CN101635461A

CN101635461A - 注入式混合有源滤波器与静止无功补偿器联合补偿系统

Info

Publication number: CN101635461A
Application number: CN200910043552A
Authority: CN
Inventors: 罗安; 马伏军; 吴传平; 徐先勇; 方璐; 杨晓; 王文; 孙娟
Original assignee: Hunan University
Current assignee: Hunan University
Priority date: 2009-05-31
Filing date: 2009-05-31
Publication date: 2010-01-27

Abstract

本发明公开了一种注入式混合有源滤波器与静止无功补偿器联合补偿系统。它由注入式混合有源电力滤波器和静止无功补偿器构成，其中注入式混合有源电力滤波器由不可控整流桥、逆变器、输出滤波电抗器、耦合变压器、注入支路和高通滤波器构成，注入支路中第一电容(C₁)和第一电感(L₁)构成基波谐振电路，并与注入电容(C_F)构成3次谐振注入支路，第二电容(C_G)、第二电感(L_G)和电阻(R_G)构成二阶阻尼高通滤波器，静止无功补偿器为晶闸管控制电抗器，注入电容(C_F)的输出端接高通滤波器及静止无功补偿器，并与电网相连。本发明在电气化牵引系统的两个供电桥臂均安装一套补偿系统可以实现对电气化铁路中的无功、谐波和负序的综合治理。

Description

注入式混合有源滤波器与静止无功补偿器联合补偿系统

技术领域

本发明涉及一种供电补偿系统，特别涉及一种注入式混合有源滤波器与静止无功补偿器联合补偿系统。

背景技术

电气化铁路供电系统的负载是电力机车，电气化铁路目前大部分使用交一直-交(AC-DC-AC)型电力机车，由于机车的功率大，速度、负载状况变化频繁，使得电力牵引负荷波动范围很大，故电力牵引负荷是一个很大的谐波源，供电臂上的谐波电流畸变率25％-30％，且每台机车的功率很大，以SS4型机车为例，功率达6400kW。同一供电臂上经常运行2台甚至3台机车，其谐波电流幅值很大，向电力系统注入大量的谐波电流。其负荷电流大幅度剧烈波动，一般电力机车的电流很难保持30s平稳不变，有时甚至在短时间内突然由零变为满负荷或相反。负荷的波动性使牵引变电所及牵引网上的电压发生波动，造成牵引供电设备的容量利用率降低，而且正常电压范围内，可认为牵引变电所各供电臂的电流具有单相独立性，但相对三相系统而言，牵引负荷具有不对称性，产生大量负序电流。因此，功率因数低、谐波随机性大和通过牵引变电所向电力系统注入波动的负序电流即为电力牵引的自身具有的三大技术难题，这不仅使牵引供电系统自身的技术指标变差，还使系统电能质量受到影响。

目前常用的电气化铁路无功补偿和谐波治理设备有固定并联电容器组和LC滤波器等无源设备，但它们不能根据负载情况实时调节无功，在使用中常出现欠补偿或过补偿。同时，LC滤波器存在滤波效果取决于电网阻抗和易与电网阻抗发生谐振的缺点。注入式有源滤波器由于其有源部分不承受基波电压，大大降低了其容量，能进行大容量的谐波治理，但不能动态调节无功。静止无功补偿器SVC能动态调节无功，其中晶闸管控制电抗器TCR以其性价比被认为无功补偿的最佳装备，并以其响应快的特点有效解决了电压波动的问题，而且还可以通过分相调节对不对称负荷进行平衡化以消除负序分量。但由于其本身也是谐波源，给供电系统带来了谐波。

发明内容

为了解决电气化铁路供电系统的负序与谐波综合补偿存在的上述问题，本发明提供一种注入式混合有源滤波器与静止无功补偿器联合补偿系统。本发明可对电气化铁路中的无功、谐波和负序进行综合治理。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：由注入式混合有源电力滤波器和静止无功补偿器构成，其中注入式混合有源电力滤波器由不可控整流桥、逆变器、输出滤波电抗器、耦合变压器、注入支路和高通滤波器构成，注入支路中第一电容和第一电感构成基波谐振电路，并与注入电容构成3次谐振注入支路，第二电容、第二电感和电阻构成二阶阻尼高通滤波器，静止无功补偿器为晶闸管控制电抗器，注入电容的输出端接高通滤波器及静止无功补偿器，并与电网相连。

本发明的技术效果在于：

1、本发明中的注入式有源滤波器主要承受谐波电压而不承受系统基波电压，流入的基波电流很少，因而有利于减小有源滤波器的容量，降低成本。同时，利用注入电容与谐振支路形成3次滤波支路，用来滤除负载中含量较高的三次谐波。

2、本发明中的二阶阻尼高通滤波器可滤除有源滤波器和负载机车中的高频谐波，进一步改善滤波效果。

3、晶闸管控制电抗器可进行无功动态调节。将晶闸管控制电抗器和有源滤波器结合起来，能对电气化铁路中的谐波、无功与负序进行动态优化补偿。

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

附图说明

图1是电气化牵引系统中的联合补偿系统连接框图。

图2是单桥臂联合补偿系统具体结构图。

图3是联合补偿系统负序补偿原理图。

具体实施方式

如图1所示，为电气化牵引系统中的联合补偿系统的连接图。考虑到电气化铁路牵引系统的结构特点和机车运行工况，为了到达无功、负序和谐波的优化综合治理的目的，采取在牵引系统的两个供电桥臂均安装一套联合补偿系统。

参见图2，本发明的联合补偿系统是由注入式混合有源电力滤波器和静止无功补偿器(SVC)构成，它们均接于牵引供电系统电源1下。其中注入式混合有源电力滤波器由单独注入式有源电力滤波器4和高通滤波器2构成。单独注入式有源电力滤波器包括三相不可控整流桥、逆变器，输出滤波电抗器L_o，耦合变压器，电容C₁和电感L₁构成基波谐振电路，并与注入电容C_F构成3次谐振注入支路，高通滤波器由电容C_G、电感L_G和电阻R_G构成，SVC为晶闸管控制电抗器3(TCR)。注入式混合有源电力滤波器的有源部分通过耦合变压器与基波串联谐振电路并后再通过注入电容C_F接入电网，由于基波谐振电路的存在使逆变器有源部分基本不承受基波电压，这样大大减小了有源滤波器的容量。注入式混合有源电力滤波器抑制电力机车负载中的谐波和晶闸管控制电抗器产生的谐波，其中高通滤波器主要滤除部分高次谐波并提供无功静态补偿，注入电容提供无功静态补偿；晶闸管控制电抗器进行无功动态调节。因此，该系统兼顾SVC和APF的优势，能对电气化铁路中的谐波、无功与负序进行动态优化补偿。

根据大部分电气化铁路牵引系统的两个牵引桥臂特点，故牵引系统运行时存在两种情况：只有一桥臂有机车；两桥臂都有机车。针对这两种情况，为了到达无功、负序和谐波的优化综合治理的目的，分别采取两种不同运行方式。

当只有一个牵引桥臂有机车时，此时目标利用注入式混合有源电力滤波器与静止无功补偿器联合补偿装置实现该桥臂无功与谐波的动态综合治理。现在注入式有源滤波器已经很成熟，通过采用合适的控制策略与控制算法能使逆变器的输出迅速、准确地跟随参考信号的变化对负载谐波电流具有很强的抑制能力，使系统具有实时性强、精度高，同时还具有良好的自适应性和鲁棒性。同时，系统根据负载无功需求迅速计算出TCR所需投入的等效电纳，通过调节晶闸管的导通延迟角使其呈现出相应的等效感抗，达到快速连续调节无功的目的。故通过对注入式混合有源电力滤波器和TCR采用合适的控制策略，就可以实现对单桥臂无功与谐波的动态综合补偿。

如图3所示，为采用V/V牵引变压器时SVC补偿负序矢量关系图。当两牵引桥臂都有机车时，在牵引变压器两桥臂下分别安装一套联合补偿装置通过合理的调节手段来实现谐波、负序和无功的优化综合治理。利用注入式有源滤波器进行动态谐波抑制，而又利用两桥臂的SVC动态进行无功与负序补偿。负序电流的大小取决于两供电臂牵引负荷功率大小以及牵引变压器接法，当采用V/V牵引变压器时，即使两供电臂都有电力机车且两机车有功功率相等时，负序电流与正序电流比大约为1/2。

根据电气化高速铁路机车的实时运行情况，可以认为机车为阻感性负载，且两桥臂的阻抗值近似相等。根据V/V牵引变压器的特性，可知两牵引臂电压U_α、U_β分别与原边线电压U_AC、U_BC同相位，且有补偿前原边电流I_A，I_B与两牵引臂电流I_α、I_β相角相同，幅值为后者的1/K(K为牵引变压器变比)，并有I_α、I_β分别滞后于两桥臂电压U_α、U_β一定的角度。

I_A，I_B分别为SVC补偿之前的牵引变压器原边A、B两相电流，此时I_A和I_B相角差是60°，此时根据矢量叠加可得C相电流I_C＝-(I_A+I_B)，此时三相电流严重不对称。

I′_Ca、I′_Cβ分别为两桥臂SVC补偿电流折算到牵引变压器原边A、B两相的等效容性无功电流和感性无功电流，并分别于电压向量U_α、U_β垂直。

I′_A，I′_B分别为SVC补偿之后牵引变压器原边A、B两相实时电流，在α臂注入容性电流，使得电流超前于电压一定角度，β臂注入感性电流，使得电流滞后于电压一定角度，补偿后使I_A′超前I_B′120°，并有两相电流幅值相等时，根据矢量叠加可得I′_C，可知此时三相电流完全对称，负序电流为0。

可见，为使得V/V牵引变压器原边三相电流对称，要求变压器二次侧等效负荷电流接近相等，两桥臂电流相角相差接近120°，尤其当两桥臂电流幅值相等，且两桥臂功率因数角满足对于负序电流补偿而言，此时达到最佳效果，但是SVC容量需求比较大，因为相角移动较大，所需的无功电流比较大，同时，两供电臂功率因数比较低(cos30°＝0.866)。在工程应用时，通常我们取功率因数为0.94，此时功率因数角

负序电流大大减小，不平衡度变为0.268，因此我们需根据实际情况在不平衡度、两桥臂功率因数和SVC容量三者中进行折衷考虑。根据V/V牵引变压器的特点及负序补偿的要求，α臂需要较大容性电流，为了校正滞后的机车感性电流这使得α臂的注入电容的容量设计更大一些来提供足够量的容性无功，再通过TCR对相角微调使得补偿电流超前于桥臂电压一定角度。相对而言，为了扩大两桥臂的电流相角差来补偿负序，此时β臂机车感性负载电流已经滞后故只需注入适量的感性电流即可，这使得β臂的注入电容的容量设计相对小很多(只需考虑单机车时无功补偿的需求)，再通过合理调节TCR使得补偿电流滞后于桥臂电压一定角度。因此我们利用注入式混合有源电力滤波器来实现谐波的动态抑制，而又可以动态调节SVC来补偿无功，从而使两桥臂调整得到合适的功率因数角来实现无功与负序综合补偿的目的。

Claims

1、一种注入式混合有源滤波器与静止无功补偿器联合补偿系统，其特征在于：由注入式混合有源电力滤波器和静止无功补偿器构成，其中注入式混合有源电力滤波器由不可控整流桥、逆变器、输出滤波电抗器、耦合变压器、注入支路和高通滤波器构成，注入支路中第一电容(C₁)和第一电感(L₁)构成基波谐振电路，并与注入电容(C_F)构成3次谐振注入支路，第二电容(C_G)、第二电感(L_G)和电阻(R_G)构成二阶阻尼高通滤波器，静止无功补偿器为晶闸管控制电抗器，注入电容(C_F)的输出端接高通滤波器及静止无功补偿器，并与电网相连。