专利名称：电气化铁路无功负序电流混合式协同控制装置及其方法
技术领域：
本发明涉及一种电气化铁路无功负序电流协同控制装置及其方法，尤其是涉及ー种电气化铁路无功负序电流混合式协同控制装置及其方法。
背景技术：
电气化铁路牵引负荷是电カ系统中的ー种重要的电能污染源，电气化铁道的电能质量问题一直受到众多学者和技术人员的广泛重视。电气化鉄路牵引负荷相对其它负荷而言具有以下几个突出的特点単相独立不对称性，负序含量高；大功率整流负荷，功率因数不高，谐波含量较高，主要含有3、5、7次谐波；随机波动性，机车在铁道上运行功率大小具有随机性，电压波动较大。而高速鉄路速度快、动カ大，是我国近几年来重点发展的交通运输方式之一。高速铁路机车采用单相供电方式且负荷大，会产生很大的负序电流。高铁动车采用高功率因数整流机车，无功和谐波方面都较为理想，且谐波主要为高次谐波，较容易滤除。高速鉄路供电系统主要面临的是负序电流较大的问题。·目前鉄路供电系统采用的一般都是晶闸管控制电抗器(TCR)+固定电容器(FC)的形式来抑制负序电流。但是这种方法存在以下几个问题I.动态响应性差，TCR的动态响应性不能满足高速铁路快速变化的负载要求。2.谐波含量大，TCR的谐波含量达到15%，且低次谐波含量大。对高鉄路供电系统有较大冲击。3.补偿装置面积大、噪音大、成本大和损耗大等问题。为解决这个问题，本专利采用磁控电抗器(MCR)作为补偿基本装置。我国磁控型SVC (MCR)在90年代之后有了很大的发展，MCR在保持相控电抗器(TCR)优点的同吋，克服了 TCR的缺点。采用磁控式，使整个SVC系统可靠性极高，20年免维护。应用极限磁饱和先进技术，不仅使所产生的谐波大大减少，而且有功损耗低、响应速度快、无电磁辐射。这使得MCR越来越多地应用于各种电カ线路中。但是MCR的动态响应性也无法做到极佳的动态响应性。并且传统的用无功发生装置直接补偿负序电流的方法需要很大的无功容量。为解决这两个问题，课题组提出本专利所述的混合式补偿方法。鉄路功率调节器(RPC)最早的日本学者提出，是近年来学者研究较多的鉄路供电系统电能质量控制方法之一。RPC补偿方法响应性好、控制灵活、可拓展性强，但是由于电カ电子器件容量有限，如果全部无功、负序和谐波要用RPC来调节的话，成本将会非常高且制造エ艺复杂、可靠性也降低。
发明内容
本发明主要是解决现有技术所存在的技术问题；提供了一种减小了很多的补偿容量、増加了响应速度的电气化铁路无功负序电流混合式协同控制装置及其方法。本发明还有一目的是解决现有技术所存在的技术问题；提供了一种减小了成本、増加了装置稳定性的电气化铁路无功负序电流混合式协同控制装置及其方法。本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的一种电气化铁路无功负序电流混合式协同控制装置，其特征在于，包括并联在两负载侧用于补偿无功及负序的两个SVC装置、设置在两负载侧同时经两个降压变压器并联用于吸收和发出有功和无功的RPC装置、分别设置在两负载侧的两组用于检测电流以及电压的CT采集装置和PT采集装置、与两组CT采集装置和PT采集装置连接的PLC及扩展模块、与PLC及扩展模块连接用于控制RPC装置的RPC控制装置、与PLC及扩展模块连接的用于给SVC装置脉冲信号的脉冲处理装置、以及用于控制SVC装置并与脉冲处理装置连接的触发装置。在上述的电气化铁路无功负序电流混合式协同控制装置，所述SVC装置均包括一个固定电容FC以及与固定电容FC并联的一个电抗器MCR，所述上述触发装置为晶闸管，并与电抗器MCR连接。
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在上述的电气化铁路无功负序电流混合式协同控制装置，还包括一个SVC装置，一端与ー个负载侧连接，另一端与另ー个负载侧连接，该SVC装置与所述脉冲处理装置连接。电气化铁路无功负序电流混合式协同控制方法，其特征在于，将两负载侧的电压不平衡度补偿到0，而功率因数补偿到1，即完全补偿，包括以下步骤步骤I，两负载侧CT采集装置和PT采集装置分别测量两负载侧的电流电压信号，并将其送至PLC及扩展模块；步骤2，PLC及扩展模块根据RPC的实际容量计算出RPC装置所需转移的功率；然后经PLC及扩展模块的计算得到SVC装置中MCR的发出容量，转换成相应的控制角度通过脉冲处理装置给触发装置触发信号来调节MCR的输出容量。在上述的电气化铁路无功负序电流混合式协同控制方法，其特征在于，所述的步骤2中，定义RPC装置容量为S，有功功率的转移为a，两负载侧相间为ca、bc以及两负载侧之间相间为ab，转移容量后，两侧的有功功率为x-a、y+a，三个相间即ca、be、ab相间的有功分别为x-a、y+a、0，根据x、y以及a之间的关系选择执行一下步骤选择步骤1，将两负载侧相间为ca、be以及两负载侧之间相间ab分为三个部分部分ー为三个相间负载为a、a、0 ;部分ニ为三个相间负载为y、y、0 ;部分三为三个相间负载为x-y_2a、0、0 ;当x>y+2a,部分一的有功RPC转移部分相等,在ca侧加电容性无功、be侧
加以电感性无功，其值都为则得到PRC的总容量S=ヾa2 +(a/V3)2 =IajS，部分
ニ利用SVC装置进行补偿，补偿方法采用Steinmetz理论，理论内容是在负载相间的后两个相间分别加以容性和感性的无功，值均为l/^倍的有功负载功率，即在ca相间和be相间投以容性无功j/和感性无功y/;部分三利用Steinmetz理论,在ab相间、be相间分别投以容性和感性的大小都为无功功率；三部分的有功都完全补偿掉了，所用至1J的总容量之和为2(x-a)/j ；选择步骤2，在y+2a>X>y时，两侧的有功可以分为两个部分，部分一能用RPC装置补偿的部分，三个相间分别为VIg、7^_ノ、o;部分ニ 剩下的功率在负载两侧也是相等的，三个相间有功分别为(ズ+ _>，)/2-ム0、(x +ア)/2-ボ0、0，即转移(x_y)/2，转移之后两侧的功率值都为(x+y)/2，此时RPC装置能提供的0 = 一2-〖x + >，)"74，部分一用RPCネト偿掉，部分ニ利用MCR+FC加以补偿，在ca和be相间分别投以大小相等为(x +0容性无功和感性无功，所用的总容量为(x + >，)/W-20 + 5。电气化铁路无功负序电流混合式协同控制方法，将功率因数补偿到0. 95以上、电压不平衡度补偿95%概率值为2%，短时不得超过4%，即优化补偿，包括以下步骤步骤I，两负载侧CT采集装置和PT采集装置分别测量两负载侧的电流电压信号，并将其送至PLC及扩展模块；步骤2，PLC及扩展模块根据RPC的实际容量计算出RPC装置所需转移的功率；然后经PLC及扩展模块的计算得到SVC装置中MCR的发出容量，转换成相应的控制角度通过脉冲处理装置给触发装置触发信号来调节MCR的输出容量。在上述的电气化铁路无功负序电流混合式协同控制方法，其特征在于，所述步骤2的具体补偿方法如下建立优化补偿方程如下式所示
权利要求
1.一种电气化铁路无功负序电流混合式协同控制装置，其特征在于，包括并联在两负载侧用于补偿无功及负序的两个SVC装置、设置在两负载侧同时经两个降压变压器并联用于吸收和发出有功和无功的RPC装置、分别设置在两负载侧的两组用于检测电流以及电压的CT采集装置和PT采集装置、与两组CT采集装置和PT采集装置连接的PLC及扩展模块、与PLC及扩展模块连接用于控制RPC装置的RPC控制装置、与PLC及扩展模块连接的用于给SVC装置脉冲信号的脉冲处理装置、以及用于控制SVC装置并与脉冲处理装置连接的触发装置。
2.根据权利要求I所述的ー种电气化铁路无功负序电流混合式协同控制装置，其特征在于，所述SVC装置均包括ー个固定电容FC以及与固定电容FC并联的一个电抗器MCR，所述上述触发装置为晶闸管，并与电抗器MCR连接。
3.根据权利要求I所述的ー种电气化铁路无功负序电流混合式协同控制装置，其特征在于，还包括ー个SVC装置，一端与ー个负载侧连接，另一端与另ー个负载侧连接，该SVC装置与所述脉冲处理装置连接。
4.一种电气化铁路无功负序电流混合式协同控制方法，其特征在于，将两负载侧的电压不平衡度补偿到O，而功率因数补偿到1，即完全补偿，包括以下步骤 步骤1，两负载侧CT采集装置和PT采集装置分别测量两负载侧的电流电压信号，并将其送至PLC及扩展模块； 步骤2，PLC及扩展模块根据RPC的实际容量计算出RPC装置所需转移的功率；然后经PLC及扩展模块的计算得到SVC装置中MCR的发出容量，转换成相应的控制角度通过脉冲处理装置给触发装置触发信号来调节MCR的输出容量。
5.根据权利要求4所述的ー种电气化铁路无功负序电流混合式协同控制方法，其特征在于，所述的步骤2中，定义RPC装置容量为S，有功功率的转移为a，两负载侧相间为Ca、be以及两负载侧之间相间为ab，转移容量后，两侧的有功功率为x-a、y+a，三个相间即Ca、be、ab相间的有功分别为x-a、y+a、0,根据x、y以及a之间的关系选择执行一下步骤 选择步骤1，将两负载侧相间为ca、be以及两负载侧之间相间ab分为三个部分部分ー为三个相间负载为a、a、0 ;部分ニ为三个相间负载为I、y、0 ;部分三为三个相间负载为x-y_2a、0、0 ;当x>y+2a,部分一的有功RPC转移部分相等,在ca侧加电容性无功、be侧加以电感性无功，其值都为a!名则得到PRC的总容量S=J~a2+(a/石)部分ニ利用SVC装置进行补偿，补偿方法采用Steinmetz理论，理论内容是在负载相间的后两个相间分别加以容性和感性的无功，值均为l/ふ倍的有功负载功率，即在ca相间和be相间投以容性无功ヌ/ぶ和感性无功yl4^ ;部分三利用Steinmetz理论,在ab相间、be相间分别投以容性和感性的大小都为无功功率；三部分的有功都完全补偿掉了，所用到的总容量之和为2(x-a)IS-, 选择步骤2，在y+2a>X>y时，两侧的有功可以分为两个部分，部分一能用RPC装置补偿的部分，三个相间分别为SQ、>^(_ノ、0;部分ニ剩下的功率在负载两侧也是相等的，三个相间有功分别为(ズ+ヌ)/2-+ ぶ0、0，即转移(x_y)/2，转移之后两侧的功率值都为(x+y)/2，此时RPC装置能提供的Q = p2-(x + yf/4M分一用RPC补偿掉，部分ニ利用MCR+FC加以补偿，在ca和be相间分别投以大小相等为(X + y)/2y[3 - 0容性无功和感性无功，所用的总容量为(X + j)/み-20 + S。
6.一种电气化铁路无功负序电流混合式协同控制方法，其特征在于，将功率因数补偿到0. 95以上、电压不平衡度补偿95%概率值为2%，短时不得超过4%，即优化补偿，包括以下步骤 步骤I，两负载侧CT采集装置和PT采集装置分别测量两负载侧的电流电压信号，并将其送至PLC及扩展模块； 步骤2，PLC及扩展模块根据RPC的实际容量计算出RPC装置所需转移的功率；然后经PLC及扩展模块的计算得到SVC装置中MCR的发出容量，转换成相应的控制角度通过脉冲处理装置给触发装置触发信号来调节MCR的输出容量。
7.根据权利要求6所述的ー种电气化铁路无功负序电流混合式协同控制方法，其特征在于，所述步骤2的具体补偿方法如下建立优化补偿方程如下式所示
全文摘要
本发明涉及一种电气化铁路无功负序电流混合式协同控制装置及其方法。本补偿方法由磁控电抗器(MCR)、固定电容器(FC)加上小容量铁路功率调节器(RPC)组成。本发明所用RPC是PWM控制电压型变流器，经变压器安装于高速铁路牵引站的两侧，快速响应并实现有功功率的转移，传递小容量的有功并完成一定容量的不平衡补偿任务，容量剩余时进行谐波抑制。剩余部分再由MCR+FC补偿装置将负序和无功电流补偿到满足要求，实现优化补偿节省容量的目的。相对以前的单纯电抗器补偿，本发明减小了很多的补偿容量、增加了响应速度；相对单纯的RPC补偿，本发明减小了成本、增加了装置稳定性。
文档编号H02J3/01GK102790400SQ20121028071
公开日2012年11月21日 申请日期2012年8月8日 优先权日2012年8月8日
发明者张晨萌, 田翠华, 范旭娟, 蔡超, 袁佳歆, 陈柏超 申请人:武汉大学