一種高速鐵路電能質(zhì)量及牽引網(wǎng)電壓綜合補(bǔ)償系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種高速鐵路電能質(zhì)量及牽引網(wǎng)電壓綜合補(bǔ)償系統(tǒng)，該綜合補(bǔ)償系統(tǒng)包括安裝在牽引變電所牽引側(cè)的單相背靠背STATCOM補(bǔ)償裝置及安裝在分區(qū)所的晶閘管投切高通濾波器；單相背靠背STATCOM補(bǔ)償裝置用于負(fù)序補(bǔ)償、2-11次范圍內(nèi)的低次諧波濾波、功率因數(shù)及牽引網(wǎng)母線電壓控制；晶閘管投切高通濾波器用于吸收11次以上的高次諧波，穩(wěn)定牽引網(wǎng)末端電壓。該系統(tǒng)的單相背靠背STATCOM裝置，實時檢測牽引變電所的功率因數(shù)，動態(tài)無級調(diào)節(jié)無功輸出，維持系統(tǒng)功率因數(shù)在0.9以上；分區(qū)所設(shè)置晶閘管投切的高通濾波器，用于吸收11次以上的諧波電流，改善牽引網(wǎng)電壓。整個系統(tǒng)具有占地面積小、運(yùn)行損耗小、工程造價低、可靠性高、技術(shù)實現(xiàn)簡單、綜合效益突出等優(yōu)點。
【專利說明】—種高速鐵路電能質(zhì)量及牽引網(wǎng)電壓綜合補(bǔ)償系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種高速鐵路牽引供電、電力電子技術(shù)及電能質(zhì)量治理領(lǐng)域的系統(tǒng)，具體涉及一種高速鐵路電能質(zhì)量及牽引網(wǎng)電壓綜合補(bǔ)償系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]高速鐵路以其運(yùn)行速度快、運(yùn)量大、節(jié)能環(huán)保、安全舒適、綜合效益突出等優(yōu)勢，受到世界各國的重視，發(fā)展十分迅速。目前，我國高速鐵路營業(yè)里程已超過I萬公里，居世界第一位。根據(jù)規(guī)劃，到2020年，將建成時速200公里及以上的高速客運(yùn)專線1.6萬公里。
[0003]高速鐵路全部采用電力牽引方式，為其供電的絕大多數(shù)牽引變電所接入220kV輸電網(wǎng)，給電網(wǎng)帶來嚴(yán)重的電能質(zhì)量問題。相對于以運(yùn)行直流機(jī)車為主的普通電氣化鐵路，高速鐵路對電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響具有如下新的特點:一是負(fù)序問題更為突出，高速電氣化鐵路機(jī)車運(yùn)行速度高，機(jī)車的牽引功率隨著速度的增加成指數(shù)增長，16輛編組在350公里時速下列車總裝機(jī)容量可達(dá)29500kVA，再加上采用V/V牽引供電方式，向電網(wǎng)注入大量的負(fù)序電流，同時機(jī)車采用再生制動，向電網(wǎng)回饋功率，引起供電母線電壓不平衡和電壓波動；二是諧波問題更為復(fù)雜，交-直-交機(jī)車采用PWM控制方式，大大減小了低次諧波含量，但由于機(jī)車基波電流大大增加，其注入電網(wǎng)的低次諧波的絕對值還是很可觀。此外，機(jī)車網(wǎng)側(cè)諧波電流頻譜加寬，最高可達(dá)幾kHz，高次諧波電流豐富，根據(jù)現(xiàn)有電能質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn)，高速鐵路牽引變電所會同時出現(xiàn)3?25次諧波范圍內(nèi)所有奇次諧波電流同時超標(biāo)的現(xiàn)象。上述問題將會給電網(wǎng)、其他用戶及高速鐵路自身的供電安全和可靠性帶來很大影響，同時也給電能質(zhì)量的治理帶來新的挑戰(zhàn)。
[0004]高速電氣化鐵路機(jī)車對供電可靠性的要求比普通電氣化鐵路更高，高速動車組的額定運(yùn)行電壓范圍為25kV至29kV，當(dāng)電壓下降到22.5kV至25kV范圍時，牽引力降至額定功率的90%，其他電壓范圍內(nèi)，牽引力將下降到O;此外，高速鐵路對供電臂的越區(qū)供電能力要求高，要求在事故情況下能夠?qū)崿F(xiàn)越區(qū)供電，允許全部列車在減速條件下通過故障供電臂。為了保證運(yùn)輸能力和動車組的安全，牽引網(wǎng)供電電壓水平必須保證在合理的范圍。根據(jù)研究，由于高速鐵路牽引網(wǎng)負(fù)荷電流大，牽引網(wǎng)等效阻抗引起的電壓降約占綜合壓降的67%，補(bǔ)償牽引網(wǎng)引起的電壓降對于改善動車組運(yùn)行環(huán)境、保障機(jī)車運(yùn)行安全、提高運(yùn)力具有重要現(xiàn)實意義。
[0005]針對上述高速鐵路的諧波、負(fù)序、牽引網(wǎng)電壓問題，國內(nèi)外已經(jīng)采取了各種補(bǔ)償措施，包括固定并聯(lián)電容補(bǔ)償裝置(Fixed Capacitor, FC)、靜止無功補(bǔ)償器(Static VarCompensator, SVC)和靜止同步補(bǔ)償器(Static Synchronous Compensator, STATCOM)。安裝在牽引變壓器高壓側(cè)的三相SVC裝置可用來補(bǔ)償負(fù)序及低次諧波電流，安裝在牽引變壓器低壓側(cè)或分區(qū)所的單相SVC裝置可用以補(bǔ)償功率因數(shù)、低次諧波及牽引網(wǎng)電壓，但由于SVC裝置本身也產(chǎn)生諧波，不但影響了電網(wǎng)和負(fù)載，也影響其補(bǔ)償性能，導(dǎo)致系統(tǒng)濾波要求及損耗增大。
[0006]STATCOM裝置采用了脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制、瞬時電流檢測技術(shù)和多重化結(jié)構(gòu)，由于工作在電壓源變流器模式，其橋式變流電路直流側(cè)儲能元件的容量遠(yuǎn)比所能提供的諧波和基波容量要小，而對于SVC裝置，其所需儲能元件的容量至少要等于其所需提供的諧波和無功容量，因此STATCOM裝置中儲能元件的體積和成本比同容量的SVC大大減小，且補(bǔ)償性能和響應(yīng)速度均優(yōu)于SVC。STATCOM裝置在牽引變壓器三相側(cè)安裝時，能夠較好的補(bǔ)償負(fù)序及低次諧波電流，當(dāng)采用平衡牽引變壓器供電時，在牽引側(cè)安裝兩個單相STATCOM裝置直流側(cè)相連構(gòu)成背靠背STATCOM裝置(日本學(xué)者稱之為鐵路功率調(diào)節(jié)器RPC，RailwayStatic Power Conditioner),利用該裝置能對兩供電臂的有功、無功及諧波進(jìn)行控制,使兩供電臂的負(fù)荷時刻處于平衡狀態(tài)，從而實現(xiàn)對負(fù)序、無功的綜合補(bǔ)償，一定程度上補(bǔ)償3、
5、7次等低次諧波電流，穩(wěn)定牽引網(wǎng)電壓，是一種綜合性能較好的補(bǔ)償方式。受限于裝置的開關(guān)頻率，RPC裝置只能有限補(bǔ)償?shù)痛沃C波電流，對于高次諧波則不能補(bǔ)償。
[0007]由于高速鐵路牽引負(fù)荷中諧波電流頻譜較寬，采用FC或SVC裝置進(jìn)行諧波治理時需設(shè)置多個LC無源濾波支路，基波容性無功電流不可避免地要流經(jīng)濾波器的各支路，由于高速動車組在各種工況下功率因數(shù)較高，多余的容性無功是不必要的，卻使裝置的容量、損耗增加，整個裝置增設(shè)晶閘管相控電抗器支路將導(dǎo)致裝置體積龐大和產(chǎn)生額外的諧波電流源。此外，從目前高速鐵路的運(yùn)行圖可知，各高鐵線路每天的有效運(yùn)行時間一般為早6點至晚上24點，其他時段為停運(yùn)時間，該時段內(nèi)并不需要補(bǔ)償裝置發(fā)揮作用，而FC或SVC是一種持續(xù)運(yùn)行裝置，不僅增加了設(shè)備損耗，還進(jìn)一步使?fàn)恳冸娝钠骄β室驍?shù)降低，增加了運(yùn)行成本。
[0008]STATCOM在動態(tài)、實時和快速地實現(xiàn)連續(xù)補(bǔ)償負(fù)序及無功，穩(wěn)定牽引母線電壓的同時，還能實現(xiàn)有源濾波功能，適合于高速鐵路牽引負(fù)荷的快速無功、負(fù)序及諧波的補(bǔ)償；由于應(yīng)用于高速鐵路電能質(zhì)量治理的STATCOM裝置電壓等級高、補(bǔ)償容量大，受制于開關(guān)器件損耗、裝置散熱等因素，其大功率開關(guān)器件的開關(guān)頻率不能太高，實際應(yīng)用中主要用于2?11次諧波電流的治理，而對于高次諧波則無法有效補(bǔ)償。
[0009]因此，提供一種能補(bǔ)償高速鐵路電能質(zhì)量和牽引網(wǎng)電壓的綜合補(bǔ)償系統(tǒng)具有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明提出一種能補(bǔ)償高速鐵路電能質(zhì)量和牽引網(wǎng)電壓的綜合補(bǔ)償系統(tǒng)，即在牽引變電所牽引側(cè)設(shè)置單相背靠背STATCOM裝置，補(bǔ)償負(fù)序和2?11次諧波電流，通過實時檢測牽引變電所的功率因數(shù)，動態(tài)無級調(diào)節(jié)無功輸出，維持系統(tǒng)功率因數(shù)在0.9以上；在相關(guān)分區(qū)所設(shè)置晶閘管投切的高通濾波器，用于吸收11次以上的諧波電流，同時改善牽引網(wǎng)電壓，整個系統(tǒng)具有占地面積小、運(yùn)行損耗小、工程造價低、可靠性高、技術(shù)實現(xiàn)簡單、綜合效益突出等優(yōu)點。
[0011]為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采取如下技術(shù)方案:
[0012]一種高速鐵路電能質(zhì)量及牽引網(wǎng)電壓綜合補(bǔ)償系統(tǒng)，所述高速鐵路的供電系統(tǒng)包括相連的電力系統(tǒng)、牽引變壓器、牽引母線和牽引網(wǎng)；所述牽引網(wǎng)包括接觸線、鋼軌、正饋線和自耦變壓器；所述牽引母線一和牽引母線二分別通過牽引變壓器一和牽引變壓器二與所述電力系統(tǒng)連接；所述牽引母線一和牽引母線二分別通過饋線一和饋線二連接所述牽引網(wǎng)；所述接觸線與鋼軌之間、鋼軌與正饋線之間分別通過自耦變壓器連接；其改進(jìn)之處在于:所述綜合補(bǔ)償系統(tǒng)包括安裝在所述牽引變電所牽引側(cè)的單相背靠背STATCOM補(bǔ)償裝置及安裝在所述分區(qū)所的晶閘管投切高通濾波器；
[0013]所述單相背靠背STATCOM補(bǔ)償裝置用于負(fù)序補(bǔ)償、2-11次范圍內(nèi)的低次諧波濾波、功率因數(shù)及母線電壓控制；
[0014]所述晶閘管投切高通濾波器用于吸收11次以上的高次諧波，穩(wěn)定牽引網(wǎng)末端電壓。
[0015]進(jìn)一步的，所述晶閘管投切高通濾波器包括相連的投切開關(guān)和高通濾波器，所述投切開關(guān)包括兩個反并聯(lián)晶閘管，所述高通濾波器包括串聯(lián)的電容器C和電抗器L，所述電抗器L與電阻器R并聯(lián)；
[0016]所述晶閘管投切高通濾波器裝置于分區(qū)所的接觸線與中線之間及正饋線與中線之間分別安裝，兩個所述分區(qū)所共設(shè)置4套晶閘管投切高通濾波器。
[0017]進(jìn)一步的，所述單相背靠背STATCOM裝置包括分別與所述牽引母線一和牽引母線二連接的隔離變壓器一和隔離變壓器二，所述隔離變壓器一和隔離變壓器二分別連接變流器一和變流器二，所述變流器一和變流器二通過直流電容相連，形成背靠背對稱結(jié)構(gòu)，所述變流器一和變流器二分別與控制器相連。
[0018]進(jìn)一步的，所述隔離變壓器一為單相多繞組變壓器，所述單相多繞組變壓器的次邊繞組與并聯(lián)的多個單相電壓源變流器連接； [0019]所述隔離變壓器二為單相雙繞組變壓器，用于實現(xiàn)多個單相電壓源變流器級聯(lián)輸出電壓與牽引母線二的電壓匹配，并使變流器二與牽引母線二實現(xiàn)電氣隔離。
[0020]進(jìn)一步的，所述單相背靠背STATCOM裝置的補(bǔ)償方法包括以下步驟:
[0021]令牽引母線一對應(yīng)的牽引變壓器一的二次側(cè)端口為端口 I，牽引母線二對應(yīng)的牽引變壓器二的二次側(cè)端口為端口 II，機(jī)車負(fù)荷分別接在所述端口 I和端口 II，兩端口接線角分別為Ψρ ψ2，對應(yīng)兩供電臂牽引負(fù)荷容量分別為Su和Sm功率因數(shù)角分別為
1Pl μ皆波分量分別為iuh、iL2h ；
[0022]所述單相背靠背STATCOM裝置的變流器一和變流器二的交流側(cè)分別通過隔離變壓器一和隔離變壓二接入所述端口 I和端口 II，所述端口 I和端口 II的補(bǔ)償有功和無功分別為 Pd > Qci 和 Pc2、Qc2 ；
[0023]補(bǔ)償前所述牽引變電所注入電網(wǎng)負(fù)序電流為仄，電網(wǎng)供電變電站允許負(fù)序電流為gamma，則負(fù)序補(bǔ)償剩余度為Kv =/ /4，補(bǔ)償后牽引變壓器原邊剩余的三相正序無功功率為
補(bǔ)償前無功功率力5^，則無功補(bǔ)償剩余度為，根據(jù)V/v牽引變壓器原邊負(fù)
序電流與副邊兩供電臂牽引負(fù)荷的關(guān)系，為實現(xiàn)V/v牽引供電方式下的負(fù)序補(bǔ)償，可根據(jù)如下式(I)確定單相背靠背STATCOM裝置補(bǔ)償容量:
[0024]
【權(quán)利要求】
1.一種高速鐵路電能質(zhì)量及牽引網(wǎng)電壓綜合補(bǔ)償系統(tǒng)，所述高速鐵路的供電系統(tǒng)包括相連的電力系統(tǒng)、牽引變壓器、牽引母線和牽引網(wǎng)；所述牽引網(wǎng)包括接觸線、鋼軌、正饋線和自耦變壓器；所述牽引母線一和牽引母線二分別通過牽引變壓器一和牽引變壓器二與所述電力系統(tǒng)連接；所述牽引母線一和牽引母線二分別通過饋線一和饋線二連接所述牽引網(wǎng)；所述接觸線與鋼軌之間、鋼軌與正饋線之間分別通過自耦變壓器連接；其特征在于:所述綜合補(bǔ)償系統(tǒng)包括安裝在所述牽引變電所牽引側(cè)的單相背靠背STATCOM補(bǔ)償裝置及安裝在所述分區(qū)所的晶閘管投切高通濾波器； 所述單相背靠背STATC0M補(bǔ)償裝置用于負(fù)序補(bǔ)償、2-11次范圍內(nèi)的低次諧波濾波、功率因數(shù)及母線電壓控制； 所述晶閘管投切高通濾波器用于吸收11次以上的高次諧波，穩(wěn)定牽引網(wǎng)末端電壓。
2.如權(quán)利要求1所述的一種高速鐵路電能質(zhì)量及牽引網(wǎng)電壓綜合補(bǔ)償系統(tǒng)，其特征在于:所述晶閘管投切高通濾波器包括相連的投切開關(guān)和高通濾波器，所述投切開關(guān)包括兩個反并聯(lián)晶閘管，所述高通濾波器包括串聯(lián)的電容器C和電抗器L，所述電抗器L與電阻器R并聯(lián)； 所述晶閘管投切高通濾波器裝置于分區(qū)所的接觸線與中線之間及正饋線與中線之間分別安裝，兩個所述分區(qū)所共設(shè)置4套晶閘管投切高通濾波器。
3.如權(quán)利要求1所述的一種高速鐵路電能質(zhì)量及牽引網(wǎng)電壓綜合補(bǔ)償系統(tǒng)，其特征在于:所述單相背靠背STATCOM裝置包括分別與所述牽引母線一和牽引母線二連接的隔離變壓器一和隔離變壓器二，所述隔離變壓器一和隔離變壓器二分別連接變流器一和變流器二，所述變流器一和變流器二通過直流電容相連，形成背靠背對稱結(jié)構(gòu)，所述變流器一和變流器二分別與控制器相連。
4.如權(quán)利要求3所述的一種高速鐵路電能質(zhì)量及牽引網(wǎng)電壓綜合補(bǔ)償系統(tǒng)，其特征在于:所述隔離變壓器一為單相多繞組變壓器，所述單相多繞組變壓器的次邊繞組與并聯(lián)的多個單相電壓源變流器連接； 所述隔離變壓器二為單相雙繞組變壓器，用于實現(xiàn)多個單相電壓源變流器級聯(lián)輸出電壓與牽引母線二的電壓匹配，并使變流器二與牽引母線二實現(xiàn)電氣隔離。
5.如權(quán)利要求3所述的一種高速鐵路電能質(zhì)量及牽引網(wǎng)電壓綜合補(bǔ)償系統(tǒng)，其特征在于:所述單相背靠背STATCOM裝置的補(bǔ)償方法包括以下步驟: 令牽引母線一對應(yīng)的牽引變壓器一的二次側(cè)端口為端口 I，牽引母線二對應(yīng)的牽引變壓器二的二次側(cè)端口為端口 II，機(jī)車負(fù)荷分別接在所述端口 I和端口 II，兩端口接線角分別為ΨρΨ2，對應(yīng)兩供電臂牽引負(fù)荷容量分別為Su和S。，功率因數(shù)角分別為叭，諧波分量分別為iUh、iL2h ； 所述單相背靠背STATCOM裝置的變流器一和變流器二的交流側(cè)分別通過隔離變壓器一和隔離變壓二接入所述端口 I和端口 II，所述端口 I和端口 II的補(bǔ)償有功和無功分別為Pc1、Qci 和 Pc2、Qc2 ; 補(bǔ)償前所述牽引變電 所注入電網(wǎng)負(fù)序電流為4，電網(wǎng)供電變電站允許負(fù)序電流為I-，則負(fù)序補(bǔ)償剩余度為人，，補(bǔ)償后牽引變壓器原邊剩余的三相正序無功功率力SQ+補(bǔ)償前無功功率為5^，則無功補(bǔ)償剩余度為夂c =$/$。，根據(jù)V/v牽引變壓器原邊負(fù)序電流與副邊兩供電臂牽引負(fù)荷的關(guān)系，為實現(xiàn)V/v牽引供電方式下的負(fù)序補(bǔ)償，可根據(jù)如下式(I)確定單相背靠背STATCOM裝置補(bǔ)償容量:
6.如權(quán)利要求4所述的一種高速鐵路電能質(zhì)量及牽引網(wǎng)電壓綜合補(bǔ)償系統(tǒng)，其特征在于:所述晶閘管投切濾波器裝置的補(bǔ)償方法包括以下步驟: 所述高通濾波器的容量用于所吸收的諧波電流大小及所需補(bǔ)償?shù)幕o功有關(guān)，令機(jī)車負(fù)荷點至牽引變壓器間牽引網(wǎng)阻抗為Z=R+jX，牽引變壓器二次側(cè)空載電壓為Vtl，代表帶載電壓為VK，牽引負(fù)荷有功功率為匕，無功功率為Qy所述晶閘管投切濾波器裝置的基波無功功率為Q。，如下式(4)確定牽引網(wǎng)壓下降率ε (%):

7.如權(quán)利要求1所述的一種高速鐵路電能質(zhì)量及牽引網(wǎng)電壓綜合補(bǔ)償系統(tǒng)，其特征在于:所述反并聯(lián)的晶閘管一和反并聯(lián)的晶閘管二用于實現(xiàn)自動投入或退出運(yùn)行。
8.如權(quán)利要求1所述的一種高速鐵路電能質(zhì)量及牽引網(wǎng)電壓綜合補(bǔ)償系統(tǒng)，其特征在于:所述晶閘管投切濾波器裝置吸收11次以上的高次諧波電流，用于改善牽引網(wǎng)電壓質(zhì)量和抑制高次諧波諧振引起網(wǎng)壓異常波動。
【文檔編號】H02J3/16GK103928928SQ201410111582
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年3月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月24日
【發(fā)明者】喬光堯, 周勝軍, 王同勛, 荊平, 溫慧, 談萌 申請人:國家電網(wǎng)公司, 國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院