基于同相供电装置的拓扑结构选型研究

引言

同相供电系统为牵引变电所解决以负序为主的电能质量问题提供了新的方向,而且从理论上彻底消除了电分相,进一步提高了铁路运行的安全系数。在硬件与技术方面,电力电子装置多电平多重化技术能够支持同相供电装置在高压、大容量场合下高效运行。这些优势不仅在牵引变电所长期运行模式下能够节约大量成本,而且有力地推动了电气化铁路朝着高速、重载的方向发展。

在异相供电系统中,网侧三相电压经过牵引变压器变为两相,分别供应牵引变电所两侧负载,这就导致生成负序电流,使网侧三相不平衡,只能通过轮换相序的办法尽可能降低网侧三相不平衡度,但是不能从根本上解决问题。而在单相组合式同相供电系统中,牵引变压器依旧实现三相一两相变换,而引出的两相只选择其中一相作为直接负载供电相,另外一相通过同相补偿装置连接负载,通过控制同相补偿装置两端的输出电流,抵消负序电流,实现牵引变压器原边三相平衡。

1同相供电装置结构分析

同相供电装置的核心是由大功率电力电子器件构成的补偿电路,其拓扑结构决定了整个系统的功效与性能,将会影响系统传递有功、补偿负序、滤除谐波的能力,同时还决定了牵引变压器的容量以及整个装置的体积。因此,研究同相供电装置的拓扑结构,是同相供电系统设计的前提,也是仿真试验的基础。

1.1钳位型多电平变流器

钳位型多电平变流器的设计思想源于日本学者于1983年提出的中点钳位型逆变电路,从元件结构上可以分为二极管钳位型和飞跨电容钳位型,图1和图2所示即为两种三电平变流器。二极管钳位结构的优点在于:通过钳位二极管实现功率器件动态均压,降低了控制难度,减小了器件所受电压应力,提高了整个系统的可靠性。但是,二极管的耐压水平比开关管小,电压较高时需要多管串联,电平数较高时,结构相对复杂。电容钳位型多电平变流器用电容取代二极管,虽然增加了开关控制的灵活性,但电容成本远高于二极管,同时控制电路复杂程度也会增加,需要更高的开关频率,相应的开关损耗也会增大。

1.2级联H桥型多电平变流器

级联型多电平变流器的拓扑结构是由F.Z.Peng于1995年提出的,采用具有独立直流电源的H桥作为基本功率单元,如图3所示,由n个模块级联构成的单相变流器,输出电平数为2n+1,实现了高压多电平输出。这种结构已经有了模块化的理念,每个功率单元具有相同的结构,便于设计和封装:与钳位型变流器相比,在输出相同电平数的情况下,所需元件数大大减少:每个功率单元单独进行控制,可不用考虑均压问题,控制策略简单。

基于上述优势,级联H桥型多电平变流器已经应用于多种设备中,例如级联型APF、级联型sTATCoM、UP0C等。采用级联结构的好处在于,在满足系统高压、大容量要求的同时,能以较低的物理开关频率得到较高的等效开关频率,从而降低开关损耗与电流谐波含量。而当前铁路牵引供电系统对于电压等级与容量的要求越来越高,级联型变流器在同相供电系统中能够发挥理想的效果。以图4所示的UPOC为例,由于逆变侧采用级联H桥结构,端口输出电压与接触网电压直接匹配,省去了原有的牵引匹配变压器,从而使设备体积减小、系统运行损耗降低、制造成本降低。

1.3模块化多电平变流器(MMC)

模块化多电平变流器于2002年由德国学者提出,该结构变流器交流侧输出电压等级高,输出电流谐波特性良好,同样具有较高的等效开关频率,适用于APF、sTATCoM、UPFC等装置的多电平结构拓展。

MMC的拓扑结构如图5所示,每相由2n个子模块(sub-module,sM)组成,其中每个桥臂由n个子模块和一个电感串联而成,并且上下桥臂完全对称,上下桥臂合成一相,直流侧电压为Udc。MMC子模块的拓扑结构主要有四种:半桥型、全桥型、双钳位型和串联双子模块型。目前,常用的MMC子模块可以选用单相半桥结构和单相全桥结构,而在高压直流输电领域,一般选择单相半桥结构[8]。同相供电装置的直流侧电压通常是千伏级的,因此在同相供电装置中也大多选用单相半桥结构的子模块。

MMC拓扑结构的优点在于:多个子模块串联提高了直流侧的电压水平,相应增大了装置的容量,适用于高压大功率场合:每个子模块中每个IGBT和电容的基本参数都是一样的,便于模块的扩容和故障时的快速切除,增强了系统的稳定运行能力:整个桥臂的等效开关频率较高,但每个模块的开关频率大大降低,从而减少了开关器件的损耗:当电平数较多时,谐波向高次转移,低次谐波含量很少,谐波特性较好。

2各类结构多电平变流器特性比较

通过上述分析可知,各种类型的多重化、多电平结构变流器应用于同相供电系统中都有各自的优势。为了进一步分析不同结构的特点与适用性,表1详细比较了这些结构在相同条件下构成单相变流器的特性。

结合图6所展示的随着电平数量增加各类变流器元件数量变化趋势可见,在高压、多电平的应用场合,级联型与MMC型变流器在元件数量上占有很大的优势。虽然MMC在各方面性能,尤其是谐波特性等方面有着优越的表现,但是相同条件下半桥电路数量较多、结构相对复杂,变流器需要的支撑电容及信号采样等配套设备增多,且环流抑制增加了控制系统的设计难度,综合成本较高。因此,从当前实际工程应用情况来看,级联型结构具有最少的元件数量、理想的输出效果、模块化的设计过程以及相对简单的控制策略,是同相供电系统补偿装置较为理想的选型。

3结语

本文主要围绕单相组合式同相供电系统的构成原理及其在当前工程应用中的优势,对其结构方案进行着重研究,在简述现有同相供电装置的基本结构原理的同时,比较高电压、大容量应用场合下不同拓扑结构同相补偿装置的适用性。最终从当前实际工程应用情况分析,级联型结构是同相供电系统补偿装置较为理想的选型。