[发明专利]一种基于单相全桥二极管钳位多电平背靠背变换器的同相供电系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于单相全桥二极管钳位多电平背靠背变换器的同相供电系统。

背景技术

电气化铁路的牵引负荷为单相交流负荷，使牵引供电系统三相严重不平衡，并且存在无功电流。为了降低三相不平衡的影响，平衡变压器采用换相连接，这样导致各供电区段电压不同，所以必须用分相绝缘器分隔。分相绝缘器限制了机车平滑连续地受流，成了供电的薄弱环节，制约了高速、重载铁路的发展。而同相供电技术，从根本上解决了电分相问题，通过实时检测系统的综合补偿电流，控制有源滤波器，平衡三相，滤除无功电流，使平衡变压器的原边不再轮换。在补偿装置的作用下，解决了系统的三相不平衡问题，同时补偿了无功和谐波。传统同相供电系统中，采用单相全桥两电平背靠背变换器的结构，可避免电分相，实现三相平衡，补偿无功、谐波。近年来，工业应用中对大容量功率变换器装置的需求日益增加，传统的两电平变换器在高压大容量应用中，除了少数场合采用交交变频方式，通常采用将低压小容量变换器通过采用多重化的技术获得高压大功率，或者在交流输入和输出侧采用变压器升降压，中间环节还是低压变压器。这两种方式都采用了笨重、昂贵、耗能的变压器，后者会出现中间环节电流过大，效率下降，可靠性降低，能量传输困难等诸多问题。而且，两电平电路为了得到高质量的输出波形，提高了开关频率，这样会使得开关有很大的损耗，而且会有很大的du/dt和浪涌电压。相对于二电平背靠背变换器而言，多电平背靠背变换器的输出电压谐波含量少，接近于正弦波，波形质量明显要好，实现了效率的提高，同时，若为N电平变换器，则多电平背靠背变换器中直流电压V_d由N-1个开关器件分担，开关器件所承担的电压值降低，适用于大功率的场合。对于全桥结构，也能使系统损耗小、寿命长，维修率大大降低。

发明内容

本电路设计的目的是将单相全桥二极管钳位多电平背靠背变换器用于同相供电系统，提高了电路的容量和电压等级，使电路工作更稳定，电路功能更 有优势并且系统损耗小、寿命长、维修率大大降低。

本电路结构解决目前阶段的存在问题，所采用的技术方案为：

一种基于单相全桥二极管钳位多电平背靠背变换器的同相供电系统，包括平衡变压器1、α相降压变压器2、β相降压变压器3、α相连接电抗4、β相连接电抗5、单相全桥多电平背靠背变换器6，其中：

a、平衡变压器1输入端L_a，L_b，L_c分别接三相电网的a，b，c三相，输出α、β两相，α相输出与降压变压器2一次绕组相连，β相输出与降压变压器3一次绕组相连；单相全桥多电平背靠背变换器6由二极管钳位多电平整流器与二极管钳位多电平逆变器背靠背组成；α相降压变压器2二次绕组经连接电抗4与二极管钳位多电平整流器的输入端并联，二极管钳位多电平逆变器输出端经连接电抗5与β相降压变压器3二次绕组并联，并联输出接入牵引网，为负载供电；

b、信号控制电路7主要采集负载电流I_load、α与β两相电压的相位信号和直流侧电容电压V_dc，通过预测电流控制方法产生PWM驱动信号控制变换器6的开关通断，从而使电流两臂电流I_α、I_β相等，保证网侧三相电流平衡。

与现有技术相比，本设计电路的有益效果是：单相全桥多电平背靠背变换器拓扑由于自身结构的优点，在开关器件承受相对两电平结构N分之一压降(N为电平数)和更低的开关频率情况下，得到与两电平相同或者更好的波形。多电平拓扑在高压大功率场合中应用时，一方面降低了器件承受的开关应力，减小器件的开关损耗；另一方面降低了电路运行中的du/dt、di/dt和输出波形谐波含量，同时由于全桥的稳定性的优点，使整个系统损耗小、寿命长，维修率大大降低。因此，在同相供电系统中采用单相全桥多电平背靠背变流器的结构，提高电路容量和电压等级，使得电路功能更有优势。

下面结合附图和具体实施方式对本设计新型作进一步详细说明。

附图说明

图1是基于单相全桥二极管钳位多电平背靠背变换器的同相供电系统简要图。

图2是基于单相全桥二极管钳位三电平背靠背变换器的同相供电系统。

图3是单相全桥二极管钳位多电平变换器的结构图。

图4是本系统有功、无功、谐波检测的基本框图。

图5是本系统预测电流控制方法的控制框图。

具体实施方式