用于过滤在铁路接触线中的谐波的装置和方法
用于过滤在铁路接触线中的谐波的装置和方法
【专利说明】用于过滤在铁路接触线中的谐波的装置和方法
[0001]
技术领域
[0002]本发明涉及过滤在电力系统中的谐波，并且其采用具有由半导体开关电路和诸如电容器的能量储存元件组成的开关单元的多级转换器。特别地，本发明涉及具有单相的多级逆变器(或转换器)并且该逆变器配备有布置来补偿在铁路接触线中的谐波的器件。
【背景技术】
[0003]本发明涉及电压源转换器并且特别地适于补偿在铁路接触线中的谐波的单相多级转换器的领域。使用包括诸如IGBT (绝缘栅双极晶体管)的可关掉的半导体开关元件的电力电子设备的电压源转换器(VSC)已发现巨大的用途以用于直流输电、无功电力补偿、有功以及无功电力的控制，其能够通过开关控制的方法用直流电压创建交流电压，以及用于转换交流至直流等等。
[0004]采用许多电压电平的多级转换器技术(其中每个电压电平被单独地开关)可用来以小的电压阶跃中从直流创建交流电压，从而提供比先前的二级和三级转换器的使用接近正弦曲线多得多的步进电压。直流电压可通过由电容器(但也可能是电池)组成的能量储存器件来提供。
[0005]单相多级转换器可用于在交流铁路系统的接触线中的无功电力补偿，但是火车的火车头在铁路的电力系统中产生谐波电流。这样的谐波可通过谐波过滤器减少，但是这样的谐波过滤器削弱系统并可创建共振问题并增强在非负载情况下的电压。
[0006]在下面将讨论一些现有技术文件(Dl至D5)作为背景。首先的三个文件主要涉及三相系统(Dl至D3)，继之有描述用于铁路应用的单相系统的两个文件(D4至D5)。应指出的是，现有技术文件的讨论已经带有本发明的认识而做出，并且这些文件的解释可因此包括新颖的特征。讨论的一个目的是描述系统可如何被构造，特别地正如它们至今已经被构造。
[0007]US6088245 (Dl)描述了通过控制例如GTO’ s的开关设备的开关模式而抵消转换器电压或电流的谐波含量的用于多级转换器的开关控制布置(见摘要)，其中开关设备与直流能源、或直流接收器和电源器件相关联。特别地，开关模式通过修改开关设备的开关时机而改变(见13列中的权利要求2)。开关设备的开关提供从多级转换器的输出，其当连接至电力系统时减少在电力系统中的交流电力的谐波畸变。
[0008]US5532575(D2)描述了带有用于平衡转换器的电容器的电压的器件的多级转换器。Dl描述了主要地意图作为静态的VAr补偿器使用的多级转换器(I列，5至8行)。多级转换器包括开关元件(GTO’s 30，见图1)的三个脚，每个脚用于每个相，该开关元件(GTO’s)连接至电容器20的分接点(I列，28至34行)。多级转换器还包括控制GTO’s的开关的控制系统60(7列，48至65行)。控制系统监控电容器的电压并且(见8列32至64行)如果电容器的电压电平过高或过低，控制系统(见摘要)调整那些具有过低或过高的电压水平的电容器的开关时机，但不改变那些不偏离的电容器的开关时机。这样，那些不偏离的电容器的电压是不受影响的(8列，39行)，然而偏离电容器的电压被平衡。
[0009]因此，除了补偿在传输线中的无功电流之外，文件Dl和D2描述了通过调整多级转换器的开关设备的开关时机而完成的两个不同的目标，即分别平衡电容器电压和减少谐波。在Dl和D2中描述的多级转换器中，三相具有共同的能量储存元件，即三相共享电容器。
[0010]多级转换器的另一个已知的类型是具有半导体开关元件的级联的多级转换器，在每个开关单元中具有半桥或全桥构造。例如，两个IGBT以带有直流电容器作为能量储存元件的半桥构造在每个开关单元中使用，并且每个IGBT以与它自己的二极管反平行而布置。
[0011]在这样的具有用于每个相的分离的能量储存元件(例如属于一个相、共享相脚内的电容器之间或不同的相脚的电容器之间的能量的电容器)的多级转换器中，很难不影响传递至电力网的电力而完成。
[0012]存在用于三相逆变器的对该平衡问题的解决方案。文件W02010/145706(D3)提供了用于平衡布置在三相脚中的具有连续地连接的带有相应能量储存元件的开关单元的三角形连接的多级转换器的电压的解决方案。更详细地，D3描述具有三角形连接的相脚的多级转换器，并且其中通过平衡在相脚之间的电流循环，并在相脚的能量储存元件之间分配能量，来平衡相脚中的每一个的开关单元的直流电压。D3描述了用于在与三相电力网分路连接中交换电力的布置，该布置包括具有三角形连接的三相脚的电压源转换器，其中每个脚包括一系列的开关单元(见D3的摘要)。电力网和转换器的三相的电情况被测量，并且控制单位(19)被构造为确定相是否是不平衡的。控制单位(19)确定指出这样的不平衡的零序电流，并且使用该零序电流以控制开关单元，来增加循环电流至在相脚中的电流，以抵消这样的不平衡(见D3的权利要求1)。循环的电流在转换器脚的三角形内被驱动，并移动能量进入在脚之间的三角形，而不消极地影响电力网，并避免在电力网中创建谐波(见D3第4段，24至29行)。
[0013]在这样的三角形连接的多级转换器中，相脚处理相电压并包括足够数量的级以处理在相之间的电压电平。
[0014]使用电流以在能量储存元件之间移动能量的具有单相脚的多级转换器影响铁路的电力传输网或接触线，这是因为脚不提供像在三角形联接的多级转换器中相脚那样做的闭合电路。
[0015]2002年9月29号至10月2号Tan, P.C.等在墨尔本莫纳什大学AustralasianUniversities Power Engineering Conference (AYPEC)(澳大拉西亚各大学电力工程会议)的文章“Applicat1n of multilevel active power filtering to a 25kV tract1nsystem"( “多级有功电力过滤在25kV牵引系统的应用”)(D4或Tan2002)描述了在单相铁路电力系统中谐波的过滤。
[0016]D4的第2节讨论了四类多级逆变器拓扑:二极管定位、快速电容器、级联的H桥和混合逆变器。这些逆变器中的每一个与谐波的无源过滤组合。
[0017]D4的第3节建议使用混合逆变器用于谐波的有源过滤，该混合逆变器(段落3.1和图2)被用来提供(第3、第5、第7谐波的)无功电力补偿和谐波补偿。图2还描述了维持直流总线的恒定电压的直流总线电压控制。
[0018]因此，D4描述使用用于铁路的电力控制系统，其包括适合于谐波和无功电力补偿两者的有源过滤的混合类型的多级转换器，并且该电力系统在多级转换器的直流总线中补偿直流电压电平。
[0019]然而，D4未描述剩余的三种类型的多级逆变器拓扑:二极管定位、快速电容器、或级联的H桥是否或如何能用于有源过滤。
[0020]2006 年 6 月 4 至 8 号 Lcc Y.K.等在第 7 届 World Congress on RailwayResearch(WCRR)(世界铁路研宄大会)的会刊中的文章The high Power active FilterSystem for Harmonic Compensat1n of Electric Railway”( “用于电气铁路的谐波补偿的高电力有源过滤系统(序列号T4.3.1.1) (D5)描述了谐波的过滤。D5建议(见摘要和引言)使用级联的多级H桥逆变器用于在铁路的电力系统中的谐波的过滤。
[0021]D5通过多级转换器组合带有高次谐波的有源过滤的第3和第5谐波(段落2.2和图5)的无源过滤。D5未描述直流电压的补偿。
[0022]当这样的具有通过开关器件彼此隔离的电容器的H桥逆变器或转换器被用来过滤谐波时(该谐波被接收穿过能量储存电容器)，可出现的一个问题是在单独的能量储存电容器上的电压变得太大或太低。这样的电压不平衡由于未增加电流至接触线而不能被补偿。在当没有电力补偿的需求时例如当没有火车用来自接触线的电力供给时的期间，电容器的电压电平在没有同时地在接触线中引入电流时不能被平衡。
[0023]D5未解决平衡直流电压电平的问题，并且因此未描述可调整多少直流电压。在D5的系统中推测可能的是，通过创建电流从转换器的电容器至无源过滤器而平衡电容器的直流电压电平，使得没有进一步沿着接触线传递的电流的需要。
【发明内容】
[0024]本发明的一个目的是克服现有技术的缺点，并通过级联的多级转换器在单相系统中 提供谐波的有源过滤。
[0025]还有一个目的是提供这样的过滤而不需要无源过滤器。
[0026]还有一个目的是提供单相转换器，其中开关单元的能量储存元件的电压电平可被平衡而不在铁路的电力传输和接触线中引入不必要的电流。
[0027]进一步的目的是通过在单相脚的能量储存设备之间移动能量而不在铁路的电力传输接触线中引入不必要的电流，来提供谐波的这样的有源过滤，并能够平衡单独的能量储存元件的电压电平。
[0028]为了这些目的，本发明提供了一种用于过滤在铁路的电力传输接触线中的谐波的装置。装置包括是带有一个单相脚的单相转换器的多级转换器，该相脚包括开关单元。每个开关单元包括布置以选择性地提供至相应能量储存元件的连接的半导体开关。装置还包括提供以控制每个开关单元的开关的控制器。装置的特征在于，相脚被构造带有级联的开关单元的两个平行的分支，分支在闭合电路中彼此直接地相互连接，并且控制器提供以监控在接触线中谐波的含量，并且该控制器也提供以通过使开关单元的开关适于吸收谐波而过滤监控的谐波。
[0029]优选地，相脚在许多级中包括开关单元，例如，超过五级，优选地七、九、十一或更多级。
[0030]优选地，半导体开关元件构成IGBT，并且被布置以选择性地提供至相应能量储存元件的连接，该能量储存元件是电容器或电池。
[0031]优选地，控制器提供以通过发送指令至单元的半导体开关来控制开关。
[0032]在优选实施例中，转换器是适于铁路应用、特别地是布置在铁路处以用于在铁路应用中的电力变换的单相转换器，其中两个分支的共同输出连接至铁路的接触线。
[0033]单相脚优选地包括与用于接触线连接的输出相反的接地，并且两个分支在接地处结合，提供了从大地穿过第一支、用于接触线连接的输出、穿过第二支回到接地的闭合电路。
[0034]在一个实施例中，控制器适于监控每个能量储存元件的电压电平，并且适于通过依靠电压电平控制开关单元的开关而在能量储存元件之间传递能量以补偿电压不平衡。
[0035]优选地，控制器适于在相脚的分支中创建循环电流以用于实行能量传递。特别地，控制器适于通过单独地改变开关单元的开关来实行能量在能量储存设备之间的传递。
[0036]在一个实施例中，多级转换器适于在接触线中补偿无功电力，并且其适于在谐波过滤期间维持无功过滤的供给。
[0037]在一个实施例中，控制器适于通过应用Park或dq变换至测量的电压或电流信号来监控在接触线中的谐波含量。
[0038]在一个实施例中，控制器适于采用Park或dq逆变换以提供用于过滤监控的谐波的开关控制信号。
[0039]在一个实施例中，至少一个开关单元的能量储存设备是电容器，优选地每个分支的大多数的开关单元的能量储存设备是电容器，诸如每个能量储存设备是电容器。
[0040]在一个实施例中，每个开关单元包括带有连接至能量储存元件的优选地是IGBT的四个半导体开关元件的全桥H桥。
[0041]在一个备选的实施例中，每个开关单元包括带有连接至能量储存元件的优选地是IGBT的两个半导体开关元件的半桥。
[0042]具有带有共同输出和共同接地的两个平行的分支使得可以通过在两个分支中循环电流来平衡能量储存设备的电压，而不影响供给至铁路的电力传输接触线的电力。
[0043]当平衡能量储存设备的直流电压电平时，优选实施例的循环电流创建为无功电流，并且当没有不平衡存在时也保持循环。循环电流通过开关开关单元而创建，并且通过单独地改变开关单元的开关而实行能量的传递。特别地，控制器适于通过单独地改变开关单元的开关来实行能量的传递，并且保持循环电流同时地循环。
[0044]优选的是，使用的能量储存设备是电容器，或至少每个分支的大多数开关单元是电容器，并且至少一个是电池。备选地，能量储存设备是电池，或至少大多数的能量储存设备是电池。
[0045]本发明还提供用于控制连接至铁路电力传输和接触线的单相多级转换器的方法，多级转换器包括:一个相脚，该相脚包括开关单元，每个开关单元包括布置以选择性地提供至相应能量储存元件的连接的半导体开关，并且相脚包括共享连接至接触线的输出的开关单元的两个平行的分支。方法包括监控在接触线中的谐波含量，以及通过控制开关单元的开关来补偿谐波含量。
[0046]在一个实施例中，谐波含量的监控包括采用Park变换以用于识别每个谐波的大小和相角。特别地，每个谐波通过Park变换从接触线的测量的和数字化的电力或电压而定量。在一个实施例中，Park变换一次在一个谐波上采用，所有谐波顺次，每个被定量使得可创建谐波的抵消电流信号。当所有的谐波已经被定量时，在补偿步骤中创建抵消电流信号，该补偿包括应用Park逆变换以创建用于多级转换器的开关的控制信号。
[0047]在一个实施例中，控制方法还包括监控能量储存元件中的每一个的电压电平，以及包括平衡能量储存元件的电压，该平衡包括循环在开关单元特别地级联H桥开关单元的两个分支内的电流。
[0048]在一个实施例中，控制方法还包括监控接触线的无功电力，以及通过开关单元以供给电流至接触线来补偿在接触线中的无功电力。
[0049]在一个实施例中，方法进一步包括两个分支中创建循环电流，并且其中平衡包括当电压的监控时、特别地探测后，修改循环电流以在至少一个电压(Vdc)偏离的至少两个开关单元的储存元件之间传递能量。通过在正常运转期间循环电流可获得快的平衡，并且当不平衡发生时调整开关，由此调整循环电流，以通过能量至或从偏离元件的净传递来平衡能量储存元件。
[0050]优选地，在供给无功电力补偿电流的步骤期间，维持过滤和/或平衡。因此可能的是过滤在接触线中的谐波，平衡级联的H桥开关单元的电容器，并且同时地补偿接触线的无功电力且通过根据本发明的多级转换器。
[0051]基本上，至开关单元的控制信号是适合的，使得供给的电流、循环电流、以及谐波抵消电流是迭加的。
【附图说明】
[0052]参考附图将在下面更详细地描述本发明，附图示出本发明以用于有助于执行本发明并因此被简化。附图不是按规定比例绘制。
[0053]图1示出了按照本发明补偿在铁路电力接触线中的谐波的级联的H桥多级电压源转换器；
图2示出了按照本发明的多级电压源转换器；
图3示出了包括诸如IGBT的半导体转换元件的转换电路和呈电容器形式的能量储存设备；
图4示出了根据本发明的用于控制多级转换器的方法，其中示出了不同的功能；
图5示出了根据本发明的用于谐波过滤的数学运算。
【具体实施方式】
[0054]在交流铁路系统中，电力驱动的火车沿着铁轨跑并从电力接触线接收电能。接触线在沿着并在铁路上方的基本恒定的高度处带有导电表面被布置，以与在铁路上行进的每辆火车的火车头上的接触相接合，以便通过单相交流电流驱动所述火车。这样的带有通过火车头在行进的接触点提取的电力的单相系统在接触线中引起谐波。附图示出了用于通过多级转换器在铁路的接触线中的谐波的有源过滤的装置和方法，该转换器包括级联的开关单元的两个平行的分支，优选地配备呈电容器形式的能量储存元件的H桥，并且该平行的分支具有在到铁路电力系统的连接处的共同的输出。
[0055]图1示出了根据本发明的级联的H桥多级转换器的实施例。多级转换器I分流地电连接至铁路的电力传输接触线2。电力(电流实数{II})通过变压器6供给至接触线2，并且电力在沿着接触线2的铁路上推进火车的火车头5。火车头5在它沿着铁路移动时在接触线中产生谐波13、15、17，并且在电流中引入相移。多级转换器I具有连接至接触线2的一端3和连接至大地的相反端4。多级转换器I包括级联的H桥开关单元的两个平行的分支(进一步在图2和3中示出)，并且通过与带有无功电力补偿电流(-虚数{IJ)和负谐波电流(-13-15-17)的接触线相互作用而补偿相移(接触线的无功电流虚数U1D以及谐波
(工3、工5、!7)。
[0056]图2示出了包括一个单相脚I的级联多级转换器。相脚包括两个分支10、20。相脚I的两个分支10、20在它的端中在具有面向铁路接触线2的输出的第一端3和面向接地点4的第二相反端中相互连接。每个分支包括连续地布置的开关单元11、21。每个开关单元单独地通过控制器31控制，所述控制器设有用于监控33和控制32转换器(特别地控制开关单元11、21的开关)的器件，以便创建供给至铁路的接触... 线的电流I，并且用于创建循环电流Ιο，其不供给至电力网并相反在单相脚I的两个分支10、20中循环。相脚I的每个分支10、20还分别包括反应器12和22，该反应器12、22布置在相应分支的接触线中。每个反应器12、22作为平滑反应器12、22起作用，以整平来自分支12、20的电力的电压阶跃。从转换器I供给的电流I由无功电力电流Ii和“负谐波”或在接触线中的谐波的相应抵消谐波频率的电流(-13-15-17)组成。
[0057]转换器还包括可操作地连接至相脚特别地可操作地连接(由箭头32、33指出)至开关单元11、21的控制器31，并包括用于接收来自器件32的信息以用于单独地传递控制信号至每个控制单元11、21的器件33。控制器31适于监控每个开关单元11、21的电压(Vdc)并且适于控制每个单元11、21的开关。控制器31还布置为通过电压测量设备15和电流测量设备25来监控34接触线的电力，特别地监控电压和电流。
[0058]控制器31适合于通过传递至开关单元的开关指令32而控制相脚以供给电流I至电力网。特别地，控制器被布置并适合于接收来自布置在接触线2处的电压15和电流测量设备16的电压和电流测量，控制器31适合于确定在电流和电压之间的相移，并且确定在接触线中需要被补偿的无功电力。控制器31还供以控制开关单元11、21，以增加补偿在接触线(2)中电力的相移的无功电力。
[0059]控制器31还适合于确定在接触线中来自接收的电流或电压测量的谐波13、15、17...，并且控制开关单元11、21，使得抵消电流_13、-15, _1^在转换器I中被创建，并经由两个分支10、20的输出3供给至接触线2。
[0060]控制器31还适合于控制(每个相的)相脚，以在相脚中创建循环电流I。，该循环电流在分支10、20两者中经由接地4和相连接3从分支到分支循环，而不有助于供给至接触线2的电流I。
[0061]图2的控制器31包括硬件和软件的组合以执行它的功能，包括接收测量信号并传递控制信号、分析测量信号并监控无功电力、接触线的谐波与转换器分支的电压电平和电流，并且还确定能量储存元件的电压电平是否从额定范围偏离。为了示出本发明的主要特性，在图2中简化控制器31。控制器31示例为包括电流和电压监控部分35、分析部分36和开关单元控制部分37。控制器31通过监控部分35接收34在铁路的电力和接触线中的电压和电流。控制器31还通过监控部分35接收33在转换器脚I中的每一个分支10、20中的单元电压(Vdc)和电流11(|、12(|。分析器36适合于确定无功电力、谐波和单元电压电平，并且取决于使用的开关设置，控制器31适合于调整开关控制信号。例如，如果需要单元电压电平即至少一个能量储存元件的调整，控制器31通过例如调整开关以接收电能进入或释放能量自正在讨论的能量储存元件，从而开始在能量储存元件11、21之间的传递。控制器31通过开关控制器37来执行单元的开关，并且如果至少一个电压应被调整，则开关控制器37调整传递至开关单元11、21中的至少一个的开关信号。
[0062]监控包括测量每个开关单元11、21的电容器电压VDC，以及分别在每个相脚分支中创建的电流Iltl和I 2(1。从测量的电流11(1和I 20，控制器31适合于通过每个相应的相脚10、20来确定提供至接触线的电流I，以及还有循环电流L。至接触线的电流I应等于补偿无功电力所需的电流，即-1jP谐波补偿电流(-13-15-17...)。相脚的每个分支包括用于监控电压和电流的器件，诸如用于监控相应的分支电流11(1、12(1的电流互感器14、24，以及用于监控每个能量储存元件的每个电压电平Vdc的电压互感器。与接触和传输线2的电流交换通过诸如用于测量电流^的电流互感器和用于测量接触线电压的电压互感器的电压15和电流测量设备25。
[0063]图3a和3b示出了适合图1和2的多级转换器布置中的任一个的开关单元(11、21)和相应的能量储存元件的两个实施例。
[0064]图3a示出了 H桥(也称为全桥)开关单元。H桥开关单元包括4个包括关于每个相应的IGBT反平行的自由二极管的IGBT 41。每个单元包括输入和输出端子43、44，以用于开关单元的连续连接，以弥补连续连接的开关单元的分支。电容器42布置为能量储存元件，其通过IGBT选择性地连接至输入和输出端子43、44。
[0065]图3b示出了半桥(也称为H半桥)开关单元。它包括作为能量储存元件的电容器52和用于能量储存元件52至半桥开关单元的终端53、54的选择性连接的两个IGBT。图3a和3b的每个开关单元包括它自己的能量储存单元42、52，其电压被监控以用于偏离和通过转换信号模式的改变而连续地调整。
[0066]图4示出了用于控制本发明的多级转换器的方法。方法主要意图通过来自铁路的接触和电力传输线的谐波的有源过滤而抵消谐波。方法还提供平衡图1和2的单相多级转换器的两个分支的开关单元的直流电压。方法主要地包括如在三个平行的程序中示出的三个主要功能。方法包括:第一程序，其包括在步骤101至103中通过过滤来自接触线的谐波而控制多级转换器与电力网互相作用；第二程序，其包括在步骤201至205中调整能量储存元件的直流电压；以及第三程序，其在步骤101、112、113中补偿在接触线中的无功电力。
[0067]特别地，第一程序包括测量101接触线的电压和/或电流。第一程序继续有确定102测量的电流或电压的谐波含量。该谐波含量确定可包括一个接一个确定多个谐波中的每一个的子步骤102a至e。这些谐波确定子步骤102a至c中的每一个包括使用变换以提取谐波中的一个，诸如使用Park变换以用于分别提取第三、第五、第七、第九和第11谐波中的每一个。在下一个步骤中创建的控制信号加在一起并且谐波的补偿被调整103，这意味着补偿是确定的，或所需的谐波补偿被增加至本次的谐波补偿。
[0068]谐波补偿可在创建用于开关的控制信号之前与无功电力补偿加在一起。这在图5中示出。
[0069]回到图4，方法还包括监控203每个能量储存元件的电压，并且作为对监控的响应，传递205能量至或从其电压电平从预定的电压电平偏离的能量储存元件。关注在转换器的开关单元的两个分支的电容器(或能量储存元件)中的直流电压的平衡的第三程序可开始于在步骤201中测量两个分支的电流，在其之后在下一步的步骤202中控制循环电流，即循环电流通过影响开关时机以在两个分支之间轻微地不同而作为无功电流在两个分支中开始或维持。平衡方法继续进行在步骤203中通过控制器(31)监控从每个开关单元的电压测量设备接收(33)的电压测量，来监控每个能量储存元件的电压电平。在接下来的步骤204中，控制器(31)在步骤204中确定能量储存元件中的任一个的电压电平是否从额定电压电平偏离，以及电压电平中的一个或更多是否偏离超过预定的极限，方法在步骤205中包括传递能量至或来自偏离能量储存元件的步骤。该平衡被执行而不与电力网相互作用，所以平衡被执行而不影响电流至或来自接触线的供应。这样，甚至当没有电力与接触线相互作用时，即，甚至当转换器不通过引入电流至接触线而补偿无功电力时，每个能量储存元件的电压电平可保持在合适的限制内。
[0070]更详细地，方法的步骤202包括控制开关元件以在转换器的单相脚的两个分支中创建并提供循环电流。如所指出的，该循环电流可合适地作为在分支中循环的无功电流被提供，而不从储存元件中的任一个增加或减去能量，除非储存元件中的任一个应被平衡，即在探测能量储存元件偏离后，并且作为对探测的偏离的响应，平衡讨论中的能量储存元件。能量传递步骤205通过调整已经循环的电流来执行，以从偏离的开关单元增加或移除能量，使得能量储存单元的电压电平被平衡。因此，控制器适合于控制开关以创建无功电流，并且适合于校准无功电流使得在能量储存元件之间的能量的传递被实行。
[0071]多级转换器的主要功能是与电流传输接触线相互作用以便补偿无功电力，步骤101和112至113描述了该相互作用。方法通过在步骤101中监控在接触线中的电力(包括监控接触线的电压和电流)而与接触线相互作用。而且，相互作用在步骤112至113中包括控制从转换器供给至铁路的连接线的无功电力。
[0072]图5是在创建用于开关单元的开关的控制信号的逻辑图的数学描述。谐波电流用作输入(X(t))并且创建参考信号ref (t)以用于开关控制。附图示出使用谐波电流的过滤控制，但是备选地谐波电压可通过使用谐波电压作为调到O的输入(X)和输入(Y)来使用。Park变换 X*被应用至使用N级(第N个谐波0*p?(t))的谐波的测量的谐波电流X(t)o符号在附图中使用以用于复合函数。变换的电流从直流电流和其他交流谐波被过滤FIR*。下一个步骤是估计第N个谐波对STATC0M电流信号Y(t)的贡献。为了这个目的，STATC0M电流的第N个谐波从变换的和过滤的谐波电流中减去。附图示出了优先于减去的STATC0M电流Y(t)如何被变换。
[0073]Pl*估计贡献，并且过滤的谐波的贡献通过Park逆变换Z而变换。这些步骤被重复以用于谐波N中的每一个。
[0074]图5示出了按照本发明具体的STATC0M实现方式的进一步的细节。对于每个要被补偿的过滤，不同的操作可如下应用:
61取样来自接触线的输入电流信号X(t)。
[0075]62锁相回路(PLL)的参考角(复数)同步至接触线的电压。
[0076]63选择第N个谐波。
[0077]64取样来自STATC0M的输入电流信号。
[0078]65复数乘法。
[0079]66 Park变换，将电流信号X (t)变换进入两个轴线(实数、虚数)旋转框架，在第N个谐波的频率旋转。
[0080]67过滤出(实数和虚数)变换电流信号(将应用至实数部分和虚数部分)的第N个谐波。
[0081 ] 68 STATC0M 电流 Y ⑴的 Park 变换。
[0082]69过滤出Y⑴的第N个谐波(与67相同但用于STATC0M电流)。
[0083]70从输入电流X (t)的第N个谐波频率构件复数减去Y (t)的第N个谐波频率构件。
[0084]71比例积分控制(具有Laplace变换Kp+1/ (sTi))。
[0085]72结果至信号的再变换(进入两轴线固定框架)。
[0086]73 PLL参考角乘以第N个谐波的复共轭。
[0087]74从复数输入提取实数部分。
[0088]75对STATC0M的电流参考信号连续地累加来自其他控制的信号。
[0089]本发明已经作为单相转换器而被描述，其是具有H桥开关单元的级联多级转换器，以及这样的转换器如何适于过滤在铁路的电力传输接触线中的谐波。转换器的拓扑学提供用于调整在转换器的能量储存元件(诸如电容器)中和之间的电压不平衡的手段，而不消极地影响电力与接触线的互相作用，并且因此本发明避免了外部的过滤，即转换器外部的过滤。这样的转换器还可在其他不同于用于铁路的应用中用来有源过滤和/或无功电力控制，例如在工业应用中用于为电机供能。
【主权项】
1.一种用于过滤在铁路的电力传输接触线中的谐波的装置，所述装置包括具有一个单相脚(I)的多级转换器，该相脚包括开关单元(11、21)，每个开关单元(11、21)包括布置以选择性地提供至相应能量储存元件(52、52)的连接的半导体开关(41、51)， 所述多级转换器还包括提供以控制每个开关单元(11、21)的开关的控制器(31)， 并且其中所述相脚(I)在级联的开关单元(11、21)的两个平行的分支(10、20)中构造，所述分支(10、20)在闭合电路中相互连接，所述控制器(31)提供以监控在所述接触线中谐波的含量，并且适合于通过使所述开关单元的开关适于吸收所述谐波而过滤所监控的谐波。2.根据权利要求1所述的多级转换器，其特征在于，所述控制器(31)适合于监控(33)每个能量储存元件的电压电平(Vdc)，并且适合于通过依靠所述电压电平(Vdc)来控制(32)所述开关单元的开关而在所述能量储存元件之间传递能量，以补偿电压不平衡。3.根据权利要求2所述的多级转换器，其特征在于，所述控制器(31)适合于在所述相脚⑴的所述分支(10、20)中创建循环电流(Itl),以用于实行能量传递。4.根据权利要求3所述的多级转换器，其特征在于，所述控制器(31)适合于通过单独地改变所述开关单元的开关而实行能量在所述能量储存设备之间的传递。5.根据权利要求2至4中的任一项所述的多级转换器，其特征在于，所述多级转换器适合于补偿无功电力(I)至所述接触线(2)，其适合于在所述谐波过滤期间维持无功电力的供给。6.根据权利要求2至5中的任一项所述的多级转换器，其特征在于，所述控制器适合于通过施加Park变换至测量的电压或电流信号来监控在所述接触线中的谐波含量。7.根据权利要求2至6中的任一项所述的多级转换器，其特征在于，控制器(31)适合于采用Park逆变换以提供用于过滤所监控的谐波的开关控制信号。8.根据权利要求1至7中的任一项所述的多级转换器，其特征在于，至少一个所述开关单元的所述能量储存设备是电容器(42、52)，特别地每个分支的大多数的所述开关单元的所述能量储存设备是电容器(42、52)。9.根据权利要求1至8中的任一项所述的多级转换器，其特征在于，至少一个所述开关单元的所述能量储存设备是电池。10.根据权利要求1至9中的任一项所述的多级转换器，其特征在于，每个开关单元(11、21)包括带有连接至所述能量储存元件(42)的优选地是IGBT的四个半导体开关元件(41)的(全桥)H桥。11.根据权利要求1至9中的任一项所述的多级转换器，其特征在于，每个开关单元(11、21)包括带有连接至所述能量储存元件(52)的优选地是IGBT的两个半导体开关元件(51)的半桥。12.一种用于控制连接至铁路传输和接触线(2)的单相多级转换器的方法，所述多级转换器包括: 一个相脚(I)，该相脚包括开关单元(11、21)，每个开关单元(11、21)包括布置以选择性地提供至相应能量储存元件的连接的半导体开关， 并且所述相脚(I)包括开关单元的两个平行的分支，所述两个分支共享连接至所述接触线的输出， 所述方法包括: 监控(102)在所述接触线(2)中的电力的谐波含量， 以及通过控制所述开关单元的开关来补偿(103)所述谐波含量。13.根据权利要求12所述的用于控制多级转换器的方法，其特征在于，谐波含量的所述监控(102)包括采用Park变换以用于识别每个谐波的大小和相角。14.根据权利要求13所述的用于控制多级转换器的方法，其特征在于，所述Park变换一次在一个谐波上采用，并且被补偿的所有谐波通过所述Park变换被顺次监控。15.根据权利要求12至14中任一项所述的用于控制多级转换器的方法，其特征在于，包括: 监控(203)所述能量储存元件中的每一个的电压电平，以及 包括平衡(205)所述能量储存元件的电压，该平衡包括循环在所述两个分支内的电流(202)ο16.根据权利要求12至15中任一项所述的用于控制多级转换器的方法，其特征在于，进一步包括监控(112)所述接触线(2)的无功电力， 通过开关所述单元以供给(113)电流(I)至所述接触线(2)，来补偿(113)在所述接触线(2)中的所述无功电力。17.根据权利要求16所述的用于控制多级转换器的方法，其特征在于，在补偿无功电力的所述步骤期间，维持谐波的补偿。18.根据权利要求12至17中任一项所述的用于控制多级转换器的方法，其特征在于，进一步包括在所述两个分支中创建循环电流(Itl)，并且其中所述平衡包括在电压的所述监控(203)期间、特别地探测(204)后，修改(205)所循环的电流(I。)，以在至少一个电压(Vdc)偏离的至少两个开关单元的所述储存元件之间传递能量。
【专利摘要】用于过滤在铁路系统的电力传输接触线(2)中的谐波的装置和方法。装置包括具有一个单相脚(1)的多级转换器，该相脚包括开关单元(11、21)，每个开关单元(11、21)包括布置以选择性地提供至相应能量储存元件的连接的半导体开关。多级转换器还包括提供以控制每个开关单元(11、21)的开关的控制器(31)，并且其中相脚(1)在级联的开关单元(11、21)的两个平行的分支(10、20)中构造，该分支(10、20)在闭合电路中相互连接。提供控制器(31)以监控在接触线(2)中谐波的含量，并适于通过使开关单元的开关适于吸收谐波而过滤监控的谐波。
【IPC分类】H02M1/12, H02M7/483, H02J3/01
【公开号】CN104904106
【申请号】CN201280077117
【发明人】J-P.哈斯勒, M.蒙格
【申请人】Abb 技术有限公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2012年11月15日
【公告号】CA2891719A1, EP2920871A1, US20150333612, WO2014075732A1
【专利说明】用于过滤在铁路接触线中的谐波的装置和方法
[0001]
技术领域
[0002]本发明涉及过滤在电力系统中的谐波，并且其采用具有由半导体开关电路和诸如电容器的能量储存元件组成的开关单元的多级转换器。特别地，本发明涉及具有单相的多级逆变器(或转换器)并且该逆变器配备有布置来补偿在铁路接触线中的谐波的器件。
【背景技术】
[0003]本发明涉及电压源转换器并且特别地适于补偿在铁路接触线中的谐波的单相多级转换器的领域。使用包括诸如IGBT (绝缘栅双极晶体管)的可关掉的半导体开关元件的电力电子设备的电压源转换器(VSC)已发现巨大的用途以用于直流输电、无功电力补偿、有功以及无功电力的控制，其能够通过开关控制的方法用直流电压创建交流电压，以及用于转换交流至直流等等。
[0004]采用许多电压电平的多级转换器技术(其中每个电压电平被单独地开关)可用来以小的电压阶跃中从直流创建交流电压，从而提供比先前的二级和三级转换器的使用接近正弦曲线多得多的步进电压。直流电压可通过由电容器(但也可能是电池)组成的能量储存器件来提供。
[0005]单相多级转换器可用于在交流铁路系统的接触线中的无功电力补偿，但是火车的火车头在铁路的电力系统中产生谐波电流。这样的谐波可通过谐波过滤器减少，但是这样的谐波过滤器削弱系统并可创建共振问题并增强在非负载情况下的电压。
[0006]在下面将讨论一些现有技术文件(Dl至D5)作为背景。首先的三个文件主要涉及三相系统(Dl至D3)，继之有描述用于铁路应用的单相系统的两个文件(D4至D5)。应指出的是，现有技术文件的讨论已经带有本发明的认识而做出，并且这些文件的解释可因此包括新颖的特征。讨论的一个目的是描述系统可如何被构造，特别地正如它们至今已经被构造。
[0007]US6088245 (Dl)描述了通过控制例如GTO’ s的开关设备的开关模式而抵消转换器电压或电流的谐波含量的用于多级转换器的开关控制布置(见摘要)，其中开关设备与直流能源、或直流接收器和电源器件相关联。特别地，开关模式通过修改开关设备的开关时机而改变(见13列中的权利要求2)。开关设备的开关提供从多级转换器的输出，其当连接至电力系统时减少在电力系统中的交流电力的谐波畸变。
[0008]US5532575(D2)描述了带有用于平衡转换器的电容器的电压的器件的多级转换器。Dl描述了主要地意图作为静态的VAr补偿器使用的多级转换器(I列，5至8行)。多级转换器包括开关元件(GTO’s 30，见图1)的三个脚，每个脚用于每个相，该开关元件(GTO’s)连接至电容器20的分接点(I列，28至34行)。多级转换器还包括控制GTO’s的开关的控制系统60(7列，48至65行)。控制系统监控电容器的电压并且(见8列32至64行)如果电容器的电压电平过高或过低，控制系统(见摘要)调整那些具有过低或过高的电压水平的电容器的开关时机，但不改变那些不偏离的电容器的开关时机。这样，那些不偏离的电容器的电压是不受影响的(8列，39行)，然而偏离电容器的电压被平衡。
[0009]因此，除了补偿在传输线中的无功电流之外，文件Dl和D2描述了通过调整多级转换器的开关设备的开关时机而完成的两个不同的目标，即分别平衡电容器电压和减少谐波。在Dl和D2中描述的多级转换器中，三相具有共同的能量储存元件，即三相共享电容器。
[0010]多级转换器的另一个已知的类型是具有半导体开关元件的级联的多级转换器，在每个开关单元中具有半桥或全桥构造。例如，两个IGBT以带有直流电容器作为能量储存元件的半桥构造在每个开关单元中使用，并且每个IGBT以与它自己的二极管反平行而布置。
[0011]在这样的具有用于每个相的分离的能量储存元件(例如属于一个相、共享相脚内的电容器之间或不同的相脚的电容器之间的能量的电容器)的多级转换器中，很难不影响传递至电力网的电力而完成。
[0012]存在用于三相逆变器的对该平衡问题的解决方案。文件W02010/145706(D3)提供了用于平衡布置在三相脚中的具有连续地连接的带有相应能量储存元件的开关单元的三角形连接的多级转换器的电压的解决方案。更详细地，D3描述具有三角形连接的相脚的多级转换器，并且其中通过平衡在相脚之间的电流循环，并在相脚的能量储存元件之间分配能量，来平衡相脚中的每一个的开关单元的直流电压。D3描述了用于在与三相电力网分路连接中交换电力的布置，该布置包括具有三角形连接的三相脚的电压源转换器，其中每个脚包括一系列的开关单元(见D3的摘要)。电力网和转换器的三相的电情况被测量，并且控制单位(19)被构造为确定相是否是不平衡的。控制单位(19)确定指出这样的不平衡的零序电流，并且使用该零序电流以控制开关单元，来增加循环电流至在相脚中的电流，以抵消这样的不平衡(见D3的权利要求1)。循环的电流在转换器脚的三角形内被驱动，并移动能量进入在脚之间的三角形，而不消极地影响电力网，并避免在电力网中创建谐波(见D3第4段，24至29行)。
[0013]在这样的三角形连接的多级转换器中，相脚处理相电压并包括足够数量的级以处理在相之间的电压电平。
[0014]使用电流以在能量储存元件之间移动能量的具有单相脚的多级转换器影响铁路的电力传输网或接触线，这是因为脚不提供像在三角形联接的多级转换器中相脚那样做的闭合电路。
[0015]2002年9月29号至10月2号Tan, P.C.等在墨尔本莫纳什大学AustralasianUniversities Power Engineering Conference (AYPEC)(澳大拉西亚各大学电力工程会议)的文章“Applicat1n of multilevel active power filtering to a 25kV tract1nsystem"( “多级有功电力过滤在25kV牵引系统的应用”)(D4或Tan2002)描述了在单相铁路电力系统中谐波的过滤。
[0016]D4的第2节讨论了四类多级逆变器拓扑:二极管定位、快速电容器、级联的H桥和混合逆变器。这些逆变器中的每一个与谐波的无源过滤组合。
[0017]D4的第3节建议使用混合逆变器用于谐波的有源过滤，该混合逆变器(段落3.1和图2)被用来提供(第3、第5、第7谐波的)无功电力补偿和谐波补偿。图2还描述了维持直流总线的恒定电压的直流总线电压控制。
[0018]因此，D4描述使用用于铁路的电力控制系统，其包括适合于谐波和无功电力补偿两者的有源过滤的混合类型的多级转换器，并且该电力系统在多级转换器的直流总线中补偿直流电压电平。
[0019]然而，D4未描述剩余的三种类型的多级逆变器拓扑:二极管定位、快速电容器、或级联的H桥是否或如何能用于有源过滤。
[0020]2006 年 6 月 4 至 8 号 Lcc Y.K.等在第 7 届 World Congress on RailwayResearch(WCRR)(世界铁路研宄大会)的会刊中的文章The high Power active FilterSystem for Harmonic Compensat1n of Electric Railway”( “用于电气铁路的谐波补偿的高电力有源过滤系统(序列号T4.3.1.1) (D5)描述了谐波的过滤。D5建议(见摘要和引言)使用级联的多级H桥逆变器用于在铁路的电力系统中的谐波的过滤。
[0021]D5通过多级转换器组合带有高次谐波的有源过滤的第3和第5谐波(段落2.2和图5)的无源过滤。D5未描述直流电压的补偿。
[0022]当这样的具有通过开关器件彼此隔离的电容器的H桥逆变器或转换器被用来过滤谐波时(该谐波被接收穿过能量储存电容器)，可出现的一个问题是在单独的能量储存电容器上的电压变得太大或太低。这样的电压不平衡由于未增加电流至接触线而不能被补偿。在当没有电力补偿的需求时例如当没有火车用来自接触线的电力供给时的期间，电容器的电压电平在没有同时地在接触线中引入电流时不能被平衡。
[0023]D5未解决平衡直流电压电平的问题，并且因此未描述可调整多少直流电压。在D5的系统中推测可能的是，通过创建电流从转换器的电容器至无源过滤器而平衡电容器的直流电压电平，使得没有进一步沿着接触线传递的电流的需要。
【发明内容】
[0024]本发明的一个目的是克服现有技术的缺点，并通过级联的多级转换器在单相系统中 提供谐波的有源过滤。
[0025]还有一个目的是提供这样的过滤而不需要无源过滤器。
[0026]还有一个目的是提供单相转换器，其中开关单元的能量储存元件的电压电平可被平衡而不在铁路的电力传输和接触线中引入不必要的电流。
[0027]进一步的目的是通过在单相脚的能量储存设备之间移动能量而不在铁路的电力传输接触线中引入不必要的电流，来提供谐波的这样的有源过滤，并能够平衡单独的能量储存元件的电压电平。
[0028]为了这些目的，本发明提供了一种用于过滤在铁路的电力传输接触线中的谐波的装置。装置包括是带有一个单相脚的单相转换器的多级转换器，该相脚包括开关单元。每个开关单元包括布置以选择性地提供至相应能量储存元件的连接的半导体开关。装置还包括提供以控制每个开关单元的开关的控制器。装置的特征在于，相脚被构造带有级联的开关单元的两个平行的分支，分支在闭合电路中彼此直接地相互连接，并且控制器提供以监控在接触线中谐波的含量，并且该控制器也提供以通过使开关单元的开关适于吸收谐波而过滤监控的谐波。
[0029]优选地，相脚在许多级中包括开关单元，例如，超过五级，优选地七、九、十一或更多级。
[0030]优选地，半导体开关元件构成IGBT，并且被布置以选择性地提供至相应能量储存元件的连接，该能量储存元件是电容器或电池。
[0031]优选地，控制器提供以通过发送指令至单元的半导体开关来控制开关。
[0032]在优选实施例中，转换器是适于铁路应用、特别地是布置在铁路处以用于在铁路应用中的电力变换的单相转换器，其中两个分支的共同输出连接至铁路的接触线。
[0033]单相脚优选地包括与用于接触线连接的输出相反的接地，并且两个分支在接地处结合，提供了从大地穿过第一支、用于接触线连接的输出、穿过第二支回到接地的闭合电路。
[0034]在一个实施例中，控制器适于监控每个能量储存元件的电压电平，并且适于通过依靠电压电平控制开关单元的开关而在能量储存元件之间传递能量以补偿电压不平衡。
[0035]优选地，控制器适于在相脚的分支中创建循环电流以用于实行能量传递。特别地，控制器适于通过单独地改变开关单元的开关来实行能量在能量储存设备之间的传递。
[0036]在一个实施例中，多级转换器适于在接触线中补偿无功电力，并且其适于在谐波过滤期间维持无功过滤的供给。
[0037]在一个实施例中，控制器适于通过应用Park或dq变换至测量的电压或电流信号来监控在接触线中的谐波含量。
[0038]在一个实施例中，控制器适于采用Park或dq逆变换以提供用于过滤监控的谐波的开关控制信号。
[0039]在一个实施例中，至少一个开关单元的能量储存设备是电容器，优选地每个分支的大多数的开关单元的能量储存设备是电容器，诸如每个能量储存设备是电容器。
[0040]在一个实施例中，每个开关单元包括带有连接至能量储存元件的优选地是IGBT的四个半导体开关元件的全桥H桥。
[0041]在一个备选的实施例中，每个开关单元包括带有连接至能量储存元件的优选地是IGBT的两个半导体开关元件的半桥。
[0042]具有带有共同输出和共同接地的两个平行的分支使得可以通过在两个分支中循环电流来平衡能量储存设备的电压，而不影响供给至铁路的电力传输接触线的电力。
[0043]当平衡能量储存设备的直流电压电平时，优选实施例的循环电流创建为无功电流，并且当没有不平衡存在时也保持循环。循环电流通过开关开关单元而创建，并且通过单独地改变开关单元的开关而实行能量的传递。特别地，控制器适于通过单独地改变开关单元的开关来实行能量的传递，并且保持循环电流同时地循环。
[0044]优选的是，使用的能量储存设备是电容器，或至少每个分支的大多数开关单元是电容器，并且至少一个是电池。备选地，能量储存设备是电池，或至少大多数的能量储存设备是电池。
[0045]本发明还提供用于控制连接至铁路电力传输和接触线的单相多级转换器的方法，多级转换器包括:一个相脚，该相脚包括开关单元，每个开关单元包括布置以选择性地提供至相应能量储存元件的连接的半导体开关，并且相脚包括共享连接至接触线的输出的开关单元的两个平行的分支。方法包括监控在接触线中的谐波含量，以及通过控制开关单元的开关来补偿谐波含量。
[0046]在一个实施例中，谐波含量的监控包括采用Park变换以用于识别每个谐波的大小和相角。特别地，每个谐波通过Park变换从接触线的测量的和数字化的电力或电压而定量。在一个实施例中，Park变换一次在一个谐波上采用，所有谐波顺次，每个被定量使得可创建谐波的抵消电流信号。当所有的谐波已经被定量时，在补偿步骤中创建抵消电流信号，该补偿包括应用Park逆变换以创建用于多级转换器的开关的控制信号。
[0047]在一个实施例中，控制方法还包括监控能量储存元件中的每一个的电压电平，以及包括平衡能量储存元件的电压，该平衡包括循环在开关单元特别地级联H桥开关单元的两个分支内的电流。
[0048]在一个实施例中，控制方法还包括监控接触线的无功电力，以及通过开关单元以供给电流至接触线来补偿在接触线中的无功电力。
[0049]在一个实施例中，方法进一步包括两个分支中创建循环电流，并且其中平衡包括当电压的监控时、特别地探测后，修改循环电流以在至少一个电压(Vdc)偏离的至少两个开关单元的储存元件之间传递能量。通过在正常运转期间循环电流可获得快的平衡，并且当不平衡发生时调整开关，由此调整循环电流，以通过能量至或从偏离元件的净传递来平衡能量储存元件。
[0050]优选地，在供给无功电力补偿电流的步骤期间，维持过滤和/或平衡。因此可能的是过滤在接触线中的谐波，平衡级联的H桥开关单元的电容器，并且同时地补偿接触线的无功电力且通过根据本发明的多级转换器。
[0051]基本上，至开关单元的控制信号是适合的，使得供给的电流、循环电流、以及谐波抵消电流是迭加的。
【附图说明】
[0052]参考附图将在下面更详细地描述本发明，附图示出本发明以用于有助于执行本发明并因此被简化。附图不是按规定比例绘制。
[0053]图1示出了按照本发明补偿在铁路电力接触线中的谐波的级联的H桥多级电压源转换器；
图2示出了按照本发明的多级电压源转换器；
图3示出了包括诸如IGBT的半导体转换元件的转换电路和呈电容器形式的能量储存设备；
图4示出了根据本发明的用于控制多级转换器的方法，其中示出了不同的功能；
图5示出了根据本发明的用于谐波过滤的数学运算。
【具体实施方式】
[0054]在交流铁路系统中，电力驱动的火车沿着铁轨跑并从电力接触线接收电能。接触线在沿着并在铁路上方的基本恒定的高度处带有导电表面被布置，以与在铁路上行进的每辆火车的火车头上的接触相接合，以便通过单相交流电流驱动所述火车。这样的带有通过火车头在行进的接触点提取的电力的单相系统在接触线中引起谐波。附图示出了用于通过多级转换器在铁路的接触线中的谐波的有源过滤的装置和方法，该转换器包括级联的开关单元的两个平行的分支，优选地配备呈电容器形式的能量储存元件的H桥，并且该平行的分支具有在到铁路电力系统的连接处的共同的输出。
[0055]图1示出了根据本发明的级联的H桥多级转换器的实施例。多级转换器I分流地电连接至铁路的电力传输接触线2。电力(电流实数{II})通过变压器6供给至接触线2，并且电力在沿着接触线2的铁路上推进火车的火车头5。火车头5在它沿着铁路移动时在接触线中产生谐波13、15、17，并且在电流中引入相移。多级转换器I具有连接至接触线2的一端3和连接至大地的相反端4。多级转换器I包括级联的H桥开关单元的两个平行的分支(进一步在图2和3中示出)，并且通过与带有无功电力补偿电流(-虚数{IJ)和负谐波电流(-13-15-17)的接触线相互作用而补偿相移(接触线的无功电流虚数U1D以及谐波
(工3、工5、!7)。
[0056]图2示出了包括一个单相脚I的级联多级转换器。相脚包括两个分支10、20。相脚I的两个分支10、20在它的端中在具有面向铁路接触线2的输出的第一端3和面向接地点4的第二相反端中相互连接。每个分支包括连续地布置的开关单元11、21。每个开关单元单独地通过控制器31控制，所述控制器设有用于监控33和控制32转换器(特别地控制开关单元11、21的开关)的器件，以便创建供给至铁路的接触... 线的电流I，并且用于创建循环电流Ιο，其不供给至电力网并相反在单相脚I的两个分支10、20中循环。相脚I的每个分支10、20还分别包括反应器12和22，该反应器12、22布置在相应分支的接触线中。每个反应器12、22作为平滑反应器12、22起作用，以整平来自分支12、20的电力的电压阶跃。从转换器I供给的电流I由无功电力电流Ii和“负谐波”或在接触线中的谐波的相应抵消谐波频率的电流(-13-15-17)组成。
[0057]转换器还包括可操作地连接至相脚特别地可操作地连接(由箭头32、33指出)至开关单元11、21的控制器31，并包括用于接收来自器件32的信息以用于单独地传递控制信号至每个控制单元11、21的器件33。控制器31适于监控每个开关单元11、21的电压(Vdc)并且适于控制每个单元11、21的开关。控制器31还布置为通过电压测量设备15和电流测量设备25来监控34接触线的电力，特别地监控电压和电流。
[0058]控制器31适合于通过传递至开关单元的开关指令32而控制相脚以供给电流I至电力网。特别地，控制器被布置并适合于接收来自布置在接触线2处的电压15和电流测量设备16的电压和电流测量，控制器31适合于确定在电流和电压之间的相移，并且确定在接触线中需要被补偿的无功电力。控制器31还供以控制开关单元11、21，以增加补偿在接触线(2)中电力的相移的无功电力。
[0059]控制器31还适合于确定在接触线中来自接收的电流或电压测量的谐波13、15、17...，并且控制开关单元11、21，使得抵消电流_13、-15, _1^在转换器I中被创建，并经由两个分支10、20的输出3供给至接触线2。
[0060]控制器31还适合于控制(每个相的)相脚，以在相脚中创建循环电流I。，该循环电流在分支10、20两者中经由接地4和相连接3从分支到分支循环，而不有助于供给至接触线2的电流I。
[0061]图2的控制器31包括硬件和软件的组合以执行它的功能，包括接收测量信号并传递控制信号、分析测量信号并监控无功电力、接触线的谐波与转换器分支的电压电平和电流，并且还确定能量储存元件的电压电平是否从额定范围偏离。为了示出本发明的主要特性，在图2中简化控制器31。控制器31示例为包括电流和电压监控部分35、分析部分36和开关单元控制部分37。控制器31通过监控部分35接收34在铁路的电力和接触线中的电压和电流。控制器31还通过监控部分35接收33在转换器脚I中的每一个分支10、20中的单元电压(Vdc)和电流11(|、12(|。分析器36适合于确定无功电力、谐波和单元电压电平，并且取决于使用的开关设置，控制器31适合于调整开关控制信号。例如，如果需要单元电压电平即至少一个能量储存元件的调整，控制器31通过例如调整开关以接收电能进入或释放能量自正在讨论的能量储存元件，从而开始在能量储存元件11、21之间的传递。控制器31通过开关控制器37来执行单元的开关，并且如果至少一个电压应被调整，则开关控制器37调整传递至开关单元11、21中的至少一个的开关信号。
[0062]监控包括测量每个开关单元11、21的电容器电压VDC，以及分别在每个相脚分支中创建的电流Iltl和I 2(1。从测量的电流11(1和I 20，控制器31适合于通过每个相应的相脚10、20来确定提供至接触线的电流I，以及还有循环电流L。至接触线的电流I应等于补偿无功电力所需的电流，即-1jP谐波补偿电流(-13-15-17...)。相脚的每个分支包括用于监控电压和电流的器件，诸如用于监控相应的分支电流11(1、12(1的电流互感器14、24，以及用于监控每个能量储存元件的每个电压电平Vdc的电压互感器。与接触和传输线2的电流交换通过诸如用于测量电流^的电流互感器和用于测量接触线电压的电压互感器的电压15和电流测量设备25。
[0063]图3a和3b示出了适合图1和2的多级转换器布置中的任一个的开关单元(11、21)和相应的能量储存元件的两个实施例。
[0064]图3a示出了 H桥(也称为全桥)开关单元。H桥开关单元包括4个包括关于每个相应的IGBT反平行的自由二极管的IGBT 41。每个单元包括输入和输出端子43、44，以用于开关单元的连续连接，以弥补连续连接的开关单元的分支。电容器42布置为能量储存元件，其通过IGBT选择性地连接至输入和输出端子43、44。
[0065]图3b示出了半桥(也称为H半桥)开关单元。它包括作为能量储存元件的电容器52和用于能量储存元件52至半桥开关单元的终端53、54的选择性连接的两个IGBT。图3a和3b的每个开关单元包括它自己的能量储存单元42、52，其电压被监控以用于偏离和通过转换信号模式的改变而连续地调整。
[0066]图4示出了用于控制本发明的多级转换器的方法。方法主要意图通过来自铁路的接触和电力传输线的谐波的有源过滤而抵消谐波。方法还提供平衡图1和2的单相多级转换器的两个分支的开关单元的直流电压。方法主要地包括如在三个平行的程序中示出的三个主要功能。方法包括:第一程序，其包括在步骤101至103中通过过滤来自接触线的谐波而控制多级转换器与电力网互相作用；第二程序，其包括在步骤201至205中调整能量储存元件的直流电压；以及第三程序，其在步骤101、112、113中补偿在接触线中的无功电力。
[0067]特别地，第一程序包括测量101接触线的电压和/或电流。第一程序继续有确定102测量的电流或电压的谐波含量。该谐波含量确定可包括一个接一个确定多个谐波中的每一个的子步骤102a至e。这些谐波确定子步骤102a至c中的每一个包括使用变换以提取谐波中的一个，诸如使用Park变换以用于分别提取第三、第五、第七、第九和第11谐波中的每一个。在下一个步骤中创建的控制信号加在一起并且谐波的补偿被调整103，这意味着补偿是确定的，或所需的谐波补偿被增加至本次的谐波补偿。
[0068]谐波补偿可在创建用于开关的控制信号之前与无功电力补偿加在一起。这在图5中示出。
[0069]回到图4，方法还包括监控203每个能量储存元件的电压，并且作为对监控的响应，传递205能量至或从其电压电平从预定的电压电平偏离的能量储存元件。关注在转换器的开关单元的两个分支的电容器(或能量储存元件)中的直流电压的平衡的第三程序可开始于在步骤201中测量两个分支的电流，在其之后在下一步的步骤202中控制循环电流，即循环电流通过影响开关时机以在两个分支之间轻微地不同而作为无功电流在两个分支中开始或维持。平衡方法继续进行在步骤203中通过控制器(31)监控从每个开关单元的电压测量设备接收(33)的电压测量，来监控每个能量储存元件的电压电平。在接下来的步骤204中，控制器(31)在步骤204中确定能量储存元件中的任一个的电压电平是否从额定电压电平偏离，以及电压电平中的一个或更多是否偏离超过预定的极限，方法在步骤205中包括传递能量至或来自偏离能量储存元件的步骤。该平衡被执行而不与电力网相互作用，所以平衡被执行而不影响电流至或来自接触线的供应。这样，甚至当没有电力与接触线相互作用时，即，甚至当转换器不通过引入电流至接触线而补偿无功电力时，每个能量储存元件的电压电平可保持在合适的限制内。
[0070]更详细地，方法的步骤202包括控制开关元件以在转换器的单相脚的两个分支中创建并提供循环电流。如所指出的，该循环电流可合适地作为在分支中循环的无功电流被提供，而不从储存元件中的任一个增加或减去能量，除非储存元件中的任一个应被平衡，即在探测能量储存元件偏离后，并且作为对探测的偏离的响应，平衡讨论中的能量储存元件。能量传递步骤205通过调整已经循环的电流来执行，以从偏离的开关单元增加或移除能量，使得能量储存单元的电压电平被平衡。因此，控制器适合于控制开关以创建无功电流，并且适合于校准无功电流使得在能量储存元件之间的能量的传递被实行。
[0071]多级转换器的主要功能是与电流传输接触线相互作用以便补偿无功电力，步骤101和112至113描述了该相互作用。方法通过在步骤101中监控在接触线中的电力(包括监控接触线的电压和电流)而与接触线相互作用。而且，相互作用在步骤112至113中包括控制从转换器供给至铁路的连接线的无功电力。
[0072]图5是在创建用于开关单元的开关的控制信号的逻辑图的数学描述。谐波电流用作输入(X(t))并且创建参考信号ref (t)以用于开关控制。附图示出使用谐波电流的过滤控制，但是备选地谐波电压可通过使用谐波电压作为调到O的输入(X)和输入(Y)来使用。Park变换 X*被应用至使用N级(第N个谐波0*p?(t))的谐波的测量的谐波电流X(t)o符号在附图中使用以用于复合函数。变换的电流从直流电流和其他交流谐波被过滤FIR*。下一个步骤是估计第N个谐波对STATC0M电流信号Y(t)的贡献。为了这个目的，STATC0M电流的第N个谐波从变换的和过滤的谐波电流中减去。附图示出了优先于减去的STATC0M电流Y(t)如何被变换。
[0073]Pl*估计贡献，并且过滤的谐波的贡献通过Park逆变换Z而变换。这些步骤被重复以用于谐波N中的每一个。
[0074]图5示出了按照本发明具体的STATC0M实现方式的进一步的细节。对于每个要被补偿的过滤，不同的操作可如下应用:
61取样来自接触线的输入电流信号X(t)。
[0075]62锁相回路(PLL)的参考角(复数)同步至接触线的电压。
[0076]63选择第N个谐波。
[0077]64取样来自STATC0M的输入电流信号。
[0078]65复数乘法。
[0079]66 Park变换，将电流信号X (t)变换进入两个轴线(实数、虚数)旋转框架，在第N个谐波的频率旋转。
[0080]67过滤出(实数和虚数)变换电流信号(将应用至实数部分和虚数部分)的第N个谐波。
[0081 ] 68 STATC0M 电流 Y ⑴的 Park 变换。
[0082]69过滤出Y⑴的第N个谐波(与67相同但用于STATC0M电流)。
[0083]70从输入电流X (t)的第N个谐波频率构件复数减去Y (t)的第N个谐波频率构件。
[0084]71比例积分控制(具有Laplace变换Kp+1/ (sTi))。
[0085]72结果至信号的再变换(进入两轴线固定框架)。
[0086]73 PLL参考角乘以第N个谐波的复共轭。
[0087]74从复数输入提取实数部分。
[0088]75对STATC0M的电流参考信号连续地累加来自其他控制的信号。
[0089]本发明已经作为单相转换器而被描述，其是具有H桥开关单元的级联多级转换器，以及这样的转换器如何适于过滤在铁路的电力传输接触线中的谐波。转换器的拓扑学提供用于调整在转换器的能量储存元件(诸如电容器)中和之间的电压不平衡的手段，而不消极地影响电力与接触线的互相作用，并且因此本发明避免了外部的过滤，即转换器外部的过滤。这样的转换器还可在其他不同于用于铁路的应用中用来有源过滤和/或无功电力控制，例如在工业应用中用于为电机供能。
【主权项】
1.一种用于过滤在铁路的电力传输接触线中的谐波的装置，所述装置包括具有一个单相脚(I)的多级转换器，该相脚包括开关单元(11、21)，每个开关单元(11、21)包括布置以选择性地提供至相应能量储存元件(52、52)的连接的半导体开关(41、51)， 所述多级转换器还包括提供以控制每个开关单元(11、21)的开关的控制器(31)， 并且其中所述相脚(I)在级联的开关单元(11、21)的两个平行的分支(10、20)中构造，所述分支(10、20)在闭合电路中相互连接，所述控制器(31)提供以监控在所述接触线中谐波的含量，并且适合于通过使所述开关单元的开关适于吸收所述谐波而过滤所监控的谐波。2.根据权利要求1所述的多级转换器，其特征在于，所述控制器(31)适合于监控(33)每个能量储存元件的电压电平(Vdc)，并且适合于通过依靠所述电压电平(Vdc)来控制(32)所述开关单元的开关而在所述能量储存元件之间传递能量，以补偿电压不平衡。3.根据权利要求2所述的多级转换器，其特征在于，所述控制器(31)适合于在所述相脚⑴的所述分支(10、20)中创建循环电流(Itl),以用于实行能量传递。4.根据权利要求3所述的多级转换器，其特征在于，所述控制器(31)适合于通过单独地改变所述开关单元的开关而实行能量在所述能量储存设备之间的传递。5.根据权利要求2至4中的任一项所述的多级转换器，其特征在于，所述多级转换器适合于补偿无功电力(I)至所述接触线(2)，其适合于在所述谐波过滤期间维持无功电力的供给。6.根据权利要求2至5中的任一项所述的多级转换器，其特征在于，所述控制器适合于通过施加Park变换至测量的电压或电流信号来监控在所述接触线中的谐波含量。7.根据权利要求2至6中的任一项所述的多级转换器，其特征在于，控制器(31)适合于采用Park逆变换以提供用于过滤所监控的谐波的开关控制信号。8.根据权利要求1至7中的任一项所述的多级转换器，其特征在于，至少一个所述开关单元的所述能量储存设备是电容器(42、52)，特别地每个分支的大多数的所述开关单元的所述能量储存设备是电容器(42、52)。9.根据权利要求1至8中的任一项所述的多级转换器，其特征在于，至少一个所述开关单元的所述能量储存设备是电池。10.根据权利要求1至9中的任一项所述的多级转换器，其特征在于，每个开关单元(11、21)包括带有连接至所述能量储存元件(42)的优选地是IGBT的四个半导体开关元件(41)的(全桥)H桥。11.根据权利要求1至9中的任一项所述的多级转换器，其特征在于，每个开关单元(11、21)包括带有连接至所述能量储存元件(52)的优选地是IGBT的两个半导体开关元件(51)的半桥。12.一种用于控制连接至铁路传输和接触线(2)的单相多级转换器的方法，所述多级转换器包括: 一个相脚(I)，该相脚包括开关单元(11、21)，每个开关单元(11、21)包括布置以选择性地提供至相应能量储存元件的连接的半导体开关， 并且所述相脚(I)包括开关单元的两个平行的分支，所述两个分支共享连接至所述接触线的输出， 所述方法包括: 监控(102)在所述接触线(2)中的电力的谐波含量， 以及通过控制所述开关单元的开关来补偿(103)所述谐波含量。13.根据权利要求12所述的用于控制多级转换器的方法，其特征在于，谐波含量的所述监控(102)包括采用Park变换以用于识别每个谐波的大小和相角。14.根据权利要求13所述的用于控制多级转换器的方法，其特征在于，所述Park变换一次在一个谐波上采用，并且被补偿的所有谐波通过所述Park变换被顺次监控。15.根据权利要求12至14中任一项所述的用于控制多级转换器的方法，其特征在于，包括: 监控(203)所述能量储存元件中的每一个的电压电平，以及 包括平衡(205)所述能量储存元件的电压，该平衡包括循环在所述两个分支内的电流(202)ο16.根据权利要求12至15中任一项所述的用于控制多级转换器的方法，其特征在于，进一步包括监控(112)所述接触线(2)的无功电力， 通过开关所述单元以供给(113)电流(I)至所述接触线(2)，来补偿(113)在所述接触线(2)中的所述无功电力。17.根据权利要求16所述的用于控制多级转换器的方法，其特征在于，在补偿无功电力的所述步骤期间，维持谐波的补偿。18.根据权利要求12至17中任一项所述的用于控制多级转换器的方法，其特征在于，进一步包括在所述两个分支中创建循环电流(Itl)，并且其中所述平衡包括在电压的所述监控(203)期间、特别地探测(204)后，修改(205)所循环的电流(I。)，以在至少一个电压(Vdc)偏离的至少两个开关单元的所述储存元件之间传递能量。
【专利摘要】用于过滤在铁路系统的电力传输接触线(2)中的谐波的装置和方法。装置包括具有一个单相脚(1)的多级转换器，该相脚包括开关单元(11、21)，每个开关单元(11、21)包括布置以选择性地提供至相应能量储存元件的连接的半导体开关。多级转换器还包括提供以控制每个开关单元(11、21)的开关的控制器(31)，并且其中相脚(1)在级联的开关单元(11、21)的两个平行的分支(10、20)中构造，该分支(10、20)在闭合电路中相互连接。提供控制器(31)以监控在接触线(2)中谐波的含量，并适于通过使开关单元的开关适于吸收谐波而过滤监控的谐波。
【IPC分类】H02M1/12, H02M7/483, H02J3/01
【公开号】CN104904106
【申请号】CN201280077117
【发明人】J-P.哈斯勒, M.蒙格
【申请人】Abb 技术有限公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2012年11月15日
【公告号】CA2891719A1, EP2920871A1, US20150333612, WO2014075732A1
最新回复(0)