一種用于電氣化鐵道無功與不對稱補(bǔ)償?shù)娜龢虮垩a(bǔ)償裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于電氣化鐵道的電力電子補(bǔ)償裝置，屬于電氣化鐵路供電領(lǐng)域。一種用于電氣化鐵道無功與不對稱補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償裝置，其特征在于包括：（1）三個共用直流母線的逆變器橋臂；（2）三個逆變器橋臂的交流出線通過連接電抗或者連接變壓器接到電力牽引網(wǎng)中，其中第一橋臂的交流出線連接于牽引電網(wǎng)的超前相上，第二橋臂的交流出線連接于牽引電網(wǎng)的滯后相上，第三橋臂的交流出線連接于牽引電網(wǎng)的回流線上；（3）裝置檢測和控制單元，用于對各信號進(jìn)行采集并分析，計算并控制裝置輸出補(bǔ)償電流。本發(fā)明采用三橋臂的動態(tài)補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，具有公共的直流母線，可以輸出多種補(bǔ)償電流，除無功電流外，還可直接輸出負(fù)序電流和諧波電流。
【專利說明】—種用于電氣化鐵道無功與不對稱補(bǔ)償?shù)娜龢虮垩a(bǔ)償裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于電氣化鐵道的電力電子補(bǔ)償裝置，可用于電氣化鐵路負(fù)荷的無功和不對稱補(bǔ)償，同時能夠?qū)Φ痛沃C波進(jìn)行治理，屬于電氣化鐵道供電領(lǐng)域，尤其涉及一種用于電氣化鐵道無功與不對稱補(bǔ)償?shù)娜龢虮垩a(bǔ)償裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，電氣化鐵路獲得了飛速發(fā)展，在給人們帶來了快捷、高效的交通同時，也帶來了嚴(yán)重電能質(zhì)量問題。機(jī)車為單相供電負(fù)荷，電氣化鐵路牽引變電站也就多采用三相-兩相變壓器，包括VV變壓器、VX變壓器、Yndll變壓器、SCOTT變壓器等，其原邊為三相110kV/220kV系統(tǒng)，副邊為兩個單相27.5kV系統(tǒng)。不同的牽引變壓器原副邊電壓和電流關(guān)系不同，在影響程度上略有區(qū)別，但引起的電能質(zhì)量問題類似。首先，電力機(jī)車牽引負(fù)荷為波動性很大的單相負(fù)載，當(dāng)機(jī)車的工況改變時，會導(dǎo)致較大的負(fù)荷電流波動，從而引起供電網(wǎng)電壓的波動；其次，電鐵供電采用單相制式，會產(chǎn)生大量的負(fù)序電流；另外，傳統(tǒng)的相控整流式的機(jī)車(如韶山6型)會產(chǎn)生很大的諧波電流。電鐵負(fù)荷對電網(wǎng)的影響還可參看文獻(xiàn)中的相關(guān)部分。這些如不能在電鐵牽引變電站得到及時治理，將注入電力系統(tǒng)，影響電網(wǎng)的安全運(yùn)行并波及其他用戶。
[0003]針對牽引負(fù)荷存在的電能質(zhì)量問題，目前的主要治理手段是在27.5kV側(cè)加裝固定電容器或TCR，該種方式采用晶閘管投切電容和電感以實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償，其存在占地面積大、損耗大(尤其在輕載時)等缺點(diǎn)；專利“用于電氣化鐵道無功功率補(bǔ)償與電能質(zhì)量控制的補(bǔ)償裝置”(申請?zhí)枮?00610089396.7)提出了一種先進(jìn)的補(bǔ)償方式，采用兩個背靠背連接的四橋臂動態(tài)補(bǔ)償方案，其兩個單相H橋分別接在兩供電臂，可分別補(bǔ)償各自橋臂的無功功率，同時通過公共的直流母線可進(jìn)行橋臂之間的有功交換，可直接補(bǔ)償負(fù)序。但因兩供電臂有一公共線路，所以兩單相橋中至少有一個需要通過單相變壓器接入電網(wǎng)。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種用于電氣化鐵道無功與不對稱補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償裝置，解決現(xiàn)在的補(bǔ)償裝置存在占地面積大、損耗大，以及需要加載單相變壓器接入電網(wǎng)，增大成本的缺陷。
[0005]技術(shù)方案
[0006]一種用于電氣化鐵道無功與不對稱補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償裝置，其特征在于包括:
[0007](I)三個共用直流母線的逆變器橋臂；(2)三個逆變器橋臂的交流出線通過連接電抗或者連接變壓器接到電力牽引網(wǎng)中，其中第一橋臂的交流出線連接于牽引電網(wǎng)的超前相上，第二橋臂的交流出線連接于牽引電網(wǎng)的滯后相上，第三橋臂的交流出線連接于牽引電網(wǎng)的回流線上；(3)裝置檢測和控制單元，用于對各信號進(jìn)行采集并分析，計算并控制裝置輸出補(bǔ)償電流。
[0008]所述三個逆變器橋臂通過包括連接電抗器或變壓器的并網(wǎng)單元接入牽引電網(wǎng)。[0009]所述三個逆變器橋臂，為兩電平、三電平或多電平結(jié)構(gòu)、模塊化多電平變換器結(jié)構(gòu)中的任意一種。
[0010]所述三個逆變器橋臂，采用一個三相橋臂，或者采用多個三相橋臂并聯(lián)。
[0011]所述逆變器橋臂采用門極可關(guān)斷晶閘管、絕緣柵雙極晶體管、集成門極換向晶閘管或電子注入增強(qiáng)柵晶體管組成全控型的電壓源逆變器。
[0012]所述三個逆變器橋臂的額定容量根據(jù)牽引變壓器的接線形式確定。
[0013]對于W、YNDl1、VX接線形式的變壓器，超前相和滯后相相位差為60度，三個逆變器橋臂的額定容量相同。
[0014]對于SC0TT、阻抗匹配平衡變壓器接線形式的變壓器，超前相和滯后相相位差為90度，第一橋臂和第二橋臂的額定容量相同，第三橋臂的額定容量最小為第一橋臂的
1.414 倍。
[0015]所述裝置檢測和控制單元采用相間能量傳遞的方法計算補(bǔ)償參考電流從而進(jìn)行無功與不對稱補(bǔ)償。
[0016]所述相間能量傳遞的方法為裝置檢測和控制單元分別采集電氣化鐵道兩供電臂的電流，根據(jù)牽引變壓器的原副邊電流的關(guān)系，得出對應(yīng)的原邊三相電流；同時根據(jù)原副邊關(guān)系，推導(dǎo)出副邊兩供電臂間能量傳遞與原邊三相系統(tǒng)無功和負(fù)序的關(guān)系，在對系統(tǒng)電流進(jìn)行分析計算后得到補(bǔ)償參考分量，然后利用兩供電臂間的能量傳遞原理得到副邊兩供電臂的補(bǔ)償參考電流，同時將兩參考電流之和取反作為公共線路的參考電流，即可得出整個裝置的補(bǔ)償參考電流。
[0017]有益效果
[0018]本發(fā)明采用三橋臂的動態(tài)補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，具有公共的直流母線，可以輸出多種補(bǔ)償電流，除無功電流外，還可直接輸出負(fù)序電流和諧波電流，從而具有更高的性價比，而且可適應(yīng)于各種牽弓I變壓器，通過電抗器或變壓器接在供電臂上，應(yīng)用更靈活。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理示意圖。
[0020]圖2是本發(fā)明的電路實(shí)現(xiàn)方式I兩電平結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]圖3是本發(fā)明的電路實(shí)現(xiàn)方式2三電平結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖4是本發(fā)明的電路實(shí)現(xiàn)方式3模塊化多電平MMC結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]圖5是本發(fā)明的控制算法原理示意圖。
[0024]圖6是本發(fā)明在SCOTT變壓器下的仿真示例接線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。
[0026]本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，在上文所述專利基礎(chǔ)之上提出一種新的技術(shù)方案，將三橋臂結(jié)構(gòu)的動態(tài)補(bǔ)償裝置接在27.5kV的牽引電網(wǎng)側(cè)，應(yīng)用于電鐵系統(tǒng)的無功和負(fù)序補(bǔ)償，相比上述專利的四橋臂結(jié)構(gòu)少一個橋臂。三橋臂具有公共的直流母線，可以輸出多種補(bǔ)償電流，除無功電流外，還可直接輸出負(fù)序電流和諧波電流，從而具有更高的性價比。該方案可適應(yīng)于各種牽弓I變壓器，通過電抗器或變壓器接在供電臂上，應(yīng)用更靈活。[0027]本發(fā)明的裝置結(jié)構(gòu)原理參考附圖1，包括:
[0028](I)采用三個共用直流母線的橋臂構(gòu)成，三個橋臂的交流出線通過連接電抗或者連接變壓器接到牽引電網(wǎng)中，橋臂I的交流出線連接于牽引網(wǎng)超前相上，橋臂2的交流出線連接于牽引網(wǎng)滯后相上，橋臂3的交流出線連接于牽引網(wǎng)回流線上。
[0029](2)橋臂的參數(shù)根據(jù)牽引變壓器的接線形式確定，針對不同的牽引變壓器，三橋臂的額定電流可能有所不同。
[0030](3)裝置檢測和控制單元，對各信號進(jìn)行采集并分析計算補(bǔ)償參考電流，其中無功和負(fù)序補(bǔ)償參考電流的計算采用兩供電臂間的能量傳遞原理，然后控制各橋臂輸出補(bǔ)償電流。
[0031]本發(fā)明提出的用于電氣化鐵道的三橋臂補(bǔ)償裝置應(yīng)用基于全控型電力電子開關(guān)的三相電壓源型逆變器，具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0032](I)采用SVC的無功補(bǔ)償方案，雖也可實(shí)現(xiàn)動態(tài)補(bǔ)償，但會產(chǎn)生大量的諧波電流，因此補(bǔ)償裝置本身必須加一定的濾波器，整體裝置偏大；而且電抗器的運(yùn)行損耗極大。而本發(fā)明的裝置采用脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)或多重化結(jié)構(gòu)，可使其輸出電流接近正弦波，從而無需附加額外的濾波器；
[0033](2)通過對大功率電力電子器件的開關(guān)控制，本發(fā)明的裝置不但可以實(shí)現(xiàn)無功的連續(xù)調(diào)節(jié)(吸收或發(fā)出無功)，而且通過三橋臂共用的直流母線，可以直接進(jìn)行相間的有功傳遞，從而對兩供電臂負(fù)荷產(chǎn)生的負(fù)序進(jìn)行補(bǔ)償；
[0034](3)除無功和負(fù)序補(bǔ)償外，可以同時進(jìn)行諧波的動態(tài)補(bǔ)償；
[0035](4)相比專利所提的背靠背式的四橋臂補(bǔ)償方案，本發(fā)明少一個橋臂數(shù)量，且可以不通過變壓器而直接接入電鐵系統(tǒng)；
[0036](5)在供電臂輕載情況下，本發(fā)明裝置可以閉鎖逆變器的脈沖，從而大大降低裝置的運(yùn)行損耗；
[0037](6)適用于各種電氣化鐵路牽引變壓器，同時根據(jù)不同牽引變壓器的特點(diǎn)，各橋臂的容量可以分別進(jìn)行設(shè)計，以提高裝置的利用率。
[0038]上述補(bǔ)償裝置中，構(gòu)成裝置的三橋臂，可以為兩電平、三電平或多電平結(jié)構(gòu)、模塊多電平MMC結(jié)構(gòu)中的任意一種，如附圖2?4所示?？梢允且粋€三相橋臂裝置，也可以根據(jù)需要采用多個三相橋臂并聯(lián)。
[0039]本發(fā)明的補(bǔ)償裝置中，當(dāng)不需要輸出補(bǔ)償電流時，逆變器可以工作在脈沖閉鎖狀態(tài)，以降低整個裝置的運(yùn)行損耗。如果采用多個逆變器并聯(lián)的結(jié)構(gòu)，當(dāng)輸出電流較小時，可閉鎖部分散相逆變器，充分利用單模塊的容量，從而降低裝置損耗，提高裝置的運(yùn)行效率。
[0040]以下進(jìn)一步介紹本發(fā)明補(bǔ)償裝置的原理:
[0041]本發(fā)明提供一種將三橋臂結(jié)構(gòu)的動態(tài)補(bǔ)償裝置，應(yīng)用于電鐵系統(tǒng)的無功和負(fù)序補(bǔ)償。其是基于電壓源逆變器(VSC)構(gòu)成的一種并聯(lián)型補(bǔ)償裝置，它采用門極可關(guān)斷晶閘管(GT0)、絕緣柵雙極晶體管(IGBT)、集成門極換向晶閘管(IGCT)或電子注入增強(qiáng)柵晶體管(IEGT)等大功率可關(guān)斷電力電子器件，組成全控型的VSC，可方便的實(shí)現(xiàn)電能的轉(zhuǎn)換和利用。本發(fā)明裝置包括:(1)三個共用直流母線的橋臂；(2)將三橋臂接入牽引電網(wǎng)的并網(wǎng)單元，包括連接電抗器或變壓器；(3)裝置檢測和控制單元，用于各信號的檢測，計算并控制裝置輸出補(bǔ)償電流。[0042]針對電氣化鐵路負(fù)荷造成的負(fù)序、諧波以及沖擊負(fù)載引起的電壓波動等質(zhì)量問題，可利用三橋臂的特點(diǎn)，發(fā)揮其公用直流母線的作用，更好的滿足治理需求。本發(fā)明所提的補(bǔ)償裝置原理接線參考圖1所示，可適用于各種類型接線的電氣化鐵路牽引變電所的不對稱補(bǔ)償。
[0043]參照圖1所示，本發(fā)明提出的補(bǔ)償裝置接在27.5kV供電臂側(cè)，采集系統(tǒng)分別采集兩供電臂的電流，根據(jù)牽引變壓器的原副邊電流的關(guān)系，得出對應(yīng)的原邊三相電流；同時根據(jù)原副邊關(guān)系，推導(dǎo)出副邊兩供電臂間能量傳遞與原邊三相系統(tǒng)無功和負(fù)序的關(guān)系。在對系統(tǒng)電流進(jìn)行分析計算后得到補(bǔ)償參考分量后，利用兩供電臂間的能量傳遞原理得到副邊兩供電臂的補(bǔ)償參考電流，同時將兩參考電流之和取反作為公共線路的參考電流，即可得出裝置的補(bǔ)償參考電流，其算法原理如圖5所示。因各牽引變壓器原副邊電壓電流關(guān)系不同，以下以SCOTT變壓器為例進(jìn)行無功和負(fù)序補(bǔ)償參考電流的算法說明，其接線原理如圖6所示。
[0044]首先是SCOTT變壓器副邊兩供電臂間能量傳遞推導(dǎo)說明。
[0045]設(shè)系統(tǒng)電壓的A相正序分量的相位為，原邊三相系統(tǒng)電壓為:
【權(quán)利要求】
1.一種用于電氣化鐵道無功與不對稱補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償裝置，其特征在于包括: (I)三個共用直流母線的逆變器橋臂；(2 )三個逆變器橋臂的交流出線通過連接電抗或者連接變壓器接到電力牽引網(wǎng)中，其中第一橋臂的交流出線連接于牽引電網(wǎng)的超前相上，第二橋臂的交流出線連接于牽引電網(wǎng)的滯后相上，第三橋臂的交流出線連接于牽引電網(wǎng)的回流線上；(3)裝置檢測和控制單元，用于對各信號進(jìn)行采集并分析，計算并控制裝置輸出補(bǔ)償電流。
2.如權(quán)利要求1所述的用于電氣化鐵道無功與不對稱補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償裝置，其特征在于:所述三個逆變器橋臂通過包括連接電抗器或變壓器的并網(wǎng)單元接入牽引電網(wǎng)。
3.如權(quán)利要求1所述的用于電氣化鐵道無功與不對稱補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償裝置，其特征在于:所述三個逆變器橋臂，為兩電平、三電平或多電平結(jié)構(gòu)、模塊化多電平變換器結(jié)構(gòu)中的任意一種。
4.如權(quán)利要求1所述的用于電氣化鐵道無功與不對稱補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償裝置，其特征在于:所述三個逆變器橋臂，采用一個三相橋臂，或者采用多個三相橋臂并聯(lián)。
5.如權(quán)利要求1所述的用于電氣化鐵道無功與不對稱補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償裝置，其特征在于:所述逆變器橋臂采用門極可關(guān)斷晶閘管、絕緣柵雙極晶體管、集成門極換向晶閘管或電子注入增強(qiáng)柵晶體管組成全控型的電壓源逆變器。
6.如權(quán)利要求1所述的用于電氣化鐵道無功與不對稱補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償裝置，其特征在于:所述三個逆變器橋臂的額定容量根據(jù)牽引變壓器的接線形式確定。
7.如權(quán)利要求6所述的用于電氣化鐵道無功與不對稱補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償裝置，其特征在于:對于W、YND11、VX接線形式的變壓器，超前相和滯后相相位差為60度，三個逆變器橋臂的額定容量相同。
8.如權(quán)利要求6所述的用于電氣化鐵道無功與不對稱補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償裝置，其特征在于:對于SCOTT、阻抗匹配平衡變壓器接線形式的變壓器，超前相和滯后相相位差為90度，第一橋臂和第二橋臂的額定容量相同，第三橋臂的額定容量最小為第一橋臂的1.414倍。
9.如權(quán)利要求1所述的用于電氣化鐵道無功與不對稱補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償裝置，其特征在于:所述裝置檢測和控制單元采用相間能量傳遞的方法計算補(bǔ)償參考電流從而進(jìn)行無功與不對稱補(bǔ)償。
10.如權(quán)利要求9所述的用于電氣化鐵道無功與不對稱補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償裝置，其特征在于:所述相間能量傳遞的方法為裝置檢測和控制單元分別采集電氣化鐵道兩供電臂的電流，根據(jù)牽引變壓器的原副邊電流的關(guān)系，得出對應(yīng)的原邊三相電流；同時根據(jù)原副邊關(guān)系，推導(dǎo)出副邊兩供電臂間能量傳遞與原邊三相系統(tǒng)無功和負(fù)序的關(guān)系，在對系統(tǒng)電流進(jìn)行分析計算后得到補(bǔ)償參考分量，然后利用兩供電臂間的能量傳遞原理得到副邊兩供電臂的補(bǔ)償參考電流，同時將兩參考電流之和取反作為公共線路的參考電流，即可得出整個裝置的補(bǔ)償參考電流。
【文檔編號】H02M7/483GK103515970SQ201310513026
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2013年10月25日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月25日
【發(fā)明者】陳晉輝, 張秀娟, 劉定坤 申請人:北京思源清能電氣電子有限公司