专利名称：一种基于半桥结构的铁路功率调节器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种高速铁路电能质量综合补偿系统，特别涉及一种基于半桥结构的 铁路功率调节器。
背景技术：
随着电气化铁路朝着高速、大功率和负荷发展，其电力牵引系统的电能质量问题 变得越来越至关重要。高速铁路牵引供电系统由于采用单相供电方式，产生负序电流，给电 力系统中的发电、输电和变电设备的运行带来严重危害，例如增加发电机的损耗，降低变压 器出力等，严重影响电力系统的安全经济运行。另外，高速铁路电力机车产生的谐波也降低 了其供电系统和上级电力系统的可靠性。因此，必须采取有效措施抑制高速铁路供电系统 产生的负序和谐波电流。针对电气化铁路的负序、谐波问题，国内外已出现一些补偿措施。采用SVC安装 在牵引变压器的两供电臂进行电气化铁路的负序补偿，在牵引变压器容量允许的情况下 理论上可将负序完全补偿，但增加了牵引变压器的容量和出力，并降低了两供电臂功率因 数。采取单相有源滤波器能够实现对电气化铁路的谐波抑制，但不能有效补偿电气化铁 路中的负序电流。针对铁路供电系统的单相供电特性，日本学者提出了铁路功率调节器 (Railway Static Power Conditioner，RPC)，利用背靠背的两个单相变流器进行有功、无 功及谐波的控制，能实现对负序和谐波综合补偿，但两个单相变流器包含8个功率开关器 件。另外，还有学者提出一种三相有源补偿系统——有源电能质量补偿器(Active Power QualityCompensator, APQC)，其结构是采用SCOTT变压器将两单相电源变换为三相平衡电 压，再将一个三相变流器通过三个输出电感与三相平衡电源连接，这将比RPC节省了一个 开关臂即两个功率开关器件，但需要结构较复杂的平衡变压器。
发明内容
针对上述现有技术存在的缺陷，本发明旨在提供一种基于半桥结构的铁路功率调 节器，能减小系统所需开关器件，简化系统结构；降低硬件的成本和复杂度，并提高补偿系 统的可靠性。为实现上述发明目的，本发明提出的技术方案是，一种基于半桥结构的铁路功率 调节器，包括两个单相降压变压器和半桥逆变模块，所述半桥逆变模块包括一对开关臂和 一对串联电容，一对开关臂经所述两个电容连接成背靠背结构；所述两个单相降压变压器 原边与牵引变压器的两个二次侧供电臂连接，两单相降压变压器副边的非浮地线分别经电 感与半桥逆变模块中的开关臂连接，两单相降压变压器的浮地线与半桥逆变模块中两电容 的中点连接。进一步的，所述牵引变压器采用的是三相V/V牵引变压器。本发明的技术效果在于(1)该铁路功率调节器所需的开关器件少，比采取两个背靠背单相H桥变流器的RPC要少一对开关臂即为4个功率开关器件，比有源电能质量补偿器APQC采用的SCOTT变 压器结构要简单，且要少1个功率开关臂；本发明仅采用一对功率开关臂和一对串联电容 结构，通过采用合适的控制方法即可以实现上述结构的相同功能。(2)相对而言，本发明结构较简单，降低了硬件的成本和复杂度，提高了补偿系统 的可靠性，将大大利于该铁路功率调节器的模块化大功率发展，并可以将功率单元模块通 过串并联形成多重化补偿结构来满足高速铁路大容量功率补偿的需求。(3)通过采用合适的控制方法来调节2个开关臂的开断状态，实现对直流侧电容 的充放电来维持半桥逆变模块的直流侧电压稳定和两串联电容的均压，并调节半桥逆变模 块的输出电流，实现对高速铁路供电系统的负序和谐波综合补偿。下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。
图1为各种铁路功率补偿系统的结构图。其中，图1 (a)为RPC的结构图；图1(b)为本发明的结构图。图2为本发明所述基于半桥结构的铁路功率调节器的等效电路图。图3为本发明所述基于半桥结构的铁路功率调节器的受控电流源等效电路图。图4为本发明的负序补偿原理图。图5为半桥逆变模块的PWM整流工作模式。图6为单个半桥功率逆变器的闭环控制框图。在上述附图中1-SC0TT牵弓I变压器2-单相降压变压器3-背靠背H桥变流器4_铁路功率调节器 5-半桥逆变模块6-V/V牵引变压器7-基于半桥结构的铁路功率调节器
具体实施例方式参见图1 (a)，图1 (a)为铁路功率调节器4(RPC)的结构图。RPC的补偿对象为采 用SCOTT变压器1的牵引供电系统。RPC包含两个单相降压变压器2和包含背靠背结构的 两个单相H桥变流器3，且共用直流侧电容，一共含有8个功率开关器件。两单相H桥变流 器接于两单相降压变压器副边，两单相降压变压器原边与牵引变压器的两个二次侧供电臂 连接。RPC的两单相H桥变流器通过合适的控制方法控制为受控电流源，能进行高速铁路的 负序和谐波综合补偿。参见图1(b)，图1(b)为本发明的结构图。本发明的补偿对象为采用三相V/V牵引 变压器6的高速铁路供电系统。本发明所述基于半桥结构的铁路功率调节器7由两个单相 降压变压器2和半桥逆变模块5组成。两个单相降压变压器的原边分别与两单相牵引供电 臂连接，并将两单相降压变压器副边中与原边地对应的两端连接起来接至两电容的中点， 两单相降压变压器副边中的其余两线分别通过一个电感与两开关臂连接，从而形成半桥逆 变模块。相对于现有技术中日本学者提出的铁路功率调节器的背靠背H桥结构，本结构只 包括一对开关臂和一对串联电容。定义图中与三相V/V变压器副边ac端连接的供电臂为 α相，另一臂为β相。本发明与RPC比较，节省了一对开关臂即4个功率开关器件。因此，这种补偿结构更为精简，降低了硬件的成本和复杂度，提高了补偿系统的可靠性，将大大利于该补偿系统 的模块化大功率发展。下面结合附图2、3、4、5、6、7对铁路功率调节器的工作原理和控制方法作进一步 的阐述。参见图2，建立其25kV电压等级下的等效电气模型。 为了进一步分析系统的补偿机理，建立其25kV电压等级下的等效电气模型。假设 两供电臂电网电压为Ua和1!0，两牵引供电臂的电网等效阻抗分别为Zsa和Zse，并且两边 负载等效阻抗分别为Zq和Z0p两个背靠背结构电压源变流器通过共用的直流电容连接 在一起，直流电容给两变流器提供稳定直流电压。设两单相变压器变比均为ks，忽略电感电 阻，将半桥逆变模块5等效变换到25kV侧，则有
L
L
ae k (1)
Lb =^
pe k由于半桥逆变模块中的半桥变流器是一种电压源信号，为了实现负序和谐波的补 偿，即实现对参考电流信号的实时跟踪，这里有必要通过采用合适控制方法，把电压源信号 闭环控制为电流源信号，联合两逆变器能够实现有功功率从一供电臂转移至另一供电臂， 进行负序补偿，同时能各自进行无功与谐波补偿。参见图3，图3为本发明结构的受控电流源等效电路图。假设两牵引供电臂的负载 电流等效为基波电流(Iaw、i0Lf)和谐波电流(Iali、I0Lh)之和，并将半桥逆变模块等效为 受控电流源信号，由输出基波电流a。af、i。ef)和谐波电流a。ah、i。eh)构成，这样可以计算 出两个牵引供电臂的电网电流
1 a I caf+I cah + IaLf + ^a Lh,、、
_ (2) Iβ ~ ^cPf ^cph + IPLf + IccLh可知，只要采取合适的控制方法使其输出电流跟踪指定的基波和谐波电流信号， 之后与由负载引起的基波和谐波电流叠加使相应部分得以补偿与抵消，这样就可以整体达 到负序补偿与谐波抑制的目的。根据上面的分析可知，通过两个背靠背的半桥逆变器，同样 能够实现有功转移和负序补偿的功能，并且相对于传统的铁路功率补偿装置，其结构更加 简单，系统的成本和复杂度减小。参见图4，图4为铁路功率调节器补偿负序电流的原理图。由于高速铁路机车一 般为交直交电力机车，采取四象限PWM脉冲整流控制方式，功率因数接近1。假设α相供 电臂有机车负载电流为而β相供电臂机车负载电流为Im。UA、UB、U。为原边三相电 压，υα、υβ为牵引变压器副边两桥臂电压，其相角相差π/3。在补偿前，两桥臂分别有有 功机车负载电流Im，I0lo首先通过综合补偿装置将两牵引臂有功电流差值的一半(即 为I |la」-|le」|/2)，从轻载侧转移到重载侧，此时两桥臂电流的幅值分别为|1' a|和
I' e I，其幅值相等，相角相差η/3。在此基础上，在α桥臂补偿一定的容性无功电流 I'㈡使电流超前该桥臂电压η/6，而在β桥臂补偿一定的感性无功电流Γ 使电流滞后该桥臂电压η/6，此时有 这样补偿之后得到的两桥臂电流Ia、I0分别与IA、Ib重合，相角相差2 π/3，并可 以求得原边C相电流为Ic，此时原边三相电流完全对称，负序电流为0，并且可推知原边三 相功率因数都为1，此时就到达了综合补偿的目的。对于其他任何负载情况下的V/V牵引系 统，都遵循上述的负序补偿原理。通过上面的分析，只要半桥功率补偿装置能把α、β两桥臂的负载电流分量 iaL(t),i0L(t)补偿为Ia、Ie就到达了负序与谐波完全补偿的目的。故通过采用瞬时电流 检测法，可以求得补偿参考信号为 其中
表示两供电臂负载
基波有功电流幅值的平均值，Iap和Iep分别表示两牵引供电臂的有功电流幅值。通过合适的控制策略来控制背靠背的两逆变桥，使逆变器输出电流完全跟踪给定 的基波与谐波电流，就可以实现系统负序与谐波完全补偿和抑制。图5为单相半桥变流器的两种工作模式直流侧电容充电和放电。图中队和込分 别为网侧电源电压和电流；Vei和Ve2分别为直流侧上、下电容C1和C2两端的电压；iei和iC2 分别为流过直流侧电容C1和C2的电流山为等效负载电流。当is > O时，变流器直流侧电 容上、下部分的电流、电压如式(5)和式(6)所示。
其中，VTa、VTb分别表示为上下开关管a、b的开关状态，1或0。当is < 0时，变流器直流侧电容上、下部分的电流、电压表达式与式(5)和式(6) 相同。变流器输入电压Ur及整个直流侧电压Ud。为 参见图6，图6为单个半桥功率逆变器的闭环控制框图。为了实现了内环电流的快速跟踪，对变流器的输出电流采取滞环控制方法，以使 变流器输出端电流跟踪参考补偿参考信号，即可实现负序和谐波补偿。由图6所示，为了维 持直流侧电压的稳定，直流侧电压外环采用了一个PI调节器，跟踪误差被处理后分别乘以两供电臂的同步信号，得到半桥逆变器中α、β相变流器的直流侧电压调节信号，并与检 测环节求得的谐波和负序补偿电流参考指令叠加，得到两变流器的电流参考指令信号4_和 Ipr。直流侧电压通过由两变流器共同控制维持，保证了两变流器两侧功率平衡，功率模块损
耗由两供电臂分担。本发明加入了一种直流的均压控制信号KX AV,通过有意加强某个开 关管的导通来提高相应电容的电压，从而减小电压不平衡、直流纹波和变流器输出电流畸 变等问题。 直流侧电容均压控制原理具体控制实施如下。图中
为电压外 环的输出信号，即为功率补偿指令参考信号与直流侧电压调节信号之和，K为均压环比例系 数，为电流内环的参考指令信号
，AV = Vc2-Va，均压调节过程为当 Δν > 0时，即Vc2 > Va，则电流基准有一个微小的正偏移量(KX Δν > 0)，即在输入电 压的正半周，电容C2放电电流增加，电容Cl充电电流增加。在输入电压负半周，电容C1放 电电流减小，电容C2充电电流减小。结果是输出电容电压V。2减小，Va增力卩，使Δν减小到 0或者0附近；当Δν<0时，S卩Vc2 < Vci时，同理可以实现均压，将八￥调至0。
权利要求
一种基于半桥结构的铁路功率调节器，其特征是，包括两个单相降压变压器和半桥逆变模块，所述半桥逆变模块包括一对开关臂和一对串联电容，一对开关臂经两个电容连接成背靠背结构；所述两个单相降压变压器原边与牵引变压器的两个二次侧供电臂连接，两单相降压变压器副边的非浮地线分别经电感与半桥逆变模块中的开关臂连接，两单相降压变压器的浮地线与半桥逆变模块中两电容的中点连接。
2.根据权利要求1所述基于半桥结构的铁路功率调节器，其特征是，所述牵引变压器 采用的是三相V/V牵引变压器。
全文摘要
本发明公开了一种基于半桥结构的铁路功率调节器，包括两个单相降压变压器和半桥逆变模块，所述半桥逆变模块包括一对开关臂和一对串联电容，一对开关臂经两个电容连接成背靠背结构；所述两个单相降压变压器原边与牵引变压器的两个二次侧供电臂连接，两单相降压变压器副边的非浮地线分别经电感与半桥逆变模块中的开关臂连接，两单相降压变压器浮地与半桥逆变模块中两电容的中点连接。这种铁路功率调节器与采用两个H桥单相变流器的结构相比，有源容量成本下降了一倍。在完成同样的功能前提下，减小了硬件成本和复杂度，提高了补偿装置的可靠性能，这样将大大有利于装置的大功率模块化，有良好的应用前景。
文档编号H02J3/01GK101882787SQ20101025012
公开日2010年11月10日 申请日期2010年8月10日 优先权日2010年8月10日
发明者吴传平, 吴敬兵, 孙娟, 孙运宾, 王刚, 罗安, 马伏军 申请人:湖南大学