CN101882788A - 一种重载铁路长供电臂末端网压提高方法及装置 - Google Patents

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Abstract

一种重载铁路长供电臂末端网压提高方法及装置，其特征在于：在SCOTT主变压器的出线端装入直挂式TCR型SVC，同时在长供电臂的末端的自耦变压器端装有降压式多组TSC，对供电臂的末端采用将压式分组TSC的方式进行补偿，从而改善末端网压。在重载铁路AT供电系统中设有SCOTT变压器，SCOTT变压器具有T座和M座出线端，在SCOTT变压器的T座和M座出线端装有一套由一个TCR支路和FC1、FC2两个电容支路组成的SVC装置，其中FC1、FC2完全相同，可以确保一套检修时整个SVC可以降额补偿；同时在上行线装有降压TSC组，分别设为3、5次滤波支路；其中上行线为重载爬坡线，下行线为下坡线。

Description

一种重载铁路长供电臂末端网压提高方法及装置
技术领域
本发明涉及到一种电力输送方式及装置，尤其是指一种重载铁路长供电臂末端网压提高方法及装置，国际专利分类号为B61F05/02，主要用于重载轨道交通输配电系统中。
背景技术
随着我国国民经济的高速发展，对铁路运输能力不断提出更高的要求，也使得电气化铁道牵引负荷持续增长。不少线路，重负荷条件下牵引网电压水平过低，影响列车的正常牵引运行，限制了运量进一步增长。
在牵引网中，并联自耦变压器形成AT供电方式，相对其他供电方式有电压、功率损失较少，供电距离更长的特点，因此我国重载线很多处采用了这种供电方式，如我国西煤东运的大秦、神朔线。但是随着运量的日益剧增，导致行车密度和单车功率增加，这使得长供电臂的电压损失大大增加，出现在长供电臂的末端已经低于机车运行最低电压19KV而引起的停车现象。通过对长供电臂末端电压跌落的原因进行的分析，得出造成电压损失主要原因为无功功率电流在感抗上的电压降造成。而这种电压降在物理上可分为：无功电流在系统阻抗和变电站主变压器阻抗上的电压的损失，简称系统电压损失，和无功电流在接触网电压损失。
目前，解决牵引网电压水平过低的办法有增大牵引变电所进线的系统短路容量和更换大容量的牵引变压器，但这并没有从根本上解决电压损失，而且涉及到与电力系统的相互配合和主变压器的更换，代价大。而考虑通过从牵引供电系统内部找到一种科学合理的调压策略，解决网压过低的问题是一种投资小、见效快的方案，并可实现在调节电压的同时可兼顾补偿功率因数和负序电流。因此目前提出对牵引变电所进行无功功率补偿的方法越来越多，但其主要目的是提高功率因数至0.9以上，以避免电力系统的罚款。典型的有在变压器的出线端安装FC或者SVC的方式提高网压。以下论文是与本方案相近的方案：
①《牵引供电臂末端电压偏低的原因分析及解决方案》主要是针对接触网的电压损失进行了分析，并提出“为了从根本上解决供电臂末端电压偏低的问题，本人认为最根本的办法应该从接触网结构和材料上下功夫”的方法。
②《翼城AT牵引变电所动态无功补偿的探讨与实践》针对重载电气化铁道AT供电牵引变电所功率因数不达标的问题，提出了牵引变压器出线端安装磁阀式可控电抗器以调节无功功率，达到提高功率因数的目的。
③《大秦线延庆-下庄供电臂电压偏低的解决方案》针对大秦电气化铁道运量增加后，延庆-下庄供电臂电压偏低的问题，提出了改造延庆-下庄接触网设备、在延庆变电所及下庄分区亭增设增压变压器和动态电容补偿装置的综合改造方案，以提高延庆-下庄供电臂电压偏低的问题。其中动态电容补偿装置为多组电容器机械分组投切(MSC)。
④《基于DSP的晶闸管控制牵引网自动调压器设计》是变压器调压的一种，和主变压器分接头无载调压、有载调压变压器的原理一样，不过是利用晶闸管控制串联变压器型(TCST)牵引网调压器，以期达到更好的调压效果。
为了提高供电臂末端网压，上述的论文①～④进行了相关研究，其中论文①主要是对接触网阻抗、电抗导致的电压将进行了分析，提出的是改造接触网结构和材料的方法。这种方法是通过减少接触网的阻抗来减少接触网的电压损失，但这不能消除无功电流导致的电压损失，更没有考虑变压器和系统阻抗的电压损失，而这却是电压损失的主要部分。论文②是以补偿功率因数为目标的无功补偿，其补偿装置安装在变压器出线端，补偿功率因数的同时对网压有改善，而且没有对接触网的电压损失进行全面补偿，所以对供电臂的末端网压的改善作用有限。同时其所用的补偿装置是磁阀式可控电抗器，其响应时间慢，在机车突变时间对电压的补偿效果不明显。论文③分析计算了大秦线延庆～下庄供电臂电压偏低的原因，提出了造成接触网、增设增压变压器和在供电臂末端增设多组电容器机械分组投切(MSC)装置。这种方式主要考虑从供电设备上进行改造，虽然提出了在末端进行电容补偿的方案，但其采用机械分组投切电容器的方法，不能实时补偿，电压的补偿效果差。论文④分析了供电臂网压低带来的问题，提出了基于DSP的晶闸管控制牵引网自动调压器的方式，但其本质是通过调节变压器的变比来调节其出线电压，而没有从电压损失的本质上来考虑。
因此现有的供电臂末端网压改善方法均没有全面考虑电压损失的补偿，很有必要对此加以改进。
发明内容
本专利发明所要解决的问题是：针对现有重载铁路长供电臂末端网压AT供电方式的电压损失治理方法的不足，提出一种在重载铁路AT供电系统中可以有效全面对造成网压损失的无功功率电流进行补偿，提高供电臂末端网压的方法及其装置。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的：一种重载铁路AT供电系统中提高供电臂末端网压的方法是在主变压器的的出线端设有直挂式TCR型SVC，同时在长供电臂的末端的自耦变压器端装有降压式多组TSC，对供电臂的末端采用将压式分组TSC的方式进行补偿，从而改善末端网压。这种方式既可以补偿系统阻抗和变电站主变压器阻抗上的电压损失也可以补偿接触网上的电压损失，从而补偿整个无功功率电力造成的电压损失。
根据上述方法所提出的重载铁路AT供电系统中提高供电臂末端网压装置是：一种重载铁路AT供电系统中提高供电臂末端网压的装置：在重载铁路AT供电系统的主变压器的出线端装有由TCR支路和两个电容支路组成的SVC装置，且两个电容支路完全相同，以确保一套检修时整个SVC可以降额补偿以避免无补偿导致的电压跌落。同时在上行线装有降压TSC组，分别设为3、5次滤波支路。其中上行线为重载爬坡线，下行线为下坡线，因此在上行线补偿可以减少流过AT的电流，滤波效果好。
本发明的优点在于：
1、提出了以在变压器出线端和供电臂末端以TCR&FC和多组TSC相结合的重载铁路长供电臂网压提高方法。
2、基于直挂式TCR型SVC结构是目前电压等级最高的直挂式SVC，其中最大的TCR的补偿容量为目前最大的单相单机补偿容量，所以可以使得长供电臂网压得到有效补偿。
3、在AT供电方式下，SCOTT牵引变压器的T座和M座同时装有该设备，对其进行联合控制，以负序电流为目标，在满足供电臂网压、功率因数为约束的优化控制目标，使得该装置在稳定接触网末端网压的同时，确保了功率因数大于0.9，并尽量减少了变电所的负序电流。
附图说明
图1、是AT供电方式下综合补偿示意图；
图2、是本发明的55kV直挂式TCR型SVC主电路图；
图3、是SCOTT电气量向量图；
图4、是本发明装置中光电隔离型55KV直挂式TCR阀的结构示意图；
图5、是本发明装置中光电隔离型55KV直挂式TCR阀的结构示意后视图；
图6、是本发明装置中光电隔离型55KV直挂式TCR阀的结构示意侧视图。
具体实施方式
附图给出了本发明的一个实施例，下面将结合附图对本发明作进一步的描述。
一种重载铁路AT供电系统中提高供电臂末端网压的方法，在重载铁路AT供电系统的SCOTT主变压器的55kV(或通过自耦变压器的中点限制电位，将其分解成两套27.5kV)出线端装入55kV直挂式TCR型SVC(或两套27.5kV直挂式TCR型SVC)，55kV直挂式TCR型SVC的主电路如附图2所示；同时在长供电臂的末端的自耦变压器端装有降压式多组TSC，对供电臂的末端采用将压式分组TSC的方式进行补偿，从而改善末端网压。这种方式既可以补偿系统阻抗和变电站主变压器阻抗上的电压损失也可以补偿接触网上的电压损失，从而补偿整个无功功率电力造成的电压损失。
实施例一
一种重载铁路AT供电系统中提高供电臂末端网压装置，在重载铁路AT供电系统中设有SCOTT变压器1，SCOTT变压器具有T座14和M座20两个出线端，在SCOTT变压器的T座14和M座20出线端分别装有一套由一个TCR支路15和FC1电容支路16、FC2电容支路17组成的SVC装置18和21，其中FC1电容支路16、FC2电容支路17完全相同，可以确保一套检修时整个SVC装置可以降额补偿。同时在上行线装有降压TSC组19，降压TSC组19分别设为3、5次滤波支路。其中上行线为重载爬坡线，下行线为下坡线，因此在上行线补偿可以减少流过AT的电流，滤波效果好。电路如图1所示，其中KM为负荷开关，AT1、AT2为变电所内的自耦变压器，AT3、AT4为供电臂末端的自耦变压器。
整个装置主要包括直挂式TCR可控硅堆和固定补偿电容，其中直挂式TCR可控硅堆可以是如附图4-6所示的光电隔离型55KV直挂式TCR可控硅堆组合形成；所述的光电隔离型55KV直挂式TCR可控硅堆是由42组元件84个6500V晶闸管组成的高压可控硅堆体结构，采用热管加风冷散热方式。其中整个可控硅堆体分为6个可控硅堆组，每个可控硅堆组是7个6500V晶闸管组的串联，然后由6个这样的阀体串联成型。
每一个直挂式TCR可控硅堆结构如附图4-6所示，通过附图4-6可以看出直挂式TCR可控硅堆主要包括晶闸管元件1、吸收电容3、均衡电阻4、散热器8，以及散热风机2，其中，散热风机2位于整个装置的底部，风口对上，在散热风机的上方通过带绝缘子的支架9支撑一个架框12，架框12内安装着各种功率器件；所述的各种功率器件包括多组晶闸管元件1、吸收电容3、均衡电阻4，多组晶闸管元件1由连接母排11相互连接；在支架上还装有用于控制的光电触发板5、过压保护板6、温度检测板7和脉冲分配板10；多组晶闸管元件1分上下两组排列，每一排为7个晶闸管元件，上下两个为一晶闸管组，7个晶闸管组通过连接母排11串联在一起(见附图4)。在晶闸管组的后面紧贴有散热器8(见附图6)，散热器8可以是热管散热器，或其它板式散热器；吸收电容3和均衡电阻4安装在散热器8与晶闸管组相对应的另一面，在吸收电容3和均衡电阻4下面的架框12上还排列有各种控制板(见附图5)，依次为脉冲分配板10光电触发板5、、过压保护板6和温度检测板7。
本实施例的控制原理如下：
1、TSC控制
TSC由安装在供电臂首端的TCR型SVC控制器根据供电臂的有功功率和TCR的电流的大小通过GPRS进行远程通讯控制其投切，以减少整个系统的空载损耗。因为当线路无车或者车比较轻时，供电臂末端的TSC发出的电流要经过整个长供电臂线路，造成线路损耗，而且TCR也因要补偿掉这一部分容性电流需要发出相应大小的感性电流，增大TCR的运行损耗。由于电力机车的有功功率和无功功率成正向关系，即有功功率增大，则无功功率也增大，所以可根据供电臂的有功功率Pall来控制投入TSC。而根据TCR支路电流来判断电容补偿是否过量，所以可检测的TCR支路电流Itcr和供电臂的有功功率对TSC进行切除：
①当Itcr＞I1；切5次TSC支路。
②当Itcr＞I2，5次TSC已经切除；切3次TSC支路。
③当Pall＞P1；投3次TSC支路。
④当Pall＞P2，投5次TSC支路。
①～④中的I1、I2、P1、P2根据实际经验值决定，其目标是使得装置的运行损耗最小。本项目中取值分别为700A、600A、15MW、24MW。
2、TCR控制
SCOTT两个座的TCR型SVC的控制以一个控制器进行控制，建立了以负序电流最小为目标，全所功率因数、各座电压为约束的无功功率控制模型。SCOTT电气量向量图如图3所示。
(1)负序电流
如图2所示，假设
Figure DEST_PATH_GSB00000054208600011
变压器的原边相电压，用表示原边相电流；
Figure DEST_PATH_GSB00000054208600013
为变压器T座、M座输出电压，用表示各座电流；
Figure DEST_PATH_GSB00000054208600015
Figure DEST_PATH_GSB00000054208600016
分别为T座、M座的功率因数角。其中变压器T座、M座的变比KT、KM为分别为
Figure DEST_PATH_GSB00000054208600017
和2。
Figure DEST_PATH_GSB00000054208600018
Figure DEST_PATH_GSB00000054208600019
Figure DEST_PATH_GSB00000054208600021
结合(1)～(3)，假设
Figure DEST_PATH_GSB00000054208600022
，则负序电流
Figure DEST_PATH_GSB00000054208600023
为：
Figure DEST_PATH_GSB00000054208600024
由(4)式可知，由于实际两座的电流有效值和功率因数不可能相等，因此负序电流存在。
(2)电压波动
为了保证机车的安全运行，需要确保每个供电臂的网压在可控的范围内波动。
假设变压器的原边、次边电抗为XS、XTM，由2图可知：
Figure DEST_PATH_GSB00000054208600025
Figure DEST_PATH_GSB00000054208600026
由于有
Figure DEST_PATH_GSB00000054208600027
Figure DEST_PATH_GSB00000054208600029
将(1)、(2)、(7)式代入(5)有：
Figure DEST_PATH_GSB000000542086000210
将(2)、(3)、(9)式代入(6)有：
Figure DEST_PATH_GSB000000542086000211
变压器的出线电压
Figure DEST_PATH_GSB000000542086000212
分别为：
Figure DEST_PATH_GSB000000542086000213
Figure DEST_PATH_GSB000000542086000214
联合(8)～(13)可得：
Figure DEST_PATH_GSB00000054208600031
Figure DEST_PATH_GSB00000054208600032
Figure DEST_PATH_GSB00000054208600035
Figure DEST_PATH_GSB00000054208600036
Figure DEST_PATH_GSB00000054208600037
则有(14)、(15)可知各座电压将为：
Figure DEST_PATH_GSB00000054208600039
(3)功率因数
T座、M座的负载的有功、无功分别为PT、QT和PM、QM，而T座、M座补偿的无功为QT、QM。由于变压器漏电抗消耗的无功相对较少，只要补偿的无功满足下式(18)即可满足供电部门的要求电力牵引负荷的功率因数要在0.9以上的要求。
P T + P M > 0.9 ( P T + P M ) 2 + ( Q T + Q M - ( Q t + Q m ) ) 2 . . . ( 18 )
(4)控制模型
为充分发挥补偿系统的作用，以通过对无功功率的控制使得在满足电压质量和高功率因数同时减少注入高压侧的负序电流，以全面改善其电能质量。根据上述分析可得到如下的无功控制的数学模型。
目标函数：负序电流有效值
Figure DEST_PATH_GSB00000054208600041
值最小，即：
Figure DEST_PATH_GSB00000054208600042
约束条件：
1)功率因数约束，即满足式(18)。
2)电压波动约束，即式(16)和式(17)的有效值在某范围内变化，式中Umax+、Umax-分别为允许电压变化的正向最大值和负向最小值。本文根据实际取Umax+＝5kV，Umax-＝-9kV。
Umax-≤ΔUT≤Umax+       (20)
Umax-≤ΔUM≤Umax+       (21)
其中，由采集的电压、负载电流和TCR电流可计算出有功、无功、电压，并用其表示IT、IM、
Figure DEST_PATH_GSB00000054208600043
因此式(18)～式(21)都可以用IT、IM、
Figure DEST_PATH_GSB00000054208600044
表示。
I T = [ P T 2 + ( Q T - Q t ) 2 ] / U T 2 . . . ( 22 )
I M = [ P M 2 + ( Q M - Q m ) 2 ] / U M 2 . . . ( 23 )
Figure DEST_PATH_GSB00000054208600047
综合式(18)～式(25)构成了一个以Qt、Qm为变量的多约束优化问题。通过求解Qt、Qm可得到每个TCR的触发角。
本发明的优点在于：
①AT供电方式的长供电臂下，55kV直挂式TCR型SVC和末端降压TSC相结合的补偿方式对系统阻抗、变压器阻抗、线路阻抗造成的压降进行了全面补偿。两端分散补偿可以减少补偿电流在长供电臂上的损耗。在供电臂首端设置55kV直挂式TCR型SVC，可以避免断开负荷开关时对TCR型SVC的操作，更不会已经负荷开关的跳闸引发的TCR型SVC过压等问题，减少了TCR型SVC与其他问题的耦合。在末端设置小容量的TSC可以补偿线路电压损失，虽然增加其容量其也可以补偿系统、变压器阻抗造成的电压损失，单这样补偿电流需要全部通过供电臂线路，这增重了牵引网负担，导致要增大牵引网的线径，同时造成了补偿电流在线路的损耗。
②通过TCR控制器检测供电臂有功功率和阀组电流对供电臂末端的TSC进行投切控制，可以使得补偿系统的运行损耗降到最低。因为若不对远方的TSC进行控制，则造成TSC发出的容性电流在线路的损耗，而且增加TCR要补偿这些容性电流的运行损耗。
③55kV直挂式TCR型SVC中，FC1和FC2设置为完全相同的两套，若其中一套检修不影响另一套，因此若一套检修整个TCR型SVC可以降额一半运行，不会因为TCR型SVC不能运行造成的补偿不当造成的线路停车现象。
④以SCOTT两个座的补偿装置建立了以负序电流最小为目标，功率因数和供电臂网压为约束的优化控制策略，在提高供电臂网压的同时兼顾了负序电流、功率因数、谐波滤除等电能质量的治理，充分发挥了补偿装置的作用。
术语解释：
TCR：Thyristor Controlled Reactor(晶闸管控制电抗器)
TSC：Thyristor Switched Capcitor(晶闸管控制电抗器)
FC：Fixed Capcitor(固定电容补偿)
AT：Autotransformer(自耦变压器)
SCOTT：Scott Connected Transformers(斯科特平衡变压器)
MSC：Mechanically Switched Capacitor(机械投切电容器)
SVC：Static var compensator(静止无功补偿装置)
GPRS：General Packet Radio Service(通用分组无线业务)

Claims (9)

1.一种重载铁路长供电臂末端网压提高方法，其特征在于：在重载铁路AT供电系统主变压器的出线端装入直挂式TCR型SVC，同时在长供电臂的末端的自耦变压器端装有降压式多组TSC，对供电臂的末端采用降压式分组TSC的方式进行补偿，从而改善末端网压。
2.如权利要求1所述的重载铁路长供电臂末端网压提高方法，其特征在于：所述的主变压器为55kV SCOTT主变压器；所述的直挂式TCR型SVC为55kV直挂式TCR型SVC。
3.如权利要求1所述的重载铁路长供电臂末端网压提高方法，其特征在于：所述的SCOTT主变压器为通过自耦变压器的中点限制电位，分解成两套27.5kVSCOTT主变压器；所述的直挂式TCR型SVC为两套27.5kV直挂式TCR型SVC。
4.如权利要求1所述的重载铁路长供电臂末端网压提高方法，其特征在于：所述的TSC由安装在供电臂首端的TCR型SVC控制器根据供电臂的有功功率和TCR的电流的大小通过GPRS进行远程通讯控制其投切，并根据供电臂的有功功率Pall来控制投入TSC；而根据TCR支路电流判断电容补偿是否过量，根据检测TCR支路的电流Itcr和供电臂的有功功率对TSC进行切除。
5.如权利要求1所述的重载铁路AT供电系统中提高供电臂末端网压的方法，其特征在于：所述的SCOTT两个座的TCR型SVC以一个控制器进行控制，以负序电流最小为目标，全所功率因数、各座电压为约束的无功功率控制模型。
6.一种重载铁路长供电臂末端网压提高装置，其特征在于：在重载铁路AT供电系统的主变压器的出线端装有由TCR支路和两个电容支路组成的SVC装置，且两个电容支路完全相同，以确保一套检修时整个SVC可以降额补偿以避免无补偿导致的电压跌落；同时在上行线装有降压TSC组，分别设为3、5次滤波支路；且上行线为重载爬坡线，下行线为下坡线。
7.如权利要求7所述的重载铁路长供电臂末端网压提高装置，其特征在于：所述的主变压器为SCOTT主变压器；所述的SVC装置包括直挂式TCR可控硅堆和固定补偿电容，其中直挂式TCR可控硅堆为光电隔离型55KV直挂式TCR可控硅堆组合形成。
8.如权利要求8所述的重载铁路长供电臂末端网压提高装置，其特征在于：所述的光电隔离型55KV直挂式TCR可控硅堆是由42组元件84个6500V晶闸管组成的高压可控硅堆体结构，采用热管加风冷散热方式；其中整个可控硅堆体分为6个可控硅堆组，每个可控硅堆组是7个6500V晶闸管组的串联，然后由6个这样的可控硅堆体串联成型。
9.如权利要求9所述的重载铁路长供电臂末端网压提高装置，其特征在于：所述的直挂式TCR可控硅堆主要包括晶闸管元件、吸收电容、均衡电阻、散热器，以及散热风机，其中，散热风机位于整个装置的底部，风口对上，在散热风机的上方通过带绝缘子的支架支撑一个架框，架框内安装着各种功率器件；所述的各种功率器件包括多组晶闸管元件、吸收电容、均衡电阻，多组晶闸管元件由连接母排相互连接；在支架上还装有用于控制的光电触发板、过压保护板、温度检测板和脉冲分配板；多组晶闸管元件分上下两组排列，每一排为7个晶闸管元件，上下两个为一晶闸管组，7个晶闸管组通过连接母排串联在一起；在晶闸管组的后面紧贴有散热器；吸收电容和均衡电阻安装在散热器与晶闸管组相对应的另一面，在吸收电容和均衡电阻下面的架框上还排列有各种控制板，依次为脉冲分配板光电触发板、过压保护板和温度检测板。
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