CN102694386A - 一种电气化铁路负序不平衡补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电气化铁路负序不平衡补偿方法，本方法在3n+i站牵引变电站中的3n站安装铁路功率调节器RPC，通过3n站RPC协同补偿电气化铁路电路系统负序不平衡问题，达到了降低电力系统三相负序不平衡的目的，相比传统的单站补偿方法，本发明方法减少了RPC的使用数量，且RPC的安装容量和补偿容量上都减小了1/3，从而降低了成本和系统损耗，且系统稳定性也得到了提高。

Description

一种电气化铁路负序不平衡补偿方法

技术领域

本发明属于电气化铁路电能质量补充领域，尤其涉及一种电气化铁路负序不平衡补偿方法。

背景技术

与常规电气化铁路机车牵引负荷相比，高速铁路机车牵引负荷具有瞬时功率大、功率因数高、谐波含量低和负序分量大等特点。我国已有8000多公里的高速铁路顺利开通运营，成为世界上高铁运营速度最快、里程最长的国家。高速铁路机车牵引负荷会产生大量负序分量，而这些负序分量不仅会引起电机振动和附加损耗，还会引起继电保护误动作，威胁高铁供电系统和电力系统的安全运行，所以需采取措施抑制负序分量。

目前采用的负序不平衡补偿方法主要有：（1）将不对称负荷接到不同的供电点；（2）采用轮流换相方法，使不对称负荷合理分配到各相；（3）将不对称负荷接到更高电压等级上供电，增加接入点的短路容量；（4）使用施科特（Scott）变压器和阻抗平衡变压器等新型变压器设备等降低不平衡度。上述方法对减小负序不平衡度有一定效果，但对于减小高速铁路负序不平衡，则效果不明显。

负序不平衡补偿是电能质量补偿的一个主要方面。近些年采用无功和平衡化补偿装置进行负序不平衡补偿成为电气化铁路牵引负荷电能质量补偿的研究热点，相继提出了基于斯坦梅兹（Steinmetz）补偿理论的三相静止无功补偿器（SVC）优化补偿方案和铁路功率调节器（Railway Power Conditioner，RPC），RPC可以对负序、谐波、无功进行综合补偿。但存在所需RPC的安装容量和补偿容量大、价格昂贵等问题，因此限制了其推广和应用。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提出了一种可实现多站协同补偿的电气化铁路负序不平衡补偿方法，本方法能对电气化铁路、特别是高速铁路的负序不平衡进行补偿，与传统单站补偿方式相比，本方法的补偿容量大大减小，成本降低，且增强了实用性和可靠性。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种电气化铁路负序不平衡补偿方法，该方法采用轮流换相方法给3n+i站牵引变电站中的3n站安装铁路功率调节器，n为自然数，i＝0,1，2，获取电力系统母线三相相间容量x、y、z，假设x≥y≥z，相间容量x、y、z所对应的相间分别为X_x、X_y、X_z，令

每相邻三个牵引变电站上所安装的铁路功率调节器为一个补偿单元，则共有n个补偿单元，所述的各补偿单元根据所获取的相间容量和Y的取值范围进行如下补偿：

1）当

时，与X_x相间连接的功率调节器RPC1和RPC2，分别从X_x相间传递大小为

的有功功率到X_y和X_z相间，另一功率调节器RPC3将大小为

的有功功率从X_y相间传递至X_z相间，同时，功率调节器RPC1向X_x相间补偿大小为

的感性无功功率、向X_y相间补偿大小为

的容性无功功率，铁路功率调节器RPC2向Xx相间补偿大为

的容性无功功率、向X_z相间补偿大小为

的感性无功功率，铁路功率调节器RPC3向X_y相间补偿大小为

的容性无功功率、向X_z相间补偿大小为 $(\frac{2}{3\sqrt{3}}-\frac{Y}{2\sqrt{3}})\·\frac{x-z}{2}$ 的感性无功功率；

2）当

时，与X_x相间连接的铁路功率调节器RPC1和RPC2，分别从X_x相间传递大小为

的有功功率到X_y和X_z相间，另一铁路功率调节器RPC3将大小为的有功功率从X_y相间传递到X_z相间，同时，铁路功率调节器RPC1向X_x相间补偿大小为

的感性无功功率、向X_y相间补偿大小为

的容性无功功率，铁路功率调节器RPC2向X_z相间补偿大小为

的容性无功功率、向X_x相间补偿大小为

的感性无功功率，铁路功率调节器RPC3向X_y相间补偿大小为

的容性无功功率、向X_z相间补偿大小为

的感性无功功率；

3）当

时，与X_x相间连接的铁路功率调节器RPC1和RPC2，分别将大小为

和

的有功功率从X_x相间传递到X_y和X_z相间，另一铁路功率调节器RPC3将大小为

的有功功率从X_y相间传递到X_z相间，同时，铁路功率调节器RPC1向X_x相间补偿大小为

的感性无功功率、向X_y相间补偿大小为

的容性无功功率，铁路功率调节器RPC2向X_z相间补偿大小为的感性无功功率、向X_x相间补偿大小为

的感性无功功率，铁路功率调节器RPC3向X_y相间补偿大小为

的容性无功功率、向X_z相间补偿大小为

的感性无功功率。

上述各铁路功率调节器获取电力系统母线三相相间容量x、y、z具体为：

安装在高压等级变电站的电压互感器和电流互感器实时采集各相的电压和电流，并根据采集到的电压和电流计算出各相间容量，然后将所得各相间容量通过无线传输模块传输至各牵引变电站，牵引变电站将各相间容量传递给铁路功率调节器的控制电路。所述的控制电路由依次相连的A/D转换电路、PWM控制器和驱动电路组成，其中，A/D转换电路用来接收牵引变电站传递过来的信号，驱动电路与铁路功率调节器的两H桥逆变器相连。

与现有技术相比，本发明具有以下特点：

本发明方法在3n+i站牵引变电站中的3n站安装铁路功率调节器RPC，通过3n站RPC协同补偿电气化铁路电路系统负序不平衡问题，达到了降低电力系统三相负序不平衡的目的，相比传统的单站补偿方法，本发明方法减少了RPC的使用数量，且RPC的安装容量和补偿容量上都减小了1/3，从而降低了成本和系统损耗，且系统稳定性也得到了提高。

附图说明

图1是本发明中铁路功率调节器RPC的安装结构图；

图2是具体实施中的铁路功率调节器RPC及其控制系统的结构框图，图中的VSC为H桥逆变器；

图3是本发明中补偿单元的安装结构图；

图4是本发明在

时的补偿结果，其中，图（a）为RPC2的补偿结果，图（b）为RPC3的补偿结果，图（c）为RPC1的补偿结果；

图5是本发明在时的补偿结果，其中，图（a）为RPC2的补偿结果，图（b）为RPC3的补偿结果，图（c）为RPC1的补偿结果；

图6是本发明在

时的补偿结果，其中，图（a）为RPC2的补偿结果，图（b）为RPC3的补偿结果，图（c）为RPC1的补偿结果；

图7是本具体实施中信号采集处理部分的结构框图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明方法做进一步说明。

图1为本具体实施所采用的铁路功率调节器（RPC）的安装结构图，铁路功率调节器（RPC）主要由背靠背共直流电压的两H桥逆变器和两降压变压器构成，铁路功率调节器（RPC）通过两降压变压器安装在三相V/V接线牵引变压器二次侧的两供电臂之间，可以在两供电臂之间传递一定量的有功功率，并在相间补偿一定量的无功功率。

参见图7，安装在高压等级变电站的电压互感器和电流互感器实时采集电力系统220kV母线三相的电流和电压，并根据电流和电压得到各相间容量，所得到的各相间容量信号经D/A转换电路转换后、经DSP处理电路计算出用来控制RPC的PWM控制脉冲，将DSP处理电路处理得到的PWM控制脉冲通过基于GPRS的信号发送电路发送到安装在远方的牵引变电站上的接收电路，所述的接收电路为基于GPRS的信号接收电路，接收电路将接收到的信号传递至RPC控制系统，RPC控制系统根据接收到的信号、通过基于DSP的PWM控制器控制RPC的工作状态。RPC控制系统的结构框图见图2，其是由依次相连的A/D转换电路、PWM控制器和驱动电路组成，本具体实施中所采用的PWM控制器为基于DSP的PWM控制器，驱动电路为EXB841驱动电路，其中，A/D转换电路用来接收牵引变电站上的接收电路传递来的信号、并对接收信号进行转换，驱动电路用来驱动放大信号。

本发明方法中的铁路功率调节器（RPC）是采用轮流换相方法给3n+i站牵引变电站中的3n站安装铁路功率调节器，其中，n为自然数，i＝0,1，2，各铁路功率调节器通过图4中的信号采集处理系统来获取电力系统母线的相间容量。在本发明方法中，可将每相邻3个牵引变电站上所安装的铁路功率调节器当作一个补偿单元，则共有n个补偿单元，各补偿单元各自按相同的补偿方法进行补偿。

图3为补偿单元的安装结构图，其中，铁路功率调节器RPC1与CA、AB相间相连，铁路功率调节器RPC2与BC、CA相间相连，铁路功率调节器RPC3与AB、BC相间相连。下面将以图3中所示的补偿单元为例，详细说明本发明补偿方法的推动过程及其补偿方法。

假设所获取的电力系统CA、AB、BC的相间容量分别为x、y、z，且x≥y≥z。此时将电力系统分为两个网络：一个是x-z、y-z、0的不平衡网络，对其应进行负序不平衡补偿；另一个是z、z、z的平衡网络，不需要负序不平衡补偿。以作为基准值进行标幺化，令

0≤Y≤2，上述不平衡网络可以简化为2、Y、0。Y取不同值时补偿策略不同，下面将讨论Y在不同取值区间下的补偿方式：

1）当

时，首先，RPC1将大小为a的有功功率从CA相间传到AB相间，RPC2将大小为a的有功功率从CA相间传到BC相间，RPC3将大小为

的有功功率从AB相间传递到BC相间。此时电力系统的2、Y、0的网络变为2-2a、Y/2+a、Y/2+a的网络，2-2a、Y/2+a、Y/2+a网络的可以分为两个网络：一是Y/2+a、Y/2+a、Y/2+a的平衡网络；另一个是2-3a-Y/2、0、0的不平衡网络，那么只需要对2-3a-Y/2、0、0的不平衡网络进行补偿即可。

根据斯坦梅兹（Steinmetz），要完全补偿，则需满足

其中，a为RPC1和RPC3传递的有功功率，b为RPC1和RPC3补偿的无功功率，c为RPC2补偿的无功功率，此时，RPC1、RPC2、RPC3的补偿容量分别

c，其中，

因为铁路功率调节器的安装容量为RPC1、RPC2、RPC3的补偿容量中的最大者，那么当RPC1、RPC2、RPC3的补偿容量相等时安装容量最小。将上述求解最小安装容量的问题归结为以下最优化问题：

$\left\{\begin{array}{c}\min f(a,b,c)=\sqrt{a^2+b^2}=c\\ s.t.\\ b+c\≥\frac{2-3a}{\sqrt{3}}\\ c=\sqrt{a^2+b^2}\\ a,b,c\≥0\end{array}\right.---\left(1\right)$

上述f（）为补偿容量函数。由方程组公式（1）可解出

RPC1、RPC2、RPC3的最小安装容量 $S_{\min }=\sqrt{a^2+b^2}=\frac{2}{3\sqrt{3}}.$

根据上述推导，本发明方法中当

时的补偿方案如附图4所示，具体为：RPC1和RPC2分别从CA相间传递大小为

的有功功率到AB和BC相间，RPC3将大小为Y/2的有功功率从AB相间传递到BC相间，同时，RPC1向CA相间补偿大小为

的感性无功功率、向AB相间补偿大小为

的容性无功功率，RPC2向AC相间补偿大小为的容性无功功率、向BC相间补偿大小为的感性无功功率，RPC3向AB相间补偿大小为的容性无功功率、向BC相间补偿大小为的感性无功功率。

2）采用与上述相同的推导方法，可得到

时的补偿方案，此时的补偿方法如附图5所示，具体为：RPC1和RPC2分别从CA相间传递大小为

的有功功率到AB和BC相间，RPC3将大小为

的有功功率从AB相间传递到BC相间，同时，RPC1向AC相间补偿大小为

的感性无功功率、向AB相间补偿大小为的容性无功功率；RPC2向BC相间补偿大小为

的容性无功功率、向AC相间补偿大小为

的感性无功功率；RPC3向AB相间补偿大小为的容性无功功率、向BC相间补偿大小为

的感性无功功率。

3）采用与上述相同的推导方法，可得到

时的补偿方案，此时的补偿方法如附图6所示，此时的补偿方案为：RPC1和RPC2分别将大小为

和

的有功功率从CA相间传递到AB和BC相间，RPC3将大小为

的有功功率从AB相间传递到BC，同时，RPC1向AC相间补偿大小为

的感性无功功率、向AB相间补偿大小为的容性无功功率；RPC2向BC相间补偿大小为

的感性无功功率、向AC相间补偿大小为

的感性无功功率；RPC3向AB相间补偿大小为的容性无功功率、向BC相间补偿大小为的感性无功功率。

上述三种补偿方法中所传递的有功和无功功率大小均为标幺化的补偿容量，将上述各补偿容量乘以基准值

即得到相应的有名值。

下面将计算本发明方法中各铁路功率调节器（RPC）的安装容量，铁路功率调节器（RPC）的安装容量即为最极端情况下的补偿容量，即Y＝0时的补偿容量。对3n+i站牵引变电站而言，i取值不同时，各铁路功率调节器（RPC）具有不同的安装容量：

1）当i＝0时，在Y＝0时，CA相间容量x＝2p_max，其中，p_max为电力系统相间可能出现的最大有功负荷，此时各铁路功率调节器（RPC）的补偿容量是即各铁路功率调节器（RPC）的安装容量为

2）当i＝1时，有3n站铁路功率调节器（RPC）进行协同补偿，各铁路功率调节器（RPC）的补偿容量与3n站时相同；但Y＝0时的补偿容量不同，当Y＝0时，一个相间可能出现的最大负荷是x＝(2n+1)p_max，其中，p_max为电力系统相间可能出现的最大有功负荷，此时各铁路功率调节器（RPC）的补偿容量是即各铁路功率调节器（RPC）的安装容量为 $\frac{2}{3\sqrt{3}}(1+\frac{1}{2n})p_{\max };$

3）当i＝2时，有3n站铁路功率调节器（RPC）进行协同补偿，各铁路功率调节器（RPC）的补偿容量与3n站时相同；但Y＝0时的补偿容量不同，当Y＝0时，一个相间可能出现的最大负荷是x＝(2n+2)p_max，其中，p_max为电力系统相间可能出现的最大有功负荷，此时各铁路功率调节器（RPC）的补偿容量是

即各铁路功率调节器（RPC）的安装容量为 $\frac{2}{3\sqrt{3}}(1+\frac{1}{n})p_{\max }.$

在现有的采用铁路功率调节器进行单站补偿的方法中，在Y＝0时，各铁路功率调节器需要传递大小为

的有功功率，并补偿大小为

的无功功率，p_max为电力系统相间可能出现的最大有功负荷，所以，补偿容量 $S=\sqrt{{\left(\frac{1}{2}\right)}^2+{\left(\frac{1}{2\sqrt{3}}\right)}^2}{p}_{\max }=\frac{\sqrt{3}}{3}{p}_{\max },$ 此时的补偿容量即为安装容量。而根据上述计算，本发明方法中在Y＝0时，各铁路功率调节器的补偿容量和安装容量分别为

与现有技术相比，本发明方法的补偿容量和安装容量均减少了约1/3。

Claims (3)

1.一种电气化铁路负序不平衡补偿方法，采用轮流换相方法给3n+i站牵引变电站中的3n站安装铁路功率调节器，n为自然数，i＝0,1,2，其特征在于，包括步骤：

获取电力系统母线三相相间容量x、y、z，假设x≥y≥z，相间容量x、y、z所对应的相间分别为X_x、X_y、X_z，令

每相邻三个牵引变电站上所安装的铁路功率调节器为一个补偿单元，则共有n个补偿单元，所述的各补偿单元根据所获取的相间容量和Y的取值范围进行如下补偿：

1）当

时，与Xx相间连接的功率调节器RPC1和RPC2，分别从X_x相间传递大小为

的有功功率到X_y和X_z相间，另一功率调节器RPC3将大小为

的有功功率从X_y相间传递至X_z相间，同时，功率调节器RPC1向X_x相间补偿大小为

的感性无功功率、向X_y相间补偿大小为

的容性无功功率，铁路功率调节器RPC2向X_x相间补偿大为

的容性无功功率、向X_z相间补偿大小为的感性无功功率，铁路功率调节器RPC3向X_y相间补偿大小为

的容性无功功率、向X_z相间补偿大小为 $(\frac{2}{3\sqrt{3}}-\frac{Y}{2\sqrt{3}})\·\frac{x-z}{2}$ 的感性无功功率；

2）当时，与X_x相间连接的铁路功率调节器RPC1和RPC2，分别从X_x相间传递大小为

的有功功率到X_y和X_z相间，另一铁路功率调节器RPC3将大小为

的有功功率从X_y相间传递到X_z相间，同时，铁路功率调节器RPC1向X_x相间补偿大小为

的感性无功功率、向X_y相间补偿大小为

的容性无功功率，铁路功率调节器RPC2向X_z相间补偿大小为

的容性无功功率、向X_x相间补偿大小为的感性无功功率，铁路功率调节器RPC3向X_y相间补偿大小为

的容性无功功率、向X_z相间补偿大小为

的感性无功功率；

3）当

时，与X_x相间连接的铁路功率调节器RPC1和RPC2，分别将大小为

和

的有功功率从X_x相间传递到X_y和X_z相间，另一铁路功率调节器RPC3将大小为的有功功率从X_y相间传递到X_z相间，同时，铁路功率调节器RPC1向X_x相间补偿大小为

的感性无功功率、向X_y相间补偿大小为

的容性无功功率，铁路功率调节器RPC2向X_z相间补偿大小为

的感性无功功率、向X_x相间补偿大小为的感性无功功率，铁路功率调节器RPC3向X_y相间补偿大小为

的容性无功功率、向X_z相间补偿大小为

的感性无功功率。

2.根据权利要求1所述的电气化铁路负序不平衡补偿方法，其特征在于：

所述的各铁路功率调节器获取电力系统母线三相相间容量x、y、z具体为：

安装在高压等级变电站的电压互感器和电流互感器实时采集各相的电压和电流，并根据采集到的电压和电流计算出各相间容量，然后将所得各相间容量通过无线传输模块传输至各牵引变电站，牵引变电站将各相间容量传递给铁路功率调节器的控制电路。

3.根据权利要求2所述的电气化铁路负序不平衡补偿方法，其特征在于：

所述的控制电路由依次相连的A/D转换电路、PWM控制器和驱动电路组成，其中，A/D转换电路用来接收牵引变电站传递过来的信号，驱动电路与铁路功率调节器的两H桥逆变器相连。

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