专利名称：用于电气化铁道无功功率补偿与电能质量控制的补偿装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于电气化铁道无功功率补偿与电能质量控制的补偿装置，尤其涉及一种对电气化铁道进行无功补偿、对包括负序、谐波、电压波动与闪变等电能质量进行治理的综合型补偿装置，属于电气化铁道供电领域。
背景技术：
对于供电系统，电气化铁路是典型的不平衡非线性冲击负荷，它对电网的正常安全和经济运行有严重的不良影响。其一，电铁负荷一般采用单相供电，对三相系统来说负荷具有强不对称特性，产生非常大的基波负序电流(也包含谐波成份)，对电网三相供电系统对称运行和旋转电气设备影响严重；对电铁的牵引负荷也会带来不良影响；其二，电力机车是大功率单相整流负荷，产生很大的谐波，使供电公网波形质量发生严重畸变；其三，电铁负荷具有大功率和冲击性特点，引起电网供电系统电压的严重偏移和波动，影响电网电能质量和安全运行；其四，电铁负荷功率因数偏低，且冲击性大，使供电电压偏移加大，无功补偿困难，运行的经济性差。
传统的牵引变电站采用固定电容补偿，补偿容量不能跟踪负荷变化，经常产生无功反送的情况，运行经济性差；而且由于电流谐波、负序分量的存在，电容器在牵引变电站运行的安全性得不到保证，不但运行损耗很大，而且影响电铁设备的正常运行。
采用平衡变压器或者其他特殊结构的变压器，可以一定程度的改善供电系统不平衡，但是还必须采用其他装置来改善功率因数或者抑制谐波，而且这类特殊变压器的价格都比较昂贵。
采用晶闸管控制电抗器(以下简称TCR)型静止无功补偿器(以下简称SVC)可以有效的改善供电系统的不平衡，减小负序电流，但TCR本身在运行过程中会产品大量的谐波，必须采用大容量的滤波器波除电铁自身的谐波及TCR产生的谐波，设备的占地面积大；由于SVC只能输出无功电流，需要很大容量才能补偿牵引电网中的负序和无功电流，设备整体投资巨大；另外TCR中的电抗器损耗非常厉害，运行与维护成本极高。
发明内容
本发明的目的是提出一种用于电气化铁道无功功率补偿与电能质量控制的补偿装置，在为电铁供电系统提供无功支持、提高电铁负荷的功率因数的同时可以有效的抑制供电系统中的负序分量、电压波动和闪变、谐波等电能质量扰动，充分降低电铁供电系统的能耗。在运行过程中该装置还能根据电铁的运行特性，通过合适的控制手段大大降低装置本身的运行损耗。
本发明提出的用于电气化铁道无功功率补偿与电能质量控制的补偿装置，包括
(1)两组无源滤波器，用于为电气化铁道电力机车提供无功功率，并滤除电力机车产生的谐波电流，无源滤波器并联在电气化铁道的供电臂上；(2)两组分别由一个或多个单相逆变器组成的逆变装置，用于产生幅值、相位和频率可控的电流；(3)两组变压器，用于将上述两组逆变装置产生的电流耦合到电气化铁道的供电臂上，变压器的原边并联在电气化铁道的供电臂上，副边与逆变装置相连；(4)公共直流单元，分别与上述两组逆变装置的直流侧相连，用于在上述两组逆变装置之间传递有功功率，并为两组逆变装置提供直流电压。
上述补偿装置中的无源滤波器为二阶高通无源滤波器。
上述补偿装置中，构成逆变装置的单相逆变器，可以为二电平、三电平或多电平结构的单相电压源型逆变器中的任意一种。
本发明提出的用于电气化铁道无功功率补偿与电能质量控制的补偿装置应用基于全控型电力电子开关的电压源型逆变器，在充分利用逆变器的各种先进性能的同时，又尽可能发挥无源滤波器配置简单、成本低廉的优点，使整套装置的技术指标与经济性能达到最优。该发明具有以下优点(1)传统的电铁用无源滤波器通常根据谐波次数进行相应的配置，而在本方案中可在各供电臂上各安装一组无源滤波器，以通过7次和7次以上的谐波电流，大大简化了固定式无源滤波器的设计。另外无源滤波器提供一部分无功功率补偿，可降低逆变器的容量而使整个系统的造价降低。
(2)通常的无源滤波器由于受到谐波电流的影响，电容器的安全性降低、使用寿命缩短，设计不完善或者系统运行条件改变时，无源滤波器也容易出现谐振或者谐波电流放大的情况，而在本发明的方案中，能通过电流跟踪控制，使得逆变装置发出特定幅值和频率的谐波电流，实现谐波抑制；由于利用变流器来补偿3次及5次谐波电流，使无源滤波器的设计变得简单，而且受谐振或谐波电流放大的威胁大大降低。
(3)通常的无源滤波器，当牵引供电系统轻载或空载时，会发生无功倒送系统的情况，在牵引变及供电线路中，造成了很大能源浪费，而本发明方案中，利用逆变器的无功补偿容量进行动态实时的调节，不会出现无功倒送(或者倒送的无功功率容量非常小)，节约了牵引变电站的电能；(4)采用TCR或者其他基于电抗器的无功补偿方案，会产生大量的谐波电流，因此补偿装置本身必须加一定的滤波器，整体滤波器容量偏大，而且电抗器的运行损耗极大。本发明的装置采用脉宽调制(以下简称PWM)技术或者多重化的结构，可使其输出电流接近正弦波，从而不需要附加额外的滤波器。
(5)通过对大功率电力电子器件的开关控制，本发明的装置不但可以实现无功的连续调节(吸收无功或者发出无功)，而且通过控制补偿电流的幅值及其与负荷电压之间的相角实现两个供电臂之间的有功传输和平衡，从而有效的抑制由于两供电臂负荷不均带来的负序问题。和传统的仅靠无功补偿实现负序治理的方法比较，可以大大节省装置的容量。
(6)在供电臂轻载情况下，可以闭锁本发明装置中的部分或全部的逆变器模块，大大降低装置的运行损耗。
图1是本发明提出的补偿装置的结构原理图。
图2是本发明补偿装置的一个实施例，其中的逆变装置由三个逆变器构成。
图3是本发明补偿装置的控制算法原理图。
具体实施例方式
本发明提出的用于电气化铁道无功功率补偿与电能质量控制的补偿装置，其结构如图1所示，包括两组无源滤波器，用于为电气化铁道电力机车提供无功功率，并滤除电力机车产生的谐波电流，无源滤波器并联在电气化铁道的供电臂上；两组分别由一个或多个单相逆变器组成的逆变装置，用于产生幅值、相位和频率可控的电流；两组变压器，用于将上述两组逆变装置产生的电流耦合到电气化铁道的供电臂上，变压器的原边并联在电气化铁道的供电臂上，副边和逆变装置相连；公共直流单元，分别与上述两组逆变装置相连，用于在上述两组逆变装置之间传递有功功率，并为两组逆变装置提供直流电压。
上述补偿装置中的无源滤波器，为二阶高通无源滤波器，用于滤除特定次数以及以上次数的谐波。
上述补偿装置中，构成逆变装置的单相逆变器，可以为二电平、三电平或多电平结构的单相电压源型逆变器中的任意一种。可以是每供电臂各一个单相逆变器，也可以根据需要在每个供电臂上采用多个单相逆变器并联运行。如图2所示，每个供电臂上有3个单相逆变器并联运行。
本发明的补偿装置中，当逆变器不需要输出电流时，逆变器可以工作在脉冲闭锁状态，以降低整个装置的运行损耗。如果采用多个逆变器并联的结构，当其输出的电流较小时可以闭锁部分单相逆变器，充分利用其他模块的容量从而降低装置的损耗，提高装置的运行效率。
以下进一步介绍本发明补偿装置的工作原理本发明提供一种基于静止型补偿装置(以下简称SVG)的电铁无功补偿与电能质量综合控制装置，其中，SVG是指基于电压源型逆变器(以下简称VSC)构成的一种并联型补偿装置，又称为静止同步补偿器(以下简称STATCOM)，它采用门极可关断晶闸管(GTO)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)或集成门极换向晶闸管(IGCT)等大功率可关断电力电子器件，组成全控型的VSC，可方便的实现电能的转换和利用。本发明提供的综合控制装置包括(1)两组无源滤波器，用于为电气化铁道电力机车提供无功功率，并滤除电力机车产生的某特定次谐波及以上次数的谐波电流，无源滤波器并联在电气化铁道的供电臂上；(2)两组分别由一个或多个单相逆变器组成的逆变装置，用于产生幅值、相位和频率可控的电流，来消除低次谐波电流、补偿负序电流、抑制系统的电压波动和闪变；(3)两组变压器，用于将上述两组逆变装置产生的电流耦合到电气化铁道的供电臂上，变压器的原边并联在电气化铁道的供电臂上，副边和逆变装置相连；(4)公共直流单元，分别与上述两组逆变装置相连，用于在上述两组逆变装置之间传递有功功率，并为两组逆变装置提供直流电压。
所述的无源滤波器的作用是提供容性无功功率补偿以改善供电系统功率因数，并且同时能对某特定次谐波及以上的谐波电流呈现低阻抗状态，起到滤除谐波的作用。
所述的由公共直流单元的单相逆变器组成的SVG，与传统的用于电力系统的三相SVG装置不同，是一组或多组并联的二相型SVG装置，每组两个逆变器的交流输出通过变压器分别连接到同一牵引变压器的两条供电臂，逆变器的直流母线连接到一起，共用直流单元。该逆变器(1)提供有源滤波的功能，即控制逆变器输出低次谐波补偿电流，抵消相应的负荷低次谐波电流，在电气化铁道的应用场合中，负荷低次谐波电流常指3次和5次谐波电流；(2)对由于供电臂负载不平衡引起的负序电流进行补偿，即控制逆变器输出的基波电流的幅值和相位，在两个供电臂间交换有功功率或者调节各桥臂的无功功率，从而降低公共连接点(PCC)的电压不平衡度；(3)在负载波动的情况下，通过对逆变器输出有功功率与无功功率的调整，尽可能抑制牵引站系统侧的电流波动，改善由于负载剧烈变化引起的电压波动与闪变等电能质量问题；(4)在负荷较小不需要SVG补偿或者只需要部分补偿容量时可以闭锁全部或部分逆变器，减小装置的运行损耗，提高其效率。
针对电气化铁道负荷造成的负序、谐波以及冲击负载引起的电压波等电能质量问题，可对传统的SVG装置进行优化控制，发挥其有功、无功和谐波的综合控制的优势，更好地满足治理需求。本发明所提出的综合补偿与控制装置原理接线如图1所示。图中虚线框内即为两相型SVG，适用于各种类型接线的电气化铁道牵引变电所的不对称补偿。
参照图1所示，本发明提出的电铁无功补偿与电能质量综合控制装置在供电臂侧直接进行无功补偿并对电能质量进行控制，包括无源滤波器和共用直流单元的两个单相逆变器，无滤滤波器可直接连接到供电臂，单相逆变器通过升压变压器连接到供电臂。
通过功率因数的控制使无功就地平衡，减少无功电流引起的损耗。无论供电臂是否带载，无源滤波器补偿部分无功，无功不足或多余部分利用SVG单相桥的无功双相调节能力进行调节，实现无功在供电臂侧的就地平衡，这种方式下，牵引变压器中无功电流的损耗很小。当系统轻载时，如果SVG采用逆变器并联的方式(图2)，可以让部分或全部逆变器处于闭锁运行方式，最大限度的降低装置运行损耗。满足功率因数控制要求时，SVG逆变器输出电流参考值为Im1，It1。
利用公共直流单元的特点，可以在两个供电臂间进行有功交换，根据检测到的二相负荷的差别，使负荷小的供电臂一侧的逆变器从牵引电网吸收两臂负荷有功功率之差的一半，通过公共直流电容将这部分有功功率从负荷小的一侧送入负荷大的供电臂一侧，从而达到两臂有功功率平衡的目的。在某些特殊情况下，比如两臂负荷功率差较大的情况下，可以在逆变器容量允许范围内尽可能的交换有功，即使所交换的功率不到2臂负荷差的一半，对于电铁负荷引起的不平衡也有很好的改善作用。在2供电臂间进行有功交换的同时，SVG还与相应的供电臂之间进行无功功率流动，保证两侧的功率因数满足要求。为使负载平衡在两供电臂间交换有功无功时，SVG逆变器输出电流参考值为Im2，It2。
当牵引变压器采用阻抗匹配平衡变压器或者其他一些特殊的平衡变压器时(这类变压器在二相负荷相等时，交流电网侧三相负荷平衡)，如果两供电臂有功无功平衡(两臂的负荷电流大小相等且与各自的供电电压之间的夹角相同)，系统侧三相平衡，不再需要额外的补偿。但是电铁负荷的特殊性使得两供电臂的平衡比较难以实现。另外当牵引变压器采用其他形式，即使两臂负载平衡时，系统侧负序电流是正序电流的一半，还必须进行相应的不平衡补偿。通过对2侧逆变器的无功功率控制，补偿系统负序电流，此时，SVG逆变器输出电流参考值为Im3，It3。
电压源逆变器并联接入系统时，是一种电流源型的补偿装置，不仅可以输出基波电流，也可以输出谐波电流，电力有源滤波器(APF，Active Power Filter)即是典型的应用。在对电气化铁道进行谐波治理时，一方面为了降低逆变器与供电臂间耦合变压器的成本，不宜让逆变器对高次谐波进行补偿，另一方面，采用可控硅整流供电的电气化机车引起的谐波电流主要是3、5、7等低次谐波电流，尤其是3次和5次谐波电流。因此，检测供电臂负荷谐波电流中的低次谐波电流和(例如3次和5次)并使逆变器输出相应的补偿电流，可以有效的抑制谐波对供电系统的影响。进行谐波补偿时，SVG逆变器输出电流参考值为Im4，It4。
综合考虑功率因数、不平衡、谐波治理等控制需求，SVG单相逆变器的补偿电流参考值分别为Icmref＝Im1+Im2+Im3+mt4，Ictref＝It1+It2+It3+It4。采用电流动态跟踪的控制算法，可以让逆变器实际输出电流跟踪补偿电流参考值，从而达到无功补偿与电能质量控制的综合需求。图3所示为本发明装置的控制算法的原理示意图。
权利要求
1.一种用于电气化铁道无功功率补偿与电能质量控制的补偿装置，其特征在于该补偿装置包括(1)两组无源滤波器，用于为电气化铁道电力机车提供无功功率，并滤除电力机车产生的谐波电流，无源滤波器并联在电气化铁道的供电臂上；(2)两组分别由一个或多个单相逆变器组成的逆变装置，用于产生幅值、相位和频率可控的电流；(3)两组变压器，用于将上述两组逆变装置产生的电流耦合到电气化铁道的供电臂上，变压器的原边并联在电气化铁道的供电臂上，副边与所述的逆变装置相连；(4)公共直流单元，分别与上述两组逆变装置相连，用于在上述两组逆变装置之间传递有功功率，并为两组逆变装置提供直流电压。
2.如权利要求1所述的补偿装置，其特征在于其中所述的无源滤波器为二阶高通无源滤波器。
3.如权利要求1所述的补偿装置，其特征在于构成所述的逆变装置的单相逆变器为二电平、三电平或多电平结构的单相电压源型逆变器中的任意一种。
4.如权利要求1所述的补偿装置，其特征在于当所述的逆变器不输出电流时，逆变器工作在脉冲闭锁状态，以降低整个装置的运行损耗，若采用多个逆变器并联的结构，当输出的电流较小时可以闭锁部分单相逆变器，充分利用其他模块的容量，降低装置的损耗，提高装置的运行效率。
全文摘要
本发明涉及一种用于电气化铁道无功功率补偿与电能质量控制的补偿装置，属于电气化铁道供电领域。包括两组无源滤波器，用于为电气化铁道电力机车提供无功功率，并滤除电力机车产生的谐波电流；两组逆变装置，用于产生幅值、相位和频率可控的电流；两组变压器，用于将上述两组逆变装置产生的电流耦合到电气化铁道的供电臂上；公共直流单元，用于在上述两组逆变装置之间传递有功功率，并为两组逆变装置提供直流电压。本发明装置可以在对电铁供电系统进行功率因数补偿的同时对不平衡、谐波、电压波动与闪变等电能质量问题进行控制，还尽可能发挥无源滤波器配置简单、成本低廉的优点，使整套装置的技术指标与经济性能达到最优。
文档编号H02J3/18GK1897393SQ20061008939
公开日2007年1月17日 申请日期2006年6月23日 优先权日2006年6月23日
发明者张秀娟, 沈斐, 张春朋, 夏祖华 申请人:北京四方清能电气电子有限公司