專利名稱：電磁混合式高速鐵路多站點電能質(zhì)量協(xié)同補償裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電氣化鐵路電能質(zhì)量分析和控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種電磁混合式高速鐵路多站點電能質(zhì)量協(xié)同補償裝置及方法。
背景技術(shù)：
電氣化鐵路以其載客量高、輸送能力大、速度快和安全節(jié)能等優(yōu)勢，成為我國近幾年來重點發(fā)展的交通運輸方式之一。從電氣化鐵路機車運行特性來看，可分為常規(guī)電氣化鐵路機車和高速鐵路機車兩大類。其中，常規(guī)電氣化鐵路機車主要采用交-直型傳動方式，我國在該技術(shù)領(lǐng)域研究較為成熟，但是直流電機功率和體積成正比，無法適應(yīng)高速重載運行，同時運行時有干擾電流電波、有碳刷接觸故障率高。相比常規(guī)電氣化鐵路機車，高速鐵路機車采用交-直-交型電力機車，該機車具有起動牽引力大、體積小、調(diào)壓較易、無接觸摩 擦件故障率低、電流電波小等優(yōu)勢，同時電車再生后制動時，可使交流電返回電網(wǎng)，節(jié)省能源。但無論是常規(guī)電氣化鐵路還是高速鐵路，其牽引供電方式絕大多數(shù)為三相-兩相制式，即其原邊取自電力系統(tǒng)的IlOkV或220kV三相電壓，次邊向兩上單相供電臂供電，其母線額定電壓為27. 5kV。因此對于三相對稱的電力系統(tǒng)來說，其鐵路機車負荷具有非線性、不對稱和波動性等特點，在運行的過程中會產(chǎn)生極大的負序電流和一定量的高次諧波電流和無功功率，其中以負序問題尤為突出。目前常規(guī)電氣化鐵路對于負序不平衡問題的解決辦法通常是采用輪流換相和采用平衡化變壓器的方式，這對于常規(guī)電氣化鐵路機車負荷功率不大的情況具有一定的抑制效果，但上述方法并不能從根本上解決電氣化鐵路機車的負序問題。而對高速鐵路來說，由于高速鐵路機車負荷功率很大，上述方法在高速鐵路負序治理問題上存在較大局限性。要從根本上解決電氣化鐵路負序不平衡問題，必須加裝相應(yīng)的負序補償裝置?，F(xiàn)階段電力系統(tǒng)一般采用晶閘管控制電抗器(TCR)和固定電容器(FC)組成的TCR型靜止無功補償裝置(SVC)來抑制負序電流，但是這種方法對于高速鐵路負序補償存在以下缺陷I)動態(tài)響應(yīng)性差，TCR型SVC裝置的動態(tài)響應(yīng)性不能滿足高速鐵路機車快速變化的負載要求；2)諧波含量大，TCR型SVC裝置的諧波含量很大，可達到15%，且低次諧波含量較大，對高鐵路供電系統(tǒng)有較大沖擊；3) TCR型SVC裝置占地面積大、噪音大、成本大、損耗大。為了解決TCR型SVC裝置存在的問題，基于磁閥式可控電抗器(MCR)的磁控型靜止無功補償裝置(MSVC)在上世紀90年代之后有了很大的發(fā)展，在MCR型MSVC裝置中，MCR在保持TCR優(yōu)點的同時，克服了 TCR在諧波、裝置大小、損耗、噪音和可靠性等方面的缺點。而多級磁閥式磁控電抗器(MSMCR) [1]是在MCR基礎(chǔ)上的最新研究發(fā)展成果，相比傳統(tǒng)的MCR，其在諧波控制和動態(tài)響應(yīng)性方面有極大提升。值得特別提出的是，MSMCR還具有對特定次數(shù)諧波進行優(yōu)化的功能。
雖然MSMCR相比TCR，其諧波控制和動態(tài)響應(yīng)性得到了較大提高，但由于其磁飽和的工作特性，仍然無法做到極佳的動態(tài)響應(yīng)性以適應(yīng)高速鐵路負荷的快速波動，并且無法完全消除MSVC裝置諧波，而且單一采用上述無功發(fā)生裝置直接補償負序電流的方法需要投入極大的補償容量。通過鐵路功率調(diào)節(jié)器(RPC)來實現(xiàn)電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)綜合電能質(zhì)量控制的概念最早是由日本學(xué)者提出的。RPC主要采用大功率電力電子器件來實現(xiàn)電氣化鐵路兩側(cè)有功功率的雙向傳遞和無功功率輸出。該補償裝置響應(yīng)性好、控制靈活、可拓展性強，同時RPC可以通過平衡系統(tǒng)兩側(cè)有功功率有效的降低系統(tǒng)負序補償所需的無功投入容量。但是由于電力電子器件容量有限，制造工藝復(fù)雜，裝置成本昂貴，如果高速鐵路巨大的機車負荷如果全部負序電流采用RPC來補償?shù)脑挘@然是不現(xiàn)實的。文中涉及的參考文獻[I]陳緒軒，田翠華，陳柏超，等.多級飽和磁閥式可控電抗器諧波分析數(shù)學(xué)模型[J]·電工技術(shù)學(xué)報，2011，26 (3) :57-64.

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明將基于MSMCR的大容量MSVC和小容量RPC結(jié)合，提供了一種可以消除諧波、所需投入容量小、動態(tài)響應(yīng)速度快、成本低的電磁混合式高速鐵路多站點電能質(zhì)量協(xié)同補償裝置及方法。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種電磁混合式高速鐵路多站點電能質(zhì)量協(xié)同補償裝置，包括一臺鐵路功率調(diào)節(jié)器(RPC)和三臺磁控靜止無功補償裝置(MSVC)，所述的鐵路功率調(diào)節(jié)器通過兩臺單相降壓變壓器與V/V接線牽引變壓器二次側(cè)的兩供電臂相連，用來快速平衡供電臂兩側(cè)有功功率并發(fā)出適量無功功率，以實現(xiàn)快速降低牽引供電系統(tǒng)不平衡度的目的，同時鐵路功率調(diào)節(jié)器還肩負著消除系統(tǒng)高次諧波的任務(wù)；所述的磁控靜止無功補償裝置由多級磁閥式磁控電抗器(MSMCR)和濾波電路并聯(lián)構(gòu)成，三臺磁控靜止無功補償裝置分別安裝在三相V/V接線牽引變壓器二次側(cè)的三相相間，用于補償無功功率和負序，而MSVC中濾波電路可以濾除系統(tǒng)3次和5次諧波。一種采用上述裝置的多站點電能質(zhì)量協(xié)同補償方法，首先采用輪流換相方法給3Ν+ 站牽引變電站中的3N站安裝上述電能質(zhì)量協(xié)同補償裝置，N為不小于I的自然數(shù)，i=O, I, 2，假設(shè)電力系統(tǒng)母線上三相相間負載有功功率分別為( Pl.BC ( 分別為ab、bc、ca相間負載的有功功率，將Pl.ab、Pl.bc、Pl.ca網(wǎng)絡(luò)分解為一個平衡網(wǎng)絡(luò)i\.AB、PuB、PuB和一個不平衡網(wǎng)絡(luò)PuA-PL.AB、PuC-PuB、o，上述安裝在牽引變電站的電能質(zhì)量協(xié)同補償裝置僅需要對不平衡網(wǎng)絡(luò)f\.arPuB、Pn-Pu、o進行補償，補償方法如下假設(shè)連接CA和BC相間的鐵路功率調(diào)節(jié)器編號為3m+l，連接CA和AB相間的鐵路功率調(diào)節(jié)器編號為3m+2，而連接BC相和AB相間的鐵路功率調(diào)節(jié)器編號為3m+3，m = 0，1，2，· · ·，N-I ；首先，電能質(zhì)量協(xié)同補償裝置中的鐵路功率調(diào)節(jié)器根據(jù)相間的具體負載情況進行補償
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|_υυ·/」=I rLMC ~ rLAB ^S——、rL-BC rLAB、ZRPC，1 MFC、,其中，PKrc為鐵路功率調(diào)節(jié)器最大可傳遞的有功功率，編號為3m+l的鐵路功率調(diào)節(jié)
權(quán)利要求
1.一種電磁混合式高速鐵路多站點電能質(zhì)量協(xié)同補償裝置，其特征在于，包括 一臺鐵路功率調(diào)節(jié)器和三臺磁控靜止無功補償裝置，所述的鐵路功率調(diào)節(jié)器通過兩臺單相降壓變壓器與V/V接線牽引變壓器二次側(cè)的兩供電臂相連，所述的磁控靜止無功補償裝置由多級磁閥式磁控電抗器和濾波電路并聯(lián)構(gòu)成，三臺磁控靜止無功補償裝置分別安裝在三相V/V接線牽引變壓器二次側(cè)的三相相間。
2.一種采用權(quán)利要求I所述的裝置的多站點電能質(zhì)量協(xié)同補償方法，其特征在于，包括步驟 采用輪流換相方法給3N+i站牽引變電站中的3N站安裝權(quán)利要求I所述的電能質(zhì)量協(xié)同補償裝置，N為不小于I的自然數(shù)，i =0,1,2； 獲取電力系統(tǒng)公共母線三相相間負載有功功率Pu、Pu、Pu，且Pu ( Pl.Y ( Pu，Pu、PL. Y> PL. z分別為X、Y、Z相間負載的有功功率； 對X、Y、Z相間的不同負載情況，采取不同的補償方法 對3N個鐵路功率調(diào)節(jié)器編號，設(shè)定連接Z和Y相間的鐵路功率調(diào)節(jié)器編號為3m+l，連接Z和X相間的鐵路功率調(diào)節(jié)器編號為3m+2，而連接Y和X相間的鐵路功率調(diào)節(jié)器編號為3m+3, m = 0, I, 2,. . . , N-I ； 首先，鐵路功率調(diào)節(jié)器根據(jù)相間的不同負載情況采用不同的補償方法 負載情況(I) - P1.......^ . PL. y-Pl.X ( 2NPepc, KPrfc < -I}.、.25xN 該負載情況下，編號為3m+l的各鐵路功率調(diào)節(jié)器的補償方案為 編號為3m+2的各鐵路功率調(diào)節(jié)器的補償方案為 號為3m+3的各鐵路功率調(diào)節(jié)器的補償方案為: 其中，PKrc為鐵路功率調(diào)節(jié)器最大可傳遞的有功功率，片了“、Af1分別為編號為3m+l的鐵路功率調(diào)節(jié)器對Y和Z相間的補償容量，S=2、S^t2分別為編號為3m+2的鐵路功率調(diào)節(jié)器對X和Z相間的補償容量，、片r5分別為編號為3m+3的鐵路功率調(diào)節(jié)器對X和Y相間的補償容量，111 = 0，1，2，...，^1 ； 負載情況 該負載情況下，編號為3m+l的各鐵路功率調(diào)節(jié)器的補償方案為 ，編號為3m+2的各鐵路功率調(diào)節(jié)器的補償方案為
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多站點電能質(zhì)量協(xié)同補償方法，其特征在于 所述的磁控靜止無功補償裝置根據(jù)C. P. Steimetz補償原理對鐵路功率調(diào)節(jié)器補償后剩余的負載無功功率進行補償。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的多站點電能質(zhì)量協(xié)同補償方法，其特征在于 所述的磁控靜止無功補償裝置采用如下補償方法對鐵路功率調(diào)節(jié)器補償后剩余的負載無功功率進行補償 各相間的各磁控靜止無功補償裝置分別向Z、Y、X相間提供的無功功率和負序補償各里
全文摘要
本發(fā)明公開了一種電磁混合式高速鐵路多站點電能質(zhì)量協(xié)同補償裝置及方法，本發(fā)明采用鐵路功率調(diào)節(jié)器(RPC)實現(xiàn)多站點牽引供電系統(tǒng)的有功功率三相傳遞，同時輸出指定容量的無功功率進行補償，在保證功率因數(shù)的基礎(chǔ)上，進一步降低母線負序分量，再通過磁控靜止無功補償裝置(MSVC)輸出無功功率來補償剩余的母線負序電流。通過多站點協(xié)同優(yōu)化補償和RPC功率傳輸特性，有效的節(jié)省了MSVC的安裝容量，提高了局部動態(tài)響應(yīng)速度，同時又減少了整體裝置的制造成本和運行可靠性。本發(fā)明裝置和方法可用于補償電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量，具體包括負序補償、無功補償和濾除諧波，在高速鐵路負載極不平衡的場合具有很好的應(yīng)用前景。
文檔編號H02J3/18GK102810870SQ20121026977
公開日2012年12月5日 申請日期2012年7月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月31日
發(fā)明者袁佳歆, 陳柏超, 田翠華, 蔡超, 張晨萌, 岳夢奎 申請人:武漢大學(xué)