专利名称：用于电气化铁路供电的单相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的采用多绕组变压器和
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。中国电铁供电系统为异相供 电模式，所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，并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。
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。对此国内外展开大量研究，并已有一系列类型的电力电子控制装置投入应用。 一种基 于自关断电力电子开关器件IGBT(绝缘门极双极型晶体管)或IGCT(集成门极换流晶闸管) 的大容量功率平衡调节器(Balance Converter Device, BCD)即为其中之一，可见以下三 篇科技文献所述文献1: Tetsuo UZUKA Shouji IKEDO Keiji UEDA， A Static Voltage Fluctuation Compensator for AC Electric Railway, PESC 2004 IEEE 35th Annual, Volume 3, Page(s): 1869- 1873 Vol.3;文献2:曾国宏，郝荣泰，基于有源滤波器和阻抗 匹配变压器的同相供电系统，北方交通大学学报，2003， 25 (3): 49-54;文献3:曾国 宏，郝荣泰，基于有源滤波器和斯科特变压器的同相供电系统，北方交通大学学报，2003， 27 (4): 84-90。其中，文献1所述功率平衡调节器应用于异相供电模式，文献2， 3所述 功率平衡调节器应用于同相供电模式。
上述文献所述BCD装置的简化原理结构如图1所示。两个大容量电压源变流器V^ V2通过共用一个直流侧电容C实现背靠背式电气连接，W和V2的交流侧分别与单相变压 器T!、 丁2连接，L和丁2高压侧端口x、 y和z、 w以并联方式分别接入牵引变压器二次侧 的两相绕组。所述电容C起电压支撑作用，通过变流器W、 V2内开关网络的变换，即可 在V^ V2交流侧对应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BCD
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C，在W、 V2两者之间控制有功功率 的转移。BCD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。
电铁为高压(27.5kV)大容量(几MVA 几十MVA)的负荷，其BCD装置容量范围 一般为几MVA到十几MVA之间，具有装置容量大、电气隔离难、输出波形质量要求高等 特点，需要对BCD装置所需的大容量电压源变流器V1、 V2选择合适的拓扑结构。为实 现所述Vb V2，除可采用电力电子开关器件直接串、并联之外，还包括应用多电平变流器 技术和基于变压器的变流器串、并联技术等。
如图2所示为上述文献所述BCD装置的一个实施例。多个电压源变流器Vu、 V^、…
VLn交流侧分别与多绕组变压器L的副边绕组Su、 SL2、…SL2相连以实现并联；同样的， VR1、 VR2、 VRn交流侧分别与多绕组变压器T2的副边绕组Sw、 SR2、…SR2连接实现并联。
变流器Vu、 Vu、…v"与VR1、 VR2、 v^直流侧均与共用电容c两端电气相连，所述 VL1、 VL2、…Vu和Vw、 VR2、 Vw均釆用二电平H桥变流器拓扑或三电平二极管中点箝 位式变流器拓扑结构。由于这两种拓扑结构耐压范围有限，为实现BCD装置所需电压和 容量，需要两个多绕组变压器实现电压、容量的匹配以及实现电气隔离。因此使得该BCD 方案存在占地面积大，成本高，损耗也较大的缺点，同时所需要的无源滤波器容量大，难 以在电气化铁路牵引变电所获得应用。
发明内容
本发明的目的在于针对电气化铁路牵引变电站存在的负序、无功、谐波超标等电能质 量问题，克服现有技术存在的不足，提出了一种新型的用于电气化铁路供电的单相统一电 能质量控制器(简称UPQC)。相对于已有的BCD方案，本发明省去了一个变压器，具有 占地面积小，损耗小且成本较低的优点。同时，在相同容量等级和较低开关损耗条件下， 可获得更高的等效开关频率，具有良好的波形输出特性和谐波电流抑制能力。其中的链式 H桥结构变流器的模块化结构使得UPQC工业上可实现标准化生产，利于降低UPQC生 产成本；而且便于实现冗余设计，以提高UPQC运行可靠性。
本发明提出的UPQC，采用一个单相多绕组变压器实现多个电压源变流器并联和电气 隔离功能，其特征在于，包括由一个原边绕组和n个副边绕组构成的单相多绕组变压器， 通过所述变压器的副边绕组并联的n个电压源变流器；通过n个电容与所述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 端口通过电抗器与牵引电网直联，其中n为取值范围在2-50之间的正整数。
本发明优选的单相多绕组变压器采用分裂式接法，每个副边绕组与原边绕组之间的互 阻抗完全相等。当所需为绕组数较多的变压器时也可以通过多个单相多绕组变压器并联获 得。
所述电压源变流器均采用单相二电平H桥结构。相互并联的电压源变流器采用载波移
相的脉冲分配控制技术(属于常规技术、，且不属于本发明内容)，使得多绕组变压器原边 侧获得良好的谐波抑制特性。
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， 每个链节依次与单相多绕组变压器副边绕组侧的一个电压源变流器通过直流电容，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牵引电 网的供电臂(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)，使得所有链节最终合成的输出电压谐波可相互抵消， 以使其输出侧获得良好的谐波抑制特性。
本发明可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)，确保 本发明对与其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，同时维持各独立直流电容的电压平均值在设定范围之内。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。
本发明的工作原理简述如下
异相供电模式下，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容传输至 电铁负荷较重一侧(称逆变侧)；同时从牵引电网供电臂吸收小部分有功电流补充装置损 耗，以维持直流电容电压的恒定。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。UPQC的整流侧和逆变侧通过协调控 制，保证各个独立电容的电压保持在一定范围内，整流侧吸收的有功功率时刻满足逆变侧 的需求，避免电容电压出现急升和突降现象，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。
当UPQC应用于同相供电模式或一相供电臂负荷空载时的异相供电模式时，其整流侧 变流器采用功率因数校正技术，即控制电流波形、相位紧跟随电压变化，使整流侧仅吸收 纯有功电流，避免由UPQC自身产生无功、谐波电流。
直流电力机车功率因数一般为0.8左右，此类电铁负荷产生的无功电流可由UPQC予 以补偿。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。
直流电力机车注入电铁供电系统的大部分谐波电流，可由UPQC予以补偿。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。
经过UPQC对有功电流转移控制和对无功电流和谐波电流的补偿，牵引变压器高压侧 流过三相对称的基波有功电流，在解决现有电能质量问题的同时，显著提高牵引变压器容
量利用率。
本发明的特点及有益效果
本发明是基于自关断开关器件IGBT或IGCT和脉宽调制技术(PWM)的大功率电力 电子装置，功率容量范围在几MVA 十几MVA之间。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，用于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。
本发明充分利用了链式H桥结构变流器在电力电子高压领域的应用优势。UPQC采用 的单相链式H桥结构变流器与27.5kV牵引电网供电臂直联，省去了一个变压器，因而占 地面积小，损耗小并且成本更低。唯一的多绕组升压变压器，实现了 UPQC两侧的电气隔 离以及各绕组电压源变流器的并联；同时各并联变流器之间相互电气隔离，有利于链式H 桥结构变流器各链节电容电压的控制。通过多个链节串联实现的大容量链式H桥结构变流 器，每个链节内IGBT或IGCT采用较低开关频率，就可使链式变流器获得较高等效开关 频率，因此使得UPQC在获得更好的谐波电流抑制特性和动态响应特性的同时，还能保持 较低的开关损耗，提高了装置的运行效率。链式结构易于实现冗余设计，当某链节出现故 障时，该链节可被旁路，并通过适当控制确保UPQC的仍然正常运行，提高了UPQC的 可靠性。链式结构中每个链节均为模块化结构，适于工业化生产，有利于降低UPQC制造 成本。
本装置同时具有有功功率控制，无功功率补偿和谐波补偿的功能，是对目前的有源滤 波器和STATCOM装置控制功能的有效扩展。能有效解决牵引变电站存在的三相电压波动 和三相电压不平衡，功率因数低，谐波污染等问题，并能显著提高电铁的运能、运力。
图1为已有的基于双变压器隔离结构的BCD装置示意图。
图2为已有的通过单相多绕组变压器实现变流器并联的双变压器隔离结构BCD装置结 构图。
图3为本发明的基于单相多绕组变压器和链式H桥结构变流器的UPQC装置结构图。 图4为本发明的通过单相多绕组变压器并联的第i个电压源变流器实施例结构示意图。 图5为本发明具有n个链节的单相链式H桥变流器实施例结构示意图。 图6为本发明在异相供电模式电铁牵引变电所应用示意图
图7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
本发明的用于电气化铁路供电的单相统一电能质量'控制器(UPQC)装置总体结构如
图3所示，本装置包括单相多绕组变压器1 (由原边绕组PR和n个副边绕组Sw、 SR2、… Sf^构成)，通过变压器1的副边绕组并联的n个电压源变流器2;通过n个电容与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3，该n个链节的单相链式H桥变 流器3交流端口x'、 y'与电抗器4连接后再通过x、 y端口与牵引电网直联，(n为可取值 范围在2-50之间的正整数)。
图3中所示的多绕组变压器1 ，其副边n个绕组完全一样，即n个副边绕组Sfu、Sr2、… S^与原边绕组PR之间的互阻抗完全相同，以使得通过变压器1的副边绕组并联的n个电 压源变流器2可以实现良好的电流均流效果，控制上只需要确保n个并联电压源变流器产 生的基波电压幅值与相位相同即可。多绕组变压器可采用分裂式接法(属于常规技术，且 不属于本发明内容)，副边绕组的分裂式接法使其相互之间阻抗很大，约为原边与副边互 阻抗的2倍。这样，控制时各绕组之间相互的影响很小，可以有效减小因为控制脉冲误差 引起的绕组间的循环功率。对并联的n个电压源变流器的控制采用载波移相控制技术，在 满足各变流器产生的基波电压幅值和相位相同的同时，使其特征谐波电压由于载波移相而 相互间产生一定的相角差，从而相互抵消。使得变压器原边侧获得良好的谐波抑制特性。
本发明的n个电压源变流器的实施例结构如图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)
S2和S3、 S4及与其反并联二极管D!、 D2和D3、 D4组成。两个桥臂的中点Ai、 Bi分
别与变压器第i绕组Sw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 线并与电容Ci相连，上端母线为正极，下端母线为负极。
本发明的n链节单相链式H桥结构变流器如图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Lj包括一个直流电容Ci和两个与电容 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Sh S3 连接于电容Ci的正极、IGBT开关S2、 S4连接于电容Ci的负极。通过电容Ci，链节U与 电压源变流器乂直流母线共用，形成"背靠背"结构。各链节串联方式为链节Li中IGBT 开关S^ S2所在桥臂中点与链节L"中IGBT开关S3、 S4所在桥臂的中点连接，链节U 中IGBT开关S3、 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h左侧桥臂中点x'和链节U右侧桥臂中点y'分别与连接电抗pd、 )X2相连，如图 3所示。
本发明的一个20MVA UPQC的实施例结合图3详细说明如下
根据接入系统电压等级和采用的IGBT耐压等级，可确定链式H桥结构变流器的链节 数目n。采用6500V/600A IGBT组成的H桥变流器链节，由于直流电压是波动的，其直 流侧电压平均值可取2800V左右。电铁牵引供电臂电压等级为27.5kV，因此需要14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，可以选择15个 单相H桥变流器链节串联，即构成15链节单相H桥结构变流器。相应地，可以确定单相
多绕组变压器副边绕组数和与之并联的电压源变流器数均为15，并联的每个电压源变流器
同样采用6500V/600AIGBT组成。多绕组变压器原边和副边变比采用15: 1，容量选择 为10MVA。该实施例中，考虑到副边绕组数较多，可以采用3个容量为3.3MVA，副边为 5绕组的单相变压器通过原边并联的方式构成容量为10MVA的单相多绕组变压器。
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6和图7 所示。图6中，本发明的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，使得牵引变压器副边两相中的一相绕组ob通过UPQC与另 一相绕组oa并联。图7中，牵引变压器副边两相中的一相绕组bc同样通过UPQC与另 一相绕组oa并联。与异相供电模式的区别在于，同相供电模式中UPQC的x、 y端口与 牵引变压器副边绕组bc连接，同时接入牵引网供电臂，而z、 w端口仅与变压器另一相绕 组oa相连而不与牵引网供电臂电气连接。应用在异相供电模式时，根据分相点S两端供 电臂a、 b点电铁负荷大小的不同，UPQC存在有功功率的双向流动，即x、 y和z、 w两 端口既可作为整流侧又可作为逆变侧。而应用于同相供电模式时，有功功率只是单相流动， z、 w端口为整流侧而x、 y端口为逆变侧。为保证UPQC正常稳定运行，采用瞬时有功功 率测量和计算，并通过整流侧和逆变侧的协调控制，使各个独立电容的电压保持在一定范 围之内，整流侧吸收的有功功率时刻满足逆变侧的需求，不使产生过剩和不足的情况，以 避免产生直流侧电压急剧上升或下降，危及UPQC装置的安全。
权利要求
1、一种用于电气化铁路供电的单相统一电能质量控制器，其特征在于，包括由一个原边绕组和n个副边绕组构成的单相多绕组变压器，通过所述变压器的副边绕组并联的n个电压源变流器；通过n个电容与所述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牵引电网直联，其中n为取值范围在2-50之间的正整数。
2、 如权利要求1所述的控制器，其特征在于，所述的多绕组变压器采用分裂式接法， 所述多绕组变压器的每个副边绕组与原边绕组之间的互阻抗完全相同。
3、 如权利要求1所述的控制器，其特征在于，对所述并联的n个电压源变流器的控制 采用载波移相控制技术，使得变压器原边侧获得良好的谐波抑制特性。
4、 如权利要求1所述的控制器，其特征在于，所述的电压源变流器采用单相二电平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。 '
5、 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。
6、 如权利要求1所述的控制器，其特征在于，所述的单相多绕组变压采用多个多绕组 单相变压器并联而成。
全文摘要
本发明涉及用于电气化铁路供电的单相统一电能质量控制器，属于柔性交流输配电技术领域，本发明包括由一个原边绕组和n个副边绕组构成的单相多绕组变压器，通过变压器的副边绕组并联的n个电压源变流器；通过n个电容与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H桥变流器的交流端口通过电抗器与牵引电网直联。本发明具有的有功功率控制、无功功率补偿和谐波补偿功能，能够解决电铁牵引变电所存在的三相电压不平衡和电压波动波动，功率因数低下以及谐波污染等问题，有效降低牵引变压器容量，提高电铁运能、运力。且占地面积小、损耗小、成本低；可获得良好的谐波抑制特性及动态响应特性。便于工业生产，提高装置可靠性。
文档编号H02M7/12GK101170284SQ20071017525
公开日2008年4月30日 申请日期2007年9月28日 优先权日2007年9月28日
发明者姜齐荣, 魏应冬 申请人:清华大学