致，而且并联功率模块自身参数、输出电压存在差异，尤其在采用载波移 相PWM策略或其他等效PWM控制技术时各输出模块输出电压差异较大，由此造成的各 并联模块之间存在电流不均和电流环流问题严重，甚至可能使并联模块电流存在直流分 量。采用变压器并联的分裂式接法不仅制作工艺困难，而且只能在一定程度上减小副边各 绕组之间的电流环流，其结果是装置运行效率和容量利用率低下。采用本发明所述的单相 变压器串联多重化结构，由于各功率模块是通过单相串联多重化变压器组的各副边绕组实 现的串联关系，流过各功率模块的电流始终相同，并不受各单相变压器和功率模块自身参 数差异的影响，从而自然解决了各功率模块的电流均流和环流问题。同时采用的载波移相 PWM策略使得装置等效开关频率提高了 m倍，电流THD很小，并且提高装置运行效率 和容量利用率。
3) 用于电气化铁路补偿的电力电子装置容量需求大，接入系统电压高达27.5kV，故 需要的UPQC链节数n较大。当采用单相多绕组分裂变压器时，需要增大单个变压器的 绕组数或由多个多绕组分裂变压器并联实现。当副边并联绕组过多时，制作工艺上难以保 证各个副边绕组的电压相等及原、副边绕组和各副边绕组之间的互阻抗相等，位置不同的 副边绕组有可能出现较大差异。这些给多绕组变压器的设计、制造和适用性带来了困难， 相应制造成本较高。采用本发明所述的串联多重化连接的单相变压器规格要求完全一样， 与电力电子功率模块一一对应，可以实现批量化生产，元件的参数差异不会随着数量的增 多而增大，因此受上述影响要小的多。
本发明中可灵活选用直流电容单元和直流储能元件单元作为其直流电压支撑单元。当 选用直流电容单元时，装置可实现所述对负序电流、无功电流和谐波电流的综合补偿功能。 当选用直流储能元件单元时，装置具有对有功功率和无功功率的四象限自由控制的能力， 构成带有储能元件的统一电能质量控制器(UPQC+ESS)，功能得到进一步扩展，如下所 述
1)在异相或同相供电模式下，当有交流电力机车进行再生制动时(对于同相供电模 式是一相的机车负荷再生制动，对于异相供电模式是一相或两相的机车负荷再生制动)， 采用电流跟踪控制的带有储能元件的UPQC可视为两个独立的电压源型变流器，在自身功 率容量和储能容量允许的范围内，储能元件可以有效地吸收机车制动回馈能量，避免了有功潮流的反向流动而引起供电系统中继电保护装置误动和拒动。当异相供电模式下牵引站
另一相同时有电力机车负荷状态运行时，UPQC+ESS装置在牵引变压器两相间进行有功 负荷的转移以及无功负荷的补偿，并由直流储能元件单元吸收总的剩余回馈能量，从而既 保证了接触电网侧三相电流的平衡，又不会引起能量倒流。
2)在异相或同相供电模式下，当牵引站机车负荷紧密运行出现负荷极端峰值时， UPQC+ESS装置可以在自身功率容量和储能容量允许范围内在牵引变压器二次侧发出一 定的有功功率，用以相应地削减牵引变压器承担的部分负荷容量；同时UPQC在牵引变压 器两相间通过有功负荷的转移和无功负荷的补偿，通过协调控制，使得在保持接触电网侧 三相电流平衡的同时，有效减小牵引变压器所需承担的最大负荷容量，从而起到了牵引变 压器负荷削峰的作用。
本发明的一个30MVA的UPQC实施例结合图2详细说明如下
本UPQC实施例中的单相串联多重化变压器组1中，m个单相变压器副边绕组数均 为1 (对应满足m=n)，且各单相变压器主要设计参数相同，各变压器之间励磁电抗一致 性好，单相串联多重化单相变压器组视在总容量为各单相变压器视在容量之和。仿真使用 的实施例模型采用2绕组单相变压器串联多重化。
本UPQC实施例中的单相串联多重化变压器组的另一个实施例如图3所示，m个单 相变压器副边紐组数均为2 (对应满足2m-n)，各单相三绕组变压器主要设计参数相同， 各变压器之间励磁电抗一致性好，每个三绕组变压器可采用分裂式接法。
本UPQC实施例中的n个电压源变流器的实施例结构如4所示(由于每个电压源变 流器结构完全相同，图中仅示出第i个电压源变流器的结构)。本实施例的电压源变流器为 单相二电平H桥结构，包括两个桥臂，其中每个桥臂分别由上下两个绝缘门极双极型晶体 管(IGBT) Sb S2和S3、 S4及与其反并联二极管Db D2和D3、 04组成。两个桥臂的中 点A、 Bi分别与变压器第i绕组SRi两端连接，两桥臂上下两端分别连接在一起，构成变 流器的直流母线并与直流电压支撑单元Ci相连，上端母线为正极，下端母线为负极。
本UPQC实施例中的n链节单相链式H桥结构变流器实施例如图5所示，其特点在 于任一链节Li均为一个单相二电平H桥变流器如图4所示，每个链节U包括一个直流 电压支撑单元Ci和两个与直流电压支撑单元相并联的桥臂。每个桥臂由上下两个IGBT及 与其反并联二极管组成，IGBT开关S!、 S3连接于直流电压支撑单元Ci的正极、IGBT开 关S2、 S4连接于直流电压支撑单元Ci的负极。通过直流电压支撑单元Ci，链节U与电压 源变流器Vi直流母线共用，形成"背靠背"结构。各链节串联方式为链节Li中IGBT开关
S2所在桥臂中点与链节LM中IGBT开关S3、 S4所在桥臂的中点连接，链节U中IGBT 开关Ss、 S4所在桥臂中点与链节Lw中IGBT开关S^ S2所在桥臂的中点连接。链节U 左侧桥臂中点x'和链节Ln右侧桥臂中点y'分别与连接电抗pd、)X2相连，如图2所示。
本UPQC实施例中的n个直流电压支撑单元实施例如图6和图7所示(由于每个直 流电压支撑单元结构完全相同，图中仅示出第i个直流电压支撑单元的结构)，第i个直流电压支撑单元的正极与第i个电压源变流器和链式H桥结构变流器的第i个链节的共用直
流母线正极相连，第i个直流电压支撑单元的负极与第i个电压源变流器和链式H桥结构 变流器的第i个链节的共用直流母线负极相连，即所述的"背靠背"方式连接。每一个直流电 压支撑单元可为由大容值电解电容器构成直流电容单元，如图6所示；也可替换成等效为 电压源的直流储能元件单元，如图7所示，如大容量电池储能系统(BESS)、超导磁储能 系统(SMES)、飞轮储能系统或超级电容储能系统等，使UPQC形成带有储能元件的统 一电能质量控制器，可实现对有功功率和无功功率的四象限自由控制。
根据本UPQC实施例的容量和接触网供电臂的电压等级，并留取一定裕量，实施例中 的功率开关器件选择参数为1200A/4500V的IGBT，直流侧电容容值取15000uF，直流侧 电压平均值取2000V;直流储能元件单元设计规格为10MW/10min。电铁牵引供电臂电压 等级为27.5kV，至少需要20个单相H桥变流器链节串联才能并联接入负荷供电臂上，为 保证一定的冗余，选择22个单相H桥变流器链节串联。本实施例选择采用22个单相变 压器(副边绕组数为1)进行串联多重化连接，即m=n=22，单个变压器容量为0.68MVA， 原、副边绕组漏抗10%，链式结构输出侧则采用10%的连接电抗。链式H桥结构变流器 的控制采用载波移相的单极型倍频PWM.控制技术，单个IGBT的开关频率为500Hz，这 样整个装置的等效开关频率为50(T2*22=22kHz。
利用EMTDC/PSCAD软件对上述实施例进行了仿真验证，仿真时，整个装置通过一 台容量为40MVA，漏抗为10%的SCOTT牵引变压器接入短路容量为500MVA的110kV 三相电网，UPQC装置工作在异相供电或同相供电模式下，本发明装置应用于异相供电模 式和同相供电模式牵引变电所的连接方式如图13和图14所示。图13中，UPQC的交流 侧x、 y和z、 w端口分别接入牵引变压器T两个供电臂的b、 c和a、 c两点。图14中， UPQC的交流侧x、 y接入供电臂即牵引变压器副边绕组b、 c两点，z、 w端口接入牵引 变压器T的另一绕组o、 a两点。
同相供电模式下，alpha相(链式H桥变流器侧)接有16.5MVA、功率因数为0.85 的阻感型整流器负载，直流电压支撑单元采用直流电容单元。0.1s时投入UPQC，补偿前 后的三相侧电压电流波形如图8所示(横轴单位s，纵轴单位kV或kA)，其中，曲线 c81、 c82、 c83分别为牵引变压器三相侧a、 b、 c相的电压波形，曲线c84、 c85、 c86 分别为牵引变压器三相侧a、 b、 c相的电流波形，曲线c87、 c88分别为UPQC的alpha 相、beta相补偿电流波形。UPQC在0.1s时投入后，通过上层控制算法及电流跟踪控制， 使其两端变流器发出适当的补偿电流，牵引变压器三相侧电流在很短的动态时间(10ms 以内)形成稳定的三相对称的纯有功基波波形，并消除了三相电压不平衡。仿真效果说明 UPQC的投入使得牵引变压器高压侧电流三相平衡，同时实现了谐波含量低和功率因数高 的控制目标。本发明所述单相串联多重化变压器组的原副边绕组电流波形如图9所示(横 轴单位s，纵轴单位kA)，其中，曲线c91、 c92分别为变压器组原边绕组电流和其中 一个副边绕组电流的波形；作为比较对采用同等容量、漏抗水平和控制策略的已有的单相多绕组分裂式变压器电铁补偿装置进行仿真，多绕组变压器的原副边绕组电流波形如图10 所示(横轴单位S，纵轴单位kA),其中，曲线C101、 C102分别为变压器原边绕组电
流和其中一个副边绕组电流的波形。对比图9和图10可以看出，变压器副边电流含有移
相电压差引起的环流分量，使各副边绕组电流畸变严重。仿真中还发现，部分副边绕组电 流甚至出现直流分量。可见，基于单相串联多重化变压器和链式结构的统一电能质量控制 器中变压器侧各功率模块内电流应力、电流环流和均流情况明显优于基于单相多绕组变压 器和链式结构的统一电能质量控制器。
将仿真模型中的直流电容单元全部替换成恒压型直流储能元件单元(总容量
10MW/10min)，构成具有有功功率、无功功率四象限调节能力的UPQC+ESS装置模型。 在同相供电模式下，仿真试验通过在负荷侧注入5MW的基波有功功率模拟交流电力 机车的再生制动，用以验证UPQC通过控制储能元件吸收制动回馈能量，避免了有功潮流 的反向流动的效果。能量回馈的仿真效果如图11所示(横轴单位s，纵轴单位MW或 kA)，其中，曲线c111为牵引变压器三相侧注入的有功功率的波形，曲线c112、 c113、 c114分别为牵引变压器三相侧a、 b、 c相的电流波形，曲线c115、 c116分别为UPQC 的alpha相、beta相补偿电流波形。仿真时间为0.8s， 0.4s投入UPQC装置，0.4s 0.6s 采用通过相间有功功率转移的负序电流抑制策略(储能元件尚未投入)，因此三相侧电流 在UPQC的控制下尽管仍保持平衡，但制动能量被回馈至电网，三相发出有功功率为 -5MW; 0.6s 0.8s装置控制储能元件吸收制动回馈能量，此时UPQC+ESS装置控制注入 负荷侧电流使储能元件将机车再生制动回馈能量全部吸收，因而三相侧电流和发出有功功 率基本上为0。仿真结果验证本发明所述UPQC+ESS装置对负序电流补偿能力和对有功 潮流反向流动的抑制能力。
异相供电模式下，仿真试验模拟在额定容量为40MVA的牵引变压器alpha侧接入 25MW的交流机车负荷，在beta侧接入20MW的交流机车负荷来模拟牵引变压器在不平 衡负荷条件下的过载情况。牵引变压器负荷削峰的仿真效果如图12所示(横轴单位s， 纵轴单位MW或kA)，其中，曲线c121为牵引变压器三相侧注入的有功功率的波形， 曲线c122、 c123、 c124分别为牵引变压器三相侧a、 b、 c相的电流波形，曲线c125、 c126分别为UPQC的alpha相、beta相补偿电流波形。仿真时间为0.8s， 0.4s投入 UPQC+ESS装置，0.4s~0.6s采用通过相间有功功率转移负序电流抑制策略(储能元件尚 未投入)，牵引变压器三相侧电流在UPQC的控制下实现三相平衡，外部电网承担了机车 全部的45MW有功负荷，超过了牵引变压器的额定容量；0.6s~0.8s UPQC+ESS装置在 转移相间有功功率的同时，通过储能元件由两侧变流器发出平衡的有功功率电流，即由储 能元件发出共计7MW有功功率提供给交流机车负荷。仿真效果表明三相侧电流在 UPQC+ESS装置控制下仍能保持平衡，同时外部电网承担的有功功率降为38MW，在牵 引变压器容量范围之内。即UPQC+ESS装置有效提高了牵引变压器过载比。
权利要求
1、一种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，其特征在于，该控制器包括一个单相串联多重化变压器组，该变压器组由m个单相变压器构成，m个单相变压器的原边绕组按同名端依次顺序串联；分别与所述m个单相变压器的n个副边绕组相连接的n个电压源变流器，构成串联的多重化变流器组；通过n个直流电压支撑单元与所述n个电压源变流器相连的n个链节的单相链式H桥变流器，该n个链节的单相链式H桥变流器的交流端口通过电抗器与电网直联，m、n取值范围为2及2以上的正整数，且m≤n；所述的m个单相变压器的首、末端单相变压器原边绕组的两个自由端口为单相串联多重化变压器组的原边绕组端口，与电网相连。
2、 如权利要求1所述的控制器，其特征在于，所述的串联多重化变流器组中的n个 电压源变流器均采用单相二电平H桥结构，该结构包括两个桥臂，其中每个桥臂分别由 上下两个绝缘门极双极型晶体管及与每个绝缘门极双极型晶体管反向并联的二极管组成， 两个桥臂上侧绝缘门极双极型晶体管及其反向并联二极管公共连接点构成该电压源变流 器的正极直流母线，两个桥臂下侧绝缘门极双极型晶体管及其反并联二极管公共连接点构 成该电压源变流器的负极直流母线。
3、 如权利要求1所述的控制器，其特征在于，所述的n链节单相链式H桥结构变流 器的任一链节Li均为一个单相二电平H桥结构，该结构包括两个桥臂，其中每个桥臂分 别由上下两个绝缘门极双极型晶体管及与每个绝缘门极双极型晶体管反向并联的二极管 组成，两个桥臂上侧IGBT及其反向并联二极管公共连接点构成该链节的正极直流母线， 两个桥臂下侧IGBT及其反并联二极管公共连接点构成该链节的负极直流母线。
4、 如权利要求1 、 2或3所述的控制器，其特征在于，串联多重化变流器组中每个 电压源变流器的正极直流母线与链式变流器侧对应的一个链节的正极直流母线相连接,构 成共用直流母线正极；其负极直流母线与该链节的负极直流母线相连接，构成共用直流母 线负极；在共用的直流母线正极与共用直流母线负极之间并联所述的直流电压支撑单元， 该直流电压支撑单元正极与直流母线正极相连，该直流电压支撑单元负极与直流母线负极 相连。
5、 将如权利要求1所述的控制器，其特征在于，所述直流电压支撑单元采用直流电 容单元或直流储能元件单元。
6、 如权利要求5所述的控制器，其特征在于，所述直流储能元件单元采用各类电池 储能系统、超导磁储能系统、飞轮储能系统或超级电容储能系统之任一种。
全文摘要
本发明涉及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，属于电力系统柔性交流输配电和电力电子技术领域，该控制器包括一个单相串联多重化变压器组，该变压器组由m个单相变压器构成，分别与所述m个单相变压器的n个副边绕组相连接的n个电压源变流器，构成串联的多重化变流器组；通过n个直流电压支撑单元与所述n个电压源变流器相连的n个链节的单相链式H桥变流器，该n个链节的单相链式H桥变流器的交流端口通过电抗器与电网直联，m、n取值范围在2及2以上的正整数，且m≤n；本发明可以实现精确的电流控制，且具备较快的动态响应速度，能够解决电气化铁路牵引变电所存在的三相电压不平衡和电压波动，功率因数低下以及谐波污染等问题。
文档编号H02M7/12GK101453171SQ20081011994
公开日2009年6月10日 申请日期2008年9月12日 优先权日2008年9月12日
发明者姜齐荣, 皮俊波, 魏应冬 申请人:清华大学