（电力系统及其自动化专业论文）同相供电装置主电路研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 f 页 a b s tr a c t e x i s t i n gs i n g l e - p h a s et r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e mf r e q u e n c yr e s u l t i nt h r e e - p h a s ep o w e r s y s t e ml o a du n b a l a n c e d ，r e a c t i v ep o w e ra n dh a r m o n i cc u r r e n tp o l l u t i o n ，p a r t i c u l a r l ys o m ea d v e r s e i m p a c t so nt h eh i g hs p e e dl o c o m o t i v ea n dh e a v yh a u lr a i l w a y a l t h o u g hs o m em e a s u r e sh a v eb e e n t a k e n ，t h ee f f e c ti sl i m i t e d w i t ht h ee m e r g e n c yo fl a r g ec a p a c i t yo fp o w e re l e c t r o n i cd e v i c e sa n d t h ed e v e l o p m e n to fm o d e mp o w e re l e c t r o n i cc o n t r o lt e c h n o l o g y , a sak e ye q u i p m e n to fc o p h a s e t r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e m ，c o m p r e h e n s i v ep o w e rf l o wc o n t r o l l e r ( c p f c ) c a m ei n t ob e i n g ，a n d p r o b l e m sc a u s e db yt h ee x i s t i n gr a i l w a yp o w e rs u p p l ys y s t e mc a nb es o l v e i nc o r r e s p o n d i n gt ot h ev a r i o u sf o r m so ft r a c t i o n st r a n s f o r m e r st h a ta r eu s e di nt h et r a c t i o n s u p p l ys y s t e m ，ab r i e fd e s c r i p t i o no ft r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e mw i t ht h ey n ，v db a l a n c e t r a c t i o nt r a n s f o r m e ri sd o n ei nt h i sp a p e r t h es t r u c t u r ea n dp r i n c i p l eo fb a l a n c et r a n s f o r m e ro f c p f ci sa n a l y z e d ，a n dv o l t a g e ，c u r r e n ta n dp o w e rt r a n s f o r mr e l a t i o n sa r er e v e a l e d av a r i e t yo f l a r g e c a p a c i t yc o n v e r t e rt o p o l o g ya n do p e r a t i n gp r i n c i p l ea r ea n a l y z e d ，a n da d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e so fd i o d en e u t r a lp o i n tc l a m p e d ，f l y i n gc a p a c i t o ra n dc a s c a d em u l t i 1 e v e lc o n v e r t e r t o p o l o g ya r ec o m p a r e dw i t h c o m b i n i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so fe l e c t r i f i e dr a i l w a yt r a c t i o nl o a d s ， b a s e do nt w o l e v e l f o u r - m u l t i p l ev o l t a g es o u r c ec o n v e r t e r ( v s c ) a n dd i o d en e u t r a lp o i n t c l a m p e d ( n p c ) t h r e e - l e v e lt w o m u l t i p l ev s cm a i nc i r c u i to fc p f ca r ep r o p o s e d t h eb a s i c e l e c t r i c a lp a r a m e t e r so ft w ok i n do fm a i nc i r c u i ts t r u c t u r e sw e r ea n a l y z e da n dc a l c u l a t e d ，a r e a c t i v ec u r r e n ta n dh a r m o n i cc u r r e n t d i c t i o nm e 也o db a s e do n s e p a r a t i n ga c t i v ec u r r e n ti s p r o p o s e da n dm e t h o do fr e f e r e n c ec u r r e n tg e n e r a t i o nb a s e do nc a r r i e rp h a s ea n dm u l t i c a r r i e r p w m t e c h n i q u e sa r ep r o p o s e d i nc o r r e s p o n d i n gt ot h em i d p o i n tv o l t a g eu n b a l a n c eo ft h r e e 1 e v e l i n v e r t e r , ac o n t r o la l g o r i t h m so fc o m p a r e dv o l t a g ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h et w oc a p a c i t o r sw i t hz e r o t oc o n t r o lt h ec a p a c i t o rc h a r g i n ga n dd i s c h a r g i n gt or e a l i z en e u t r a l p o i n t b a l a n c ei se s t a b l i s h e d a c c o r d i n gt om e a s u r e dd a t ao fat r a c t i o ns u b s t a t i o n ，m a t l a b s i m u l i n ks i m u l a t i o n sa b o u tt w o k i n do fm a i nc i r c u i t so fc p f ch a v eb e e nd o n e ，a n dt h er e s u l t si si n c l u d e di nt h ep a p e r t h er e s u l t s h a ss u p p o r t e dt h es y s t e m c o n f i g u r a t i o n ，c o n t r o ls t r a t e g ya n dp a r a m e t e rc a l c u l a t i o nm e t h o d p r o p o s e di nt h ep a p e r , a n dt w ok i n do fm a i nc i r c u i ta r ew o r k a b l es i m u l t a n e o u s l y k e yw o r d s ：c o p h a s et r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e m ，c o m p r e h e n s i v ep o w e rf l o wc o n t r o l l e r , m a i n c i r c u i t ，m u l t i l e v e lc o n v e r t e r , p u l s e w i d t hm o d u l a t i o n 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密面使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“v ”) 学位论文作者签名：杨博 指导老师签名： 日期：2 a 乃歹ob 强：z 67 口6 d 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 本文主要工作是讨论和比较了多种大容量电力电子变流器拓扑结构特点，设计了 基于两电平电压源变流器四重化和三电平电压源变流器两重化的两种同相供电综合潮 流控制器主电路结构，对它们的电气参数进行了计算，讨论了补偿指令电流生成方法； 最后对y n ，v d 平衡变压器的功能进行了仿真验证，并且利用牵引变电所实测负荷数据 对两种主电路结构进行了仿真研究，验证了两种装置主电路结构的正确性以及同相供 电系统的平衡有功、补偿无功和抑制谐波的综合补偿效果。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名：杨谤 日期：2 d 少多o 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1同相供电牵引系统的研究背景及意义 目前，我国电气化铁道牵引供电系统采用的是工频单相交流制供电方式。因此， 相对于三相电力系统而言，电气化铁道牵引供电系统为单相接地的特殊系统，由于结 构上的不对称，导致电气化铁道牵引供电系统存在谐波含量大，负序突出和无功功率 多三大电能质量问题，并且作为单相负荷的电力机车的相互独立和随机波动，使得这 些问题更加突出【1 翻。为了改善电力系统电能质量问题，提出了采用包括增大电源容量、 采取特殊接线的平衡变压器、牵引变电所换相连接、静态负序电流平衡补偿装置等， 这些措施虽能减轻高速重载的负面影响，但由于牵引负荷在时间和空间上的随机性， 使得改善效果不佳。由于牵引变电所的换相连接，决定了在牵引网上必定存在电分相 环节。当机车行至供电臂末端时，必须经过退级、关闭辅助机组、断开主断路器等一 系列操作 3 】，使列车速度和牵引力损失较大并伴随有过电压现象影响机车的正常行驶。 由于电分相装置结构复杂、价格昂贵，因此电分相装置成为整个牵引供电系统中的薄 弱环节之一，制约了高速、重载铁路的发展。 随着大功率电力电子器件的相继问世以及现代电力电子控制技术的发展，特别是 灵活交流输电技术( f l e c i b l e a ct r a n s m i s s i o ns y s t e m ，f a c t s ) 的出现为实现电气化铁 路同相供电以及更高水平的贯通供电提供了新的思路【4 】。作为同相供电系统中核心设备 的综合潮流控制器( c o m p r e h e n s i v ep o w e rf l o wc o n t r o l l e r , c p f c ) ，其主要功能在于实 现牵引负荷功率在牵引变压器不同负荷端口之间的流动。利用综合潮流控制器将现有 的两相牵引变压器其中一相并联接入另一相，对牵引负荷产生的无功功率与谐波均由 综合潮流控制器予以补偿，可使牵引变压器仅仅传递有功功率，从而大大降低其容量， 且实现原边三相电流完全对称。因此，基于综合潮流控制器的同相供电系统使得电气 化铁道电能质量问题的根本解决成为可能，从而实现铁路客运高速化和货运重载化， 为我国电气化铁道牵引供电系统的跨越式发展打下坚实的基础。 1 2同相供电牵引系统的研究现状 同相供电系统从根本上解决了高速、重载牵引负荷对电力系统造成的不良影响， 有利于推动高速铁路的发展，并成为今后高速铁路的一个重要研究课题。从国际现状 上看，日本的理论研究和实践经验较为成熟，先后提出了可调无功补偿及滤波、三相 单相对称变换系统等理论【5 1 。1 9 9 6 和2 0 0 2 年，在日本东北新干线先后投运了基于现代 电力电子技术的用于平衡牵引负荷有功功率的单相馈电功率调节器( s i n g l ep h a s e 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 f e e d i n gp o w e rc o n d i t i o n 盯，s f c ) 【6 】以及补偿牵引网压波动的铁路静止功率调节器 ( r a i l w a ys t a t i cp o w e rc o n d i t i o n e r , p r c ) 7 - s 】。 目前，国内外关于同相供电系统的研究主要分为两类：一类是基于无源对称补偿技 术的同相供电系统【9 1 4 】；另一类是基于电力电子装置的同相供电系统 ! s - 2 2 】。 1 、基于无源对称补偿技术的同相供电系统 无源对称补偿技术是以可调并联电抗器、电容器为依托，通过并联无功补偿 ( p r c ) 或并联电容补偿( p c c ) 来消除或消弱单相牵引负荷引起的系统不平衡，同时 兼补无功，从而实现同相供电。 从理论上来说任何一种接线形式的牵引变压器均可以构造出三相单相对称变换系 统，实现同相供电。在结合常规接线的牵引变压器的对称补偿时，如y n ，d 1 1 变压器、 v v 变压器，必须在三个端口均安装可调补偿器，这就使得补偿装置的总安装容量大于 牵引负荷容量，增大了投资，补偿设备容量利用率偏低，补偿协调的控制手段和设备 较为复杂。而采用特殊接线，如不等边s c o t t 接线、不等边v v 接线等的对称补偿技术， 只需在制定两端口设置补偿容量，使得补偿装置总安装容量小于牵引负荷容量，简化 了系统结构，并能实现与单相牵引变压器相配合。 2 、基于电力电子装置的同相供电系统 随着现代电力电子技术的发展，采用g t o 、i g b t 等大功率半导体器件构成的综 合潮流控制器为同相供电系统实现综合补偿提供了一种新的选择。当潮流控制器提供 负载所需的基波无功电流、负序电流和谐波电流时，电源仅提供负载所需的基波有功 电流，该电流与电源各相的电压同相位且三相对称。此时，电源仅提供负载所需的有 功功率，系统达到了三相单相平衡的目的，实现同相供电。文献 1 5 2 4 提出了综合潮 流控制器与y n ，d 1 1 变压器、v v 变压器、阻抗匹配平衡变压器以及s c o t t 变压器相结合 的同相供电方案。这些方案的潮流控制器主电路结构形式与牵引变压器的接线形式紧 密相关，各有制约因素。y n ，v d 平衡变压器在实现同相供电系统中具有很大的优势f 2 5 2 7 1 。 1 3 同相供电装置主电路的研究意义 由于用于电气化铁道的c p f c 的功率等级高，受电力电子开关器件功率等级的限 制以及为提高装置的输出性能，传统的二电平变换器己不是好的选择，因为它需要功 率开关器件的串并联来提高功率等级，但串并联的均压均流需要大量的辅助电路，电 路结构及控制方法较为复杂，并且这种变换器的输出波形的谐波性能较差。同时为了 提高大功率电力电子装置的效率必须将开关管保持在低的开关频率，这是因为开关管 的开关损耗是整个装置损耗的主要部分，其不仅带来能量的损失，更主要的是散热问 题所带来的代价。同时，由于c p f c 需要传递电气化铁路牵引负荷功率并兼顾电能质 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 量，并且电气化铁路的重要性要求c p f c 主电路结构要便于冗余设计，这就对c p f c 装 置结构的科学性和可靠性提出了较高的要求。 虽然国内外对同相牵引供电系统展开了一系列的相关研究，但大都集中于对其系 统原理的阐述，而对于系统装置主电路的研究都只是利用它的等效模型来介绍其工作 原理、讨论其控制机理和控制方法，而未见有对主电路结构进行研究的文献。正因如 此，本文将在分析y n ，v d 平衡变压器电气性能的基础上对大功率变换器的电路结构作 深入研究，通过比较分析，确定不同电路结构的优缺点，设计出与之匹配的潮流控制 器主电路结构形式，采用精度高、动态性能好的控制策略，实现同相供电系统方案。 1 4本文主要研究内容 电气化铁道的飞速发展在扩展了国家的运输能力，促进了国家经济的同时，也为 电力系统带来了诸如三相不平衡、无功和谐波等一系列电能质量问题。同相牵引供电 系统是一种能够取消电分相、三相完全平衡、对外界不产生无功和谐波的新颖供电系 统方案，以满足电力牵引高速、重载发展的要求，将具有非常重大的意义。本文的选 题就是在这样的背景下确立的。 本文在查阅大量国内外文献的基础上，以设计大容量的潮流控制器主电路结构为 导向，主要进行了如下工作： 1 从总体上介绍了同相供电系统的研究背景和意义，分析了国内外同相供电系统研究 的历史和进展，介绍了关于同相供电系统主电路结构研究的研究现状。 2 对同相牵引系统的总体结构，结合y n ，v d 变压器对潮流控制器结构原理和功能进 行了分析，给出了同相供电系统的电压、电流和功率的关系，并在此基础上得出了同 相供电系统的综合补偿功能。 3 对现有的大容量电力电子设备的各种主电路拓扑结构进行了分析和比较，寻找适用 于同相供电潮流控制器的主电路结构形式，最后选择了基于电压源变流器的两电平四 重化结构和三电平两重化结构作为潮流控制器的主电路拓扑结构。 4 针对两种不同形式的主电路结构特点，研究相应的控制策略，并两种结构的相关参 数进行了计算。 5 对两种主电路结构进行了m a t l a b s i m u l i n k 环境下的仿真验证。针对在不同负荷 类型以及牵引、再生制动和过渡三种工况条件下进行了仿真验证，说明了两种主电路 结构的有效性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 第2 章同相牵引供电系统的总体结构 2 1 现有牵引供电系统 2 1 1 现行牵引供电系统结构简介 现代电力牵引都以公用电网配电，实质上是取用经变换的单相电。在我国，电气 化铁路都采用工频( 5 0 h z ) ，额定电压为2 7 5 k v 或2 2 7 5 k v 的单相交流制。相对牵引 变电所而言，通常把为其供电的电力系统称为外部电源或一次系统。根据不同牵引负 荷的用电等级和电力系统情况，外部电源主要采有环形供电、双侧供电、单侧供电及 放射供电等几种供电方式。无论何种供电都要以保证供电可靠性为原则，同时注意电 源容量及经济性馏8 1 。 牵引供电系统由牵引变电所和牵引网组成，如图2 - 1 所示。 接触罔 回流线 图2 1 现有牵引供电系统的构成 三相电力系统：它们为电气化铁路提供高压电源，其电压为1 1 0 k v 或是2 2 0 k v 。 电气化铁路的牵引负荷为一级负荷，故要求电源具有足够的容量和较高的可靠度。 牵引变电所：将电力系统提供的电能转换为适用于电力牵引的电能，其中核心元 件为牵引变压器，并留有备用。 牵引网：由馈线、接触网、轨( 地) 回流线等组成供电网回路，完成对电力机车 的送电任务。馈线是接在牵引变电所牵引母线和接触网之间的导线，它将电能由牵引 变电所引向电气化铁路；接触网是一种特殊的输电线，架设在铁路上方，机车受电弓 与其摩擦受电；钢轨既支持列车运行，又是导线，由于轨与地都是非绝缘的，故通常 轨、地一起接受机车的牵引电流；回流线是指牵引变电所处的横向回流线，它将轨或 与轨平行的其他导线与牵引变压器指定端子相连，与馈线一起组成牵引端口的端子线。 分相绝缘器：又称电分相，串接在接触网中，目的是把两相不同的供电区分来， 并使机车光滑过渡，主要用在牵引变电所出口处和分区所处。 分段绝缘器：又称电分段。分为纵向电分段和横向电分段，前者用在线路接触网 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 上，后者用于车站站场各条接触网之间。 21 2 现行牵引供电系统存在的主要缺陷 ( ”由于电分相的存在，当机车通过电分相时，必须经过退级、关辅助机组、断主 断路器等一系列复杂操作，惰性运行到下一个区段再恢复正常运行。虽然可咀采用自 动过分相装置来降低操作过程和操作复杂度，但没有从根本上取消电分相给高速运行 带来的影响，限制了机车运行速度的提高和牵引力的发挥，不利于高速、重载铁路的 进一步发展。 ( 2 ) 牵引负荷为变化频繁的单相交流负荷，它在电力系统中产生负序电流造成三 相严重不平衡。电气化铁路中一般将各相邻变电所牵引变压器的原边各端于轮换接入 电力系统的不同相，称为换相联接。采用换相联接虽然可以改善三相负载不平衡状况， 但由于牵引负荷在空间和时间分布上的随机性，使得由此对三相不平衡的改善程度是 极其有限的。 ( 3 ) 在高速、重载牵引下，电气化铁道对电力系统负序、谐波和无功的影响将更太。 如果在高速、重载的牵引系统中仍采用异相供电，在变电所内采用常规方法综台补偿 这些负序、无功和谐渡，那么无论在经济上还是技术上都困难重重。 因此，取消电分相，实行同相供电，通过平衡变换实现三相平衡，是解挟制约高 速铁路发展因素的根本方法，更有利于高速、重载铁路的发展。 2 2 同相牵引供电系统结构 同相牵引供电系统是在现行牵引供电系统结构的基础上在备个牵引变电所内引入 平衡变压器和潮流控制器，使现有变电所的两供电臂台并，实现单相供电，接触网各 区段电压相位相同。在由平衡变压器供电的牵引系统中，当两个供电臂的负荷相等时， 即两个负荷的电流幅值相同、功率因数相等时，变压器高压侧的三相电流是对称的， 利用平衡变压器的这个特性，可以构造出如图2 2 所示的同相供电系统结构1 。 捌日：， 一厂r _ 广f ie 3 u 毒 l h 一4 i 薯鹾 2 ，。1，_ l 口o谜口 垦窒耋曼查茎堡圭矍塞兰耋簦堡兰篁! 里 ( 吣 图2 - 2 利用平衡变压器的同相供电系统结构及电能潮流分布示意图 图22 ( a ) 所示的是现有牵引供电系统的电能潮流分布图。在图中机车所需的有 功功率完全由各自的变压器提供，无功功率则通过牵引变压器与电力系统交换。变压 嚣高压侧的电流是由两个供电臂电流合成而来的，当满足两个负荷相等的条件时，高 压侧电流为对称的，在图中所示的情况下，负荷是非对称的。 图2 2 ( b ) 所示的是利用综合潮流控制器c p f c 所构成的同相供电牵引系统的电能 潮流分布图。在图中机车所需的有功功率是变压器提供，同时当两个供电臂的负荷不 相等的情况下，右边的变压器提供一部分有功功率给左边的供电臂，其结果是变压器 两个绕组均输出相同的有功功率，实现供电臂有功功率平衡，并且供电臂的无功功率 由两个四象限变流器提供最终实现两个供电臂电压和相位的相同，取消变电所出口 分相。 与现行牵引供电系统相比，同相牵引供电系统具有以下几个方面的优点： ( 1 ) 变电所两供电臂合并，取消了馈线出口处的分相绝缘器。由于各变电所输入侧 的接线方式相同，输出侧电压相位相同当分区所两端的电压差不足以产生影响时， 可用分段绝缘器代替原来的分相绝缘器从而可以保证列车的全程不断电运行，避免 了列车的牵引动力损失，有利于高速、重载铁路发展。 ( 2 ) 通过对练台潮流控制器的控制，可实现对负序、无功和谐波的综台补偿，满足 电力系统要求的电能质量指标。 ( 3 ) n 综合潮流控制器出现故障而推出运行时，整个系统仅相当于退回到现行牵引 供电系统状态，不会造成停电故障。同时，由于同相供电系统中的变电所内部结构一 样，当发生故障时，便于维修。 23 同相牵引供电系统牵引变压器的选择 我国现行牵引供电系统中使用的牵引变压器采用多种结线形式，主要包括单相结 线变压器，“v ，v ”结线变压器，s c o t ( 结线变压器，y n d l l 结线变压器以及阻抗匹配 平衡变压器等，为了满足电力系统电能质量控制指标并提高电力系统的稳定性，在电 气化铁道的供电系统中一般采用三相变两相的平衡变压器。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 s c o t t 结线变压器当m 座和t 座两供电臂负荷电流大小相等，功率因素也相等时， s c o t t 结线变压器原边三相电流对称，其容量可以全部利用，对接触网可以实现双边供 电。但s c o t t 结线变压器制造难度较大，造价较高。牵引变电所主结线复杂，设备较 多，工程投资也较多。维护检修工作量及相应的费用有所增加。而且s c o t t 结线牵引 变压器原边t 接地( 0 点) 电位随负载变化而产生漂移。严重时有零序电流流经电力网， 可能引起电力系统零序电流继电保护误动作，对邻近的平行通信线可能产生干扰。 阻抗匹配平衡变压器在其两副边负荷电流大小相等，功率因数相同时，原边三相电 流对称，电力系统中不存在负序电流，容量得以全部利用。原边为y n 结线，中性点引 出，与高压中性点接地电力系统匹配方便，副边为结线绕组，三次谐波电流可以流 通，使主磁通和电势波形有较好的正旋度。 但其缺点为设计计算和制造工艺较为复杂，一般来说绕组匝数的配合比较容易，而要 获得预先确定的某一阻抗匹配系数是相当困难的。 为了克服上述平衡变压器的缺点，y n ，v d 结线牵引平衡变压器应运而生，具有结构 简单、性能优良、便于设计和制造等特点，如图2 - 3 所示。 图2 - 3y n ，v d 平衡变压器接线图 其原边中性点可直接接地，副边两输出回路既无电气上的联系，又无互感阻抗的影 响，不需人为的阻抗匹配即可获得满意的输入、输出特性。由于变压器有三角形接线 绕组，为励磁电流的三次谐波提供了通路，因此该绕组较好地改善了电压的波形。满 足平衡条件情况下，两侧输入阻抗理论上能够达到完全平衡。一相负荷的任意变化不 会影响另一相电压的输出，是较理想的牵引变压器。 其两侧的电流变换关系为f z ”6 】 i ib i c 1 = = 一 k 压1 ) 一l 02 压1 v )一l 其中：k 表示三相高压侧相电压与两相低压侧相电压之比 由对称分量法可得 ( 2 1 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 厶 厶 二去降 1 + _ 垢 1 一括 o ( 2 2 ) 式( 2 2 ) 表明，y n ，v d 结线牵引变压器使得电力系统侧无零序分量，当副边两相电 流对称，即t = 疗时，原边三相电流完全对称，平衡变压器完全消除负序对电力系统 侧的影响。 因此，与国内普遍使用的平衡变压器相比，y n ，v d 接线牵引变压器具有明显的技术 优势，是实现同相供电系统较合理的牵引变压器结线形式，所以本文选择y n ，v d 接线 牵引变压器与综合潮流控制器构建同相牵引供电系统。 2 4 综合潮流控制器结构及功率平衡变换原理 2 4 1 综合潮流控制器结构 针对y n ，v d 接线的平衡变压器，由于其两端口接线角相差+ 9 0 。，综合潮流控制器 采用两个单相四象限电压源换流器( v o l t a g e s o u r c e dc o n v e r t e r , v s c ) 通过直流耦合电 容c “背对背”连接在一起，结构如图2 - 4 所示。 图2 4 综合潮流控制器结构图 综合潮流控制器的两端口通过降压变压器t 1 和t 2 分别与y n ，v d 变压器两副边相 连。当对系统经行补偿时，有负荷相的换流器端口输出一半的负荷基波有功电流、全 部无功电流和谐波电流，另一个端口输入一半的负荷基波有功电流，这样从变压器侧 来看，它仅仅提供了负荷全部的基波有功电流，传递有功功率，原边三相电流完全对 称，单相负荷对电力系统而言，仅为一个纯阻性的三相对称负荷。 在综合潮流控制器结构中，直流耦合电容c 的作用是交换两个端口之间的有功功 率，起到能量交换的作用；交流侧的电感l 的作用主要是增加换流器输出电流的光滑 程度，限制输出电流脉动的幅度，滤除基于开关频率的特征谐波以及保护装置降低冲 击负荷产生的大电流对其的损害。由于电力电子器件容量的限制，因此必须采用降压 变压器t 1 、t 2 以满足潮流控制器开关器件的电压要求。： 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 曼皇曼毫皇皇皇- ni l l 。i l l ：! m 鼍苎皇暑! ! ! ! 鼍曼葛皇皇暑詈曼鼍! 皇詈皇皇皇! ! ! ! 皇鼍! 置 2 4 2 系统的电压、电流关系 图2 - 2 所示的系统可由图2 5 的等效电路表示。 z 刭 图2 - 5 系统的等效电路 设变压器的两个副边绕组的电压和负荷电流为 f “口( f ) = 拒哦s i n c o t t 蹦归慨s i n ( 鲥+ 9 0 。) t ( f ) = 忸s i n ( ，z 研+ ) n = l 令= l c 0 s 纹，k = i 对s i na p t ，则式( 2 - 4 ) 可以写成 t ( f ) = 皿s i i l 研+ 以c o s c o t + i , , h ( t ) 上式中，乙( f ) = 风s i n ( 刀刎+ ) 表示负荷的谐波电流。 n = 2 设负荷的瞬时功率为p n ( t ) ，由式( 2 3 ) 和( 2 5 ) 可以求出 ( 2 3 ) ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) p n ( t ) = k ( 1 一c o s 2 c o t ) + s i n 2 0 ) t + p ，h ( t ) ( 2 - 6 ) 上式中( f ) 为负荷的谐波瞬时功率，即 p 柚( 力2 薹l c 。s ( ，z 一1 ) 研+ + c o s ( ，z + 1 ) 耐+ ) ( 2 - 7 ) 潮流控制器的调节目标是使变压器的两个绕组均输出幅值相同的纯有功电流，所以 可以设电源电流的期望值为 1 0 ( f ) = 4 2 l r s i n t o t 10 ( f ) = 4 2 s i n ( c o t + 9 0 。) 由于负荷的有功功率都是由电源提供，所以在一个电源周期内，电源提供的能量与 负荷消耗的能量是相同的，即 z。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 ( 2 9 ) 将上述的功率表达式带入到式( 2 9 ) 可以求出期望的电源电流有效值为 1 5 r = 专i 叩( 2 - 1 0 ) 当电源电流的期望值由式( 2 - 8 ) 和( 2 1 0 ) 确定后，就可以算出潮流控制器的指 令电流i p x r o ( f ) = o ( f ) 一t ( f ) ( 2 - 1 1 ) 将式( 2 5 ) 、( 2 8 ) 和( 2 1 0 ) 代入上式，整理可以得出 i p x r ( f ) o ( f ) 一如( f ) ( 2 1 2 ) 由上面各式可以看出，综合潮流控制器的口端口需要输出负荷基波有功电流的一 半，并需补偿负荷的无功电流和谐波电流；端口则只需要输入与负荷基波功率相对 应的另一半有功电流。 2 4 3 系统的功率关系汹3 令只= 乞，q = ，则式( 2 6 ) 可以写为如下形式： p n ( t ) = p ，( 1 一c o s 2 c o t ) + g s i n 2 0 x + p x h ( t ) ( 2 1 3 ) 同时设变压器的两个绕组输出电流为别为0 和岛，那么对应的变压器输出瞬时功 率可以表示为( f ) p v ( t ) ，由式( 2 3 ) ，( 2 8 ) 和( 2 一1 0 ) 可以得到两个绕组的瞬时 功率表达式 p 。( f ) p ( f ) 手( 1 - c o s 2 c o t ) ( 2 - 号( 0 s 2 刎 通过上式以及式( 2 1 3 ) 可以求出潮流控制器两个端口的输入瞬时功率为 p a o ) = 一( 1 一c o s 2 c o t ) 一qs i n 2 c o t p 曲o ) ( 2 1 5 ) p 靠( f ) = 詈( 1 + c o s 2 c o t ) 出 ka 甜 r r j o i i 出 、- ， b芦 “+ k口 ，- i 、 r ，j o 鲫也 邺 耐 孵 呦 她 ，一 ；穹 吣 吣 ，上 可 当2生。2 鱼2 k 、，、， o o 虬 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 所以可以得到输入潮流控制器的全部瞬时功率为 p i ( t ) = ec o s 2 c o t 一绞s i n 2 c o t - p 柚( t ) ( 2 - 1 6 ) 综合上面的式( 2 1 5 ) 和( 2 1 6 ) ，可以得到下面的结论： 1 从潮流控制器的单个端口来看，有负荷端口的输入瞬时功率包含有该供电臂的有 功功率、无功功率和谐波功率；无负荷端口的输入瞬时功率只包含有该供电臂的有功 功率； 2 从潮流控制器的整体来看，流入两个端口的有功功率的恒定项相互抵消，所以潮 流控制器对于这部分有功功率来说只起到能量流通通道的作用，因此在设计潮流控制 器的直流储能环节时，这部分功率可以不必考虑在内。 2 5本章小结 本章讨论了现行牵引供电系统的结构特点以及存在的一些不足，导出了适合高 速、重载铁路的新型同相牵引供电系统的结构特点，得出了同相供电系统的优势；给 出了选取y n ，v d 接线平衡牵引变压器的依据，并得出了针对y n ，v d 接线平衡牵引变压 器的潮流控制器的结构；最后分析了潮流控制器的平衡补偿原理，得出潮流控制器在 进行补偿过程中担当平衡变压器两端口能量传输通道的结论。 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 第3 章大容量变换器主电路结构的分析和比较 从上一章的分析可以看出，作为同相供电系统核心设备的综合潮流控制器c p f c 的基本结构为两个单相四象限电压源型换流器背靠背组成。本课题要求c p f c 系统装 置设计容量达到了1 0 m v a ，每台单相电压源型换流器容量就为5 m v a ，由于受到电力 电子开关器件的耐受电压和容量的限制，对于这样的大容量电力电子装置来说，传统 的单个两电平换流器拓扑已不能满足高压、大功率的要求。因此c p f c 装置必须综合 采用多种有效手段实现大功率变换，如器件串并联、多重化技术、多电平电路结【3 0 3 l 】。 3 1 高压大功率变换装置大容量化的主要措施 1 、功率器件串并联技术【3 2 1 这是最简单、直接的方案，用小功率器件并联以承受大电流，将器件串联以承受高 电压，实现高压大功率变换。由于功率器件开关特性的分散性，对于具有高速开关特 性的功率器件( 例如i g b t ) ，是不允许直接串联的。否则直流侧的高电压将直接加在 后导通的器件上，使得后导通的器件承受高压而击穿。由于功率器件的参数不一致， 功率器件的直接并联同样存在电流不均衡的问题，因此，功率器件的串并联，需要复 杂的均压、均流技术。均压电路会导致系统控制复杂，损耗增加；而期间的均流，对 于像p m o s f e t 这类具有正温度系数( 温度升高时，通态电阻加大) 的器件，并联使 用时具有电流自动均衡的功能，所以易于并联使用。而对于具有负温度系数的功率器 件来说，均流是比较困难的事。对于使用于中高频的场合的i g b t ，在通态电流不同的 情况下，可能会出现两种截然不同的温度系数。非穿通型i g b t 的温度系数在额定电 流范围内几乎全部是正值，其饱和压降随温度一起上升，电流将转移至最初承载电流 最少的管子，最终实现在并联的各个器件中均匀分布。相反，穿通型i g b t 的温度系 数在额定电流范围内几乎全部为负值，一般来说不适合并联使用【3 3 】。由于器件的串并 联，对驱动电路的要求也大大加强，要求延迟时间接近，并尽量缩短。在关断过程中， 由于器件的恢复性能的差异，需要许过的吸收电路，降低了装置的可靠性，应而应用范 围受到了一定得局限。近年来，随着器件功率水平的不断提高，应用范围逐渐减小， 只是在极高的电压等级的应用场合以及低压大电流的应用场合下，会见到i g b t 的并 联使用。 2 、多重化技术【3 4 j 多重化技术也是用小功率器件实现大容量功率变换的有效办法。所谓多重化技术 就是将多个小功率变换器的输入或输出端通过变压器的串联或并联，各个变换器以相 同频率不同相位工作，从而达到高功率运行的目的。多重化技术可用于单相电路也可 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 以用于三相电路。在电压型变换器组成的多重化系统中，为防止由于不同变压器副边 绕组电压差而形成环流，通常在副边采取串联方式连接。相应的，在电流型变换器组 成的多重化系统中，副边绕组一般采用并联连接。 多重化技术最大的不足在于：需要特殊设计的输入、输出变压器，增大了系统的 成本，降低了系统的效率，而且当变换器的数目增多时，变压器的设计将非常困难； 多重化技术对控制精度要求也较高。 3 、组合换流器相移s p w m 技术 文献 3 5 提出的组合相移s p w m 技，其基本思想是：在一个由托个模块( 每个模块就 是一个普通的两电平换流器) 组成的系统中，所有模块采用相同的调制波，但相邻模块 的三角载波相位相差2 衫矾，( 其中z 为三角载波与调制波的频率比) 。这一相位差使 得各模块所产生的s p w m 脉冲在相位上错开，使所有模块最终迭加输出的s p w m 波形的 等效开关频率提高到原来的， f 倍，因此可在不提高开关频率的条件下，大大减小输出 谐波。从广义上说，相移s p w m 组合换流器，也是一种多重化技术。不同于上面所述的 输出电压多重化，这里采用的是三角载波的多重化，因此简化了输出变压器的设计。 图3 1 ( a d ) 所示为几种电压型相移s p w m 组合换流器的拓扑。图3 1 ( a 、b ) 所示为并 联型换流器，通过电流的叠加实现谐波抵消，能够提供较大的输出电流，但在各换流 器单元交流侧的电流谐波未被抵消，故在交流侧串联滤波电感以减小谐波。图3 1 ( c ) 所示的串联型换流器通过电压叠加实现电流中谐波的抵消，换流器单元的交流侧电流 谐波较小，所需的滤波电感比并联型换流器更小。图3 - 1 ( d ) 所示为并联型和串联型的 组合方式。 相移s p 阳v l 组合换流器的优点为：可采用开关频率较低的大功率开关器件，实现等 效的高开关频率输出，开关损耗低，输出谐波含量小，减小了输出滤波元件的尺寸和 容量，简化了变压器的设计。缺点为：仍然需要工频变压器，增加了系统的损耗和成 本，没有减小功率器件的电压应力。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 u 咤 u 1 砖 o ( a ) 有中线回路的并联型逆变器 ( b ) 无中线回路的并联型逆变器 ( c ) 串联型逆变器 ( d )并- 串混合型逆变器 图3 - 1 电压型相移s p w m 组合换流器拓扑 4 、多电平技术 多电平技术的目的就是由几个不同的电平台阶合成阶梯波以接近正弦输出电压波 形，从而达到减小变换装置输出波形谐波含量。习惯上，我们将输出电平数超过两点 平的结构都称为多电平结构，其概念最早由日本学者a n a b a e 在1 9 8 0 年的i a s 年会上 提出【36 | ，其后各国学者对高压大功率变换器的研究产生了新的思路和方法，就是走多 电平的道路，并大致产生了3 个发展方向： ( 1 ) 多电平结构。从多电平概念的提出至今，西门子公司采用三电平技术开发了 1 m v a r 的s n 盯c o m 装置并已经投入使用。 ( 2 ) 串联多层化结构。即通过将若干个小容量的变换器串联以获取大功率的输出， 例如级联链式多电平变换器。 ( 3 ) 单桥臂的多管串联。以美国学者赖日生为代表，通过二极管或电容的箝位以获 取多电平。二极管箝位多电平和飞跨电容多电平就属于此类。 多电平变换器之所以成为高压大功率变换器研究的热点，是因为它具有以下几个 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 zt m m lm 突出优点： ( 1 ) 每个功率器件仅承受1 ( n 一1 ) 的母线电压( n 为电平数) ，所以可以用低耐压的 器件实现高压大功率输出，且无需动态均压电路； ( 2 ) 电平数的增加，改善了输出电压波形，减小了输出电压波形畸变( t h d ) ； ( 3 ) 可以以较低的开关频率获得和高开关频率下两电平变换器相同的输出电压波 形，因而开关损耗小，效率高； 因此，多电平变换技术作为解决高压大功率变换的种具有代表性和较为理想的 方案，受到了越来越多的关注。 3 2 多电平变换器的基本电路拓扑结构 目前所见到的多电平变换电路，按照主电路拓扑结构可以分成三种基本拓扑结构 3 7 - 3 9 】：二极管箝位型多电平变换器( d i o d e c l a m p e dm