（电力系统及其自动化专业论文）同相at供电平衡变换装置保护研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 a b s t r a c t t h ec o p h a s ep o w e rs u p p l ys y s t e mm a d eo f a p f ( a e t i v ep o w e rf i l t e r ) ，i san e v t e c h n i q u ef o rs o l v i n gt h ep r o b l e mo fn e g a t i v e - s e q u e n c e ，h a r m o n i ca n dr e a c t i v e c u r r e n tw h i c hh a v ee x i s t e di nt r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e m a st h et r a c t i o nl o a di s h e a v ya n dt h ev o l t a g ei sh i g h ，a p ff i r s tm u s ts o l v et h ep r o b e mo fh i g hv o l t a g ea n d l a r g ec a p a c i t y a p fh a su s e dt oc o m p e n s a t eh a r m o n i ca n dr e a c t i v ec u r r e n ti np o w e r s y s t e mf o ral o n gt i m e ，s ot h er e s e a r c ho fi t ss t r u c t u r e ，c o n t r o la n dp r o t e c t i o ni s m a d eg r e a tp r o g r e s sa n dt r a c t i o nc o p h a s ep o w e rs u p p l yc a r ll e a r nf r o mi t b u tt h e r ei s n o tp r a c t i c a b l ea p fs t r u c t u r et h a ti ss u i t a b l et oc o p h a s ea t p o w e rs u p p l y , t h i sp a p e r e x p l o r e so nt h i sp r o b l e ma n dp r e s e n t sat w o - l e v e lo u t p u t i n gd i o d e - c l a m p e dl a r g e c a p a c i t ya p f t h e nt h i sp a p e rc a r e f u l l ys t u d i e so nt h ep r o t e c t i o ns c h e m e so ft h en e w a e f , a n ds o m eo f t h es c h e m e sa r ev e r i f i e db ym a t l a bs o f t w a r e a tf i r s t ，t h i sp a p e rs e l e c t sb a l a n c ec o n v e r t i n gd e v i c e ( b c d ) m a d eo ft h eb a c kb y b a c kc o n v e r t o r sa sr e s e a r c ho b j e c t ，b e c a u s et h i sb c di ss u i t a b l et ot h em o s tt r a c t i o n 仃a l l s f 0 彻e rc o n n e c t i o n s u s i n gt h i sb c d 够p r o t o t y p e ，t h ew o r kp r i n c i p l e so f c o p h a s ep o w e rs u p p l ya n da p fa r ei n t r o d u c e d a tt h es a m et i m e ，t os t u d yt h e t r a n s i e n t p r o c e s so fb c dw h e nt h et r a c t i o nn e t w o r k so c c u rf a u l t sa n db u i l d s i m u l a t i n gm o d e li sb a s e do nt h et h e o r i e s n e x t , t h i sp a p e ra n a l y s e st h ep o t e n t i a lf a u l t si na p f sm a i nc i r c u i ta n dp r o p o s e s c o r r e s p o n d i n gp r o t e c t i o ns c h e m e s t h i sp a p e ra l s op r e s e n t st h ep r o t e c t i o ns c h e m e s o fc o u p l i n ga u t o t r a n s f o m e r a st h ea p f sm a i nc i r c u i t p r o t e c t i o ns c h e m e sd on o ts a t i s f yt h es p e e d d e m a n d e db yi g b t so v e r - c u r r e n tp r o t e c t i o n ，t h i sp a p e rp r o p o s e sac o m p r e h e n s i v e o v e r - c u r r e n tp r o t e c t i o ns c h e m eo ft h en e wa p et w oo v e r - v o l t a g es n u b b e rc i r c u i t s a r ep r e s e n t e da n dc o n t r a s t e db ys i m u l a t i n g a i ma tn o wt h e r ei sn o t d e t e c t i n gs c h e m e o fs i n g l ec o m p o n e n to fa p f , n e ws p e c i a lf a u l t sd e t e c t i n gc i r c u i t so fi g b ta n di t s i n v e r t e dp a r a l l e lc o n n e c t i o nd i o d ea r ed e s i g n e d b e s i d e s ，t h i sp a p e rs t u d i e st h eh e a t d i s s i p a t i o no fi g b tm o d u l ea n dg i v e se n g i n e e r i n ga p p l i e dc a l c u l a t i n gm e t h o do f l e a k a g ep o w e ro fl g b tm o d u l e a tl a s t ，t h i sp a p e rs t u d i e sa p f st r a n s i e n tp r o c e s sw h e nt h et r a c t i o nn e t w o r k s o c c u ro v e r - c u r r e n ta n do v e r - v o l t a g e t h er e s u l t ss h o wt h a ta p f c o m p o n e n ti g b ti s 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 p o s s i b l yd e s t r o y e db yt h eo v e r - c u r r e n to rt h eo v e r - v o l t a g e t h e na u t h o rp r o p o s e s c o r r e s p o n d i n gp r o t e c t i o ns c h e m e s a sa a d d i t i o n , t h i sp a p e rs t u d i e st h ec a p a b i l i t i e so f b a l a n c ea n dc o m p e n s a t i o nw h e nt r a d i t i o n a lt h r e e - l e v e la p fi su s e di nc o p h a s ea t t r a c t i o np o w e rs u p p l y a l s ot h et h r e e - l e v e la p f sp r o t e c t i o ni ss t u d i e dw h e nt h e t r a c t i o nn e t w o r k sg ot h r o u g ho v e r - c u r r e n t k e yw o r d s ：c o p h a s ea t t r a c t i o np o w e rs u p p l y ；b a l a n c ec o n v e r t i n gd e v i c e ；a c t i v e p o w e rf i l t e r ；p r o t e c t i o n 西南交通大学学位论文创新性声明 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 文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： ( 1 ) 首次提出对二极管箝位式多电平电路的控制方式进行改进，构成一种新型 高电压大容量a p f , 以满足同相供电对a p f 的要求( 见3 2 1 节) 。针对这种新型 a p f 的不足提出了依次开断i g b t 及二级补偿的办法，达到保护i g b t 和保证谐波 补偿效果的目的( 见3 2 2 节) 。 ( 2 ) 分析了新型a p f 主电路可能发生的各类故障并提出了保护方案( 见4 2 节) 。 提出了耦合变压器的保护方案( 见4 3 2 节) 。 ( 3 ) 提出了单个i g b t 模块故障的检测办法，可以避免多个i g b t 串联时一个损 坏引起连锁反应损坏其它i g b t 模块( 见5 4 节) 。 ( 4 ) 首次分析了同相供电系统牵引网过流、过压对平衡变换装置的影响，并提 出了相应的保护措施( 见6 1 节和6 2 节) 。 学位论文作者签名：移叨移 州年莎月矽日 ， 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 不保密函，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 一) 学位论文作者签名：秀印地 指导老师签名：- - t , f - o 、f 日期：少刁石矽 日期：叽- 6 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 本文的研究背景与意义 1 1 1 研究背景 随着铁路朝高速、重载化方向的发展，铁路单相负荷功率越来越大，由此 在电力系统中引起负序电流问题也越来越严重。由于牵引网“电分相的存在， 限制了高速铁路机车平滑连续地受流，电分相成了牵引供电的薄弱环节。高速 铁路机车交直交传动与交直传动相比，低次谐波含量减少，但高次谐波的含量 明显增多，对有线通信会产生影响。为了克服上述负面影响，目前已经采用的 措施包括增大电源容量、采取特殊接线的变压器、牵引变电所轮换相序接线、 采用静态负序电流平衡补偿装置等，但这些手段最多只能减轻高速、重载铁路 产生的负面影响，而不能从根本上解决问题【l 】【2 l 。利用有源滤波器( a p f ，a c t i v e p o w e rf i l t e r ) 构成的同相牵引供电系统就可以从根本上解决铁路单相供电系 统存在的负序、谐波、无功以及过分相等诸多问题，是目前铁路电气化研究的 一个热点方向 3 - 5 1 。 同相供电的核心在于a p f 。从8 0 年代起随着相关控制技术的进步，a p f 用于 改善电力供电质量方面得到了迅速发展。与无源滤波器相比，a p f 具有高度可控 制和快速响应特性，并且能跟踪补偿各次谐波：自动产生变化所需的无功功率， 其特性不受系统影响，无谐波放大危险，相对体积重量较小等突出优点，已成为 电力谐波抑制和无功补偿的重要手段。a p f 不仅能补偿电力谐波和无功，而且还 能平衡负序电流。随着a p f 的推广应用，其必将给我国电力工业带来巨大的经 济效益和社会效益【6 】【7 1 。 1 1 2 研究意义 本文主要研究同相供电平衡变换装置的保护，而平衡变换装置主要部分由 a p f 构成，所以文中研究的内容将集中在的a p f 保护上面。a p f 在同相供电系统 中的结构和功能与其在一般电力系统中有所区别。在同相供电中，a p f 主要是平 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 衡负序电流，其次才兼有谐波、无功电流的补偿作用。平衡负序电流意味着a p f 内有一半的负载有功功率流动，如果a p f 或牵引网发生故障导致功率流动异常， a p f 就有可能发生过压过流，从而危及设备安全运行。a p f 属电力电子设备，比 起电力系统的电机、变压器、输电线等传统电力设备，不但价格较高，而且承 受过电压、过电流以及耐高温的能力都差得多，是比较“娇气 的设备。所以 过流、过压及过热保护是a p f 能否成功应用于高压大电流系统的三大关键问题。 本文的研究目的在于为a p f 提供一个从整体到单个器件的全面保护方案，保证 设备在任何情况下的安全，否则会造成较大的经济损失。 本文还对牵引网故障时a p f 的暂态过程进行了分析，把握该过程，可以为 设备保护提供理论依据。 1 2 同相供电系统及a p f 研究现状 1 2 1 同相供电系统研究现状 同相牵引供电又以同相a t 牵引供电最具有实用价值和前途而被作为研究的 重点。当前同相供电研究主要以同相a t 供电的原理以及实现同相供电的系统结 构等一些基础性内容为主1 3 1 1 4 】【8 一”】。 1 已提出的同相a t 供电系统主要结构形式 到目前为止，基于不同的牵引变压器接线形式而提出的同相a t 供电系统主 要有以下几种： ( 1 ) 基于三相变四相( 两相) 接线的同相a t 供电系统 三相变四相( 两相) 接线构成同相a t 供电系统的变压器有s c o t t 变压器、 三相变四相变压器等。图1 - 1 ( a ) 为基于s c o t t 变压器的同相a t 供电系统，图 1 - 1 ( b ) 为基于三相变四相变压器的同相a t 供电系统。由图1 - 1 可以看出这种 接线的平衡变换装置( b e d ，b a l a n c ec o n v e r t i n gd e v i c e ) 有四个引出线，可采取 两“背靠背变流器结构的平衡变换装置。 ( 2 ) 基于“v 型接线的同相a t 供电系统 v ，v 接线是牵引变电所主要接线方式之一，国内外电气化铁道有不少变电 所采用了这种接线方式，并且目前国内高速铁路牵引变主要采取这种接线方式。 该接线方式具有变压器利用率高，达到1 0 0 ，变电站投资少，接线简单，检修 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 维护方便等优点。v 型接线的缺点是无法为原边提供中性点接地，当电力系统对 接地有严格要求时，则不能采用这种接线方式，下节将要介绍的y 型接线可以 克服这一缺点。图1 - 2 即为v 型接线牵引变压器构成的同相a t 供电系统。图1 - 2 ( a ) 为平衡变换装置采用两“背靠背”的变流器结构，图1 - 2 ( b ) 为平衡变换 装置采用三桥臂的变流器结构。 r r f ( a ) 基于s c o t t 变压器的同相供电系统( b ) 基于三相变四相变压器的同相供电系统 图卜1 基于三相交四相( 两相) 接线的同相a t 供电系统 0 i1 0 j r t j 一1 j 耐 1 j 曲 1 b c d j 脚 一 j f 屯 a t p l 弓 ( a ) 采用两“背靠背”的变流器结构( b ) 采用三桥臂的变流器结构 图卜2 基于“v ”型接线的同相a t 供电系统 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 ( 3 ) 基于“y 型接线的同相a t 供电系统 彳 占 c i4 j j 毛j 图卜3 基于y n ，d l l 接线变压器构成的同相a t 牵引供电系统 y 型接线指牵引变高压侧能够满足电力系统中性点接地要求的接线。两台双 绕组y n ，d 1 1 变压器( 或一台三绕组y n ，d 1 1 变压器) 构成的十字交叉接线、 一台双绕组y n ，d ll 变压器、阻抗匹配平衡变压器或前面己提及的三相变四相 变压器等都可以构成y 型接线。基于y n ，d l l 接线变压器构成的同相a t 牵引供 电系统与基于阻抗匹配平衡变压器构成的同相a t 牵引供电系统二者结构原理基 本相同。图1 - 3 为基于y n ，d l l 接线变压器构成的同相a t 牵引供电系统。 以上介绍了三类主要的同相a t 牵引供电系统结构，不同牵引变接线还需与 适当的平衡变换装置结合才能有效发挥作用。下面将介绍平衡变换装置的几种 主要结构形式。 2 已提出的平衡变换装置结构形式 平衡变换装置包括有源滤波器( a p f ) 及耦合变压器。其中a p f 是核心部分， 平衡变换装置的负序电流平衡、谐波及无功补偿功能主要依靠它来实现。耦合 变压器主要是实现a p f 低电压到牵引网高电压的转换与隔离。根据牵引变的不 同接线方式，a p f 有如下几种结构形式与其相配合。 ( 1 )两“背靠背单相变流器结构的平衡变换装置 如图1 - 4 所示即为一个两“背靠背 单相变流器结构的平衡变换装置。这 种结构的优点是每一个单相变流器两臂电流平衡，控制简单。该结构的平衡变 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 换装置适用于由s c o t t 、阻抗匹 配平衡、三相变四相等两端口接 线角之差为9 0 0 的变压器构 成的同相供电系统。这种结构也 适合下面变压器两端口接线角 之差为1 2 0 0 的类型，并可以 使单相变流器的桥臂电流相对 均衡，在正常负荷下，完全补偿 负序和无功时，可以实现最小平 衡变换装置容量。图1 - 4 两“背靠背”单相变流器结构 ( 2 ) 三相三桥臂变流器结构的平衡变换装置 ( a ) 三桥三端子结构( b ) 三桥四端子结构 图卜5 三相三桥臂变流器结构 如图1 - 5 所示即为三相三桥臂变流器结构。这种结构的特点是只平衡负序 电流时三相电流平衡，如补偿谐波和无功时则三相电流不平衡，使得平衡变换 装置的容量得不到充分利用，控制相对较复杂。适合y n ，d l l 、v ，v 接线等变 压器两端口接线角之差为1 2 0 0 的类型。 ( 3 ) 三相四桥臂变流器结构的平衡变换装置 这种结构平衡变换装置只适用y n ，d 1 1 接线的变压器，特点是平衡效果好， 装置四个桥臂共同作用可以减少开关频率。但在平衡装置故障时这种接线的牵 引网将变成简单直接供电，失去通信防护效果。 j 3 呻咱 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 1 2 2a p f 的研究现状 图卜6 三相四桥臂变流器结构 经过多年的研究和应用实践，a p f 在基础理论、大容量结构、装置控制及保 护方面已经取得了丰硕的成果。这里主要介绍跟本文密切相关的a p f 电路结构“ 及保护研究情况。 a p f 应用于高压电力系统，首先面j 临的是高电压大电流问题。a p f 的基本元 件绝缘栅双极型晶体管( i g b t ，i n s u l a t e dg a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r ) 属电力 电子器件，其本质决定了承受的电压、电流有限。为了满足大容量需求，人们 提出了多重化和采取i g b t 串联这两种构成主电路的办法1 1 3 - 2 0 】。多重化主电路由 于输出电压较低，因此在高压大容量a p f 中主要还是采取i g b t 串联的多电平电 路。a p f 的应用方面，国外瑞典一家炼钢厂已把容量达2 2 m v a 的i g b t 串联三 电平a p f 应用于实际工业生产，而国内a p f 还处于实验室和工业化试验研究阶 段【8 】。另外，利用a p f 构成同相供电系统的理论提出时间不长，目前还无应用 实例，同相供电a p f 究竟采取何种结构还无相关文献可查。本文第3 章内容对 同相供电a p f 的结构进行了探索，提出了一种新的大容量a p f 。 由于构成a p f 的电力电子器件价格昂贵以及耐苛刻环境水平较低，人们非 常重视对a p f 的保护研究f 2 1 1 【2 2 1 。在a p f 的保护中，又以对1 g b t 的过流、过压 保护研究为重点。对a p f 过压、过流保护研究主要集中在两电平和三电平a p f 电路，对于多电平a p f 电路保护研究文献还很少。这主要是多电平a p f 存在器 件均压和控制复杂等问题造成的。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 1 2 3 本文将要研究的平衡变换装置结构 从前面的介绍可以看出，针对目前铁路牵引供电系统存在多种牵引变接线 方式的情况，已经提出了与之相适应的同相供电方案。不同的牵引变接线方式 是根据具体情况决定的，比如v 型牵引变接线简单、投资省，但电力系统要求 中性点接地时v 型接线就不能提供，必须采取能提供中性点接地的y 型接线， 而电力系统不要求中性点接地时采用y 型接线就不经济合算。所以今后即使铁 路牵引采用同相供电技术牵引变的接线方式也并不是一成不变，而是根据实际 情况决定的。由于牵引变接线和平衡变换装置结构形式多样，本文不可能对每 一种形式的平衡变换装置保护进行研究。经过进一步分析可以发现，各类同相 a t 供电方案中牵引网接线一致，并且都是通过两桥臂与平衡变换装置连接，而 牵引变除了决定平衡变换装置结构外，对平衡变换装置内部基本不产生影响。 在所有种类的平衡变换装置中，两背靠背单相变流器结构适用牵弓变接线形式 最多，控制相对简单，所以本文以该结构的平衡变换装置作为研究对象，所得 结果对其它结构的平衡变换装置也具有参考意义。 1 3 本文主要研究内容 同相a t 供电平衡变换装置是实现同相供电的关键设备，从耦合变压器到 a p f 都必须给予周全的保护措施。本文首先对同相供电以及a p fi 作原理进行了 简单介绍，作为后面牵引网故障故障对a p f 影响分析以及仿真建模的理论基础。 研究内容主要包括以下几个方面： ( 1 ) 对二极管箝位式多电平电路的控制方式进行改进后提出了一种新型大容 量a p f 。由于牵引网电压为5 5 k v ，牵引负载一般达到几十兆伏安，目前 的多重化或多电平主电路应用于同相供电系统存在电流过大或电平数过 多等弊病。本文在综合了多重化与多电平主电路的优点后提出的新型a p f 有望满足同相供电对a p f 的要求。针对本文提出的新型a p f 的不足，论 文给出了相应的解决对策，并以仿真验证了新型a p f 平衡补偿性能。 ( 2 ) 分析了新型a p f 主电路可能发生的各类故障并给出了保护方案。研究了 耦合变压器的保护方案。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 ( 3 ) 在分析i g b t 结构原理及工作特性的基础上，利用i g b t 的相关特性并结 合本文提出的新型a p f ，设计了i g b t 模块的过电流、过电压以及过热保 护方案。针对目前无a p f 单个器件故障检测电路的情况，设计了i g b t 及 其反并联二极管故障检测电路。 ( 4 ) 分析了牵引网过电压、过电流故障对a p f 的影响并提出相应的保护对策。 作为附加部分，仿真研究了两背靠背变流器平衡变换装置由传统三电平 a p f 构成时的平衡补偿能力，以及牵引网过流时a p f 的保护。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 第2 章同相a t 供电及a p f 的基本原理 2 1 同相a t 供电的基本原理 3 】 同相a t 牵引供电技术即利用平衡变换装置把单相铁路负荷电流变换为电力 系统中对称的三相电流，同时兼具补偿谐波和无功电流，最后使得铁路负载成 为电力系统对称的纯电阻性负载。具体原理的介绍以图2 - 1 所示的牵引变v ，v 接线，平衡变换装置为两背靠背单相变流器的同相a t 供电系统为例。图中正、 正为牵引变，a t p 为自耦变压器所，t 为接触线，r 为铁轨，f 为馈线，z 、z 为 耦合变压器。a p f 包括开关元件1 g b t ，电感l 和直流侧电容c 。因采用a t 方式 供电，所以馈线电流为负载电流的一半。 r u0 。人人父九 己l 卜 写 ，。y _ 、n i j r 彪弧 i ， 雠虹rj l 驱动电路l p _ ，瞎县j 0 声 驱动蛹h 1 r l r 广 声- j 控制电路卜 丰i 卜 i - j a 惟漱匠孽i 1j 士1 ( - j j 一一l 工 l，y” 2 1 芦犯 一c t l i i l t p2 i l 阼田一， 1 2 2 e 卜j ) 卜 3 。 2 图2 - 1 同相a t 供电主电路及控制回路图 设牵引变原边电源电压： ”4 ( ，) = 厨4s i n ( c o t 一3 0 。) ( 2 - 1 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1o 页 则牵引变副边电压与负载电流为： 吒p ) = 压s i n c o t i l ( t ) = 2 厶s i n ( n c o t + 孽o ) 单独表示负载中的基波电流： i l ( f ) = 4 2 1 ls i n ( c o t + 仍) 则负载基波有功和无功电流可以表示为： p ( f ) = 弘e o s q ，ls i n 研= 4 z l ，s i n c o t 钆o ) = 扬1s i n q ，1c o s c o t = 2 1 1 qc o s c o t 负载基波的有功功率为： r = u 曲i l p 在平衡装置作用下电源三相电流对称，所以电源的功率为： p s = 3 u a i a 由平衡装置的工作原理可知电源只提供负荷基波有功功率， 丑= b 。由式( 2 7 ) 与( 2 8 ) 可得： i a = 雨1i 1 i l p 料箬缸s i n ( c o t - 3 0 。) ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) ( 2 - 6 ) ( 2 - 7 ) ( 2 - 8 ) 所以存在关系： ( 2 - 9 ) 所以电源三相电流为： ( 2 - 1 0 ) 式中k 为牵引变变比，厶p = 1 1 c o sc p l 为负载基波电流有效值。 料纠嚣s i n ( ：c o t ：- 嚣3 0 。) ， 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 由此可得a p f 输出的期望补偿电流应为： f 二( f ) f 二( r ) f 二o ) r 屯_ 乞 2 i 一屯一bl l tj p 等”诚删o o ) ( 2 - 1 2 ) 图2 - 1 所示的同相供电系统采用两背靠背变流器的平衡变换装置结构，所 以滤波器仅输出式( 2 1 2 ) 中的乙和幺。式( 2 1 2 ) 中的期望电流可用图2 - 2 所示的电路生成。低通滤波器( l p f ) 的作用是滤出负载基波电流有效值，。p 。 2 2a p f 的工作原理 图2 - 2 期望电流生成逻辑电路 a p f 的功能就是实现输出式( 1 - 1 2 ) 的期望补偿电流，达到对牵引网谐波、 无功和负序电流的综合补偿。为表示一般性，这里以图2 3 所示三桥臂a p f 为 例介绍a p f 如何实现补偿功能。对于两桥臂的单相变流器，工作原理与此相同。 “：托堕+ k r f + 三( 2 1 3 ) d t 七 式中甜= 塞 表示变流器输出电压，z = z 朋 z p 6 z 声 表示变流器输出的补偿电流， 旷5t i 一 一 加 如 r 幽 耐 p ， g 压一压 ” 一 一，_li；卜拒万 一 一 = 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 p = e ! 表示牵引网侧电源电压，三和尺分别为变流器滤波电感及变流器向外看 甜：托堕+ 旦( 2 1 4 ) 也丝：肛生+ 旦一“( 2 1 6 ) 材：钇生+ 旦( 2 1 7 ) 材= 庀厶+ 一 l z 一 图2 - 3 三桥臂a p f 变流器输出电压“还可以用开关函数表示【2 4 】： i 七 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 似、 i 肛引2 s 。u d + 罢( 咒+ s b + s c s 6 u d + 三u d ( s 。+ s b + s 。 sc u d + 1 u d ( s o + s b + sc ( 2 - 1 8 ) s i ( ( 扛a bc ) 为开关函数，s t = 1 表示f 相桥臂上管导通，下管关闭；反之，s ，= 0 表示f 相桥臂下管导通，上管关闭。所以变流器输出电压u 通过s 的组合共有8 个空间矢量可供选择，这里用u 。( k = 0 ，1 7 ) 表示各矢量电压，所以式( 2 - 1 6 ) 可表示为： 肛竺：“+ 一甜。( - 2 1 9 )肚= “一甜。 一l 可j 班 “ 由式( 2 1 9 ) 可以看出，与变流器指令电流相对应的输出指令电压u 可以通过 选择合适的三相空间矢量电压甜。来控制误差电流f 的变化率，从而达到使f 最 小的目的。 从前面的分析可知要求a p f 输出期望补偿电流，最终要通过控制桥臂i g b t 的开断输出相应的电压来实现。控制i g b t 开断的信号一般称为脉宽调制信号 ( p w m ) ，目前主要有两种方法：( 1 ) 瞬时值之差经滞环比较器控制方式，见图 2 4 ( a ) ，f 为期望补偿电流，f 为实际补偿电流。该方式电路简单，电流响应 ( a ) 滞环比较控制( b ) 三角载波控制 图2 _ 4p 嘶信号生成方法 速度快，输出电压不含特定频率成分，滞环宽度对误差影响较大，固定环宽有 可能使器件开关频率过高的危险。( 2 ) 三角载波控制方式，见图2 - 4 ( b ) 。该方 式电路较复杂，跟随误差大，含与三角载波频率相同的谐波，但谐波较少，器 件开关频率固定。 。 一 下面以图2 - 1 为例从总体上总结同相供电系统是如何实现其功能的。首先 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页一 控制系统利用电流互感器测量出的牵引网中负荷f ，然后送入指令计算电路( 见 图2 - 2 ) ，指令计算电路根据公式( 2 - 1 2 ) 的原理计算出期望的补偿电流乙和0 ， 下一步由控制电路根据检测到的实际补偿电流f 。( 或f 。) 与期望的补偿电流f 二 ( 或f ：) 之间差值大小产生控制晶闸管开断的p w m 信号( 见图2 - 4 ) ，最后p w m 信号经驱动电路放大后直接驱动晶闸管开断，使有源滤波器输出电流f 。( 或f 。) 尽量与期望的补偿电流f 二( 或乙) 一致。 2 3 本章小结 本章内容主要对同相供电及a p f 的基本原理作简单介绍，目的是为后面牵 引网故障情况下a p f 的暂态过程分析以及仿真建模提供理论依据。 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 第3 章新型高电压大容量a p f 电路结构 a p f 用于构成同相牵引供电系统，必须解决高电压大容量问题。近年来， 相比于电力系统电压等级的突飞猛进，电力电子器件在高压大电流方面的进步 可以说是“举步维艰 。目前i g b t 最高工作电压为6 5 k v ，该电压离a p f 应用 场合的电压等级仍然差距很大。由于电压等级低，相应地限制了a p f 的容量。 这固然是由电力电子器件本质特点所决定的，但为了把a p f 应用于高电压大容 量场合，人们一直在这方面努力研究，并且取得了不少成果。对于同相牵引供 电中a p f 电路结构的研究，目前既无应用实例，也无这方面的文献可查，这为 本文平衡变换装置保护研究增添了难度。本章内容就当前已有的高电压大容量 a p f 应用于同相牵引供电系统的可能性进行了探讨，得出已有的a p f 难以适应 同相牵引供电的结论。在分析各种a p f 的优缺点后，笔者提出了一种新的能够 适用于同相牵引供电的a p f 。论文最后对这种a p f 的平衡、补偿能力进行了仿 真。 3 1 高压大容量a p f 的研究现状 目前解决该问题的方案主要有两种，一种是采用多重化主电路，另一种 是采用串联电路。 3 1 。1 多重化主电路 如图3 1 所示将多个结构相同输出两电平的小容量a p f 并联成一个大容量 的a p f ，然后利用耦合变压器与高压端连接。单个a p f 控制采用s p w m ( 正弦 脉宽调制) ，并联的各a p f 间三角载波开通时刻错开口角度( 秒= 2 z t ( 。木七) ， 。为并联a p f 个数，k 为s p w m 技术中三角载波频率与正弦调制信号的比值) ， 可以提高整体装置的等效开关频率，一般把这种电路称为多重化主电路f 1 5 1 。该 电路的特点是：多个相同结构的a p f 可以组合成任意大容量的a p f ，谐波补偿 效果好。缺点是a p f 输出电压较低，与高电压系统连接需要耦合变压器，电磁 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 干扰( e m i ) 较大。当然，也可将图3 1 中的各a p f 用强迫均流的技术并联组 成大容量a p f ，只是谐波补偿效果不如多重化方案好。 f 1 j 书 l习 3 1 2 串联多电平电路 图3 - 1多重化a p f 把多个电力电子器件串联提高输出电压，达到增大a p f 容量的目的，这种 电路被称为多电平电路。多电平电路主要有三种结构 1 6 - 1 7 】：( 1 ) 飞电容连接的 结构，如图3 2 ( a ) 所示；( 2 ) h 桥级联型结构，如图3 2 ( b ) 所示；( 3 ) 二 极管箝位式结构，如图3 2 ( c ) 所示。多电平电路的特点是电平数越多，输出 图3 - 2 ( a )飞电容连接五电平a p f 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 口口 图3 - 2 ( b )h 桥级联型五电平a p f 图3 - 2 ( c ) 二极管箝位式五电平a p f 电压高，谐波补偿效果越好，可以直接与高压系统连接。缺点是存在器件电压 均衡问题，这也是制约多电平a p f 在大容量领域发展的最根本问题。比如飞电 容连接的a p f 均压效果好，但电容电压控制难度很高，二极管箝位式a p f 存在 器件间开断配合不好易导致单个i g b t 承受过电压，h 桥级联型结构用于提供 有功功率时直流侧电容需要独立的直流电源【2 引。另外相比于两电平a p f 电容电 压，这三种拓扑结构的直流侧电容电平数越高，电压动态稳定控制越复杂。 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 串联型多电平a p f 提高了输出电压和容量，但是单个多电平a p f 容量不够 时如何扩容，这方面的研究文献还未见有报道。目前国内国外大容量a p f 主要 以多电平为主，如国内清华大学与澳门大学联合研制的5 k v ad s _ i 肘i c o m 有源电力滤波器采用了三电平三桥臂中分三相四线制。国外在瑞典一家炼钢厂 已有额定电压1 0 k v 、容量达2 2 m v a 的a p f 用于谐波和无功补偿，该a p f 采 用i g b t 和二极管构成三电平电路，控制方式采用p w m 调制控制。 3 1 3 已有a p f 电路应用于同相牵引供电系统的弊端 目前牵引网采用的a t 供电高压侧电压为5 5 k v ，牵引变压器的容量一般在 3 0 m v a 左右。比如新建的京津高速客运专线单台牵引变压器的容量为 3 1 5 m v a ，牵引网的一条供电臂同时有四列机车运行，单车牵引电流最大为 4 1 0 a ，可以预计今后修建的高速客运专线牵引网供电容量不会低于京津线现在 的水平。如果今后在客运专线上采用同相供电技术，那么同相牵引供电中的a p f 容量至少为目前牵引变容量的一半，约1 6 m v a 。所以同相供电的a p f 必须先 解决面临的大容量，高电压问题。下面讨论已有大容量a p f 构成同相供电系统 的可行性。 首先分析同相供电a p f 利用传统的两电平多重化电路来实现的可行性。采 用现有最高额定电压为6 5 k v 的i g b t 构成传统两电平a p f ，那么直流侧电容 电压应稳定在6 5 k v 。为了保证谐波补偿效果，对图3 3 结构的a p f 直流侧电 容电压应为耦合变压器低压侧电压额定值的2 3 倍【2 6 】。假如用这样的a p f 去平 衡现有京津客运线单条供电臂在正常负载时产生的负序电流，耦合变压器低压 侧的电流将达到5 5 0 0 a 左右，这么大电流的耦合变压器不但制造困难，同时变 压器散热也成问题。如果同相供电的a p f 利用多电平电路来实现，依然用额定 电压为6 5 k v 的i g b t ，那么最终a p f 的电平数也会达到1 2 以上，这么多的电 平数直流侧电容控制平衡几乎不可能。假如用多电平电路与耦合变压器结合， 虽能降低电平数，减小控制系统的复杂程度，但又面临单个a p f 的容量不够以 及耦合变低压侧电流过大的问题。前面介绍的炼钢厂三电平2 2 m v a 的a p f 输 出端直接与电力系统母线相连，不存在耦合变线圈电流过大的问题。同相供电 的主要目是平衡负序电流，所以多电平a p f 直流侧电容还是有功交换的缓冲装 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 置，电压波动较大，这又为多电平电容电压控制增加了难度。 总结前面的分析可知，目前已有的a p f 电路应用于同相牵引供电系统将面 临许多无法克服的问题，亟需一种新的大容量、高电压的a p f 电路。 3 2 新型大容量a p f 电路 3 2 1 新型大容量a p f 的电路结构 综上所述，为满足同相牵引供电系统高电压大容量需要，本文提出一种新 的大容量a p f 电路结构，其主要思想是利用i g b t 串联提高单个a p f 输出电压， 多个小容量a p f 多重化或并联可以组成大容量的a p f ，如图3 3 所示。图中仍 然利用了耦合变压器，这是因为在牵引网中经常发生雷击和机车引起的过电压， a p f 电路不宜直接与牵引网连接，采用耦合变压器可以有效隔离过电压对电力 电子器件的损害。该电路结构与二极管箝位的三电平电路相同，不同之处在于 控制方式。任一桥臂端部两个串联i g b t 的触发来自同一信号，这样a p f 输出 的电平虽为两个，但输出电压却比传统的两电平电路高2 倍。多个同样的a p f 一起可以多重化或并联均流的方式构成一个大容量a p f ，新的大容量a p f 的控 制方式与传统两电平电路没区别。二极管在这里的作用主要是箝位保护i g b t ， 防止同一桥臂上开断的i g b t 动作不一致时单个i g b t 承受过电压。这种大容量 a p f 输出电平只有两个，控制相对来说较简单，直流侧电容也不存在均压问题。 因为流过两电容的电流一样，只要两个电容容量相等，它们的电压就相同。同 一原理，可以把电平数大于3 的二极管钳位式电路组成输出更高电压的两电平 a p f 。为了叙述方便，本文后面仍然把图3 3 所示电路称为三电平电路，但控制 方式与传统二极管箝位三电平电路不同。 采用图3 3 所示原理的a p f 后，a p f 的输出电压得到了极大的提高，有效 减小了耦合变压器低压侧线圈的电流，比如新的三、四、五电平输出电压分别 为传统两电平电路的2 倍、3 倍和4 倍，相应耦合变低压侧电流也为原来两电平 电路电流的1 2 倍、1 3 倍、1 4 倍。前面3 1 3 节内容所述采用两电平电路耦合 变电流为5 5 0 0 a ，而采用新的多电平电路后耦合变低压线圈电流在5 电平时约 为1 4 0 0 a ，4 电平时约为1 9 0 0 a 。可以看出4 电平及以上耦合变压器低压线圈电 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 流较小，具有工程实用价值，同时可大幅减少耦合变的用铜量。 图3 - 3 二极管箝位式两电平输出a p f 3 2 2 新型大容量a p f 的不足及其对策 当然这种电路依然存在二极管箝位电路的通病，就是同时开断的i g b t 动作 不一致时会造成器件间电压不均衡。由图3 3 可以分析出，二极管箝位只对桥臂 j l - 倾0 的i g b t ( 如a 相桥臂的s 州或s ：) 起作用，能保证任何情况下外侧的i g b t 不承受过电压，但内侧的i g b t ( 如a 相桥臂的s 。，或s 二) 在其先于外侧i