一种单相-单相隔离非隔离混合拓扑及同相供电系统的制作方法

本发明涉及供电，尤其涉及一种单相-单相隔离非隔离混合拓扑及同相供电系统。

背景技术：

1、同相牵引供电系统是对传统牵引供电系统的改进与升级，在现有牵引变电所的基础上将异相供电转化为同相供电，并取消所内电分相。取消所内电分相后，有源电力补偿装置经补偿臂传输牵引负载所需的一半有功以及全部的谐波无功，另一半有功由牵引变压器的牵引臂提供，因此单相牵引负载可以在平衡牵引变压器的输出端被平衡为两相有功。同相供电系统可以在单个变电所内部实现同相，整个牵引供电系统中过分相数目减半，并有效解决了单个变电所内部的电能质量问题。

2、为实现同相供电，多种拓扑形式的单相-单相变换器被提出，主要分为三类：

3、1.如图1所示的输入输出工频变压器隔离的单相-单相变换器，包括若干电路结构相同的ac/ac变换模块，针对单个模块，单相电经高变比多抽头变压器降为低压单相电，经整流后的直流侧与后级逆变相连，逆变器经多抽头变压器与单相牵引网相连。第一种拓扑系统组成简单、可靠性高，甚至单个变换模块故障并不影响系统正常工作，然而应用到高压领域需要的高变比多抽头变压器制作工艺复杂、体积和重量较大，同时各个独立的单相变换器功率较难均衡，对器件选型、系统散热造成了较大影响。

4、2.如图2所示的输入多抽头工频变压器输出级联的单相-单相变换器，包括若干电路结构相同的ac/ac变换模块，针对单个模块，输入高压经高变比多抽头变压器降为低压单相电，多个单相电与多个单相整流器相连，整流器的直流侧为对应的逆变器输入端，然后各变换模块的输出逆变器级联后与单相牵引网相连。第二种拓扑保留了输入工频高变比变压器，取消输出多抽头变压器，相对第一种拓扑减少了同相供电系统的体积和重量，但仍存在的单个高变比变压器仍存在制作工艺复杂、体积和重量较大的问题；

5、3.如图3所示的单相-单相电力电子变压器，包括若干电路结构相同的ac/ac变换模块，针对单个模块，单相整流器直接与高压单相电网相连，经中高频dc-dc变换器对输入输出进行隔离，各变换模块中后级逆变级联后与单相牵引网相连。第三种拓扑为每个ac/ac变换模块均采用全隔离型电力电子变压器，整个拓扑利用中高频dc-dc变换器实现输入输出的完全隔离，和利用工频变压器的第一种拓扑、第二中拓扑一样不存在短路路径，且中高频dc-dc变换器的使用显著降低了变换器的体积和重量，但在每个模块中使用中高频dc-dc变换器严重增加了整个系统的成本。

6、通过对比发现，上述三种拓扑的每个ac/ac变换模块均需要工频变压器或中高频隔离dc-dc进行隔离，彻底取消隔离变压器后非隔离电路将出现较多的短路路径，对整个系统的安全工作造成的严重的危害。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的问题，提供了一种单相-单相隔离非隔离混合拓扑及同相供电系统。

2、本发明的目的是通过以下技术方案实现：一种单相-单相隔离非隔离混合拓扑，该拓扑包括级联的首端隔离变换单元、中间级非隔离变换单元以及尾端隔离变换单元，首端隔离变换单元、尾端隔离变换单元的输入端与牵引变压器的一相高压电网连接，首端隔离变换单元、尾端隔离变换单元的输出端与牵引变压器的另一相高压电网连接，牵引变压器的另一相高压电网与牵引网连接；

3、首端隔离变换单元包括一个或多个隔离ac/ac变换模块，中间级设有一个或多个非隔离ac/ac变换模块，尾端隔离变换单元包括一个或多个隔离ac/ac变换模块；隔离ac/ac变换模块与非隔离ac/ac变换模块的数量配比根据牵引变压器相角差工况需求确定；

4、隔离ac/ac变换模块包括顺次连接的单相整流器、隔离型电力电子变压器和第一逆变器；非隔离ac/ac变换模块包括顺次连接的第二整流器及第二逆变器。

5、在一示例中，所述首端隔离变换单元中第一个隔离ac/ac变换模块中单相整流器经第一电感器与牵引变压器的一相高压电网连接，首端隔离变换单元中第一个隔离ac/ac变换模块中逆变器经第二电感器与牵引变压器的另一相高压电网连接。

6、在一示例中，所述单相整流器与隔离型电力电子变压器之间和/或隔离型电力电子变压器与第一逆变器之间并联有电容。

7、在一示例中，所述第二整流器与第二逆变器之间并联有电容。

8、在一示例中，所述隔离型电力电子变压器为工频变压器或dc-dc变换器。

9、在一示例中，所述dc-dc变换器为双有源电路，包括顺次连接的输入侧整流桥、变压器以及输出侧整流桥。

10、需要进一步说明的是，上述各示例对应的技术特征可以相互组合或替换构成新的技术方案。

11、本发明还包括一种同相供电系统，所述系统包括变电所、牵引网和控制单元，变电所包括牵引变压器、上述任一示例或多个示例所述拓扑，拓扑中首端隔离变换单元、尾端隔离变换单元的输入端与牵引变压器的一相高压电网连接，首端隔离变换单元、尾端隔离变换单元的输出端与三相-两相牵引变压器的另一相高压电网连接，三相-两相牵引变压器的另一相高压电网与牵引网连接，控制单元与拓扑中单相整流器、第一逆变器、第二整流器、第二逆变器连接。

12、与现有技术相比，本发明有益效果是：

13、1.本发明提出首尾端采用隔离变换、中间级采用非隔离变换的级联拓扑结构，级联非隔离变换器中引入隔离型电力电子变压器的减少了非隔离变换器的短路路径，拓展了非隔离变换器运行的输入输出相角差，并提高了工作安全性，且输入输出级联后不存在环流问题；同时，占主要部分的非隔离变换器取消了隔离电力电子变压器的部分中间隔离dc-dc，因此构造出的适配同相供电系统的单相-单相隔离非隔离混合拓扑的电能变换级数少、器件成本低、体积小；根据不同相角差需求调整隔离变换模块与非隔离变换模块的数量配比，进而适应同相供电系统的输入输出均为单相高压的应用场景下的不同应用需求。

14、2.本发明dc-dc变换器电路为双有源电路，配合各隔离/非隔离变换单元首尾的整流器以及逆变器，进而具有四象限工作特性，源荷之间能量可以在任意方向流动；通过对整流器、逆变器中的开关管进行控制，能够实现输出电压的电压相位、频率和幅值的调整。

技术特征：

1.一种单相-单相隔离非隔离混合拓扑，其特征在于，包括级联的首端隔离变换单元、中间级非隔离变换单元以及尾端隔离变换单元，首端隔离变换单元、尾端隔离变换单元的输入端与牵引变压器的一相高压电网连接，首端隔离变换单元、尾端隔离变换单元的输出端与牵引变压器的另一相高压电网连接，牵引变压器的另一相高压电网与牵引网连接；

2.根据权利要求1所述的单相-单相隔离非隔离混合拓扑，其特征在于，所述首端隔离变换单元中第一个隔离ac/ac变换模块中单相整流器经第一电感器与牵引变压器的一相高压电网连接，首端隔离变换单元中第一个隔离ac/ac变换模块中逆变器经第二电感器与牵引变压器的另一相高压电网连接。

3.根据权利要求1所述的单相-单相隔离非隔离混合拓扑，其特征在于，所述单相整流器与隔离型电力电子变压器之间和/或隔离型电力电子变压器与第一逆变器之间并联有电容。

4.根据权利要求1所述的单相-单相隔离非隔离混合拓扑，其特征在于，所述第二整流器与第二逆变器之间并联有电容。

5.根据权利要求1所述的单相-单相隔离非隔离混合拓扑，其特征在于，所述隔离型电力电子变压器为工频变压器或dc-dc变换器。

6.根据权利要求5所述的单相-单相隔离非隔离混合拓扑，其特征在于，所述dc-dc变换器为双有源电路，包括顺次连接的输入侧整流桥、变压器以及输出侧整流桥。

7.一种同相供电系统，其特征在于，所述系统包括变电所、牵引网和控制单元，变电所包括牵引变压器、权利要求1-6任一项所述拓扑，拓扑中首端隔离变换单元、尾端隔离变换单元的输入端与牵引变压器的一相高压电网连接，首端隔离变换单元、尾端隔离变换单元的输出端与三相-两相牵引变压器的另一相高压电网连接，三相-两相牵引变压器的另一相高压电网与牵引网连接，控制单元与拓扑中单相整流器、第一逆变器、第二整流器、第二逆变器连接。

技术总结本发明公开了一种单相‑单相隔离非隔离混合拓扑及同相供电系统，属于供电技术领域，包括级联的首端隔离变换单元、中间级非隔离变换单元以及尾端隔离变换单元，首端隔离变换单元、尾端隔离变换单元的输入端与牵引变压器的一相高压电网连接；首端隔离变换单元、尾端隔离变换单元均包括一个或多个隔离AC/AC变换模块，中间级设有一个或多个非隔离AC/AC变换模块。本发明提出首尾端采用隔离变换、中间级采用非隔离变换的拓扑结构，非隔离变换单元级数少，降低了器件成本的同时减少了变换器的体积；根据不同相角差需求调整隔离、非隔离变换模块的数量配比，能够适应同相供电系统的输入输出均为单相高压的应用场景下的不同应用需求。技术研发人员：孟令辉,舒泽亮,邓健辉受保护的技术使用者：四川航天烽火伺服控制技术有限公司技术研发日：技术公布日：2024/12/2