CN102118027A - 电气化铁路的电能质量控制补偿装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于电气化铁路的电能质量控制补偿装置，属于电气化铁路供电领域。本发明包括一个由二阶高通滤波器构成的无源滤波器，用于为电气化铁路电力机车提供无功功率，并滤除电力机车产生的谐波电流；一组电压源型变流装置，能够产生幅值、相位和频率可控的电压，用于电铁牵引供电系统负序补偿、闪变抑制等；电压源型变流装置通过一个相电抗器和无源滤波器并联在25kV牵引网上。本发明装置可以在对电铁供电系统进行功率因数补偿的同时对三相不平衡、谐波、电压波动与闪变等电能质量问题进行控制。另外，尽可能发挥无源滤波器配置简单、成本低廉和电压源型变流装置占地面积小、损耗小的优点，使整套装置的技术指标与经济性能达到最优。

Description

电气化铁路的电能质量控制补偿装置

技术领域

本发明涉及一种用于电气化铁路的电能质量控制补偿装置，特别是提供了一种对电气化铁路进行无功补偿；对有功功率进行控制；对负序、谐波、电压波动与闪变等电能质量进行综合治理的控制装置，属于电气化铁路供电领域。

背景技术

电气化铁路中的电力机车负荷由于具有非线性，功率因数低和引起三相不平衡的特点，不仅严重影响电气化铁路牵引供电系统本身的电能质量，还影响到铁路沿线周边电力用户的供电质量。因此必须对电气化铁路的负序、谐波、闪变和无功等电能质量问题采取有效的治理措施。

传统的方法是在高压侧加装补偿装置，如采用无源滤波器进行特定次数谐波的滤除，并提供固定容量的无功补偿。但由于电气化铁路的负荷随机性，这种补偿效果很不理想，而且无源滤波器只能对特定次数的谐波进行治理，并存在易与电网阻抗发生谐振造成谐波放大的缺点。有源滤波器能对电气化铁路谐波进行动态抑制，但无法消除电气化铁路中的负序电流。如果采用TCR等SVC补偿器，可以有效的改善供电系统的不平衡，减小负序电流，但TCR本身在运行过程中会产生大量的谐波，必须采用大容量的滤波器滤除电铁自身的谐波及TCR产生的谐波，设备的占地面积大，相应的投资大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提出一种用于电气化铁路的电能质量控制补偿装置，在为电铁牵引供电系统提供无功支持、提高电铁负荷的功率因数的同时可以有效的抑制供电系统中的负序分量、谐波、电压波动和闪变等电能质量扰动。

另外，本发明所要解决的另一个技术问题是可以有效利用无源滤波器的无功补偿作用，从而减小电压源型变流装置的容量，达到节能增效的目的。

为解决上述技术问题，本发明提供一种电气化铁路的电能质量控制补偿装置，其特征在于，包括一个为电气化铁路电力机车提供无功功率并滤除电力机车产生的谐波电流的无源滤波器，所述无源滤波器并联在25kV牵引网上；还包括一组电压源型变流装置，所述电压源型变流装置通过一个相电抗器并联在25kV牵引网上，电压源型变流装置产生幅值、相位和频率可控的电压，用于电铁牵引供电系统负序补偿、闪变抑制等。由二阶高通滤波器构成的

前述的电气化铁路的电能质量控制补偿装置，其特征在于：所述的电压源型变流装置为单相级联型H桥结构，包括N个链节的单相链式H桥变流器(其中N≥1)，使得所有链节最终合成的输出电压谐波可相互抵消，以使其输出侧获得良好的谐波抑制特性，不需要增加额外的滤波器。

前述的电气化铁路的电能质量控制补偿装置，其特征在于：所述电压源型变流装置中，所述的H桥变流器采用IGBT功率器件。

前述的电气化铁路的电能质量控制补偿装置，其特征在于：所述H桥变流器与PWM脉冲发生器功率单元控制电路相连，开关频率达到千赫兹量级，这种快速响应时间使该装置可以用作有源滤波器，并有效消除闪变。

前述的电气化铁路的电能质量控制补偿装置，其特征在于：所述H桥变流器与旁路单元相连，旁路单元包括晶闸管(S1)、单相二极管整流桥(D1-D4)以及并联的RC电路(R2、C2)。

本发明的有益效果：

(1)在本方案中，无源滤波器提供一部分无功功率补偿，可降低电压源型变流装置的容量而使整个系统的造价降低。

(2)在本发明的方案中，该装置可以用作有源滤波器，即通过电流跟踪控制，使得变流装置发出特定幅值、相位和频率的谐波电流，实现谐波抑制。

(3)本发明的装置采用级联型H桥结构和脉宽调制(PWM)技术，可使其输出电流接近正弦波，从而不需要附加额外的滤波器。

(4)本发明装置可有效的抑制供电系统中的负序分量，并对谐波、电压波动和闪变等电能质量扰动进行综合治理。

(5)该装置能单独动态控制电力系统中的有功和无功功率，控制无功功率就是说能够以快速动态响应的方式控制电网的电压和电网的稳定性；由于引入电压源型变流技术，可以独立控制有功功率，以更好的抑制电压闪变等电能质量问题。

(6)在电路设计中，每个功率单元均装有旁路单元，一旦发生故障，电路可以自动切换到旁路，实现了不因某个或某几个功率单元的故障而影响整个系统的工作。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

图1是用于电气化铁路的电能质量控制补偿装置的结构示意图；

图2是功率单元的内部结构示意图；

图3是电压源型变流器的电流内环控制框图；

图4是电铁负荷电流负序补偿原理图；

图5是本发明装置的控制算法原理图

具体实施方式

本发明提出的用于电气化铁路的电能质量控制补偿装置，其结构如图1所示，包括：一个由二阶高通滤波器(1)构成的无源滤波器，用于为电气化铁路电力机车提供无功功率，并滤除电力机车产生的谐波电流，无源滤波器并联在25kV牵引网上；一组电压源型变流装置(3)，用于产生幅值、相位和频率可控的电压，相当于一个电压源，通过一个相电抗器(2)并联在25kV牵引网上。

如图1所示，上述补偿装置中的电压源型变流装置为单相级联型H桥结构，由N个链节的单相链式H桥变流器(4)组成，使得所有链节最终合成的输出电压谐波可相互抵消，以使其输出侧获得良好的谐波抑制特性。

如图2所示，上述电压源型变流装置中的H桥变流器(4)采用IGBT功率器件，且每个IGBT均有与其反并联的二极管，以此来保护IGBT。

上述电压源型变流装置采用脉宽调制(PWM)，H桥变流器(4)与PWM脉冲发生器功率单元控制电路相连，开关频率达到千赫兹量级，这种快速响应时间使该装置可以用作有源滤波器，并有效消除闪变。

如图2所示，H桥变流器(4)与旁路单元(5)相连，功率单元的旁路单元(5)包括晶闸管(S1)、单相二极管整流桥(D1-D4)以及并联的RC电路(R2、C2)。RC电路用于平滑电压波形和减少输出的du/dt，保证晶闸管能够可靠地导通。

下面简要介绍本发明装置的工作原理：

本发明提供一种用于电气化铁路的电能质量控制补偿装置，其中的关键设备是基于电压源型变流器(VSC)构成的一种并联型控制装置，它采用IGBT等大功率可关断电力电子器件，组成全控型的VSC，可方便的实现电能的转换和利用。本发明提供的综合控制装置包括：(1)一个由二阶高通滤波器构成的无源滤波器，用于为电气化铁路电力机车提供无功功率，并滤除电力机车产生的谐波电流，无源滤波器并联在25kV牵引网上；(2)一组电压源型变流装置，能够产生幅值、相位和频率可控的电压，用于电铁牵引供电系统负序补偿、闪变抑制等。

所述的无源滤波器的作用是提供容性无功功率补偿以改善供电系统功率因数，并且同时能对某特定次谐波以上的谐波电流呈现低阻抗状态，起到滤除谐波的作用。

电压源型变流器的电流内环控制原理如图3所示，控制的总体目标是控制VSC的输出电流，这个是通过在VSC的输出端串联一个相电抗器(L)实现的，即

$i=\frac{1}{L}\∫\mathrm{udt}---\left(1\right)$

从式(1)中，可以看出VSC输出端的电流是通过串联电抗器上的电压积分得到的。从图3中可以得出如下关系：

U_VSC＝U_L+U_BUS                    (2)

电流参考值(由外环控制器输出)微分形成电感电压参考值，然后再和母线电压相加得到VSC输出电压参考值U_VSC，作为PWM调制器的调制波输入，那么VSC将输出和调制波形状一样，大小成比例的电压波形。

为了解决牵引供电系统的三相不平衡问题，首先对电铁负荷的特性进行分析。电铁负荷电流可以用向量表示，假设机车所在牵引网连接在B、C相之间，机车负荷电流可以用两个向量表示：正序电流向量和负序电流向量，即正序电流向量和负序电流向量之和为实际负荷电流(其中A相电流为0，B和C相电流幅值相等，相位相反)

为了补偿电铁中的负序电流分量，VSC产生了一个完全负序的电流，且相位与电铁中的负序电流完全相反，其补偿原理如图4所示。

另外，本发明中的电能质量综合控制装置能够明确的实现以下四个控制目标：

①三相不平衡负荷补偿，即消除负荷中的负序分量；

②功率因数矫正，即无功功率补偿；

③电压闪变补偿；

④有源滤波。

为了实现以上控制目标，其算法原理如图5所示，其中电流内环控制原理如图3所示。控制的主要反馈量是从负荷电流中获取的，然后分别提取负荷电流中的不同分量，相位取反后送入内环电流控制器，VSC中将产生与从负荷电流中提取部分反相的电流。另外，为了保持直流电压恒定，增加了直流电压控制外环。

以上已以较佳实施例公开了本发明，然其并非用以限制本发明，凡采用等同替换或者等效变换方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种电气化铁路的电能质量控制补偿装置，其特征在于，包括一个为电气化铁路电力机车提供无功功率并滤除电力机车产生的谐波电流的无源滤波器，所述无源滤波器并联在25kV牵引网上；还包括一组电压源型变流装置，所述电压源型变流装置通过一个相电抗器并联在25kV牵引网上，电压源型变流装置产生幅值、相位和频率可控的电压，用于电铁牵引供电系统负序补偿、闪变抑制等。

2.根据权利要求1所述的电气化铁路的电能质量控制补偿装置，其特征在于：所述的电压源型变流装置为单相级联型H桥结构，包括N个链节的单相链式H桥变流器，其中N≥1，使得所有链节最终合成的输出电压谐波可相互抵消，以使其输出侧获得良好的谐波抑制特性，不需要增加额外的滤波器。

3.根据权利要求2所述的电气化铁路的电能质量控制补偿装置，其特征在于：所述电压源型变流装置中，所述的H桥变流器采用IGBT功率器件。

4.根据权利要求2或3所述的电气化铁路的电能质量控制补偿装置，其特征在于：所述H桥变流器与PWM脉冲发生器功率单元控制电路相连，开关频率达到千赫兹量级，这种快速响应时间使该装置可以用作有源滤波器，并有效消除闪变。

5.根据权利要求2或3所述的电气化铁路的电能质量控制补偿装置，其特征在于：所述H桥变流器与旁路单元相连，旁路单元包括晶闸管(S1)、单相二极管整流桥(D1-D4)以及并联的RC电路(R2、C2)。

6.根据权利要求1所述的电气化铁路的电能质量控制补偿装置，其特征在于：所述无源滤波器为二阶高通滤波器。

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