CN101872981A - 一种电气化铁路电能质量补偿装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电气化铁路电能质量补偿装置,它包括一α相换流器桥臂,其通过电抗器(LA)连接牵引变压器的α相供电臂;α相换流器桥臂的一端通过直流正母线连接一电容的一端,另一端通过直流负母线连接另一电容的一端;两电容的另一端串接的中点作为中性点;中性点通过电抗器(LO)连接牵引供电中性线;直流正母线和负母线同时连接一β相换流器桥臂,β相换流器桥臂通过电抗器(LB)连接牵引变压器的β相供电臂;牵引供电中性线与α或β相换流器桥臂构成的单相电路连接牵引供电中性线与α或β相供电臂构成的单相电路,通过调节α或β相换流器桥臂的输出电压的幅值和相位,调控流经电抗器(LA)或(LB)的电流,对α或β相供电臂进行动态功率补偿和滤除谐波。本发明主要用于改善电气化铁路供电网络的电能质量,也可用于类似的单相供电网络。

Description

一种电气化铁路电能质量补偿装置
技术领域
本发明涉及一种电气化铁路电能质量补偿装置。
背景技术
电气化铁路(以下均简称“电铁”)是大功率的单相负荷,容易引起牵引变压器高压侧三相电压不平衡。而且我国电铁的规模越来越大,机车功率越来越高,引起的不平衡问题也越来越突出,大量负序电流注入电网,经常会影响电网的安全运行。为了治理电铁负荷引起的三相不平衡问题,必须考虑合理的补偿方案。使用SVC(Static Var Compensator,静止无功补偿器)和STATCOM(Static Synchronous Compensator,静止同步补偿器)时,除了可以补偿电铁的无功功率之外,还要再额外发出大量的无功功率,才能间接弥补电铁的单相有功功率造成的不平衡。实际上,如果能够使牵引变压器两个供电臂之间直接进行有功交换,那么补偿装置的容量可以降低约三分之一,比如背靠背的换流器能够实现这种功能。2000年,意大利研究者对两相换流器补偿电铁单相负荷进行了控制原理的研究。2001年,日本新干线开始采用两个单相换流器背靠背的方案(如图1所示),研制了电铁补偿装置,称之为电铁功率调节器(Railway Power Conditioner,RPC)。RPC在提供动态无功功率的同时,通过换流器的公共直流侧直接传输有功功率,以较小的补偿容量获得了良好的补偿效果。2002年,我国学者提出一种采用三相桥换流器改善牵引电网电能质量的方案(如图2所示);2008年,我国学者又提出了一种基于链式换流器的电铁功率补偿方案(如图3所示),这两种方案均可以等效为背靠背的拓扑,并具备与RPC相同的功能。
可是,上述几种补偿方案,都必须配置两台变压器,以连接换流器和两个供电臂。所有补偿的无功功率和有功功率均须通过变压器才能在换流器与供电臂之间流动,所以每台变压器的容量必须大于等于补偿的视在功率。这样,变压器及其保护元件在补偿装置的成本中无疑占了相当大的比重。而且,变压器也会增加补偿装置的占地面积,降低其运行效率。然而,基于换流器的电铁补偿方案的发展过程当中,无变压器的电铁补偿方案却一直未曾有人提及。
发明内容
针对上述问题,本发明的目的是提供一种不需要变压器,且能够综合补偿电铁负荷的动态无功、谐波和不平衡的电气化铁路电能质量补偿装置。
本发明采取以下技术方案:一种电气化铁路电能质量补偿装置,其特征在于:它包括一α相换流器桥臂,其通过一电抗器(LA)连接牵引变压器的α相供电臂;所述α相换流器桥臂的一端通过直流正母线连接一电容的一端,另一端通过直流负母线连接另一电容的一端;所述两电容的另一端串接,且所述两电容的中点作为中性点;所述中性点通过一电抗器(LO)连接牵引供电中性线;所述直流正母线和负母线同时连接一β相换流器桥臂,所述β相换流器桥臂通过一电抗器(LB)连接所述牵引变压器的β相供电臂;所述牵引供电中性线与α或β相换流器桥臂构成的单相电路连接到所述牵引供电中性线与α或β相供电臂构成的单相电路,通过调节所述α或β相换流器桥臂的输出电压的幅值和相位,调控流经所述电抗器(LA)或(LB)的电流,对所述α或β相供电臂进行动态功率补偿和滤除谐波。
所述α、β相换流器桥臂分别包括四电力电子器件阀组和两功率二极管阀组,由四所述电力电子器件阀组构成的串联电路一的两端分别连接所述直流正母线P和负母线N,第二、三所述电力电子器件阀组之间的导线上一点分别通过所述电抗器(LA)或(LB)连接所述牵引变压器的α或β相供电臂;第二、三所述电力电子器件阀组两端并联由所述两功率二极管阀组构成的串联电路二,所述两功率二极管阀组之间通过导线连接所述中性点。
所述α、β相换流器桥臂中的每一所述电力电子器件阀组分别由若干个可关断电力电子器件串联组成,且每一所述电力电子器件同步开通和关断。
所述α、β相换流器桥臂中的每一功率二极管阀组由若干个功率二极管串联组成,且每一所述功率二极管同步导通和截止。
若每一电容器的电压均为UC,所述α、β相换流器桥臂中,当第一、二所述电力电子器件阀组为开通状态,且第三、四所述电力电子器件阀组为关断状态时,所述α、β相换流器桥臂的输出电压为UC;当第三、四所述电力电子器件阀组为开通状态,且第一、二所述电力电子器件阀组为关断状态时,所述α、β相换流器桥臂的输出电压为-UC;当第二、三所述电力电子器件阀组为开通状态,且第一、四所述电力电子器件阀组为关断状态时,所述α、β相换流器桥臂的输出电压为0。
本发明由于采取以上技术方案,其具有以下优点:1、由于本发明将两电容器连接在直流母线中的正母线和负母线之间,将α相换流器桥臂和β相换流器桥臂分别并联在直流母线两端,且α或β相换流器桥臂分别通过一电抗器连接牵引变压器的α或β相供电臂,再将两电容器之间直流母线上的中点通过一电抗器连接牵引供电中性线,牵引供电中性线与α或β相换流器桥臂构成的单相电路连接到牵引供电中性线与α或β相供电臂构成的单相电路,通过调节α或β相换流器桥臂的输出电压和输出电流,对α或β相供电臂进行动态功率补偿和滤除谐波,本发明节省了至少一个换流器桥臂,显著降低了换流器造价和占地面积。2、由于本发明的α、β相换流器桥臂分别采用的四电力电子器件阀组和两功率二极管阀组,由四电力电子器件阀组构成的出联电路一并联在在直流母线两端,第二、三电力电子器件阀组之间的导线上一点分别通过电抗器连接牵引变压器的α、β相供电臂,第二、三电力电子器件阀组两端并联由两功率二极管阀组构成的串联电路二,两功率二极管阀组之间通过导线连接两电容器之间直流母线上的中点,因此直流侧中点电位的控制比较容易,从而避免了多个电容器的均压控制。3、由于本发明中的α、β相换流器桥臂中的每一电力电子器件阀组分别由若干个可关断电力电子器件串联组成,且每一电力电子器件同步开通和关断,每一功率二极管阀组分别由若干个功率二极管串联组成,且每一功率二极管同步导通和截止,因此尽管单个电力电子器件和功率二极管的耐压通常不超过几千伏,而串联后的电力电子器件阀组和功率二极管阀组的耐压可达几十乃至几百千伏,从而可以直接接入中高压电网,比已有的方案节省了两台大容量变压器,显著降低了换流器造价和占地面积。4、由于本发明中采用基于串联阀组的三电平结构,只有三种有效工作状态,使得补偿装置的控制变得非常简单、可靠。本发明主要用于改善电气化铁路供电网络的电能质量,也可用于类似的单相供电网络。
附图说明
图1是RPC的拓扑结构示意图
图2是采用三相桥换流器进行电铁补偿的拓扑示意图
图3是基于链式换流器的电铁功率补偿装置的拓扑示意图
图4是基于MMC的背靠背换流器拓扑示意图
图5是本发明的结构示意图
图6是本发明中电力电子器件阀组的结构示意图
图7是本发明中功率二极管阀组的结构示意图
图8是本发明β相换流器桥臂的第一种状态下的电路图
图9是本发明β相换流器桥臂的第二种状态下的电路图
图10是本发明β相换流器桥臂的第三种状态下的电路图
图11是本发明β相换流器桥臂输出的单相电压随时间变化的波形图
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图5所示,本发明包括一α相换流器桥臂1,其通过一电抗器LA连接牵引变压器的α相供电臂2。α相换流器桥臂1的一端通过直流正母线P连接一电容C1的一端,另一端通过直流负母线N连接一电容C2的一端。电容C1与C2的另一端串接,且二者串接的中点O作为中性点,中性点O通过一电抗器LO连接牵引供电中性线3。直流正母线P和负母线N同时连接一β相换流器桥臂4,β相换流器桥臂4通过一电抗器LB连接牵引变压器的β相供电臂5。α相换流器桥臂1和β相换流器桥臂4共用直流侧的电容器C1和C2,形成“背靠背”方式的连接。
其中:α相换流器桥臂1包括电力电子器件阀组SAi和功率二极管阀组DAj,i=1~4,j=1、2。SA1、SA2、SA3和SA4构成的串联电路一的两端分别连接直流正母线P和负母线N。电力电子器件阀组SA2和SA3之间的导线上一点M通过电抗器LA连接牵引变压器的α相供电臂2。电力电子器件阀组SA2和SA3两端并联由功率二极管阀组DA1和DA2构成的串联电路二,功率二极管阀组DA1与DA2之间通过导线连接中性点O。
β相换流器桥臂4包括电力电子器件阀组SBi和功率二极管阀组DBj,i=1~4,j=1、2。SB1、SB2、SB3和SB4构成的串联电路三的两端分别连接直流正母线P和负母线N。电力电子器件阀组SB2和SB3之间的导线上一点Q通过电抗器LB连接牵引变压器的β相供电臂5。电力电子器件阀组SB2和SB3两端并联由功率二极管阀组DB1和DB2构成的串联电路四,功率二极管阀组DB1和DB2之间通过导线连接中性点O。
如图6、图7所示,本发明的每一电力电子器件阀组SA1~SA4和SB1~SB4分别由n个可关断电力电子器件Ti串联组成,i=1~n,串联的n个电力电子器件Ti同步开通和关断,每一电力电子器件阀组SAi和SBi的耐压是单个可关断电力电子器件耐压的n倍。单个电力电子器件的耐压通常不超过几千伏,而串联后的电力电子器件阀组SAi和SBi的耐压可达几十乃至几百千伏。每一功率二极管阀组DAj和DBj分别由m个功率二极管Di串联组成,i=1~m,串联的m个功率二极管Di同步导通和截止,功率二极管阀组DAj和DBj的耐压是单个功率二极管耐压的m倍。也就是说,用串联阀组构成的换流器,具有很高的耐压水平,可以直接接入中高压电网。
牵引供电中性线3与α相换流器桥臂1构成的单相电路连接到牵引供电中性线3与α相供电臂2构成的单相电路,通过调节α相换流器桥臂1的输出电压的幅值和相位,可以调控流经电抗器LA的电流,从而可以对α相供电臂2进行动态功率补偿和滤除谐波。同样,牵引供电中性线3与β相换流器桥臂4构成的单相电路连接到牵引供电中性线3与β相供电臂5构成的单相电路,通过调节β相换流器桥臂4的输出电压的幅值和相位,可以调控流经电抗器LB的电流,从而可以对β相供电臂5进行动态功率补偿和滤除谐波。以β相换流器桥臂4为例,其有效工作状态包括三种。假设电容器C1和C2的电压均为UC,以“0”表示电力电子器件阀组的关断,以“1”表示电力电子器件阀组的开通,那么,β相换流器桥臂4的工作状态如下表所示。
  各阀组状态 SB1=1,SB2=1,SB3=0,SB4=0(图8)   SB1=0,SB2=0,SB3=1,SB4=1(图9)   SB1=0,SB2=1,SB3=1,SB4=0(图10)
  输出单相电压 UC   -UC   0
如图11所示,当按照基波正弦规律调制β相换流器桥臂4中电力电子器件阀组SBi的开关信号时,β相换流器桥臂4输出的单相电压如图11所示,其中基波分量占主要成分。通过适当调整β相换流器桥臂4输出电压的幅值和相位,则可以控制流过电抗器LB的电流的幅值和相位,从而实现对β相供电臂5的无功补偿和滤波。具体为:当流过电抗器LB的电流的相位滞后于β相换流器桥臂4输出电压时,β相换流器桥臂4向β相供电臂5提供感性无功;当流过电抗器LB的电流的相位超前于β相换流器桥臂4输出电压时,β相换流器桥臂4向β相供电臂5提供容性无功;当流过电抗器LB的谐波电流的幅值和相位与负载谐波电流的幅值和相位相同时,就滤除了β相供电臂5中的谐波。当β相换流器桥臂4输出电压基波分量的相位滞后于β相供电臂5的基波电压相位时,β相供电臂5就向直流侧电容器注入有功功率;当β相换流器桥臂4输出电压基波分量的相位超前于β相供电臂5的基波电压相位时,β相供电臂5就从直流侧电容器提取有功功率。
α相换流器桥臂的工作原理与β相相同,因此不再重复阐述。
因此,当α相供电臂2和β相供电臂5的有功负荷不平衡时,α相换流器桥臂1和β相换流器桥臂4可以通过公共直流侧双向传输有功,使得轻载供电臂承担重载供电臂的部分有功负荷,从而实现α相供电臂2和β相供电臂5有功负荷均衡。例如,α相供电臂2的负载比β相供电臂5的负载多P,则令β相换流器桥臂4输出电压基波分量的相位滞后于β相供电臂5的电压相位,β相供电臂5将有功功率P/2注入直流侧电容器;同时,令α相换流器桥臂1输出电压基波分量的相位超前于α相供电臂2的电压相位,α相供电臂2从直流侧电容器提取有功功率P/2。于是,α相供电臂2承担的负载减少了P/2,而β相供电臂5承担的负载增加了P/2,从而α相供电臂2和β相供电臂5的负载达到均衡。反之亦然。
上述各实施例中,各部件的结构、设置位置、及其连接都是可以有所变化的,在本发明技术方案的基础上,对个别部件进行的改进和等同变换,不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (7)

1.一种电气化铁路电能质量补偿装置,其特征在于:它包括一α相换流器桥臂,其通过一电抗器(LA)连接牵引变压器的α相供电臂;所述α相换流器桥臂的一端通过直流正母线连接一电容的一端,另一端通过直流负母线连接另一电容的一端;所述两电容的另一端串接,且所述两电容的中点作为中性点;所述中性点通过一电抗器(LO)连接牵引供电中性线;所述直流正母线和负母线同时连接一β相换流器桥臂,所述β相换流器桥臂通过一电抗器(LB)连接所述牵引变压器的β相供电臂;
所述牵引供电中性线与α或β相换流器桥臂构成的单相电路连接到所述牵引供电中性线与α或β相供电臂构成的单相电路,通过调节所述α或β相换流器桥臂的输出电压的幅值和相位,调控流经所述电抗器(LA)或(LB)的电流,对所述α或β相供电臂进行动态功率补偿和滤除谐波。
2.如权利要求1所述的一种电气化铁路电能质量补偿装置,其特征在于:所述α、β相换流器桥臂分别包括四电力电子器件阀组和两功率二极管阀组,由四所述电力电子器件阀组构成的串联电路一的两端分别连接所述直流正母线P和负母线N,第二、三所述电力电子器件阀组之间的导线上一点分别通过所述电抗器(LA)或(LB)连接所述牵引变压器的α或β相供电臂;第二、三所述电力电子器件阀组两端并联由所述两功率二极管阀组构成的串联电路二,所述两功率二极管阀组之间通过导线连接所述中性点。
3.如权利要求1所述的一种电气化铁路电能质量补偿装置,其特征在于:所述α、β相换流器桥臂中的每一所述电力电子器件阀组分别由若干个可关断电力电子器件串联组成,且每一所述电力电子器件同步开通和关断。
4.如权利要求2所述的一种电气化铁路电能质量补偿装置,其特征在于:所述α、β相换流器桥臂中的每一所述电力电子器件阀组分别由若干个可关断电力电子器件串联组成,且每一所述电力电子器件同步开通和关断。
5.如权利要求1或2或3或4所述的一种电气化铁路电能质量补偿装置,其特征在于:所述α、β相换流器桥臂中的每一功率二极管阀组由若干个功率二极管串联组成,且每一所述功率二极管同步导通和截止。
6.如权利要求1或2或3或4所述的一种电气化铁路电能质量补偿装置,其特征在于:若每一电容器的电压均为UC,所述α、β相换流器桥臂中,当第一、二所述电力电子器件阀组为开通状态,且第三、四所述电力电子器件阀组为关断状态时,所述α、β相换流器桥臂的输出电压为UC;当第三、四所述电力电子器件阀组为开通状态,且第一、二所述电力电子器件阀组为关断状态时,所述α、β相换流器桥臂的输出电压为-UC;当第二、三所述电力电子器件阀组为开通状态,且第一、四所述电力电子器件阀组为关断状态时,所述α、β相换流器桥臂的输出电压为0。
7.如权利要求5所述的一种电气化铁路电能质量补偿装置,其特征在于:若每一电容器的电压均为UC,所述α、β相换流器桥臂中,当第一、二所述电力电子器件阀组为开通状态,且第三、四所述电力电子器件阀组为关断状态时,所述α、β相换流器桥臂的输出电压为UC;当第三、四所述电力电子器件阀组为开通状态,且第一、二所述电力电子器件阀组为关断状态时,所述α、β相换流器桥臂的输出电压为-UC;当第二、三所述电力电子器件阀组为开通状态,且第一、四所述电力电子器件阀组为关断状态时,所述α、β相换流器桥臂的输出电压为0。
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