CN101574935A - 模块组合型牵引供电网电能质量调节系统 - Google Patents

模块组合型牵引供电网电能质量调节系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种模块组合型牵引供电网电能质量调节系统，属于牵引供电系统电能质量改善领域。电能质量调节器(101)并联接入牵引变压器(66)的副边输出端和牵引供电网的供电臂上，通过功率单元直流侧的储能电容存储和交换两供电臂的能量，系统稳定后就实现了牵引变压器(66)高压侧三相电流的平衡。在合理的控制策略下，所述的电能质量调节器(101)能同时补偿各相的谐波和无功功率。本发明提出的模块组合型牵引供电网电能质量调节系统无需工频变压器和外加电抗器即可直接挂网运行，利用低压功率器件实现高压大功率输入、输出，具有占地面积小，损耗小、成本低的优点。

Description

模块组合型牵引供电网电能质量调节系统
技术领域
本发明涉及一种牵引供电系统电能质量改善的系统，特别是涉及一种无需工频变压器耦合的模块组合型牵引供电网电能质量调节系统。
背景技术
电气化铁路是一种典型的大容量不平衡非线性冲击负荷，对高压电网的电能质量造成严重的不良影响。第一，电力机车一般采用单相供电，其通过牵引变压器接入三相对称的电力系统时，会产生极大的基波负序电流，负序分量将会引起旋转电机的附加发热，增加系统损耗，降低系统运行效率。第二，电力机车采用单相四象限变流器，通常产生许多谐波分量，且功率因数偏低，注入三相高压电网后引起系统电压的偏移和波动，降低系统运行的经济性。
解决牵引供电网电能质量问题常采用无源电力滤波器的方法，具有容量大、结构简单、成本低等优点，但补偿容量不能跟踪负荷变化，且经常产生无功返送的情况，同时存在容易发生失谐、共振和过载等问题。所普遍采用的相序轮换技术和采用平衡变压器技术仅能在一定范围内改善负序电流的影响，由于牵引负载在空间和时间分布上的随机性，它们所能产生的效果是有限的，而且有时还会对系统的性能产生消极的影响。有源电力滤波器是有效的改善电能质量的方案，然而在高压领域的应用中，由于受到器件耐压和容量等级的限制，常用的方式是通过工频变压器接入高压电网，笨重的工频变压器大大增加了电力电子变换装置的成本、体积，并且限制了系统的效率，难以在牵引供电系统中进行推广应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：解决现有的供电系统电能质量补偿方式存在的由于使用工频变压器带来的体积、成本增加及效率降低问题，提供一种无需工频变压器直接挂网运行的模块组合型牵引供电网电能质量调节系统。
本发明的技术方案如下：
一种模块组合型牵引供电网电能质量调节系统包括：
在直接供电模式或者BT供电模式下实现异相供电补偿时，电能质量调节器的第一交流输出端连接牵引变压器的第一副边出线端子，同时连接牵引网上行臂接触线，电能质量调节器的第二交流输出端连接牵引变压器的第二副边出线端子，同时连接钢轨，电能质量调节器的第三交流输出端连接牵引变压器的第三副边出线端子，同时连接牵引网下行臂接触线，牵引变压器的三个原边连接高压公共电网。
在AT供电模式下实现异相供电补偿时，电能质量调节器的第一交流输出端连接牵引变压器的第一副边出线端子，同时连接牵引网上行臂接触线，电能质量调节器的第二交流输出端连接牵引变压器的第五副边出线端子，同时连接牵引网钢轨，电能质量调节器的第三交流输出端连接牵引变压器的第三副边出线端子，同时连接牵引网下行臂接触线；左侧自耦变压器并联在上行供电臂的接触线、正馈线之间，同时并联接入牵引变压器的第一副边出线端子和第二副边出线端子；右侧自耦变压器并联在下行供电臂的接触线、正馈线之间，同时并联接入牵引变压器的第三副边出线端子和第四副边出线端子，左侧自耦变压器与右侧自耦变压器的中点通过钢轨相连，同时接入牵引变压器的第五副边出线端子，这样电能质量调节器仅需要承受AT供电时自耦变压器一半的输出电压。
在直接供电模式或者BT供电模式下实现同相供电补偿时，电能质量调节器的第一交流输出端连接牵引变压器的第一副边出线端子，同时连接牵引网接触线，电能质量调节器的第二交流输出端连接牵引变压器的第二副边出线端子，同时连接钢轨，电能质量调节器的第三交流输出端连接牵引变压器的第三副边出线端子，牵引变压器的三个原边连接高压公共电网。
在AT供电模式下实现同相供电补偿时，电能质量调节器的第一交流输出端连接牵引变压器的第一副边出线端子，同时连接牵引网接触线，电能质量调节器的第二交流输出端连接牵引变压器的第五副边出线端子，同时连接钢轨，电能质量调节器的第三交流输出端连接牵引变压器的第三副边出线端子；自耦变压器并联在牵引网接触线、正馈线之间，同时并联接入牵引变压器的第一副边出线端子和第二副边出线端子；自耦变压器的中点和钢轨相连，同时接入牵引变压器的第五副边出线端子，牵引变压器的三个原边、、连接高压公共电网，这样电能质量调节器仅需要承受AT供电时自耦变压器一半的输出电压。
述及的电能质量调节器采用三相模块组合型多电平变换器、三相三角形接线的级联多电平变换器中的一种。
述及的电能质量调节器的交流电抗器安装在桥臂内，能直接挂网运行。
述及的电能质量调节系统能够单独应用于牵引变电所，或者和无源电力滤波器、晶闸管投切电容器等装置串并联使用组成混合补偿系统，具体组合形式可根据滤波和无功性能指标确定。
本发明的有益效果：
本发明提出的模块组合型牵引供电网电能质量调节器无需工频变压器即可直接挂网运行，利用低压功率器件实现高压大功率输入、输出，具有占地面积小，损耗小、成本低的优点。
本发明提出的模块组合型牵引供电网电能质量调节器适用于铁路牵引供电系统中述及的直接供电模式、BT供电模式和AT供电模式；以及V型接线、斯科特接线、阻抗匹配平衡接线、YNd11接线等多种牵引变压器，以及需要进行负序补偿的其它接线型式变压器。本发明的模块组合型牵引供电网电能质量调节系统能够单独应用于牵引变电所，或者和无源电力滤波器、晶闸管投切电容器等装置串并联使用组成混合补偿系统，具体组合形式可根据滤波和无功性能指标确定。
附图说明
图1为本发明在直接供电模式或者BT供电模式下实现异相供电补偿的实施例示意图。
图2为本发明在AT供电模式下实现异相供电补偿的实施例示意图。
图3为本发明在直接供电模式或者BT供电模式下实现同相供电补偿的实施例示意图。
图4为本发明在AT供电模式下实现同相供电补偿的实施例示意图。
图5为专利申请200910083927.5中提出的三相模块组合型多电平变换器结构示意图。
具体实施方式
结合附图对本发明作进一步说明：
本发明在直接供电模式或者BT供电模式下实现异相供电补偿的实施例，参见图1所示。电能质量调节器101的第一交流输出端U连接牵引变压器66的第一副边出线端子a，同时连接牵引网上行臂接触线67，电能质量调节器101的第二交流输出端V连接牵引变压器66的第二副边出线端子b，同时连接牵引网钢轨68，电能质量调节器101的第三交流输出端W连接牵引变压器66的第三副边出线端子c，同时连接牵引网下行臂接触线61。本实施例中的牵引变压器66采用V型接线、Scott型接线、阻抗匹配平衡型接线，YNd11接线等多种牵引变压器中的一种，牵引变压器66的三个原边A、B、C连接高压公共电网。
本实施例中电能质量调节器101并联接入牵引变压器的副边输出端，通过功率单元直流侧的储能电容来存储和交换两个供电臂的能量。为了补偿负序功率，所述的电能质量调节器101控制牵引网两个供电臂中的有功电流，通过电能质量调节器101的储能电容实现有功功率从负载小的供电臂向负载大的供电臂转移，最终使得牵引网两个供电臂仅流过与各自电压同相位的、幅值相同的基波电流，就实现了牵引变压器66高压侧三相电流的平衡。在合理的控制策略下，所述的电能质量调节器101能同时补偿各相的谐波和无功功率。
图1中附图标记：60——电力机车负载；S——电分相装置。
本发明在AT供电模式下实现异相供电补偿的实施例，参见图2所示。电能质量调节器101的第一交流输出端U连接牵引变压器66的第一副边出线端子a，同时连接牵引网上行臂接触线67，电能质量调节器101的第二交流输出端V连接牵引变压器66的第五副边出线端子o，同时连接牵引网钢轨68，电能质量调节器101的第三交流输出端W连接牵引变压器66的第三副边出线端子c，同时连接牵引网下行臂接触线61。左侧自耦变压器71并联在上行供电臂的接触线67、正馈线69之间，同时并联接入牵引变压器66的第一副边出线端子a和第二副边出线端子b；右侧自耦变压器72并联在下行供电臂的接触线61、正馈线63之间，同时并联接入牵引变压器66的第三副边出线端子c和第四副边出线端子d，左侧自耦变压器71与右侧自耦变压器72的中点通过钢轨68相连，同时接入牵引变压器的第五副边出线端子o。本实施例中的牵引变压器66采用V，x型接线、Scott型接线、阻抗匹配平衡型接线等多种牵引变压器中的一种；当采用V，x型接线时，无需外加自耦变压器71和72，利用x接线的副边绕组的中点抽头短接后连接钢轨68就能够实现AT供电模式，牵引变压器66的三个原边A、B、C连接高压公共电网。
根据分相点S两端上行供电臂67和下行供电臂61之间牵引负荷大小的不同，所述的电能质量调节器101控制牵引网两个供电臂中的有功电流，通过电能质量调节器101的功率单元的储能电容实现有功功率从负载小的供电臂向负载大的供电臂转移，最终使得牵引网两个供电臂仅流过与各自电压同相位的、幅值相同的基波电流，就实现了牵引变压器66高压侧三相电流的平衡。在合理的控制策略下，所述的电能质量调节器101能同时补偿各相的谐波和无功功率。
图2中附图标记：60——电力机车负载。
本发明在直接供电模式或者BT供电模式下实现同相供电补偿的实施例，参见图3。电能质量调节器101的第一交流输出端U连接牵引变压器66的第一副边出线端子a，同时连接牵引网接触线67，电能质量调节器101的第二交流输出端V连接牵引变压器66的第二副边出线端子b，同时连接钢轨68，电能质量调节器101的第三交流输出端W连接牵引变压器66的第三副边出线端子c。本实施例中的牵引变压器66采用V型接线、Scott型接线、阻抗匹配平衡型接线，YNd11接线等多种牵引变压器中的一种，牵引变压器66的三个原边A、B、C连接高压公共电网。
本实施例中电能质量调节器101并联接入牵引变压器的副边输出端，通过功率单元直流侧的储能电容来存储和交换能量。有功功率固定的从牵引变压器66的第一副边出线端子a和第二副边出线端子b通过电能质量调节器101的第一交流输出端U和第二交流输出端V流入，通过第三交流输出端W流入牵引变压器66的第三副边出线端子c，系统稳定后就实现了牵引变压器66高压侧三相电流的平衡。在合理的控制策略下，所述的电能质量调节器101能同时补偿各相的谐波和无功功率。
该装置能实现铁路全线同相供电而无需电分相装置，有利于保障电力机车负载的重载、高速运行，该装置同时能有效消除电力机车负荷向三相公用电网注入负序分量、无功分量和谐波分量，提高牵引供电网的电能质量。
本发明在AT供电模式下实现同相供电补偿的实施例，参见图4。电能质量调节器101的第一交流输出端U连接牵引变压器66的第一副边出线端子a，同时连接牵引网接触线67，电能质量调节器101的第二交流输出端V连接牵引变压器66的第五副边出线端子o，同时连接钢轨68，电能质量调节器101的第三交流输出端W连接牵引变压器66的第三副边出线端子c。自耦变压器71并联在牵引网接触线67、正馈线69之间，同时并联接入牵引变压器66的第一副边出线端子a和第二副边出线端子b；自耦变压器71的中点和钢轨68相连，同时接入牵引变压器的第五副边出线端子o。本实施例中的牵引变压器66采用V，x型接线、Scott型接线、阻抗匹配平衡型接线等多种牵引变压器中的一种；当采用V，x型接线时，无需外加自耦变压器71，利用x接线的副边绕组的中点抽头短接后连接钢轨68就能够实现AT供电模式，牵引变压器66的三个原边A、B、C连接高压公共电网。
本实施例中电能质量调节器101并联接入牵引变压器的副边输出端，通过功率单元直流侧的储能电容来存储和交换能量。有功功率固定的从牵引变压器66的第一副边出线端子a和第二副边出线端子b通过电能质量调节器101的第一交流输出端U和第二交流输出端V流入，通过第三交流输出端W流入牵引变压器66的第三副边出线端子c，系统稳定后就实现了牵引变压器66高压侧三相电流的平衡。在合理的控制策略下，所述的电能质量调节器101能同时补偿各相的谐波和无功功率。
该装置能实现铁路全线同相供电而无需电分相装置，有利于保障电力机车负载的重载、高速运行，该装置同时能有效消除电力机车负荷向三相公用电网注入负序分量、无功分量和谐波分量，提高牵引供电网的电能质量。
图4中附图标记：60——电力机车负载。
电能质量调节器101采用专利申请200910083927.5中提出的三相模块组合型多电平变换器，或者采用文献“Dorn Joerg，Huang Hartmut，Retzmann Dietmar.Novel Voltage-Sourced Converters for HVDC and FACTS Applications”中所提出的三相模块组合型多电平变换器，或者采用美国专利“US RE37,126 Multilevelcascade voltage source inverter with seperate DC sources”中提出的三相三角形(Delta)接线的级联多电平变换器。电能质量调节器的交流电抗器安装在桥臂内，无需工频变压器和外加电抗器，能直接挂网运行。
图5为专利申请200910083927.5中提出的三相模块组合型多电平变换器结构示意图。第一功率单元U1的第一交流接线端子11依次串联n个第三功率单元U3构成A相上桥臂，第二功率单元U2的第一交流接线端子21依次串联n个第四功率单元U4构成A相下桥臂，A相上桥臂和A相下桥臂之间通过第一电抗器1和第二电抗器2连接，所述第一电抗器1和第二电抗器2之间的连接点为A相桥臂的交流输出端U；第一功率单元U1的第二交流接线端子12依次串联n个第三功率单元U3构成B相上桥臂，第二功率单元U2的第二交流接线端子22依次串联n个第四功率单元U4构成B相下桥臂，B相上桥臂和B相下桥臂之间通过第三电抗器3和第四电抗器4连接，所述第三电抗器3和第四电抗器4之间的连接点为B相桥臂的交流输出端V；第一功率单元U1的第三交流接线端子13依次串联n个第三功率单元U3构成C相上桥臂，第二功率单元U2的第三交流接线端子23依次串联n个第四功率单元U4构成C相下桥臂，C相上桥臂和C相下桥臂之间通过第五电抗器5和第六电抗器6连接，所述第五电抗器5和第六电抗器6之间的连接点为C相桥臂的交流输出端W。第三功率单元U3和第四功率单元U4能够相互替换，n取大于等于1的正整数。
第一功率单元U1、第二功率单元U2、第三功率单元U3、第四功率单元U4属于已有拓扑结构，不在本发明之列，均采用全控功率器件。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.模块组合型牵引供电网电能质量调节系统，其特征在于：
在直接供电模式或者BT供电模式下实现异相供电补偿时，电能质量调节器(101)的第一交流输出端(U)连接牵引变压器(66)的第一副边出线端子(a)，同时连接牵引网上行臂接触线(67)，电能质量调节器(101)的第二交流输出端(V)连接牵引变压器(66)的第二副边出线端子(b)，同时连接钢轨(68)，电能质量调节器(101)的第三交流输出端(W)连接牵引变压器(66)的第三副边出线端子(c)，同时连接牵引网下行臂接触线(61)，牵引变压器(66)的三个原边(A)、(B)、(C)连接高压公共电网；
在AT供电模式下实现异相供电补偿时，电能质量调节器(101)的第一交流输出端(U)连接牵引变压器(66)的第一副边出线端子(a)，同时连接牵引网上行臂接触线(67)，电能质量调节器(101)的第二交流输出端(V)连接牵引变压器(66)的第五副边出线端子(o)，同时连接牵引网钢轨(68)，电能质量调节器(101)的第三交流输出端(W)连接牵引变压器(66)的第三副边出线端子(c)，同时连接牵引网下行臂接触线(61)；左侧自耦变压器(71)并联在上行供电臂的接触线(67)、正馈线(69)之间，同时并联接入牵引变压器(66)的第一副边出线端子(a)和第二副边出线端子(b)；右侧自耦变压器(72)并联在下行供电臂的接触线(61)、正馈线(63)之间，同时并联接入牵引变压器(66)的第三副边出线端子(c)和第四副边出线端子(d)，左侧自耦变压器(71)与右侧自耦变压器(72)的中点通过钢轨(68)相连，同时接入牵引变压器(66)的第五副边出线端子(o)，这样电能质量调节器(101)仅需要承受AT供电时自耦变压器一半的输出电压。
2.模块组合型牵引供电网电能质量调节系统，其特征在于：
在直接供电模式或者BT供电模式下实现同相供电补偿时，电能质量调节器(101)的第一交流输出端(U)连接牵引变压器(66)的第一副边出线端子(a)，同时连接牵引网接触线(67)，电能质量调节器(101)的第二交流输出端(V)连接牵引变压器(66)的第二副边出线端子(b)，同时连接钢轨(68)，电能质量调节器(101)的第三交流输出端(W)连接牵引变压器(66)的第三副边出线端子(c)，牵引变压器(66)的三个原边(A)、(B)、(C)连接高压公共电网；
在AT供电模式下实现同相供电补偿时，电能质量调节器(101)的第一交流输出端(U)连接牵引变压器(66)的第一副边出线端子(a)，同时连接牵引网接触线(67)，电能质量调节器(101)的第二交流输出端(V)连接牵引变压器(66)的第五副边出线端子(o)，同时连接钢轨(68)，电能质量调节器(101)的第三交流输出端(W)连接牵引变压器(66)的第三副边出线端子(c)；自耦变压器(71)并联在牵引网接触线(67)、正馈线(69)之间，同时并联接入牵引变压器(66)的第一副边出线端子(a)和第二副边出线端子(b)；自耦变压器(71)的中点和钢轨(68)相连，同时接入牵引变压器的第五副边出线端子(o)，牵引变压器(66)的三个原边(A)、(B)、(C)连接高压公共电网，这样电能质量调节器(101)仅需要承受AT供电时自耦变压器一半的输出电压。
3.根据权利要求1或2所述的模块组合型牵引供电网电能质量调节系统，其特征在于：述及的电能质量调节器(101)采用三相模块组合型多电平变换器、三相三角形接线的级联多电平变换器中的一种。
4.根据权利要求1或2所述的模块组合型牵引供电网电能质量调节系统，其特征在于：述及的电能质量调节器(101)的交流电抗器安装在桥臂内，能直接挂网运行。
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