一種基于單相全橋二極管鉗位多電平背靠背變換器的同相供電系統的制作方法
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種基于單相全橋二極管鉗位多電平背靠背變換器的同相供電系統。
【背景技術】
[0002]電氣化鐵路的牽引負荷為單相交流負荷，使牽引供電系統三相嚴重不平衡，并且存在無功電流。為了降低三相不平衡的影響，平衡變壓器采用換相連接，這樣導致各供電區段電壓不同，所以必須用分相絕緣器分隔。分相絕緣器限制了機車平滑連續地受流，成了供電的薄弱環節，制約了高速、重載鐵路的發展。而同相供電技術，從根本上解決了電分相問題，通過實時檢測系統的綜合補償電流，控制有源濾波器，平衡三相，濾除無功電流，使平衡變壓器的原邊不再輪換。在補償裝置的作用下，解決了系統的三相不平衡問題，同時補償了無功和諧波。傳統同相供電系統中，采用單相全橋兩電平背靠背變換器的結構，可避免電分相，實現三相平衡，補償無功、諧波。近年來，工業應用中對大容量功率變換器裝置的需求日益增加，傳統的兩電平變換器在高壓大容量應用中，除了少數場合采用交交變頻方式，通常采用將低壓小容量變換器通過采用多重化的技術獲得高壓大功率，或者在交流輸入和輸出側采用變壓器升降壓，中間環節還是低壓變壓器。這兩種方式都采用了笨重、昂貴、耗能的變壓器，后者會出現中間環節電流過大，效率下降，可靠性降低，能量傳輸困難等諸多問題。而且，兩電平電路為了得到高質量的輸出波形，提高了開關頻率，這樣會使得開關有很大的損耗，而且會有很大的du/dt和浪涌電壓。相對于二電平背靠背變換器而言，多電平背靠背變換器的輸出電壓諧波含量少，接近于正弦波，波形質量明顯要好，實現了效率的提高，同時，若為N電平變換器，則多電平背靠背變換器中直流電壓VdS N-1個開關器件分擔，開關器件所承擔的電壓值降低，適用于大功率的場合。對于全橋結構，也能使系統損耗小、壽命長，維修率大大降低。
【實用新型內容】
[0003]本電路設計的目的是將單相全橋二極管鉗位多電平背靠背變換器用于同相供電系統，提高了電路的容量和電壓等級，使電路工作更穩定，電路功能更有優勢并且系統損耗小、壽命長、維修率大大降低。
[0004]本電路結構解決目前階段的存在問題，所采用的技術方案為:
[0005]一種基于單相全橋二極管鉗位多電平背靠背變換器的同相供電系統，包括平衡變壓器1、α相降壓變壓器2、β相降壓變壓器3、α相連接電抗4、β相連接電抗5、單相全橋多電平背靠背變換器6，其中:
[0006]a、平衡變壓器I輸入端La，Lb, L。分別接三相電網的a，b，c三相，輸出α、β兩相，α相輸出與降壓變壓器2 —次繞組相連，β相輸出與降壓變壓器3 —次繞組相連；單相全橋多電平背靠背變換器6由二極管鉗位多電平整流器與二極管鉗位多電平逆變器背靠背組成；α相降壓變壓器2 二次繞組經連接電抗4與二極管鉗位多電平整流器的輸入端并聯，二極管鉗位多電平逆變器輸出端經連接電抗5與β相降壓變壓器3二次繞組并聯，并聯輸出接入牽引網，為負載供電；
[0007]b、信號控制電路7主要采集負載電流IlMd、α與β兩相電壓的相位信號和直流側電容電壓Vd。，通過預測電流控制方法產生PWM驅動信號控制變換器6的開關通斷，從而使電流兩臂電流Ia、Ifi相等，保證網側三相電流平衡。
[0008]與現有技術相比，本設計電路的有益效果是:單相全橋多電平背靠背變換器拓撲由于自身結構的優點，在開關器件承受相對兩電平結構N分之一壓降(N為電平數)和更低的開關頻率情況下，得到與兩電平相同或者更好的波形。多電平拓撲在高壓大功率場合中應用時，一方面降低了器件承受的開關應力，減小器件的開關損耗；另一方面降低了電路運行中的du/dt、di/dt和輸出波形諧波含量，同時由于全橋的穩定性的優點，使整個系統損耗小、壽命長，維修率大大降低。因此，在同相供電系統中采用單相全橋多電平背靠背變流器的結構，提高電路容量和電壓等級，使得電路功能更有優勢。
[0009]下面結合附圖和【具體實施方式】對本設計新型作進一步詳細說明。
【附圖說明】
[0010]圖1是基于單相全橋二極管鉗位多電平背靠背變換器的同相供電系統簡要圖。
[0011]圖2是基于單相全橋二極管鉗位三電平背靠背變換器的同相供電系統。
[0012]圖3是單相全橋二極管鉗位多電平變換器的結構圖。
[0013]圖4是本系統有功、無功、諧波檢測的基本框圖。
[0014]圖5是本系統預測電流控制方法的控制框圖。
【具體實施方式】
[0015]本實用新型應用于同相供電系統中的單相全橋二極管鉗位多電平背靠背變換器。包括平衡變壓器1、a相降壓變壓器2、β相降壓變壓器3、α相連接電抗4、β相連接電抗5、多電平全橋二極管鉗位單相-單相變換器6(見圖1)。以單相全橋二極管鉗位三電平背靠背變換器為例(見圖2)，其中:
[0016]a、平衡變壓器I輸入端La，Lb, L。分別接三相電網的a，b, c三相，輸出α、β兩相，α相輸出與降壓變壓器2 —次繞組相連，β相輸出與降壓變壓器3 —次繞組相連；單相全橋三電平背靠背變換器6由二極管鉗位三電平整流器與二極管鉗位三電平逆變器背靠背組成；α相降壓變壓器2 二次繞組經連接電抗4與二極管鉗位三電平整流器的輸入端并聯，二極管鉗位三電平逆變器輸出端經連接電抗5與β相降壓變壓器3二次繞組并聯，并聯輸出接入牽引網，為負載供電。
[0017]b、假設背靠背變換器輸出電壓的電平數為N (N多3)，N電平單相全橋背靠背變換器由N電平整流器和N電平逆變器組成，各為兩個橋臂。則直流分壓電容的個數為N-1個，每個橋臂主功率開關管的串聯個數為2* (N-1)個，鉗位二極管的個數為2* (N-2)個。其N電平整流器的輸入端anl_an2經連接電抗與α相的降壓變壓器的二次繞組并聯；其N電平逆變器的輸出端bnl-bn2經連接電抗與β相降壓變壓器二次繞組并聯，且β相降壓變壓器二次繞組接入牽引網，為負載供電。(見圖3)
[0018]實施例:
[0019]圖1示出，本實用新型的一種【具體實施方式】為:一種基于單相全橋二極管鉗位多電平背靠背變換器的同相供電系統，包括平衡變壓器1、α相降壓變壓器2、β相降壓變壓器3、α相連接電抗4、β相連接電抗5、單相全橋二極管鉗位多電平背靠背變換器6。其中:
[0020]平衡變壓器(I)的輸入端La，Lb, L。分別從三相電網的a，h, c三相取電，輸出α、β兩相，α相輸出與降壓變壓器2 —次繞組相連，β相輸出與降壓變壓器3—次繞組相連。其多電平單相全橋背靠背變換器6由二極管鉗位多電平整流器與二極管鉗位多電平逆變器背靠背組成。α相降壓變壓器2的二次繞組經連接電抗4與二極管鉗位多電平整流器的輸入端并聯，二極管鉗位多電平逆變器輸出端經連接電抗5與β相降壓變壓器3的二次繞組并聯，并聯輸出接入牽引網，為負載供電。
[0021]信號控制器7中有功、無功、諧波的檢測過程(見圖4):VMf為直流側電容電壓給定值，Vd。為直流側電容電壓實際值。平衡變壓器I的輸入端L a、Lb、L。分別從三相電網的a、b、c三相取電，輸出α、β兩相，此時α相電壓和β相電壓相等，并且相位相差90°，α相降壓變壓器2的二次繞組經連接電抗4與二極管鉗位多電平整流器的輸入端并聯，二極管鉗位多電平逆變器輸出端經連接電抗5與β相降壓變壓器3的二次繞組并聯。負載電流Iltjad由有功電流ip、無功電流i,和諧波電流組成，通過鎖相環得到α、β兩相電壓Vc^Vfi的相位角，負載電流I lMd*別乘以V。與V e相位的正弦與余弦值后，通過低通濾波器，得到負載電流一半的有功電流值和一半的無功電流值，用負載電流減去總的有功和無功電流即得到諧波電流值。控制變換器開關，使β相橋臂輸出一半的有功電流、全部無功電流和諧波電流；α相橋臂輸入一半的有功電流，同時將直流側電壓轉換為給定電流的一部分加入控制，從而保證直流側電壓的恒定。該背靠背變換器的有功能量是雙向控制的，無功與諧波是β橋臂獨立控制的，從而補償負載無功與諧波電流，使平衡變壓器I輸出的兩相電流相等，最終實現網側三相電壓的穩定。
[0022]信號控制器7中通過預測電流控制產生PWM驅動信號的工作過程(見圖5):采用預測電流控制方法，在一個PWM開關周期T中，使得實際網側電流iN(t+T)與指令電流Ht)相等，從而產生PWM驅動信號，控制變換器￠)的開關管通斷。
【主權項】
1.一種基于單相全橋二極管鉗位多電平背靠背變換器的同相供電系統，包括平衡變壓器(I)、α相降壓變壓器⑵、β相降壓變壓器(3)、α相連接電抗⑷、β相連接電抗(5)、單相全橋多電平背靠背變換器出)；其特征在于: a、平衡變壓器⑴輸入端La，Lb,L。分別接三相電網的a，b, c三相，輸出α、β兩相，α相輸出與降壓變壓器⑵一次繞組相連，β相輸出與降壓變壓器⑶一次繞組相連；單相全橋多電平背靠背變換器出)由二極管鉗位多電平整流器與二極管鉗位多電平逆變器背靠背組成；α相降壓變壓器(2) 二次繞組經連接電抗(4)與二極管鉗位多電平整流器的輸入端并聯，二極管鉗位多電平逆變器輸出端經連接電抗(5)與β相降壓變壓器(3) 二次繞組并聯，并聯輸出接入牽引網，為負載供電； b、信號控制電路(7)主要采集負載電流IlMd、α與β兩相電壓的相位信號和直流側電容電壓Vd。，通過預測電流控制方法產生PWM驅動信號控制變換器￠)的開關通斷，從而使電流兩臂電流Ia、Ifi相等，保證網側三相電流平衡。
【專利摘要】本實用新型公開了一種基于單相全橋二極管鉗位多電平背靠背變換器的同相供電系統，其平衡變壓器(1)的輸入端La，Lb，Lc分別從三相電網的a，b，c三相取電，輸出α、β兩相，α相輸出與降壓變壓器(2)一次繞組相連，β相輸出與降壓變壓器(3)一次繞組相連。其多電平單相全橋背靠背變換器(6)由二極管鉗位多電平整流器與二極管鉗位多電平逆變器背靠背組成。本實用新型在高壓大功率場合中應用時，能降低了器件承受的開關應力，減小器件的開關損耗，同時降低了電路運行中的du/dt、di/dt和輸出波形諧波含量等，提高了電路的容量、等級及效率，使得電路功能更有優勢，同時能使整個系統損耗小、壽命長，其維修率大大降低。
【IPC分類】H02M5-458
【公開號】CN204578379
【申請號】CN201520232183
【發明人】舒澤亮, 趙莉, 彭旭, 周瑛英, 何曉瓊
【申請人】西南交通大學
【公開日】2015年8月19日
【申請日】2015年4月16日