本发明公开了一种牵引供电直挂式高压综合补偿装置,属于电能质量控制领域。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(2);整流侧电压变换器(3)和逆变侧电压变换器(4)通过高频隔离变压器(5)连接;K个整流侧电压变换器(3)的直流出线端依次通过储能电容和左侧K级级联桥臂(1-1)对应的功率单元并联;K个逆变侧电压变换器(4)的直流出线端依次通过储能电容和右侧K级级联桥臂(1-2)对应的功率单元并联,所述的级数K为1~100的正整数。本发明装置通过交流电抗器直接接入牵引网,无需输入输出工频变压器,能实现对包括负序、无功、谐波在内的综合补偿。
1.牵引供电直挂式高压综合补偿装置,其特征在于: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(2);隔离型双向直流变换器 (2)由整流侧电压变换器(3)和逆变侧电压变换器(4)通过高频隔离变压器 (5)连接构成;K个整流侧电压变换器(3)的直流出线端依次通过储能电容 (C_A1)(C_A2)......(C_AK)和左侧K级级联桥臂(1-1)的功率单元(A₁)、 (A₂)......(A_K)并联,同时左侧K级级联桥臂(1-1)的功率单元(A₁)、(A₂)...... (A_K)的交流侧输入、输出端依次串联连接;K个逆变侧电压变换器(4)的直 流出线端依次通过储能电容(C_B1)、(C_B2)......(C_Bk)和右侧K级级联桥臂(1-2) 的功率单元(B₁)、(B₂)......(B_K)并联,同时右侧K级级联桥臂(1-2)的 功率单元(B₁)、(B₂)......(B_K)的交流侧输入、输出端依次串联连接;所述 的级联级数K为1~100的正整数。
2.根据权利要求1所述的牵引供电直挂式高压综合补偿装置,其特征在于: 所述的功率单元(A₁)、(A₂)......(A_K)和(B₁)、(B₂)......(B_K)均为二电 平、三电平或多电平结构的单相电压源型逆变器中的任意一种或几种的组合。
3.根据权利要求1所述的牵引供电直挂式高压综合补偿装置,其特征在于: 所述的隔离型双向直流变换器(2)均为隔离型双全桥双向直流变换器、隔离型 双半桥双向直流变换器,或者具有软开关功能的隔离型双向直流变换器中的任 意一种。
4.根据权利要求1所述的牵引供电直挂式高压综合补偿装置,其特征在于: 隔离型双向直流变换器(2)输出侧的整流电感均由高频隔离变压器(5)的漏 感(L1+L0)或者(L2+L0)实现,或者通过外加电感(L0)实现。 技术领域 本发明涉及一种电能质量改善装置,特别是涉及一种无需工频变压器耦合 而直接挂网的牵引供电高压综合补偿装置。 背景技术 电力机车作为大容量单相非线性负荷,通过牵引变压器接入三相对称的电 力系统时,通常会向其中注入大量的负序电流、谐波电流和无功分量,影响供 电系统的电能质量。中国牵引供电系统为异相供电模式,所普遍采用的相序轮 换技术和采用平衡变压器技术仅能在一定范围内改善负序电流的影响,由于牵 引负载在空间和时间分布上的随机性,它们所能产生的效果是有限的,而且有 时还会对系统的性能产生消极的影响。此外,异相供电模式所固有电分相环节 是其薄弱环节,并对高速重载运行有极大的约束作用。采用同相供电模式可以 避免或减少牵引网电分相环节,进而解决由于电分相带来的一系列问题,大大 提高列车的运能,但同相供电方案的不足在于容易引起负序电流,造成的不平 衡问题更为严重。有源电力滤波器和采用无功功率补偿电路(Reactivexa0Power Compensation,RPC)等方法是有效的改善电能质量的方案,然而在高压领域的 应用中,由于受到器件耐压和容量等级的限制,常用的方式是通过工频变压器 接入高压电网,笨重的工频变压器大大增加了电力电子变换装置的成本、体积, 并且限制了系统的效率,难以在牵引供电系统中进行推广应用。 发明内容 本发明的目的是针对电气化铁路供电网所存在的负序、无功、谐波超标等电 能质量问题,克服现有技术方案存在的不足,提出了一种牵引供电直挂式高压 综合补偿装置。 本发明的技术方案: 本发明提出的一种牵引供电直挂式高压综合补偿装置,其特征在于: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;隔离型双向直 流变换器由整流侧电压变换器和逆变侧电压变换器通过高频隔离变压器连接构 成;整流侧电压变换器的直流出线端依次通过储能电容和左侧K级级联桥臂的 功率单元并联,同时左侧K级级联桥臂的功率单元的交流侧输入、输出端依次 串联连接;K个逆变侧电压变换器的直流出线端依次通过储能电容和右侧K级 级联桥臂的功率单元并联,同时右侧K级级联桥臂的功率单元的交流侧输入、 输出端依次串联连接;K级级联桥臂的交流端口通过交流电抗器与牵引供电网 直接挂网连接;其中级联级数K为1~100的正整数。 所述的功率单元均为二电平、三电平或多电平结构的单相电压源型逆变器中 的任意一种或几种的组合。 所述的隔离型双向直流变换器均为隔离型双全桥双向直流变换器、隔离型双 半桥双向直流变换器,或者具有软开关功能的隔离型双向直流变换器等中的任 意一种。 隔离型双向直流变换器输出侧的整流电感均由高频隔离变压器的漏感来实 现,或者通过外加电感实现。 本发明的有益效果: 本发明的高压综合补偿装置通过交流电抗器与牵引供电网直接相连,利用低 压功率器件实现高压大功率输入、输出,省去了笨重的工频变压器,具有占地 面积小,损耗小、成本低的优点。2个K级级联桥臂之间通过高频隔离型双向 直流变换器实现电气隔离,有利于级联结构的各功率单元的储能电容电压的控 制。K级级联桥臂采用级联变换器结构,在较低的开关频率下,获得相对较高 的等效开关频率,具有良好的波形输出特性和谐波抑制能力的同时,还能保持 较低的开关损耗,提高了装置的整体效率。结构和控制上易于实现模块化和冗 余设计,适于工业化生产,有利于降低装置的制造成本。 附图说明 图1为牵引供电直挂式高压综合补偿装置示意图。 图2(a)为隔离型双向直流变换器输出侧的整流电感由高频隔离变压器的漏 感实现原理。 图2(b)为隔离型双向直流变换器输出侧的整流电感通过外加电感实现原理 图。 图3(a)为二电平的H桥结构单元。 图3(b)为二极管箝位的三电平结构单元。 具体实施方式 结合附图对本发明的实施方式作进一步说明: 图1是本发明的牵引供电直挂式高压综合补偿装置示意图。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2;隔离型双向直流变 换器2由整流侧电压变换器3和逆变侧电压变换器4通过高频隔离变压器5连 接构成;K个整流侧电压变换器3的直流出线端依次通过储能电容C_A1、C_A2...... C_AK和左侧K级级联桥臂1-1的功率单元A₁、A₂......A_K并联,同时左侧K级 级联桥臂1-1的功率单元A₁、A₂......A_K的交流侧输入、输出端依次串联连接; K个逆变侧电压变换器4的直流出线端依次通过储能电容C_B1、C_B2......C_Bk和 右侧K级级联桥臂1-2的功率单元B₁、B₂......B_K并联,同时右侧K级级联桥 臂1-2的功率单元B₁、B₂......B_K的交流侧输入、输出端依次串联连接;K级级 联桥臂的交流出线端x1、x2构成第一交流接口;K级级联桥臂的交流出线端x3、 x4构成第二交流接口。 所述的功率单元A1、A2......AK和B1、B2......BK均为二电平、三电平或 多电平结构的单相电压源型逆变器中的任意一种或几种的组合。所述的隔离型 双向直流变换器2均为隔离型双全桥双向直流变换器、隔离型双半桥双向直流 变换器,或者具有软开关功能的隔离型双向直流变换器等中的任意一种。 所述的级数K为1~100的正整数,K值的确定主要根据本发明装置的工 作电压与所选用开关器件的耐压水平以及冗余性设计之间的配合来决定。 图2是隔离型双向直流变换器输出侧的整流电感的实现方式。其中图2(a) 中利用高频隔离变压器的漏感L1+L0或者L2+L0为主要的能量传输单元,无需 额外的辅助电感,就能够满足能量的双向传递或者零电压开关功能所需要的电 感量。图2(b)是隔离型双向直流变换器输出侧的整流电感通过外加电感L0 实现的原理图。图中M为高频隔离变压器T型等效电路的激磁电感。 图3是功率单元的不同结构形式示例。其中图3(a)是二电平的H桥结构 单元,图3(b)是二极管箝位的三电平结构单元,其他类型的结构单元在此不 做一一罗列。