CN101630848A - 一种用svg平衡电气化铁路单相负荷的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种提高电气化铁道电能质量的平衡电气化铁路单相负荷的方法，该方法采用两套结构相同的静止无功发生器SVG1、SVG2，分别接于低压侧的左右桥臂上，且两套结构相同的静止无功发生器SVG1、SVG2的直流侧电容并联构成一个整体。与现有技术相比，本发明的有益效果是：1)补偿负序电流，降低负序电流对电网的污染；2)降低母线电压损失，提高电网电压水平；3)补偿无功功率，提高功率因数；4)补偿谐波电流，降低谐波电流对电网的污染。

Description

一种用SVG平衡电气化铁路单相负荷的方法

技术领域

本发明涉及一种提高电气化铁道电能质量的平衡电气化铁路单相负荷的方法。

背景技术

电气化铁路是当前我国重点发展的交通方式，它可以提高铁路运输能力、改进铁路运营，同时也有利于实现资源的合理分配、降低运营成本、保护生态环境等，因此，和其它牵引方式相比，电气化在铁路运输中显示出无可比拟的优越性。国务院批准的《中长期铁路网规划》明确，到2020年，我国铁路总里程将达到100,000km，其中电气化铁路为50,000km，铁路电气化率约为50％，承担的运量比重在80％以上。

铁路电气化的飞速发展在拓展运输能力、促进经济发展的同时，也暴露出一些问题和弊端，尤其是在我国现行电网条件下，电力机车运行时，对供电电网产生了很大的影响。电力机车的供电和驱动方式决定了大功率单相整流牵引性的负荷特性，因此具有以下特点：

a)不对称性，产生负序电流，引起电网三相不对称；

b)非线性，产生谐波，引起电压波形畸变；

c)冲击性，引起电压波动；

d)功率因数低。

而且由于电力机车的负载能力和运行速度的不断提高，功率水平也会大幅度提高，对电网的冲击也会相应加大。随着电气化铁路在全国的逐步发展，如何使其对电力系统的影响降为最低，成为了必须认真思考和努力解决的问题。

传统的方法是在110kV侧加装补偿装置，如FC等。但由于电气化铁路的负荷随机性，仅仅用FC的效果很不理想。如果采用TCR等SVC补偿器，由于接入电压太高，TCR需通过变压器才能可靠工作。同时，TCR在工作时还会产生大量的谐波，必须配套相应的FC才能充分发挥其作用。所以，整个系统造价很高，占地面积很大，补偿功能也很单一。

SVG(Static Var Generator)称为“静止无功发生器”，也称为静止同步补偿器(StaticSynchronous Compensator-STATCOM)，是一种并联型无功补偿装置，它基于瞬时无功功率的概念和补偿原理，采用全控型开关器件，辅之以小容量储能元件所构成。SVG不需要大容量的电抗器、电容器等储能元件，大大缩小了装置的体积和成本；调节速度快，运行范围宽，通过不同的控制，可以实现负荷的连续调节；采用PWM控制或多重化的结构，可使其输出电流接近正弦波，从而不需附加额外的滤波器。

发明内容

本发明的目的是提供一种用SVG平衡电气化铁路单相负荷的方法，该方法采用两套结构相同的静止无功发生器，分别接于低压侧的左右桥臂上，且两套结构相同的静止无功发生器的直流侧电容并联，再采用直流母线互联的形式构成一个整体。该方法可显著改善电气化铁道电能质量，提高功率因数，降低电能损耗，同时解决了电气化铁路牵引负荷对电网造成的负序、谐波、电压波动等电能质量问题，有效的保障电网的安全经济运行，达到节能增效的目的。

为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种用SVG平衡电气化铁路单相负荷的方法，该方法采用两套结构相同的静止无功发生器SVG1、SVG2，分别接于低压侧的左右桥臂上，且两套结构相同的静止无功发生器SVG1、SVG2的直流侧电容并联构成一个整体。

所述的两套结构相同的静止无功发生器SVG1、SVG2分别接于低压侧的左右桥臂，再分别连接设于左右桥臂的固体滤波器FC1、FC2。

所述的静止无功发生器SVG1或SVG2采用两电平功率单元并联多重化的方式实现大容量和低开关谐波，所述的功率单元采用标准模块形式，输入端(交流侧)接于变压器低压侧，输出端(直流侧)接于直流母线，采用直流母线互联的形式构成整体结构。

所述的功率单元采用IGBT或IGCT功率器件。

所述的功率单元中，IGBT1正负母线之间并联突波电容C1，IGBT2正负母线之间也并联突波电容C2，同时在正负母线之间的电力电容C4起到储能和稳定直流侧电压的作用。

所述的功率单元具有交流和直流故障隔离功能；在交流侧设有接触器K，在直流侧设有熔断器FU2；接触器K一端连接电抗器输出端，接触器K另一端连接功率单元IGBT输入端；熔断器FU2接于电容器C4输出端。

所述的功率单元设有过压保护器SPD，过压保护器SPD连接熔断器FU1，两端与电容C4并联。

所述的功率单元具有上电自充电功能，所述的交流侧接触器K上并联有电阻R。

该方法用于电气化铁路供电系统的无功功率、谐波电流和负序电流的补偿。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)补偿负序电流，降低负序电流对电网的污染；

2)降低母线电压损失，提高电网电压水平；

3)补偿无功功率，提高功率因数；

4)补偿谐波电流，降低谐波电流对电网的污染。

附图说明

图1是一种用SVG平衡电气化铁路单相负荷的方法的结构原理图；

图2是SVG的系统结构图。

具体实施方式

下面结合附图详细叙述本发明的技术内容。

见图1，一种用SVG平衡电气化铁路单相负荷的方法，该方法采用两套结构相同的静止无功发生器SVG1、SVG2，分别与变压器T1、T2相连接，再分别接于低压侧的左右桥臂上，静止无功发生器SVG1、SVG2的直流侧通过电容C并联构成一个整体。静止无功发生器SVG1、SVG2还分别连接设于左右桥臂的固体滤波器FC1、FC2。根据具体情况，本发明的结构也可不设置固体滤波器FC1、FC2。

见图2，所述的静止无功发生器SVG1或SVG2采用两电平功率单元并联多重化的方式实现大容量和低开关波纹，采用功率单元标准模块化，便于管理和操作。功率单元输入端(交流侧)接于变压器低压侧，功率单元输出端(直流侧)接于直流母线，采用直流母线互联的形式构成整体结构。功率单元可采用IGBT或IGCT功率器件。

下面以IGBT功率器件为例，作如下说明。

见图2，IGBT1正负母线之间并联突波电容C1，IGBT2正负母线之间也并联突波电容C2，同时在正负母线之间的电力电容C4起到储能和稳定直流侧电压的作用。

所述的功率单元具有交流和直流故障隔离功能；通过在交流侧设有接触器K，在直流侧设有熔断器FU2来实现；接触器K一端连接电抗器输出端，接触器K另一端连接功率单元IGBT输入端；熔断器FU2接于电容器C4输出端。

所述的功率单元具有过压保护功能，过压保护器SPD连接熔断器FU1，两端与电容C4并联。

所述的功率单元具有上电自充电功能，通过在交流侧接触器K上并联电阻R来实现。

该方法用于电气化铁路供电系统的无功功率、谐波电流和负序电流的补偿。

下面对本发明的原理作如下叙述。

见图1，以α相供电臂为例，i_α、i_αL和i_αc分别为牵引变压器副边电流、负载电流和SVG补偿电流，三者有如下关系：

i_αL＝i_α+i_αc                                              (1)

其中，负载电流i_αL又可以分解为有功电流i_p、无功电流i_q以及谐波电流i_h等电流分量，即

i_αL＝i_p+i_q+i_h                                               (2)

从式(1)与(2)可以看出，只要能实时检测出负载电流i_αL中的各电流分量，并控制SVG功率单元输出相应的补偿电流，则可以实现无功电流补偿、谐波电流补偿以及综合补偿等功能：

①i_αc＝i_q：SVG实现无功电流补偿功能，此时电网电流i_α＝i_p+i_h；

②i_αc＝i_h：SVG实现谐波电流补偿功能，此时电网电流i_α＝i_p+i_q；

③i_αc＝i_q+i_h：SVG实现综合补偿功能，此时电网电流i_α＝i_p。

补偿负序电流时，SVG1和SVG2构成一个有机整体，以直流侧并联电容为中介，将不平衡电流从一个桥臂“分流”到另一桥臂，从而完成负序电流补偿功能。也就是说，假定一个极端情况，如果α相供电臂有列车通过，而β相供电臂无列车，可以近似认为

i_βL＝i_β＝0                                                (3)

而i_αL≠0                                                   (4)

并且，i_αL和i_βL相差很大，两个供电臂的电流就不相等，反应到110kV侧就会使三相的电流不相等，产生负序电流，严重影响电网电能质量。

此时，如果我们通过对SVG的控制，使

$i_{\mathrm{\αc}}=\frac{1}{2}{i}_{\mathrm{\αL}}=-i_{\mathrm{\βc}}=i_{\mathrm{\β}}:$

那么

$i_{\mathrm{\α}}=\frac{1}{2}{i}_{\mathrm{\αL}}$

而α相供电臂的负载电流i_αL不变。从而使110kV侧的三相电流基本相等，达到平衡负荷电流的目的。

本发明的方法已经过大量的研究和试验，用于电气化铁路供电系统的无功功率、谐波电流和负序电流的补偿，效果很好。

Claims (9)

1、一种用SVG平衡电气化铁路单相负荷的方法，其特征在于，该方法采用两套结构相同的静止无功发生器SVG1、SVG2，分别接于低压侧的左右桥臂上，且两套结构相同的静止无功发生器SVG1、SVG2的直流侧电容并联构成一个整体。

2、根据权利要求1所述的一种用SVG平衡电气化铁路单相负荷的方法，其特征在于，所述的两套结构相同的静止无功发生器SVG1、SVG2分别接于低压侧的左右桥臂，再分别连接设于左右桥臂的固体滤波器FC1、FC2。

3、根据权利要求1所述的一种用SVG平衡电气化铁路单相负荷的方法，其特征在于，所述的静止无功发生器SVG1或SVG2采用两电平功率单元并联多重化的方式实现大容量和低开关谐波，所述的功率单元采用标准模块形式，输入端接于变压器低压侧，输出端接于直流母线，采用直流母线互联的形式构成整体结构。

4、根据权利要求1所述的一种用SVG平衡电气化铁路单相负荷的方法，其特征在于，所述的功率单元采用IGBT或IGCT功率器件。

5、根据权利要求3所述的一种用SVG平衡电气化铁路单相负荷的方法，其特征在于，IGBT1正负母线之间并联突波电容C1，IGBT2正负母线之间也并联突波电容C2，同时在正负母线之间的电力电容C4起到储能和稳定直流侧电压的作用。

6、根据权利要求3所述的一种用SVG平衡电气化铁路单相负荷的方法，其特征在于，所述的功率单元具有交流和直流故障隔离功能；在交流侧设有接触器K，在直流侧设有熔断器FU2；接触器K一端连接电抗器输出端，接触器K另一端连接功率单元IGBT输入端；熔断器FU2接于电容器C4输出端。

7、根据权利要求3所述的一种用SVG平衡电气化铁路单相负荷的方法，其特征在于，所述的功率单元设有过压保护器SPD，过压保护器SPD连接熔断器FU1，两端与电容C4并联。

8、根据权利要求5所述的一种用SVG平衡电气化铁路单相负荷的方法，其特征在于，所述的功率单元具有上电自充电功能，所述的交流侧接触器K上并联有电阻R。

9、根据权利要求1所述的一种用SVG平衡电气化铁路单相负荷的方法，其特征在于，该方法用于电气化铁路供电系统的无功功率、谐波电流和负序电流的补偿。

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