CN104009466B - 一种具有功率融通功能的电能质量综合治理装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种具有功率融通功能的电能质量综合治理装置和方法，该装置包括两条用于将单相电源转换为三相电源的电源转换支路，每条电源转换支路由连接电抗器、软充电电路和AC-DC-AC变换组件级联而成，AC-DC-AC变换组件包括级联的三组能量变换模块，每组能量变换模块由多个具有直流环节、直流电压转换环节的功率转换子模块级联而成，通过软充电电路对直流环节进行软充电后进行能量转换，并通过控制各功率转换子模块的开断调节功率输出、进行谐波补偿；该方法是基于上述电能质量综合治理装置的实施方法。本发明具有安装方便、占地面积小、损耗低、具有功率融通功能、能够实现单相转三相供电同时对供电系统进行综合治理的优点。

Description

一种具有功率融通功能的电能质量综合治理装置和方法

技术领域

本发明涉及牵引供电技术领域，尤其涉及一种具有功率融通功能的电能质量综合治理装置和方法。

背景技术

牵引供电系统由于其单相负荷的特殊性，区别于一般工业用户，电能质量问题也尤为突出，而电能质量的好坏又直接关系到电力系统的稳定性及行车的安全性。特别是近年来，大量的大功率高速交流机车逐渐成为主流，重载、高速已成为现代铁路运输的重要特征。但随之而来的电能质量问题也更为复杂、恶劣，其主要表现为功率因数低、电压波动大、谐波含量复杂、负序影响严重等。同时牵引供电系统由于采用特定的27.5kV单相供电，而其贯通线及工业用和民用则为三相（10kV/6kV/3kV等）供电，要解决这个问题，以往只能选择增设三相高压线路，这不仅需要大量的建设投资，更要解决偏远地区的线路走廊问题。

目前，贯通电力线一般引于公共电网或公共电网以外的发电厂、变电站及输配电线路，它是铁路沿线连通两相邻变、配电所的主要对沿线铁路用电负荷供电的10kV电力线路。牵引系统电能质量问题，主要是通过在牵引供电系统中加装静止型动态无功补偿装置（SVC）或静止型动态无功发生器（SVG）来进行缓解，而SVC或SVG主要只对无功功率或滤除部分谐波有一定效果。

基于我国牵引系统单相供电的模式，需要在不增设三相高压输电线路的前提下，通过增加电力电子转换装置，进行单相27.5kV转三相（10kV/6kV/3kV等）供电，同时还需要解决牵引供电系统功率因数低、电压波动大、谐波污染复杂、负序影响严重等一系列电能质量问题。

中国专利申请CN101521386A公开了一种牵引供电直挂式高压综合补偿装置，包括2个K级级联桥臂，2K个储能电容、K个隔离型双向直流变换器，通过交流电抗器直接接入牵引网，实现电能质量的综合补偿，然而该方案只能适用于三相供电系统中的电能质量控制，并不适用于单相供电模式的牵引系统。

中国专利申请CN101710707A公开一种电气化铁路电能质量综合补偿系统及其控制方法，采用铁路静止功率调节器RPC和两套晶闸管控制投切电容器TSC相结合的方式，利用晶闸管控制投切电容器承担大部分无功的补充，RPC进行两供电臂有功调节、抑制谐波和补偿剩余小部分无功。该方案同样只能实现三相供电系统中的电能质量的治理，并不适用于单相供电模式的牵引系统，且采用了降压变压器，占地面积大且损耗高，不利于环保。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构原理简单、安装方便，占地面积小、损耗低、两供电臂之间具有功率融通功能、能够实现单相转三相供电功能同时进行包括牵引供电系统功率、谐波污染、负序影响的电能质量综合治理的一种具有功率融通功能的电能质量综合治理装置和方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种具有功率融通功能的电能质量综合治理装置，包括两条用于将单相电源转换为三相电源的电源转换支路，每条电源转换支路由连接电抗器、软充电电路和AC-DC-AC变换组件级联而成；所述AC-DC-AC变换组件包括级联的三组能量变换模块，分别对应输出三相电源的三相电，每组能量变换模块由多个具有产生直流电压的直流环节、直流电压转换环节的功率转换子模块级联而成；各功率转换子模块通过软充电电路对直流环节进行软充电后进行能量转换，并通过控制各功率转换子模块的开断调节无功输出、进行谐波补偿。

作为本发明装置的进一步改进：所述两条电源转换支路的输入端分别通过一个单相接入开关接在牵引变压器低压侧两供电臂上，输出端分别通过一个三相接入开关接至三相系统。

作为本发明装置的进一步改进：所述连接电抗器包括一个单相侧的连接电抗器和三个三相侧的连接电抗器，所述单相侧的连接电抗器连接在单相接入开关和软充电电路之间，每组能量变换模块的输出端连接一个所述三相侧的连接电抗器，所述三相侧的连接电抗器的输出端连接三相接入开关。

作为本发明装置的进一步改进：所述功率转换子模块对单相电源依次进行整流、直流电压变换以及逆变的能量变换，包括高频变压器以及两个相同结构的H桥功率单元，所述高频变压器连接在两个H桥功率单元之间；每个所述H桥功率单元包括级联的整流电路、直流滤波电路和逆变电路，由前一个H桥功率单元的逆变电路、高频变压器以及后一个H桥功率单元的整流电路构成直流电压转换环节，两个H桥功率单元间通过高频变压器进行功率传递、电压变换以及故障时的电气隔离。

作为本发明装置的进一步改进：所述直流滤波电路由直流电容和均压电阻并联构成；所述整流电路和所述逆变电路均由4个全控器件构成H桥，通过控制全控器件的导通调节输出电压。

作为本发明装置的进一步改进：所述软充电电路包括并联的充电电阻和充电开关，由所述充电开关控制所述充电电阻对所述直流电容进行软充电。

一种基于上述所述的电能直流综合直流装置的实施方法，具体步骤为：

1）选择运行模式，若为单边运行，控制一条电源转换支路接入单相电源，转入执行步骤2）；若为双边运行，控制两条电源转换支路同时接入单相电源，每条电源转换支路按步骤2）执行，通过协调控制两条电源转换支路中各功率转换子模块的开断调节功率输出、进行谐波补偿，实现两供电臂之间的功率融通；

2）启动软充电电路对三组能量变换模块的各功率转换子模块中的直流环节进行软充电，充电充满后，关闭软充电电路；由三组能量变换模块的各功率转换子模块进行能量转换，分别对应输出三相电源的三相电，并控制各功率转换子模块开断进行功率输出调节及谐波补偿。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

（1）本发明通过三组能量变换模块对牵引变压器两供电臂输出的单相电源进行AC-DC-AC的能量转换，实现牵引单相电源至三相电源的转换，解决电气化铁路沿线贯通电力线等三相电源的供电问题；AC-DC-AC的能量转换由级联的多个功率转换子模块完成，通过功率转换子模块的开断即可调节两供电臂的有功、无功输出、进行谐波补偿，实现对牵引供电臂的功率融通以及谐波治理。

（2）本发明中功率转换子模块具有DC-DC的直流电压转换环节，使得可控制和稳定直流环电压，当两条电源转换支路进行双边运行时可实现两供电臂间的功率流通，从而提高牵引供电系统功率因数、稳定电压、谐波治理和负序治理的综合治理效果。

（3）本发明采用直挂式H桥级联结构的功率转换子模块，安装方便，根据功率单元的电压等级及容量大小可级联不同数量的功率转换子模块直挂于两牵引供电臂上，容量可控且可配置为高容量，适用范围广泛；且H桥级联结构相对于降压式多重化结构，其输出的波形较好，因此变换得到的三相电源电能质量较好。

（4）本发明采用直挂式H桥级联结构进行能量变换，无需使用传统的电容、电抗及大容量降压变压器等，占地面积小、环保且损耗低。

附图说明

图1是本实施例一种具有功率融通功能的电能质量综合治理装置结构示意图。

图2是本实施例中中功率转换子模块的电路结构示意图。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

如图1所示，本实施例一种具有功率融通功能的电能质量综合治理装置，包括两条将单相27.5kV电源转换为10kV/6kV/3kV等三相电源的电源转换支路，两条电源转换支路的输入端分别通过单相接入开关接在牵引变压器低压侧两供电臂上，输出端分别通过三相接入开关接入三相电源系统。每条电源转换支路包括由四个连接电抗器、软充电电路和AC-DC-AC变换组件级联而成，其中AC-DC-AC变换组件包括级联的三组能量变换模块，分别对应输出三相电源的三相电，每组能量变换模块由3N个具有产生直流电压的直流环节、直流电压转换环节的功率转换子模块（如附图中虚线框内所示）级联而成，其中N≥1。各功率转换子模块通过软充电电路对直流环节进行软充电后进行能量转换，并通过控制各功率转换子模块的开断调节无功输出、进行谐波补偿。

本实施例中，牵引变压器将单相110kV/220kV牵引供电电压降压为27.5kV，通过A、B两供电臂输出。两条电源转换支路分别为第一电源转换支路和第二电源转换支路，分别通过第一单相接入开关QF1、第二单相接入开关QF3接入牵引变压器低压侧的A、B两供电臂，同时分别通过第一三相接入开关QF5、第二三相接入开关QF6接入10kV/6kV/3kV等三相电源系统的A、B、C三相。

本实施例中，四个连接电抗器包括一个单相侧的连接电抗器和三个三相侧的连接电抗器，单相侧的连接电抗器连接在单相接入开关和软充电电路之间，每组功率转换子模块的输出端连接一个三相侧的连接电抗器，三相侧的连接电抗器的输出端连接三相接入开关。通过连接电抗器连接电网电压与逆变器输出电压，满足功率流动的条件，同时也可以抑制纹波电流。每条电源转换支路中依次连接为单相侧的连接电抗器、软充电电路、AC-DC-AC变换组件和三相侧的连接电抗器。

本实施例中，每个功率转换子模块对单相电源依次进行整流、直流电压变换环节以及逆变的能量变换，三组能量变换模块的N个功率转换子模块将单相电源依次执行变换后，对应输出三相电源的A、B、C三相。如图2所示，本实施例中功率转换子模块结构，采用H桥背靠背接线形式，包括高频变压器以及两个相同结构的H桥功率单元，高频变压器连接在两个H桥功率单元之间。每个H桥功率单元包括级联的整流电路、直流滤波电路和逆变电路，依次对输入的交流电进行整流和逆变，两个H桥功率单元之间通过高频变压器进行功率传递、电压变换以及故障时的电气隔离，整流电路、直流滤波电路构成直流环节，通过控制H桥功率单元中全控器件的导通，得到一个可控的直流电压；由前一个H桥功率单元的逆变电路、高频变压器以及后一个H桥功率单元的整流电路构成直流电压变换环节，对直流电压进行转换。通过前一个H桥功率单元的整流电路对输入侧的交流电压U1进行AC-DC的整流得到输入侧的直流电压Ud1，再由前一个H桥功率单元的逆变电路-高频变压器TP1-后一个H桥功率单元的整流电路转换为直流电压Ud2，即DC/AC-高频变压器-AC/DC过程构成直流电压变换环节，其中U0为隔离侧交流电压，输入侧直流电压Ud2再经过后一个H桥功率单元的逆变电路进行DC-AC逆变输出侧交流电压U2。功率转换子模块中由于具有DC/AC-高频变压器-AC/DC的直流电压变换环节，使得可控制和稳定直流环电压。当两供电臂电源转换支路同时运行时，则可根据两臂的负荷情况，动态的调节两臂的有功、无功输出，从而实现两供电臂间的功率流通，达到平衡两臂功率的效果。

本实施例中，H桥功率单元为背靠背结构，主要包括整流电路、直流滤波电路和逆变电路，实现AC-DC整流和DC-AC逆变，其中直流滤波电路由直流电容和均压电阻并联构成，整流电路和逆变电路均由4个IGBT模块构成的H桥，通过控制IGBT的导通调节输出电压。在其他实施例中，H桥功率单元可选择其他不同的功率单元器件，从而组成不同电压等级、不同容量的装置，功率单元级联的数量则由供电臂电压和器件电压等确定。

本实施例功率转换子模块采用直挂式H桥级联结构，根据功率单元的电压等级及容量大小，可级联不同数量的功率转换子模块直挂于两牵引供电臂上，容量可控且可配置为高容量。每供电臂输入侧可看成是由功率转换子模块级联的直挂式级联型SVG（或APF），仅需控制功率转换子模块的开、断即可调节两供电臂的无功输出或进行谐波补偿。

本实施例中，由软充电电路在装置启动前对各功率转换子模块的直流环节进行软充电，限制充电电流。软充电电路包括并联的充电电阻和充电开关，由充电开关控制充电电阻对H桥功率单元中的直流电容进行充电。软充电时，闭合单相接入开关并断开充电开关，通过充电电阻对H桥功率单元中的直流电容进行充电，充电充满后，闭合充电开关并闭合三相接入开关，完成软充电。

本实施例中，两条电源转换支路的结构相同，其中第一电源转换支路具体包括依次连接第一单相侧的连接电抗器L1、第一软充电电路、3N个级联的功率转换子模块U11~U3n和三个三相侧的连接电抗器L31~L33，其中第一软充电电路包括并联的第一充电电阻R1和第一充电开关QF2，每N个功率转换子模块输出端级联输出一路变换后电压，即功率转换子模块U11~U1n输出端级联、功率转换子模块U21~U2n输出端级联、功率转换子模块U31~U3n输出端级联，输出的三路变换后电压构成三相电的A、B、C三相，分别通过三相侧的连接电抗器L31、L32、L33与第一三相接入开关QF5连接；第二电源转换支路具体包括第二单相连接电抗器L2、第二软充电电路和3N个级联的功率转换子模块U11’~U3n’和三个三相连接电抗器L41~L43，其中第二软充电电路包括并联的第二充电电阻R2和第二充电开关QF4，每N个功率转换子模块输出端级联输出一路变换后电压，即功率转换子模块U11’~U1n’输出端级联、功率转换子模块U21’~U2n’输出端级联、功率转换子模块U31’~U3n’输出端级联，输出的三路变换后电压构成三相电的A、B、C三相，分别通过三相连接电抗器L41、L42、L43与第二三相接入开关QF6连接。

工作时，先闭合第一单相接入开关QF1、第二单相接入开关QF3，第一电源转换支路的第一软充电电路通过第一充电电阻R1对功率转换子模块U11~U3n的各H桥功率单元中直流环节的直流电容进行充电；第二电源转换支路的第二软充电电路通过第二充电电阻R2对功率转换子模块U11’~U3n’的各H桥功率单元中直流环节的直流电容进行充电；待充电充满时，闭合第一充电开关QF3、第二充电开关QF4，此时完成软充电过程，之后闭合第一三相接入开关QF5、第二三相接入开关QF6，装置具备运行条件。

装置运行时，两条电源转换支路可单边运行，也可双边运行。单边运行时，由三组能量变换模块的各功率转换子模块将单相电源变三相电源，同时控制各功率转换子模块的开断对牵引供电臂进行无功补偿及谐波治理；当双边运行时，通过协调控制两条电源转换支路中各功率转换子模块开断实现两供电臂之间的功率融通，从而实现牵引供电系统的负序治理，提高牵引供电系统功率因数、稳定电压、谐波治理和负序治理的综合治理效果。通过控制各H桥功率单元中IGBT的导通，达到调节输出电压的目的，实现能量的转换。

本实施例一种基于上述电能质量综合治理装置的实施方法，具体步骤为：

1）选择运行模式，若为单边运行，控制一条电源转换支路接入单相电源，转入执行步骤2）；若为双边运行，控制两条电源转换支路同时接入单相电源，每条电源转换支路按步骤2）执行，通过协调控制两条电源转换支路中各功率转换子模块的开断调节功率输出、进行谐波补偿，实现两供电臂之间的功率融通；

2）启动软充电电路对三组能量变换模块的各功率转换子模块中的直流环节进行软充电，充电充满后，关闭软充电电路；由三组能量变换模块的各功率转换子模块进行能量转换，分别对应输出三相电源的三相电，并控制各功率转换子模块开断进行功率输出调节及谐波补偿。

运行前由软充电电路对直流环节进行软充电，两条电源转换支路单边运行时，各功率转换子模块对单相27.5kV电源依次进行整流、直流电压变换以及逆变的能量转换，将单相电源转换三相电源，通过功率转换子模块的开断调节两供电臂的无功输出并进行谐波补偿；当两条电源转换支路双边运行时，通过协调控制两条电源转换支路中各功率转换子模块开断实现两供电臂之间的功率融通，实现牵引供电系统的负序治理。

上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (7)

1.一种具有功率融通功能的电能质量综合治理装置，其特征在于：包括两条用于将单相电源转换为三相电源的电源转换支路，每条电源转换支路由连接电抗器、软充电电路和AC-DC-AC变换组件级联而成；所述AC-DC-AC变换组件包括级联的三组能量变换模块，分别对应输出三相电源的三相电，每组能量变换模块由多个具有产生直流电压的直流环节、直流电压转换环节的功率转换子模块级联而成；各功率转换子模块通过软充电电路对直流环节进行软充电后进行能量转换，并通过控制各功率转换子模块的开断调节功率输出、进行谐波补偿。

2.根据权利要求1所述的具有功率融通功能的电能质量综合治理装置，其特征在于：所述两条电源转换支路的输入端分别通过一个单相接入开关接在牵引变压器低压侧两供电臂上，输出端分别通过一个三相接入开关接至三相系统。

3.根据权利要求2所述的具有功率融通功能的电能质量综合治理装置，其特征在于：所述连接电抗器包括一个单相侧的连接电抗器和三个三相侧的连接电抗器，所述单相侧的连接电抗器连接在单相接入开关和软充电电路之间，每组能量变换模块的输出端连接一个所述三相侧的连接电抗器，所述三相侧的连接电抗器的输出端连接三相接入开关。

4.根据权利要求3所述的具有功率融通功能的电能质量综合治理装置，其特征在于：所述功率转换子模块对单相电源进行整流、直流电压变换以及逆变的能量转换，包括高频变压器以及两个相同结构的H桥功率单元，所述高频变压器连接在两个H桥功率单元之间；每个所述H桥功率单元包括级联的整流电路、直流滤波电路和逆变电路，由前一个H桥功率单元的逆变电路、高频变压器以及后一个H桥功率单元的整流电路构成直流电压转换环节，两个H桥功率单元间通过高频变压器进行功率传递、电压变换以及故障时的电气隔离。

5.根据权利要求4所述的具有功率融通功能的电能质量综合治理装置，其特征在于：所述直流滤波电路由直流电容和均压电阻并联构成；所述整流电路和所述逆变电路均为由4个全控器件构成的H桥，通过控制全控器件的导通调节输出电压。

6.根据权利要求5所述的具有功率融通功能的电能质量综合治理装置，其特征在于：所述软充电电路包括并联的充电电阻和充电开关，由所述充电开关控制所述充电电阻对所述直流电容进行软充电。

7.一种基于上述权利要求1所述的电能直流综合直流装置的实施方法，其特征在于，具体步骤为：

1）选择运行模式，若为单边运行，控制一条电源转换支路接入单相电源，转入执行步骤2）；若为双边运行，控制两条电源转换支路同时接入单相电源，每条电源转换支路按步骤2）执行，通过协调控制两条电源转换支路中各功率转换子模块的开断调节功率输出、进行谐波补偿，实现两供电臂之间的功率融通；

2）启动软充电电路对三组能量变换模块的各功率转换子模块中的直流环节进行软充电，充电充满后，关闭软充电电路；由三组能量变换模块的各功率转换子模块进行能量转换，分别对应输出三相电源的三相电，并控制各功率转换子模块开断进行功率输出调节及谐波补偿。