引言

同相供電系統(tǒng)為牽引變電所解決以負序為主的電能質(zhì)量問題提供了新的方向,而且從理論上徹底消除了電分相,進一步提高了鐵路運行的安全系數(shù)。在硬件與技術(shù)方面,電力電子裝置多電平多重化技術(shù)能夠支持同相供電裝置在高壓、大容量場合下高效運行。這些優(yōu)勢不僅在牽引變電所長期運行模式下能夠節(jié)約大量成本,而且有力地推動了電氣化鐵路朝著高速、重載的方向發(fā)展。

在異相供電系統(tǒng)中,網(wǎng)側(cè)三相電壓經(jīng)過牽引變壓器變?yōu)閮上?分別供應(yīng)牽引變電所兩側(cè)負載,這就導(dǎo)致生成負序電流,使網(wǎng)側(cè)三相不平衡,只能通過輪換相序的辦法盡可能降低網(wǎng)側(cè)三相不平衡度,但是不能從根本上解決問題。而在單相組合式同相供電系統(tǒng)中,牽引變壓器依舊實現(xiàn)三相一兩相變換,而引出的兩相只選擇其中一相作為直接負載供電相,另外一相通過同相補償裝置連接負載,通過控制同相補償裝置兩端的輸出電流,抵消負序電流,實現(xiàn)牽引變壓器原邊三相平衡。

1同相供電裝置結(jié)構(gòu)分析

同相供電裝置的核心是由大功率電力電子器件構(gòu)成的補償電路,其拓撲結(jié)構(gòu)決定了整個系統(tǒng)的功效與性能,將會影響系統(tǒng)傳遞有功、補償負序、濾除諧波的能力,同時還決定了牽引變壓器的容量以及整個裝置的體積。因此,研究同相供電裝置的拓撲結(jié)構(gòu),是同相供電系統(tǒng)設(shè)計的前提,也是仿真試驗的基礎(chǔ)。

1.1鉗位型多電平變流器

鉗位型多電平變流器的設(shè)計思想源于日本學(xué)者于1983年提出的中點鉗位型逆變電路,從元件結(jié)構(gòu)上可以分為二極管鉗位型和飛跨電容鉗位型,圖1和圖2所示即為兩種三電平變流器。二極管鉗位結(jié)構(gòu)的優(yōu)點在于:通過鉗位二極管實現(xiàn)功率器件動態(tài)均壓,降低了控制難度,減小了器件所受電壓應(yīng)力,提高了整個系統(tǒng)的可靠性。但是,二極管的耐壓水平比開關(guān)管小,電壓較高時需要多管串聯(lián),電平數(shù)較高時,結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜。電容鉗位型多電平變流器用電容取代二極管,雖然增加了開關(guān)控制的靈活性,但電容成本遠高于二極管,同時控制電路復(fù)雜程度也會增加,需要更高的開關(guān)頻率,相應(yīng)的開關(guān)損耗也會增大。

1.2級聯(lián)H橋型多電平變流器

級聯(lián)型多電平變流器的拓撲結(jié)構(gòu)是由F.Z.Peng于1995年提出的,采用具有獨立直流電源的H橋作為基本功率單元,如圖3所示,由n個模塊級聯(lián)構(gòu)成的單相變流器,輸出電平數(shù)為2n+1,實現(xiàn)了高壓多電平輸出。這種結(jié)構(gòu)已經(jīng)有了模塊化的理念,每個功率單元具有相同的結(jié)構(gòu),便于設(shè)計和封裝:與鉗位型變流器相比,在輸出相同電平數(shù)的情況下,所需元件數(shù)大大減少:每個功率單元單獨進行控制,可不用考慮均壓問題,控制策略簡單。

基于上述優(yōu)勢,級聯(lián)H橋型多電平變流器已經(jīng)應(yīng)用于多種設(shè)備中,例如級聯(lián)型APF、級聯(lián)型sTATCoM、UP0C等。采用級聯(lián)結(jié)構(gòu)的好處在于,在滿足系統(tǒng)高壓、大容量要求的同時,能以較低的物理開關(guān)頻率得到較高的等效開關(guān)頻率,從而降低開關(guān)損耗與電流諧波含量。而當(dāng)前鐵路牽引供電系統(tǒng)對于電壓等級與容量的要求越來越高,級聯(lián)型變流器在同相供電系統(tǒng)中能夠發(fā)揮理想的效果。以圖4所示的UPOC為例,由于逆變側(cè)采用級聯(lián)H橋結(jié)構(gòu),端口輸出電壓與接觸網(wǎng)電壓直接匹配,省去了原有的牽引匹配變壓器,從而使設(shè)備體積減小、系統(tǒng)運行損耗降低、制造成本降低。

1.3模塊化多電平變流器(MMC)

模塊化多電平變流器于2002年由德國學(xué)者提出,該結(jié)構(gòu)變流器交流側(cè)輸出電壓等級高,輸出電流諧波特性良好,同樣具有較高的等效開關(guān)頻率,適用于APF、sTATCoM、UPFC等裝置的多電平結(jié)構(gòu)拓展。

MMC的拓撲結(jié)構(gòu)如圖5所示,每相由2n個子模塊(sub-module,sM)組成,其中每個橋臂由n個子模塊和一個電感串聯(lián)而成,并且上下橋臂完全對稱,上下橋臂合成一相,直流側(cè)電壓為Udc。MMC子模塊的拓撲結(jié)構(gòu)主要有四種:半橋型、全橋型、雙鉗位型和串聯(lián)雙子模塊型。目前,常用的MMC子模塊可以選用單相半橋結(jié)構(gòu)和單相全橋結(jié)構(gòu),而在高壓直流輸電領(lǐng)域,一般選擇單相半橋結(jié)構(gòu)[8]。同相供電裝置的直流側(cè)電壓通常是千伏級的,因此在同相供電裝置中也大多選用單相半橋結(jié)構(gòu)的子模塊。

MMC拓撲結(jié)構(gòu)的優(yōu)點在于:多個子模塊串聯(lián)提高了直流側(cè)的電壓水平,相應(yīng)增大了裝置的容量,適用于高壓大功率場合:每個子模塊中每個IGBT和電容的基本參數(shù)都是一樣的,便于模塊的擴容和故障時的快速切除,增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定運行能力:整個橋臂的等效開關(guān)頻率較高,但每個模塊的開關(guān)頻率大大降低,從而減少了開關(guān)器件的損耗:當(dāng)電平數(shù)較多時,諧波向高次轉(zhuǎn)移,低次諧波含量很少,諧波特性較好。

2各類結(jié)構(gòu)多電平變流器特性比較

通過上述分析可知,各種類型的多重化、多電平結(jié)構(gòu)變流器應(yīng)用于同相供電系統(tǒng)中都有各自的優(yōu)勢。為了進一步分析不同結(jié)構(gòu)的特點與適用性,表1詳細比較了這些結(jié)構(gòu)在相同條件下構(gòu)成單相變流器的特性。

結(jié)合圖6所展示的隨著電平數(shù)量增加各類變流器元件數(shù)量變化趨勢可見,在高壓、多電平的應(yīng)用場合,級聯(lián)型與MMC型變流器在元件數(shù)量上占有很大的優(yōu)勢。雖然MMC在各方面性能,尤其是諧波特性等方面有著優(yōu)越的表現(xiàn),但是相同條件下半橋電路數(shù)量較多、結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜,變流器需要的支撐電容及信號采樣等配套設(shè)備增多,且環(huán)流抑制增加了控制系統(tǒng)的設(shè)計難度,綜合成本較高。因此,從當(dāng)前實際工程應(yīng)用情況來看,級聯(lián)型結(jié)構(gòu)具有最少的元件數(shù)量、理想的輸出效果、模塊化的設(shè)計過程以及相對簡單的控制策略,是同相供電系統(tǒng)補償裝置較為理想的選型。

3結(jié)語

本文主要圍繞單相組合式同相供電系統(tǒng)的構(gòu)成原理及其在當(dāng)前工程應(yīng)用中的優(yōu)勢,對其結(jié)構(gòu)方案進行著重研究,在簡述現(xiàn)有同相供電裝置的基本結(jié)構(gòu)原理的同時,比較高電壓、大容量應(yīng)用場合下不同拓撲結(jié)構(gòu)同相補償裝置的適用性。最終從當(dāng)前實際工程應(yīng)用情況分析,級聯(lián)型結(jié)構(gòu)是同相供電系統(tǒng)補償裝置較為理想的選型。