一种高速铁路电能质量及牵引网电压综合补偿系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型提供一种高速铁路电能质量及牵引网电压综合补偿系统，该综合补偿系统包括安装在牵引变电所牵引侧的单相背靠背STATCOM补偿装置及安装在分区所的晶闸管投切高通滤波器。该系统的单相背靠背STATCOM装置，动态转移两供电臂之间的有功功率、补偿供电臂11次以下的低次谐波电流和无功功率；分区所设置晶闸管投切的高通滤波器，用于吸收11次以上的高次谐波电流。该综合补偿系统能综合解决牵引变电所注入系统负序和谐波等电能质量问题，维持系统功率因数在0.9以上，改善牵引网电压。整个系统具有占地面积小、运行损耗小、工程造价低、可靠性高、技术实现简单、综合效益突出等优点。
【专利说明】—种高速铁路电能质量及牵引网电压综合补偿系统
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种高速铁路牵引供电、电力电子技术及电能质量治理领域的系统，具体涉及一种高速铁路电能质量及牵弓I网电压综合补偿系统。
【背景技术】
[0002]高速铁路以其运行速度快、运量大、节能环保、安全舒适、综合效益突出等优势，受到世界各国的重视，发展十分迅速。目前，我国高速铁路营业里程已超过I万公里，居世界第一位。根据规划，到2020年，将建成时速200公里及以上的高速客运专线1.6万公里。
[0003]高速铁路全部采用电力牵引方式，为其供电的绝大多数牵引变电所接入220kV输电网，给电网带来严重的电能质量问题。相对于以运行直流机车为主的普通电气化铁路，高速铁路对电网电能质量的影响具有如下新的特点:一是负序问题更为突出，高速电气化铁路机车运行速度高，机车的牵引功率随着速度的增加成指数增长，16辆编组在350公里时速下列车总装机容量可达29500kVA，再加上采用V/V牵引供电方式，向电网注入大量的负序电流，同时机车采用再生制动，向电网回馈功率，引起供电母线电压不平衡和电压波动；二是谐波问题更为复杂，交-直-交机车采用PWM控制方式，大大减小了低次谐波含量，但由于机车基波电流大大增加，其注入电网的低次谐波的绝对值还是很可观。此外，机车网侧谐波电流频谱加宽，最高可达几kHz，高次谐波电流丰富，根据现有电能质量国家标准，高速铁路牵引变电所会同时出现3?25次谐波范围内所有奇次谐波电流同时超标的现象。上述问题将会给电网、其他用户及高速铁路自身的供电安全和可靠性带来很大影响，同时也给电能质量的治理带来新的挑战。
[0004]高速电气化铁路机车对供电可靠性的要求比普通电气化铁路更高，高速动车组的额定运行电压范围为25kV至29kV，当电压下降到22.5kV至25kV范围时，牵引力降至额定功率的90%，其他电压范围内，牵引力将下降到O;此外，高速铁路对供电臂的越区供电能力要求高，要求在事故情况下能够实现越区供电，允许全部列车在减速条件下通过故障供电臂。为了保证运输能力和动车组的安全，牵引网供电电压水平必须保证在合理的范围。根据研究，由于高速铁路牵引网负荷电流大，牵引网等效阻抗引起的电压降约占综合压降的67%，补偿牵引网引起的电压降对于改善动车组运行环境、保障机车运行安全、提高运力具有重要现实意义。
[0005]针对上述高速铁路的谐波、负序、牵引网电压问题，国内外已经采取了各种补偿措施，包括固定并联电容补偿装置(Fixed Capacitor, FC)、静止无功补偿器(Static VarCompensator, SVC)和静止同步补偿器(Static Synchronous Compensator, STATCOM)。安装在牵引变压器高压侧的三相SVC装置可用来补偿负序及低次谐波电流，安装在牵引变压器低压侧或分区所的单相SVC装置可用以补偿功率因数、低次谐波及牵引网电压，但由于SVC装置本身也产生谐波，不但影响了电网和负载，也影响其补偿性能，导致系统滤波要求及损耗增大。
[0006]STATCOM装置采用了脉冲宽度调制(PWM)控制、瞬时电流检测技术和多重化结构，由于工作在电压源变流器模式，其桥式变流电路直流侧储能元件的容量远比所能提供的谐波和基波容量要小，而对于SVC装置，其所需储能元件的容量至少要等于其所需提供的谐波和无功容量，因此STATCOM装置中储能元件的体积和成本比同容量的SVC大大减小，且补偿性能和响应速度均优于SVC。STATCOM装置在牵引变压器三相侧安装时，能够较好的补偿负序及低次谐波电流，当采用平衡牵引变压器供电时，在牵引侧安装两个单相STATCOM装置直流侧相连构成背靠背STATCOM装置(日本学者称之为铁路功率调节器RPC，RailwayStatic Power Conditioner),利用该装置能对两供电臂的有功、无功及谐波进行控制,使两供电臂的负荷时刻处于平衡状态，从而实现对负序、无功的综合补偿，一定程度上补偿3、
5、7次等低次谐波电流，稳定牵引网电压，是一种综合性能较好的补偿方式。受限于装置的开关频率，RPC装置只能有限补偿低次谐波电流，对于高次谐波则不能补偿。
[0007]由于高速铁路牵引负荷中谐波电流频谱较宽，采用FC或SVC装置进行谐波治理时需设置多个LC无源滤波支路，基波容性无功电流不可避免地要流经滤波器的各支路，由于高速动车组在各种工况下功率因数较高，多余的容性无功是不必要的，却使装置的容量、损耗增加，整个装置增设晶闸管相控电抗器支路将导致装置体积庞大和产生额外的谐波电流源。此外，从目前高速铁路的运行图可知，各高铁线路每天的有效运行时间一般为早6点至晚上24点，其他时段为停运时间，该时段内并不需要补偿装置发挥作用，而FC或SVC是一种持续运行装置，不仅增加了设备损耗，还进一步使牵引变电所的平均功率因数降低，增加了运行成本。
[0008]STATCOM在动态、实时和快速地实现连续补偿负序及无功，稳定牵引母线电压的同时，还能实现有源滤波功能，适合于高速铁路牵引负荷的快速无功、负序及谐波的补偿；由于应用于高速铁路电能质量治理的STATCOM装置电压等级高、补偿容量大，受制于开关器件损耗、装置散热等因素，其大功率开关器件的开关频率不能太高，实际应用中主要用于2?11次谐波电流的治理，而对于高次谐波则无法有效补偿。
[0009]因此，提供一种能补偿高速铁路电能质量和牵引网电压的综合补偿系统具有重要意义。
【发明内容】
[0010]为了克服上述现有技术的缺陷，本实用新型提出一种能补偿高速铁路电能质量和牵引网电压的综合补偿系统，即在牵引变电所牵引侧设置单相背靠背STATCOM装置，补偿负序和2?11次谐波电流，通过实时检测牵引变电所的功率因数，动态无级调节无功输出，维持系统功率因数在0.9以上；在相关分区所设置晶闸管投切的高通滤波器，用于吸收11次以上的谐波电流，同时改善牵引网电压，整个系统具有占地面积小、运行损耗小、工程造价低、可靠性高、技术实现简单、综合效益突出等优点。
[0011]为了实现上述实用新型目的，本实用新型采取如下技术方案:
[0012]一种高速铁路电能质量及牵引网电压综合补偿系统，所述高速铁路的供电系统包括相连的电力系统、牵引变压器、牵引母线和牵引网；所述牵引网包括接触线、钢轨、正馈线和自耦变压器；所述牵引母线一和牵引母线二分别通过牵引变压器一和牵引变压器二与所述电力系统连接；所述牵引母线一和牵引母线二分别通过馈线一和馈线二连接所述牵引网；所述接触线与钢轨之间、钢轨与正馈线之间分别通过自耦变压器连接；其改进之处在于:所述综合补偿系统包括安装在所述牵引变电所牵引侧的单相背靠背STATCOM补偿装置及安装在所述分区所的晶闸管投切高通滤波器。
[0013]进一步的，所述晶闸管投切高通滤波器包括相连的投切开关和高通滤波器，所述投切开关包括两个反并联晶闸管，所述高通滤波器包括串联的电容器C和电抗器L，所述电抗器L与电阻器R并联；
[0014]所述晶闸管投切高通滤波器装置于分区所的接触线与中线之间及正馈线与中线之间分别安装，两个所述分区所共设置4套晶闸管投切高通滤波器。
[0015]进一步的，所述单相背靠背STATCOM装置包括分别与所述牵引母线一和牵引母线二连接的隔离变压器一和隔离变压器二，所述隔离变压器一和隔离变压器二分别连接变流器一和变流器二，所述变流器一和变流器二通过直流电容相连，形成背靠背对称结构，所述变流器一和变流器二分别与控制器相连。
[0016]进一步的，所述隔离变压器一为单相多绕组变压器，所述单相多绕组变压器的次边绕组与并联的多个单相电压源变流器连接。
[0017]进一步的，所述隔离变压器二为单相双绕组变压器，用于实现多个单相电压源变流器级联输出电压与牵引母线二的电压匹配，并使变流器二与牵引母线二实现电气隔离。
[0018]进一步的，所述反并联的晶闸管一和反并联的晶闸管二用于实现自动投入或退出运行。
[0019]进一步的，所述晶闸管投切滤波器装置吸收11次以上的高次谐波电流，用于改善牵引网电压质量和抑制高次谐波谐振引起网压异常波动。
[0020]与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于:
[0021]1、本实用新型的系统采用在牵引变电所牵引侧安装单相背靠背STATCOM装置，在相关分区所安装晶闸管投切高通滤波器方式，其中单相背靠背STATCOM装置补偿11次及以下的低次谐波和负序电流，分区所晶闸管投切高通滤波器吸收11次以上的高次谐波电流，能在较宽的谐波频谱范围内实现对高铁牵引负荷谐波电流的有效补偿。
[0022]2、本实用新型的系统的牵引变电所单相背靠背STATCOM装置采用模块化结构，可在不提高开关频率的情况下有效补偿低次谐波电流，减小装置损耗；在有效抑制牵引站注入电网的负序电流，有效减小闻铁负荷对电网的负序冲击，同时通过实时检测牵引变电所的功率因数，动态无级调节其输出的感性或容性无功，维持系统功率因数在0.9以上。
[0023]3、本实用新型的系统的分区所采用晶闸管投切的高通滤波器，能根据牵引网的负荷情况自动投入或退出，就地吸收牵引负荷高次谐波电流，抑制高次谐波谐振引起牵引网电压异常波动，还起到稳定接触网末端网压、提高牵引网越区供电能力、提高运能的作用。采用晶闸管投切的方式可在夜间无机车时装置自动退出运行，可降低整个补偿系统的运行损耗，提高系统平均功率因数。
[0024]4、本实用新型的系统在计算系统补偿容量时充分计及了电网供电变电站的负序电流和谐波电流承受能力，考虑了高速铁路的波动性特征，通过分析长期监测数据，统计出供电臂负荷的分布规律，进行补偿容量的优化，可以在牵引站注入系统电能质量满足标准限值的前提下，最大限度的减小补偿装置的容量，降低工程造价。
[0025]5、本实用新型的系统中晶闸管投切的高通滤波器安装在分区所，实现相同电压控制目标时，与现有牵引网电压控制装置通常安装在牵引变电所的技术方案相比，安装在分区所时所需补偿容量约为安装在牵引变电所的一半，大大减小基波无功的安装容量。
[0026]6、本实用新型的系统具有占地面积小、运行损耗小、工程造价低、可靠性高、技术实现简单、适用性强等优点，综合效益突出，既适合负序电流大和谐波频谱宽泛的高铁牵引站治理，也适用于负序和谐波超标的普通电气化铁路及重载铁路。
【专利附图】
【附图说明】
[0027]图1为高速铁路电能质量及牵引网电压综合补偿系统接线图；
[0028]图2为牵引变电所单相背靠背STATCOM装置接线图；
[0029]图3为分区所晶闸管投切高通滤波器接线图；
[0030]图4为牵引变电所背靠背STATCOM补偿的谐波电流提取方法示意图；
[0031]图5为单相背靠背STATCOM装置整体控制框图；
[0032]其中，1-牵引变电所的单相背靠背STATCOM装置，2_晶闸管投切的二阶高通滤波器1，3_晶闸管投切的二阶高通滤波器II，4-晶闸管投切的二阶高通滤波器III，5-晶闸管投切的二阶高通滤波器IV，6-单相多绕组变压器，7-单相双绕组变压器，8-单相并联变流器组，9-单相链式变流器组，10-直流电容，11-150HZ谐振滤波器，12-250HZ谐振滤波器，13-350HZ谐振滤波器，14-450HZ谐振滤波器，15-550Hz谐振滤波器，16-背靠背STATCOM变流器，17-供电臂一侧变流器控制框图；18_供电臂二侧变流器控制框图。 【具体实施方式】
[0033]下面结合附图对本实用新型作进一步说明。
[0034]高速铁路的供电系统包括相连的电力系统、牵引变压器、牵引母线和牵引网；牵引网包括接触线T、钢轨R、正馈线F和自耦变压器AT ;牵引母线包括牵引母线一和牵引母线
--O
[0035]牵引母线一和牵引母线二通过牵引变压器Tl和牵引变压器T2与所述电力系统连接；牵引母线一和牵引母线二均通过馈线一和馈线二连接牵引网。牵引变电所连接接触线T和地之间；所述牵引母线一和牵引母线二分别通过馈线一和馈线二连接所述牵引网；所述接触线与钢轨之间、钢轨与正馈线之间分别通过自耦变压器AT连接。
[0036]高速铁路电能质量及牵引网电压综合补偿系统接线图如图1所示，本实施例中，高速铁路电能质量及牵引网电压综合补偿系统包括安装在所述牵引变电所牵引侧的单相背靠背STATCOM补偿装置及安装在所述分区所的晶闸管投切高通滤波器；
[0037]所述单相背靠背STATCOM补偿装置用于负序补偿、2_11次范围内的低次谐波滤波、功率因数及母线电压控制；
[0038]所述晶闸管投切高通滤波器用于吸收11次以上的高次谐波，稳定牵引网末端电压。
[0039]如图1所示，图1为高速铁路电能质量及牵引网电压综合补偿系统接线图；电力系统通过反并联的晶闸管一和反并联的晶闸管二分部连接牵引母线一和牵引母线二，牵引母线一和牵引母线二均连接牵引网；牵引网包括接触线T、中线和正馈线F，接触线T与中线之间通过晶闸管投切的高通滤波器连接，中线与正馈线F之间通过晶闸管投切的高通滤波器连接；牵引母线一和牵引母线二通过单相背靠背STATCOM装置连接。牵引母线一与牵引网之间相连的为供电臂一，牵引母线二与牵引网之间相连的为供电臂二。
[0040]晶闸管投切的高通滤波器包括相连的投切开关和高通滤波器，所述投切开关包括两个反并联的晶闸管Tl、T2，所述高通滤波器包括串联的电容器C和电抗器L，所述电抗器L与电阻器R并联。
[0041]牵引变电所单相背靠背STATCOM装置包括分别与所述牵引母线一和牵引母线二连接的隔离变压器一和隔离变压器二，所述隔离变压器一和隔离变压器二分别连接变流器一和变流器二，所述变流器一和变流器二通过直流电容相连，形成背靠背对称结构，变流器一和变流器二分别与控制器相连。隔离变压器一为单相多绕组变压器，单相多绕组变压器实现多个单相H桥变流器并联，形成变流器一；变流器二为单相H桥变流器组级联而成。单相并联变流器组的H桥变流器与单相链式变流器组的H桥变流器通过直流电容连接。
[0042]隔离变压器一为单相多绕组变压器，隔离变压器二为单相双绕组变压器，变流器(VSC) 一为单相并联变流器组，变流器(VSC) 二为单相并联变流器组。
[0043]图1中牵引变电所的单相背靠背STATCOM装置中隔离变压一和VSCI及隔离变压器二和VSCII的详细构成及接线如图2所示；该装置包括单相多绕组变压器6(即图1中的隔离变压器一)，通过变压器6的η个副边绕组并联的η个H桥变流器组成单相并联变流器组8 (即图1中的VSCI )，通过η个直流电容10与η个单相级联变流器组8相连的共η个链节的单相链式变流器组9 (即图1中的VSCII)，该单相链式变流器组9的交流端口与单相双绕组变压器7 (即图1中的隔离变压器二)相连。装置分别通过单相多绕组变压器6的端子X、I和单相双绕组变压器7的端子z、w接于牵引母线，每个H桥变流器均采用基于自关断器件(IGBT、IGCT等)构成。
[0044]分区所的晶闸 管投切的高通滤波器12、晶闸管投切的高通滤波器113、晶闸管投切的高通滤波器1114、晶闸管投切的高通滤波器IV5的构成及详细接主接线图如图3所示，该晶闸管投切的高通滤波器由两个反并联的晶闸管Tl、Τ2构成投切开关，高通滤波器包括电容器C、电抗器L、电阻器R构成，其中，电抗器L与电阻器R并联，电抗器L与电容器C串联。分区所的正馈线与中线之间及接触线与中线之间分别安装晶闸管投切的高通滤波器，两个分区所共安装4套，每套装置的额定电压为27.5kV。
[0045]上述牵引变电所背靠背STATCOM装置和晶闸管投切的高通滤波器的补偿原理及实施方式如下:
[0046]1、牵引变电所单相背靠背STATCOM装置的补偿原理及实施方式
[0047](I)牵引变电所单相背靠背STATCOM装置
[0048]令牵引母线一对应的牵引变压器Tl的二次侧端口为端口 I，牵引母线二对应的牵引变压器T2的二次侧端口为端口 II，令机车负荷分别接在牵引变压器Tl和牵引变压器T2的二次侧端口 I和端口 II，两端口接线角(即牵引变压器二次侧电压滞后原边A相正序电压的角度，滞后为正)分别为Ψρ Ψ2，供电臂I和供电臂2的牵引负荷电流分别为iu、iL2中对应两供电臂牵引负荷容量分别为Su和S。，功率因数角分别为外,和Ψυι，谐波分量分别为iLlh> iL2ho单相背靠背STATCOM两变流器交流侧分别接入端口 I和端口 2，端口补偿有功和无功分别为Pa、Qa和P&Q?。同时假设补偿前牵引变电所注入电网负序电流为?，电网供电变电站允许负序电流为，则负序补偿剩余度为& = I /10，补偿后牵引变压器原边剩余的三相正序无功功率为S1),补偿前无功功率为则无功补偿剩余度为K(.= si“sim ?根
据V/v牵引变压器原边负序电流与副边两供电臂牵引负荷的关系，为实现V/v牵引供电方式下的负序补偿，可得单相背靠背STATCOM装置补偿容量公式为:
[0049]
【权利要求】
1.一种高速铁路电能质量及牵引网电压综合补偿系统，所述高速铁路的供电系统包括相连的电力系统、牵引变压器、牵引母线和牵引网；所述牵引网包括接触线、钢轨、正馈线和自耦变压器；所述牵弓I母线一和牵引母线二分别通过牵弓I变压器一和牵弓I变压器二与所述电力系统连接；所述牵引母线一和牵引母线二分别通过馈线一和馈线二连接所述牵引网；所述接触线与钢轨之间、钢轨与正馈线之间分别通过自耦变压器连接；其特征在于:所述综合补偿系统包括安装在牵引变电所牵引侧的单相背靠背STATCOM补偿装置及安装在分区所的晶闸管投切高通滤波器。
2.如权利要求1所述的一种高速铁路电能质量及牵引网电压综合补偿系统，其特征在于:所述晶闸管投切高通滤波器包括相连的投切开关和高通滤波器，所述投切开关包括两个反并联晶闸管，所述高通滤波器包括串联的电容器C和电抗器L，所述电抗器L与电阻器R并联； 所述晶闸管投切高通滤波器装置于分区所的接触线与中线之间及正馈线与中线之间分别安装，两个所述分区所共设置4套晶闸管投切高通滤波器。
3.如权利要求1所述的一种高速铁路电能质量及牵引网电压综合补偿系统，其特征在于:所述单相背靠背STATCOM装置包括分别与所述牵引母线一和牵引母线二连接的隔离变压器一和隔离变压器二，所述隔离变压器一和隔离变压器二分别连接变流器一和变流器二，所述变流器一和变流器二通过直流电容相连，形成背靠背对称结构，所述变流器一和变流器二分别与控制器相连。
4.如权利要求3所述的一种高速铁路电能质量及牵引网电压综合补偿系统，其特征在于:所述隔离变压器一为单相多绕组变压器，所述单相多绕组变压器的次边绕组与并联的多个单相电压源变流器连接。
5.如权利要求3所述的一种高速铁路电能质量及牵引网电压综合补偿系统，其特征在于:所述隔离变压器二为单相双绕组变压器，用于实现多个单相电压源变流器级联输出电压与牵引母线二的电压匹配，并使变流器二与牵引母线二实现电气隔离。
6.如权利要求2所述的一种高速铁路电能质量及牵引网电压综合补偿系统，其特征在于:所述反并联晶闸管的晶闸管一和反并联晶闸管的晶闸管二用于实现自动投入或退出运行。
7.如权利要求1所述的一种高速铁路电能质量及牵引网电压综合补偿系统，其特征在于:所述晶闸管投切滤波器装置吸收11次以上的高次谐波电流，用于改善牵引网电压质量和抑制高次谐波谐振弓I起网压异常波动。
【文档编号】H02J3/01GK203774792SQ201420135001
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2014年3月24日 优先权日:2014年3月24日
【发明者】乔光尧, 周胜军, 王同勋, 荆平, 温慧, 谈萌 申请人:国家电网公司, 国网智能电网研究院