一种基于三相结构的电气化铁路牵引变电所补偿装置的制作方法

1.本实用新型属于电气化铁路牵引供电技术领域，具体的说是涉及一种基于三相补偿结构的电气化铁路牵引供电补偿装置。


背景技术：

2.电气化铁路牵引供电采用单相27.5kv交流给列车供电，为了减小对电网的影响，在铁路沿线，采用三相轮流供电，让电网三相负荷基本平衡。
3.电气化铁路目前主要采用交直交电力牵引系统，列车牵引时，牵引系统由受电弓从牵引网获取电能，驱动列车；当列车制动时，牵引系统将列车再生制动能量回送到牵引电网。再生制动能量除部分为同一牵引网上运行的其它牵引的列车利用外，多余能量回送到高压电网。但是电网对列车回送的电能不计费或者返送正计，造成运营电费的增加。此外，一个牵引变电所向左右两个牵引网供电，两个牵引网通常由一个牵引变压器的两个绕组或两个独立变压器分别供电，两个牵引网电能取自电网的不同线电压，两个牵引网的负荷是随机的，由此带来两个问题：其一，牵引变压器一个绕组过载，另一个绕组空载或轻载的情况，牵引变压器容量得不到充分利用；其二、电网侧三相负载不对称，引起电能质量问题。
4.为解决上述问题，可以采用功率融通装置让牵引变电所两侧牵引网的能量可以流通。功率融通装置又称铁路功率调节器(railway static power conditioner,简称rpc)，也有称作潮流控制器，结构如图1所示。现有功率融通装置由两个降压补偿变压器tr1和tr2和两个“背靠背”的单相pwm整流器构成的补偿变流器组成。变压器tr1和tr2高压侧分别与牵引所两侧的牵引网相连，低压侧分别与1#pwm整流器和2#pwm整流器的交流侧相连；两个pwm整流器的直流侧并联。
5.通过功率融通装置，牵引所左右两侧牵引网的功率可以相互流动。如果左侧牵引网列车处于制动工况，或者牵引功率小于右侧牵引网上的列车，功率融通装置让左侧牵引网能量向右侧牵引网流动；反之，功率融通装置则让右侧牵引网能量向左侧牵引网流动。这是对功率融通装置直观的理解，实际上功率融通装置的补偿目标是要让牵引负荷从110kv或220kv侧所取的负荷电流ia、ib、ic负序电流满足国标要求，最好是负序电流为0，且功率因数满足国标要求，最好接近1。因此，可以把功率融通装置理解为补偿装置，其要实现的是对牵引负荷所产生的负序、谐波和无功电流进行补偿。目前，无论是大功率机车还是高速动车组均采用交直交牵引传动结构，功率因数接近为1，谐波和无功含量都很小。因此，功率融通装置要补偿的电流i
a_c
、i
b_c
、i
c_c
主要是负序电流(其中i
c_c
＝i
c_c1
+i
c_c2
＝-(i
a_c
+i
b_c
))，也就说功率融通装置的容量主要决定于要补偿的负序电流。
6.设要补偿的牵引负荷的负序电流有效值为i
t-，则有i
a_c
＝i
b_c
＝i
c_c
＝i
t-；设牵引网电压有效值为u
t
，则u
ac
＝u
bc
＝u
t
。功率融通装置的补偿变压器tr1和tr2的容量均为i
t-u
t
，总容量为2i
t-u
t
。功率融通装置的补偿变流器1#pwm整流器和2#pwm整流器容量之和等于变压器tr1和tr2之和，也为2i
t-u
t
。
7.功率融通装置的容量由牵引网上运行列车牵引和制动时的功率和要达到的补偿
目标决定，融通装置的容量通常在几mva到十几mva，因此，装置中的补偿变压器和补偿用的pwm整流器的体积、重量均会很大，带来的问题是设备和土建成本高，一次性投资太大，影响了其推广应用。


技术实现要素：

8.针对上述问题，既然功率融通装置给出的补偿电流是负序电流，三相电流对称的，因此，可采用三相补偿结构。本实用新型提出的三相结构的综合补偿装置，对于有两路相差60
°
的牵引网供电的三相接线的牵引变压器接线，相同的补偿能力的下，补偿装置所需要的变压器和变流器的容量均较现有“背靠背”结构减小13.4％。同时，系统的结构更为简化，不仅降低了设备和安装成本，同时还提高了系统的可靠性。
9.本实用新型的技术方案是：
10.一种基于三相结构的电气化铁路牵引变电所补偿装置，包括补偿变压器和三相pwm整流器，所述补偿变压器的高压侧与电气化铁路牵引所两侧的牵引网连接，补偿变压器的低压侧与三相pwm整流器的交流侧连接，三相pwm整流器的直流侧连接支撑电容；所述补偿变压器将牵引供电的电压降到与三相pwm整流器相适应的范围，三相pwm整流器发出补偿所需的负序电流，定义牵引网电压为u
t
，牵引负荷的负序电流为t
t-，则补偿变压器的容量为同时三相pwm整流器的容量也为
11.本实用新型总的技术方案，如图2所示，综合补偿装置由补偿变压器tr和三相pwm整流器构成的补偿变流器组成。补偿变压器将牵引供电的27.5kv电压降到三相pwm整流电压相适应的范围，pwm整流器根据指令发出补偿所需的负序电流。牵引网电压为u
t
，牵引负荷的负序电流为i
t-，则补偿变压器tr1的容量为与图1所示“背靠背”结构中补偿变压器和补偿变流器容量(容量均为2i
t-u
t
)相比，容量减小13.4％。
12.对比图1和图2，可以看到：其一、本实用新型的补偿结构中补偿变压器个数由两个变为一个，相同容量下，体积和重量降约30％，降低了设备成本及土建成本；其二、本实用新型的补偿结构中，补偿变流器结构由四个逆变桥变为三个逆变桥，节省了一个逆变桥，成本降低25％，同时简化了结构，提高了可靠性。本实用新型所提出的三相结构的补偿装置同样可以补偿谐波和无功，只是现有牵引负荷谐波和无功电流含量较小，占用补偿装置的容量很小。
13.因为补偿装置的容量达几mva到十几mva，补偿变流器可采用多个补偿模块并联组成。图3所示的是由n个补偿模块并联结构的补偿装置。补偿装置采用一个三相补偿变压器tr1，补偿变压器高压侧接牵引网，低压侧接1#到n#三相补偿模块交流侧。n个补偿模块交流侧并联，直流侧独立。多模块并联的好处有：其一、一个模块故障时退出后，对补偿容量影响小，提高了设备的可用性；其二、n个模块并联，可以将各补偿模块的三角载波依次移相等效开关频率增大n倍，提高补偿装置的对高频谐波的补偿能力，也可减小pwm整流器交流侧电感量。
14.针对图2和图3所述的三相补偿装置有两点说明：
15.其一、图2和图3中的牵引变压器均采用三相v/v接线，从补偿的原理可知，本实用新型提出的三相结构也适用于单相v/v接线、v/x接、ynd11等两牵引网电压相差60
°
的变压
器接线方式，牵引变压器的三个低压输出空载时输出相差120
°
三相对称电压，不适用scott变压器、阻抗匹配变压器等两牵引网电压相差90
°
的牵引变压器。
16.其二、图2和图3所示的补偿变压器采用了
△
/
△
接法，由三相变压器不同接法电路理论可知，已知变压器一侧电流，均可由其绕组的连接方式和变比，求出对应的另一侧的电流，因此，补偿装置的变压器可以采用三相变压器的不同接法，如
△
/y、y/
△
等，也可以是v/v接法。
17.进一步的，所述补偿变压器包括第一单相补偿变压器和第二单相补偿变压器，其中第一单相补偿变压器的高压侧接电气化铁路牵引所一侧的牵引网，第二单相补偿变压器接电气化铁路牵引所另一侧的110kv/220kv电网，第一单相补偿变压器和第二单相补偿变压器的低压侧构成v/v接线的三相电后再连接三相pwm整流器的交流侧。
18.上述方案为本实用新型所提出的三相补偿变流器结构拓展到单相接线的牵引变压器，具体如图4所示，是单相接线变压器采用三相补偿结构的连接图。牵引变压器tr高压侧接牵引网的a相和c相，补偿装置配置有tr1和tr2两个单相补偿变压器和一个三相pwm整流器。
19.变压器tr1接牵引变压器tr的次级，27.5kv牵引网降压到pwm整流器所需的交流电压，变压器tr2直接110kv或220kv高压电网的b相和c相，将高压降到pwm整流器所需的交流电压。tr1和tr2的低压侧对应的c相点连接在一起，构成三相电压为了让补偿装置三相pwm整流交流侧电压对称，设牵引变压器tr的变比为k：1,补偿变压器tr1变比为k1:1,则补偿变压器tr2的变比为k.k1:1。根据指令，补偿装置的三相pwm整流器可以发出负序电流，对牵引负荷在高压电网产生的负序电流进行补偿，同时也补偿牵引网谐波和无功电流。
20.对单相牵引变压器接线的补偿装置，也可以理解为单相v/v接线的牵引变压器采用单相v/v接线补偿变压器的一种特例。可以理解为单相v/v接线牵引变压器中只一个单相变压器tr直接接牵引网，带牵引负荷，与补偿变压器tr1高压侧相连；另单相变压器不直接接牵引网，无直接牵引负荷。将不直接接牵引网的变压器和另一个补偿变压器集成为一个单相变压tr2，tr2的变比为k.k1:1，等于tr与tr1两级变换的总变比。tr1和tr2的次级构成了一个v型三相电压。
21.不同于三相牵引变压器接线的补偿装置，单相牵引变压器接线补偿装置的补偿变压器tr2高压侧直接接入高压电网的b相和c相，其可以直接从高压电网取得能量，通过补偿装置传到牵引网供牵引负荷。因此增加补偿装置后，可以提高牵引网的供电能力。牵引能力提高多少决定于补偿装置容量。因此，对于单相变压器接线的牵引变电所，增加补偿装置不仅减小补偿变流器的成本、提高了可靠性，同时也提高变电所供电牵引网的牵引容量，非常适用单相变压器接线需要扩容的场合。
22.更进一步的，三相pwm整流器为两电平结构或者三电平结构。
23.本实用新型的有益效果为：本实用新型所提出的一种基于三相结构的电气化铁路功率融通装置，在传送相同的功率下，将变压器和变流器容量降到原来的降低了融通装置的设备和建设成本，提高了功率融通装置效率。
附图说明
24.图1为现有功率融通装置与v/v接线变压器连接图。tr为v/v接线的牵引变压器；
ia、ib、ic为变压器tr高压侧电流；ia、ib、ic为变压器tr低压侧电流；i
α
、i
β
为两个牵引网负荷电流；i
a_c
、i
b_c
牵引变压器低压侧a相和b相补偿电流；i
c_c1
、i
c_c2
分别为1#pwm和2#pwm整流器到牵引变压器tr的c相的补偿电流；tr1和tr2是单相补偿变压器；k补偿变压器tr1和tr2变比；连接电感ls1、功率开关t1到t4及支撑电容cd构成1#pwm整流器；连接电感ls2、功率开关t4到t8及支撑电容cd构成2#pwm2整流器。
25.图2为本实用新型所提出的三相结构综合补偿装置与三相v/v变压器接线的连接图。tr为v/v接线的牵引变压器；ia、ib、ic为变压器tr高压侧电流；ia、ib、ic为变压器tr低压侧电流；i
α
、i
β
为两个牵引网负荷电流；i
a_c
、i
b_c
、i
c_c
为牵引变压器低压侧补偿电流；tr1是三相补偿变压器；k补偿变压器tr1变比；连接电感la、lb、lc功率开关t1到t6及支撑电容cd构成三相pwm整流器。
26.图3为基于本实用新型所提出的三相综合补偿装置模块并联构成的大容量补偿装置结构。tr1是三相补偿变压器；1#到n#三相补偿模块如图3中的三相补偿模块的结构所示，是由连接电感la、lb、lc、功率开关t1到t6及支撑电容cd构成的三相pwm整流器。
27.图4为三相补偿结构的综合补偿装置拓展到单相变压器接线的应用连接。tr为单相接线的牵引变压器，变比为k:1；tr1是单相补偿变压器,变比为k1:1；tr3是单相补偿变压器,变比为k.k1:1；ia、i
c1
为牵引变压器tr高压侧电流；ib、i
c2
是补偿变压器tr2高压侧电流；i
a_c
为补偿变压器tr1高压侧补偿电流；i
b_c
为补偿变压器tr2高压补偿电流；连接电感la、lb、lc功率开关t1到t6及支撑电容cd构成三相pwm整流器。
具体实施方式
28.下面结合附图对本实用新型实施进行详细描述。
29.图2所示的是所提出三相综合补偿装置在三相v/v变压器接线时的连接图。补偿装置由补偿变压器tr1和作为补偿变流器的三相pwm整流器两部分构成，其中补偿变压器tr1采用三相
△
/
△
结构，高压侧分别与牵引所两侧的牵引网相连，低压侧与三相pwm整流器的交流侧相连。
30.设牵引网电压有效值为u
t
，要补偿的牵引负荷的负序电流有效值为i
t-,则补偿变压器的容量为补偿变流器容量等于补偿变流器容量也为与图1所示的“背靠背”补偿结构相比，补偿变压器的容量和变流器容量均减小13.4％。一个三相变压器取代两个单相变压器，变压器体积减小和重量减小约30％；补偿变流器由两个单相变为一个三相，补偿pwm整流器逆变桥由四个变为三个，成相降低了25％，同时也提高了可靠性。本实用新型所提出补偿结构，不仅可以降低设备成本，同时因为体积和重量的减小，还可以降低土建成本，简化了结构，提高系统的可靠性。
31.补偿装置的容量达几mw到十几mw量级，采用如图3所示的n个三相补偿模块关联结构，各模块交流侧并联，直流侧独立，各模块三角载波移依次移相n个三相补偿模块，一个故障退出时，容量损失仅仅为影响较小，同时因为载波移相，提高了等效开关频率，可以提高补偿装置的高频谐波补偿能力，也可减小各模块内三相pwm整流器交流侧的连接电感量。
32.图2和图3所示中的牵引变压器tr均采用三相v/v接线，因为是补偿装置采用三相
补偿结构，因此，三相补偿结构适用于其它的两牵引网电压相差60
°
的三相接线变压器，其三个低压侧输出在空载时输出三相对称电压，如单相v/v接线、v/x接线、ynd-11点接线等，不适用于两牵引网电压相差90
°
的变压器接线，如scott、阻抗匹配变压器等。
33.图2和图3所示中的补偿变压器tr1均采用
△
/
△
的三相变压器，由电路基本原理可知，根据三相变压器的绕组连接方式和变比，已知一侧的三相电流就可以通过简单的计算得到变压器另一侧的三相电流，因此补偿变压器tr1接线可以是
△
接和y接的任意组合，也可以是v/v接线的三相变压器。
34.三相补偿结构还可以拓展到单相牵引变压器接线的应用。如图4所示，牵引变压器tr为单相变压器，补偿装置由两个tr1和tr2单相变压器和一个三相补偿变流器构成。牵引变压器tr高压侧接110kv或220kv高压电网的a相和c相，低压侧接牵引网，变比为k:1；补偿变压器tr1高压侧接牵引网，变比为k1:1；补偿变压器tr2高压侧接110kv或220kv高压电网的c相和b相，变比为k.k1:1。补偿变压器tr1和tr2低压侧对应c相接在一起，构成三相与作为补偿变流器的三相pwm整流器相连。由变压器的变比关系可知，在牵引网空载时，补偿变流器交流侧输入三相电压是对称三相电压，与110kv或220kv高压电网电压同相位。根据指令，补偿变流器发出负序电流，补偿牵引负荷在110kv或220kv高压电网产生的负序电流。
35.在图4所示的单相牵引变压器接线应用中，补偿变压器tr2高压侧直接在110kv或220kv高压电网的b相c相，实现负序电流补偿，实际上还可以通过补偿装置将b相c相能量输送到牵引网，供电列车牵引用，也就是说补偿装置提高了牵引变电所供给牵引网的容量。
36.综上可得，与现有的“背靠背”结构相比，本实用新型提出三相补偿结构可以减小补偿装置容量，降低装置的成本，提高装置的可靠性，除scott结构牵引变压器和阻抗匹配的牵引变压器接线的牵引变电所不适用外，其它多种三相牵引变压器接线及半单相牵引变压器接线的牵引变电所均可采用。本实用新型所体现出的优势将有利于牵引变电所补偿装置的推广，有利于降低电气化铁路的运营成本，提高27.5kv牵引网和110kv或220kv高压电网的用电质量。