一种用于电气化铁道无功与不对称补偿的三桥臂补偿结构的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种用于电气化铁道的电力电子补偿装置，属于电气化铁路供电领域。一种用于电气化铁道无功与不对称补偿的补偿结构，其特征在于包括：(1)三个共用直流母线的逆变器桥臂；(2)三个逆变器桥臂的交流出线通过连接电抗或者连接变压器接到电力牵引网中，其中第一桥臂的交流出线连接于牵引电网的超前相上，第二桥臂的交流出线连接于牵引电网的滞后相上，第三桥臂的交流出线连接于牵引电网的回流线上。本实用新型采用三桥臂的动态补偿结构，具有公共的直流母线，可以输出多种补偿电流，除无功电流外，还可直接输出负序电流和谐波电流。
【专利说明】一种用于电气化铁道无功与不对称补偿的三桥臂补偿结构
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种用于电气化铁道的电力电子补偿装置，可用于电气化铁路负荷的无功和不对称补偿，同时能够对低次谐波进行治理，属于电气化铁道供电领域，尤其涉及一种用于电气化铁道无功与不对称补偿的三桥臂补偿结构。
【背景技术】
[0002]随着国民经济的快速发展，电气化铁路获得了飞速发展，在给人们带来了快捷、高效的交通同时，也带来了严重电能质量问题。机车为单相供电负荷，电气化铁路牵引变电站也就多采用三相-两相变压器，包括VV变压器、VX变压器、Yndll变压器、SCOTT变压器等，其原边为三相110kV/220kV系统，副边为两个单相27.5kV系统。不同的牵引变压器原副边电压和电流关系不同，在影响程度上略有区别，但引起的电能质量问题类似。首先，电力机车牵引负荷为波动性很大的单相负载，当机车的工况改变时，会导致较大的负荷电流波动，从而引起供电网电压的波动；其次，电铁供电采用单相制式，会产生大量的负序电流；另外，传统的相控整流式的机车(如韶山6型)会产生很大的谐波电流。电铁负荷对电网的影响还可参看文献中的相关部分。这些如不能在电铁牵引变电站得到及时治理，将注入电力系统，影响电网的安全运行并波及其他用户。
[0003]针对牵引负荷存在的电能质量问题，目前的主要治理手段是在27.5kV侧加装固定电容器或TCR，该种方式采用晶闸管投切电容和电感以实现补偿，其存在占地面积大、损耗大(尤其在轻载时)等缺点；专利“用于电气化铁道无功功率补偿与电能质量控制的补偿装置”(申请号为200610089396.7)提出了一种先进的补偿方式，采用两个背靠背连接的四桥臂动态补偿方案，其两个单相H桥分别接在两供电臂，可分别补偿各自桥臂的无功功率，同时通过公共的直流母线可进行桥臂之间的有功交换，可直接补偿负序。但因两供电臂有一公共线路，所以两单相桥中至少有一个需要通过单相变压器接入电网。
【发明内容】
[0004]本实用新型所要解决的技术问题是提供一种用于电气化铁道无功与不对称补偿的补偿结构，解决现在的补偿结构中两单相桥中至少有一个需要加载单相变压器接入电网，增大成本的缺陷。
[0005]技术方案
[0006]一种用于电气化铁道无功与不对称补偿的补偿结构，其特征在于包括:
[0007](I)三个共用直流母线的逆变器桥臂；(2)三个逆变器桥臂的交流出线通过连接电抗或者连接变压器接到电力牵引网中，其中第一桥臂的交流出线连接于牵引电网的超前相上，第二桥臂的交流出线连接于牵引电网的滞后相上，第三桥臂的交流出线连接于牵引电网的回流线上。
[0008]所述三个逆变器桥臂通过包括连接电抗器或变压器的并网单元接入牵引电网。
[0009]所述三个逆变器桥臂，为两电平、三电平或多电平结构、模块化多电平变换器结构中的任意一种。
[0010]所述三个逆变器桥臂，采用一个三相桥臂，或者采用多个三相桥臂并联。
[0011]所述逆变器桥臂采用门极可关断晶闸管、绝缘栅双极晶体管、集成门极换向晶闸管或电子注入增强栅晶体管组成全控型的电压源逆变器。
[0012]所述三个逆变器桥臂的额定容量根据牵引变压器的接线形式确定。
[0013]对于W、YNDl1、VX接线形式的变压器，超前相和滞后相相位差为60度，三个逆变器桥臂的额定容量相同。
[0014]对于SC0TT、阻抗匹配平衡变压器接线形式的变压器，超前相和滞后相相位差为90度，第一桥臂和第二桥臂的额定容量相同，第三桥臂的额定容量最小为第一桥臂的
1.414 倍。
[0015]有益效果
[0016]本实用新型采用三桥臂的补偿结构，具有公共的直流母线，可以输出多种补偿电流，除无功电流外，还可直接输出负序电流和谐波电流，从而具有更高的性价比，而且可适应于各种牵引变压器，直接通过电抗器或变压器接在供电臂上，应用更灵活。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1为本实用新型的结构原理示意图。
[0018]图2是本实用新型的电路实现方式I两电平结构示意图。
[0019]图3是本实用新型的电路实现方式2三电平结构示意图。
[0020]图4是本实用新型的电路实现方式3模块化多电平MMC结构示意图。
【具体实施方式】
[0021]下面结合具体实施例,进一步阐述本实用新型。
[0022]本实用新型针对现有技术存在的上述不足，在上文所述专利基础之上提出一种新的技术方案，将三桥臂结构的动态补偿装置接在27.5kV的牵引电网侧，应用于电铁系统的无功和负序补偿，相比上述专利的四桥臂结构少一个桥臂。三桥臂具有公共的直流母线，可以输出多种补偿电流，除无功电流外，还可直接输出负序电流和谐波电流，从而具有更高的性价比。该方案可适应于各种牵引变压器，通过电抗器或变压器接在供电臂上，应用更灵活。
[0023]本实用新型的装置结构原理参考附图1，包括:
[0024](I)采用三个共用直流母线的桥臂构成，三个桥臂的交流出线通过连接电抗或者连接变压器接到牵引电网中，桥臂I的交流出线连接于牵引网超前相上，桥臂2的交流出线连接于牵引网滞后相上，桥臂3的交流出线连接于牵引网回流线上。
[0025](2)桥臂的参数根据牵引变压器的接线形式确定，针对不同的牵引变压器，三桥臂的额定电流可能有所不同。
[0026]本实用新型提出的用于电气化铁道的三桥臂补偿装置应用基于全控型电力电子开关的三相电压源型逆变器，具有以下优点:
[0027](I)采用SVC的无功补偿方案，虽也可实现动态补偿，但会产生大量的谐波电流，因此补偿装置本身必须加一定的滤波器，整体装置偏大；而且电抗器的运行损耗极大。而本实用新型的装置采用脉宽调制(PWM)技术或多重化结构，可使其输出电流接近正弦波，从而无需附加额外的滤波器；
[0028](2)通过对大功率电力电子器件的开关控制，本实用新型的装置不但可以实现无功的连续调节(吸收或发出无功)，而且通过三桥臂共用的直流母线，可以直接进行相间的有功传递，从而对两供电臂负荷产生的负序进行补偿；
[0029](3)除无功和负序补偿外，可以同时进行谐波的动态补偿；
[0030](4)相比专利所提的背靠背式的四桥臂补偿方案，本实用新型少一个桥臂数量，且可以不通过变压器而直接接入电铁系统；
[0031 ] (5)在供电臂轻载情况下，本实用新型装置可以闭锁逆变器的脉冲，从而大大降低装置的运行损耗；
[0032](6)适用于各种电气化铁路牵引变压器，同时根据不同牵引变压器的特点，各桥臂的容量可以分别进行设计，以提高装置的利用率。
[0033]上述补偿结构中，构成结构的三桥臂，可以为两电平、三电平或多电平结构、模块多电平MMC结构中的任意一种，如附图2?4所示。可以是一个三相桥臂装置，也可以根据需要采用多个三相桥臂并联。
[0034]本实用新型的补偿结构中，当不需要输出补偿电流时，逆变器可以工作在脉冲闭锁状态，以降低整个装置的运行损耗。如果采用多个逆变器并联的结构，当输出电流较小时，可闭锁部分散相逆变器，充分利用单模块的容量，从而降低装置损耗，提高装置的运行效率。
[0035]以下进一步介绍本实用新型补偿结构的原理:
[0036]本实用新型提供一种三桥臂结构，应用于电铁系统的无功和负序补偿。其是基于电压源逆变器(VSC)构成的一种并联型补偿结构，它采用门极可关断晶闸管(GTO)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)、集成门极换向晶闸管(IGCT)或电子注入增强栅晶体管(IEGT)等大功率可关断电力电子器件，组成全控型的VSC，可方便的实现电能的转换和利用。本实用新型的结构包括:(I)三个共用直流母线的桥臂；(2)将三桥臂接入牵引电网的并网单元，包括连接电抗器或变压器。
[0037]针对电气化铁路负荷造成的负序、谐波以及冲击负载引起的电压波动等质量问题，可利用三桥臂的特点，发挥其公用直流母线的作用，更好的满足治理需求。本实用新型所提的补偿结构原理的接线参考图1所示，可适用于各种类型接线的电气化铁路牵引变电所的不对称补偿。
[0038]参照图1所示，本实用新型提出的补偿结构接在27.5kV供电臂侧，应用本实用新型的结构，可以在本结构基础上增加采集系统分别采集两供电臂的电流，根据牵引变压器的原副边电流的关系，得出对应的原边三相电流；同时根据原副边关系，推导出副边两供电臂间能量传递与原边三相系统无功和负序的关系。采集系统在对电流进行分析计算后可以得到补偿参考分量后，利用两供电臂间的能量传递原理得到副边两供电臂的补偿参考电流，同时将两参考电流之和取反作为公共线路的参考电流，即可得出补偿参考电流。
【权利要求】
1.一种用于电气化铁道无功与不对称补偿的三桥臂补偿结构，其特征在于包括:(1)三个共用直流母线的逆变器桥臂；(2)三个逆变器桥臂的交流出线通过连接电抗或者连接变压器接到电力牵引网中，其中第一桥臂的交流出线连接于牵引电网的超前相上，第二桥臂的交流出线连接于牵引电网的滞后相上，第三桥臂的交流出线连接于牵引电网的回流线上。
2.如权利要求1所述的用于电气化铁道无功与不对称补偿的三桥臂补偿结构，其特征在于:所述三个逆变器桥臂通过包括连接电抗器或变压器的并网单元接入牵引电网。
3.如权利要求1所述的用于电气化铁道无功与不对称补偿的三桥臂补偿结构，其特征在于:所述三个逆变器桥臂，为两电平、三电平或多电平结构、模块化多电平变换器结构中的任意一种。
4.如权利要求1所述的用于电气化铁道无功与不对称补偿的三桥臂补偿结构，其特征在于:所述三个逆变器桥臂，采用一个三相桥臂，或者采用多个三相桥臂并联。
5.如权利要求1所述的用于电气化铁道无功与不对称补偿的三桥臂补偿结构，其特征在于:所述逆变器桥臂采用门极可关断晶闸管、绝缘栅双极晶体管、集成门极换向晶闸管或电子注入增强栅晶体管组成全控型的电压源逆变器。
6.如权利要求1所述的用于电气化铁道无功与不对称补偿的三桥臂补偿结构，其特征在于:所述三个逆变器桥臂的额定容量根据牵引变压器的接线形式确定。
7.如权利要求6所述的用于电气化铁道无功与不对称补偿的三桥臂补偿结构，其特征在于:对于W、YNDl1、VX接线形式的变压器，超前相和滞后相相位差为60度，三个逆变器桥臂的额定容量相同。
8.如权利要求6所述的用于电气化铁道无功与不对称补偿的三桥臂补偿结构，其特征在于:对于SCOTT、阻抗匹配平衡变压器接线形式的变压器，超前相和滞后相相位差为90度，第一桥臂和第二桥臂的额定容量相同，第三桥臂的额定容量最小为第一桥臂的1.414倍。
【文档编号】H02M7/483GK203951195SQ201320666163
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2013年10月25日 优先权日:2013年10月25日
【发明者】陈晋辉, 张秀娟, 刘定坤 申请人:北京思源清能电气电子有限公司