CN103457261A - 一种电气化铁路牵引供电网电能质量综合治理装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电气化铁路牵引供电网电能质量综合治理装置，包括挂接在接触网上的APF支路和HPF支路。APF支路包括连接电抗器、控制装置、一组以上APF变流器和一组以上与APF变流器对应的充电电路。APF变流器连接充电电路后再通过连接电抗器挂接在接触网上。APF变流器由两个以上的功率单元级联，控制装置与APF变流器相连，向功率单元的开关器件发出控制信号，产生单相等幅交流PWM输出电压，再通过连接电抗器得到期望的电流注入接触网。HPF支路由电阻器、电抗器和电容器组成二阶谐振电路。本发明可在为电铁牵引供电系统提供无功支持、提高功率因数的同时，有效抑制系统中的负序分量、谐波、电压波动和闪变。

Description

一种电气化铁路牵引供电网电能质量综合治理装置

技术领域

本发明涉及一种电能治理装置，尤其是涉及一种应用于电气化铁路牵引供电网的电能质量综合治理装置。

背景技术

铁路作为国民经济的重要基础设施，在我国综合交通运输体系中扮演重要角色。在加快建设节约型社会中，铁路肩负着重要责任。一方面作为消耗能源的重点行业，在节能降耗、提高能源综合应用效率方面大有潜力可挖。另一方面电气化铁路长期存在着功率因数低、谐波含量高、负序等问题，严重影响公用电网的电能质量。我国电气化铁路牵引负荷的特点是：

（1）以铁路钢轨与大地为导体的单相移动负荷；

（2）随列车质量、加速度、运行速度、线路坡道、牵引或制动的变化,负荷也发生剧烈变化，并具有短时冲击的特征；

（3）由于其结构上的不对称，导致返回系统的电流中含有大量负序电流；

（4）电流中含有大量谐波电流；

（5）无功电流大，功率因数低。

同时，电气化铁路负荷对公用电网和接触网存在一定的影响，主要体现在以下几个方面：

（1）负序电流

负序使旋转电机产生逆向旋转磁场，导致定转子产生谐波电流，电机热功耗增大，功率降低；负序还容易使电力系统中以负序分量启动的继电保护装置误动作。

（2）谐波电流

高次谐波电流干扰通信；低次谐波造成电网电能损耗增加、交流电机效率降低、并联补偿电容器电流增加、产生谐振,使继电保护失灵等。

（3）无功电流

无功电流一方面使接触网总电流增加，电能损耗加大，电压损失增大，机车输入电压质量降低，牵引变电站主变压器供电能力降低；另一方面也使电网传输线与变电系统的损耗增加，发电机、变压器、输配电系统的供电能力降低，设备容量不能被充分利用，以致降低了系统运行的稳定性。

目前，我国西北和中原电气化铁路比较发达的地区的电力系统和电力用户已实实在在地受到电气化牵引负荷的影响和危害。电气化铁路谐波和负序曾引发电力系统局部大面积停电事故。谐波和负序还时常引发系统谐振、保护误动作，造成中小型发电机转子损坏以及并网困难。因此，电气化铁路牵引供电系统的电能质量急待有效治理。为减少单相负荷负序电流对电力系统的影响，对电气化铁路采取了各种措施，如牵引变电所的换相连接、三相/两相平衡牵引变压器等特殊供电方式、在设计电气化铁路供电中合理配置区段相位以及运行合理调度。从整个供电网络来看，近年来随着电气化线路的不断增长和电力系统容量的增加，使负序电流对系统的影响得到缓解，但是从单个变电站来看，作为电气化铁路负荷的电力机车是一个时变负荷，其负序电流总是存在的，对铁路沿线的电力设备的影响并未完全消除。为降低电气化铁路无功电流、提高功率因数并减少注入电力系统的谐波电流，我国目前普遍采用的方法是：

（1）在机车上安装车载动态无功补偿装置。具体措施是在机车牵引绕组上设置晶闸管投切的3次谐振电容补偿装置,每台机车4组。3次谐振补偿装置动态吸收机车产生的感性无功电流，同时吸收部分谐波电流，符合就地治理原则，具有提高机车功率因数、减小接触网电流与接触网损耗、降低接触网电压损失、改善机车电压质量、减少接触网中谐波电流的流人、减小对电力系统的谐波影响等优点。但也存在一些问题：每台机车补偿装置容量大，投资费用可观；受机车条件限制，所安装的补偿容量及分组数不能完全满足补偿要求；规定50%以上额定功率时投入补偿装置，但全线路机车大部分时间在50%以下功率运行（如轻载、下坡道或低速运行时），反映到变电站的综合功率因数一般仅0.8左右，不能有效地补偿无功；运行环境恶劣，对装置的可靠性要求高。

（2）在牵引变电站牵引母线上通过真空开关投入3次谐振电容补偿装置。该方法符合集中补偿原则，具有补偿设备总容量较小、投资少、可补偿由接触网线路电感产生的无功功率等优点。存在的问题是：由于开关投切时间具有随机性，投入时有很大的电流冲击，切除时有很高的过电压，易造成开关和电容器设备的损坏，因此补偿装置投人后一般不轻易切除，否则易造成过补或欠补；总补偿容量不能设置得太大，否则补偿效果不佳，且过补造成母线电压升高，对机车工作不利。因此，这种补偿方式具有很大的局限性，只适用于复线、高速、运输繁忙区段，不适用于山区、单线路、有长大坡道和多机牵引的重载区段。

交直流机车在我国现阶段及未来相当长的一段时间内仍将作为电气化铁路主型机车。目前为改善电气化铁路电能质量采取了很多措施，但取得的效果是有限的。负序、功率因数低及谐波含量大，依然是急待解决的问题。今后，随着采用新型电力电子器件的交流传动机车投入运行，谐波和无功的问题将会得到很大的改善，但负序问题依然存在。电能质量问题受到人们越来越多的关注。随着电力电子技术的发展,近年来国内外有关单位就电气化铁路电能质量综合治理问题进行了广泛的研究和试验，提出了许多方案，其中有的方案已在现场实施投运。治理方案主要分为两大类：（1）基于晶闸管的静止无功补偿器（SVC）。（2）基于可关断器件的静止同步补偿器（STATCOM）和有源电力滤波器（APF）。SVC虽然可以有效改善供电系统的不平衡，减小负序电流，同时补偿无功功率，但SVC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牵引供电网上的谐波及SVC产生的谐波，设备占地面积大、投资也很高。有源电力滤波器虽然能对电铁牵引网谐波进行动态抑制，但无法消除电铁牵引网中的负序电流。

随着“环保、节能”的呼声越来越高，特别是《电能质量》国家标准的实施，负序、无功、谐波这些危及公用电网电能质量的问题必将更加得到重视。有效的电能质量治理方案及其工程化实施已成为电气化铁路迫在眉睫的需要，因此，需要有一种对电铁牵引网的电能质量进行综合补偿的装置，可以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问题。

在现有技术中，与本发明有关的文献主要有以下1篇：

该文献为由江苏省电力试验研究院有限公司于2011年03月21日申请，并于2011年07月06日公开，公开号CN102118027A为的中国发明专利申请《电气化铁路的电能质量控制补偿装置》。如附图1所示，该专利公开了一种用于电气化铁路的电能质量控制补偿装置，该装置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14，能够产生幅值、相角和频率可控的电压，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13和无源滤波器12并联在27.5kV牵引网上。该装置可以在对电铁供电系统进行功率因素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。该专利提到的电压源型变流装置和无源滤波器都对27.5kV牵引网的谐波进行滤除，但是在进行谐波补偿时，电压源型变流装置和无源滤波器之间容易产生相互影响，从而影响谐波的补偿效果以及电压源型变流装置自身的稳定运行。同时，该专利提到的电压源型变流装置和无源滤波器并联在27.5kV牵引网的同一点。如果安装在牵引变电所，可以便于有效抑制牵引供电系统的三相不平衡、电压波动与闪变等电能质量问题。因为牵引供电系统的电能质量考核点就在牵引变电所。但电铁牵引网的谐波源所在地是在编组站，它是交直流机车集中地。这样该装置就无法对电铁牵引网的谐波源进行就地补偿，而且谐波源的高次谐波阻抗随线路的增长而急剧增大，严重危害牵引网线路上的用电设备；反之，如果将电压源型变流装置和无源滤波器安装在编组站，可以便于牵引网谐波源的就地补偿，但不利于有效体现该装置对牵引供电系统的三相不平衡、电压波动与闪变等电能质量问题的治理效果。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种电气化铁路牵引供电网电能质量综合治理装置，可以在为电铁牵引供电系统提供无功支持，在提高电铁负荷的功率因数的同时有效的抑制供电系统中的负序分量、谐波、电压波动、闪变等严重影响电能质量的技术问题。

为了实现上述发明目的，本发明具体提供了一种电气化铁路牵引供电网电能质量综合治理装置的技术实现方案，一种电气化铁路牵引供电网电能质量综合治理装置，包括：APF支路和HPF支路，所述APF支路和HPF支路均挂接在接触网上。所述APF支路包括连接电抗器、控制装置、一组以上的APF变流器和一组以上与所述APF变流器对应的充电电路。所述APF变流器连接所述充电电路后，再通过所述连接电抗器挂接在所述接触网上。所述APF变流器由两个以上的功率单元级联而成，所述控制装置与所述APF变流器相连，所述控制装置向所述功率单元的开关器件发出控制信号，产生单相等幅交流PWM输出电压，再通过所述连接电抗器得到期望的电流注入到所述接触网中，以抵消所述接触网中原有谐波，补偿无功电流。所述HPF支路包括电阻器、电抗器和电容器，所述电阻器、电抗器和电容器组成二阶谐振电路。

本发明还具体提供了另一种电气化铁路牵引供电网电能质量综合治理装置的技术实现方案，一种电气化铁路牵引供电网电能质量综合治理装置，包括：APF支路和HPF支路，所述APF支路和HPF支路均挂接在接触网上。所述APF支路包括隔离变压器、控制装置、一组以上的APF变流器和一组以上与所述APF变流器对应的充电电路。所述APF变流器连接所述充电电路后，再通过所述隔离变压器挂接在接触网上，所述APF变流器通过所述充电电路与所述隔离变压器的次边相连，所述隔离变压器的原边与接触网相连。所述APF变流器由两个以上的功率单元级联而成，所述控制装置与所述APF变流器相连，所述控制装置向所述功率单元的开关器件发出控制信号，产生单相等幅交流PWM输出电压，再通过所述隔离变压器原边线路中的连接电抗得到期望的电流注入到所述接触网中，以抵消所述接触网中原有谐波，补偿无功电流。所述HPF支路包括电阻器、电抗器和电容器，所述电阻器、电抗器和电容器组成二阶谐振电路。

优选的，所述APF支路还包括第一电流互感器、第一馈线电流互感器、APF支路断路器、第一隔离闸刀和第一保护熔断器。所述第一馈线电流互感器、APF支路断路器、第一隔离闸刀和第一保护熔断器连接在所述接触网与所述连接电抗器之间，所述第一电流互感器连接在所述APF变流器与地之间。所述第一隔离闸刀、APF支路断路器用于接通或切断所述APF支路，所述第一保护熔断器与所述第一馈线电流互感器分别为所述APF支路提供过压和过流保护，所述第一电流互感器为所述APF支路提供接地保护。

优选的，所述APF支路还包括第一电流互感器、第一馈线电流互感器、APF支路断路器、第一隔离闸刀和第一保护熔断器。所述第一馈线电流互感器、APF支路断路器、第一隔离闸刀和第一保护熔断器连接在所述接触网与所述隔离变压器之间，所述第一电流互感器连接在所述隔离变压器与地之间。所述第一隔离闸刀、APF支路断路器用于接通或切断所述APF支路，所述第一保护熔断器与所述第一馈线电流互感器分别为所述APF支路提供过压和过流保护，所述第一电流互感器为所述APF支路提供接地保护。

优选的，所述隔离变压器的原边与所述27.5kV接触网相连，所述隔离变压器的次边两个10kV的绕组分别连接两台APF变流器。

优选的，所述隔离变压器采用油浸式隔离变压器，所述隔离变压器的原边直挂在馈线上，所述隔离变压器自带电压互感器，以检测馈线电压。

优选的，所述充电电路包括第一真空接触器、第二真空接触器和第一充电电阻，所述第一真空接触器与第一充电电阻串联后，再与所述第二真空接触器并联。所述APF变流器在充电过程中，通过所述控制装置发出指令控制所述第一真空接触器，接入所述第一充电电阻来限制充电电流，当充电结束后，切断所述第一充电电阻，完成充电过程。所述充电电路抑制所述APF变流器直流侧电容充电过程中的过电流，保护所述功率单元中开关器件的续流二级管。

优选的，所述HPF支路还包括第二馈线电流互感器、第二电流互感器、HPF支路断路器、第二隔离闸刀、放电线圈和第二保护熔断器。所述HPF支路的电阻器与电抗器并联后再与所述电容器串联组成二阶高通滤波器，所述第二馈线电流互感器、HPF支路断路器、第二隔离闸刀和第二保护熔断器连接在所述接触网和二阶高通滤波器之间，所述第二电流互感器连接在所述二阶高通滤波器与地之间。所述第二隔离闸刀、HPF支路断路器用于接通或切断所述HPF支路，所述第二保护熔断器与所述第二馈线电流互感器分别为所述HPF支路提供过压和过流保护，所述第二电流互感器为所述HPF支路提供接地保护。所述电容器包括相互串联的两个子电容，所述放电线圈并联连接在所述电容器的两个子电容上，所述放电线圈用于所述HPF支路退出运行后泄放所述电容器上的余电。

优选的，输入三相交流110kV电压经过牵引变压器转变成27.5kV适合电力机车使用要求的电压，所述牵引变压器安装在牵引变电所，所述牵引变压器通过馈线输送到所述接触网。

优选的，所述功率单元包括4个可控开关器件和电容，4个可控开关器件构成的一个单相H桥，中间直流回路采用滤波电容并联在所述单相H桥的两端。

优选的，所述HPF支路安装在编组站，HPF支路采用二阶高通滤波器结构，用于集中补偿交直流机车在所述接触网中产生的高次谐波。

优选的，所述控制装置包括主控单元、触摸工控机、微机保护器和数字模拟量采集装置。所述数字模拟量采集装置采集包括接入点网压和网流信号，所述APF变流器的输出电流在内的模拟量，以及各个接触器、断路器开关状态在内的数字量。所述主控单元与所述数字模拟量采集装置相连，所述主控单元根据实时检测的模拟量和数字量信号进行实时计算，产生所述功率单元各个开关器件的驱动脉冲。所述主控单元还与所述触摸工控机相连，将包括所述功率单元、接触器、供电电源在内的状态信息实时反馈至所述触摸工控机，所述主控单元同时接收所述触摸工控机下传的APF变流器的运行参数和操作指令信息。所述触摸工控机负责设定所述运行参数和操作指令，实时监控各个接触器和整个电能质量综合治理装置指定部位的状态信息。所述APF支路断路器通过所述微机保护器与所述数字模拟量采集装置相连，所述第一真空接触器和第二真空接触器与所述数字模拟量采集装置相连，所述微机保护器将包括APF变流器过流故障信息在内的信号发送至所述数字模拟量采集装置，同时向所述APF支路断路器发送跳闸指令。所述数字模拟量采集装置再将故障信息转换成数字信号发送至所述主控单元，所述主控单元接收到故障信息后向所述APF变流器下传故障停机命令，并向所述第一真空接触器和第二真空接触器发送跳闸指令。

通过实施上述本发明提供的一种电气化铁路牵引供电网电能质量综合治理装置的技术方案，具有如下技术效果：

（1）本发明通过电压源型变流装置与无源滤波器对牵引网谐波的谐波进行有选择性的分段补偿，避免了电压源型变流装置和无源滤波器在补偿牵引网的谐波时产生的相互影响，有助于电压源型变流装置自身的稳定运行；

（2）本发明中的电压源型变流装置与无源滤波器有针对性的选择不同的安装地点，使得无源滤波器能在谐波源所在地，就进行就地补偿，避免谐波源的高次谐波阻抗随线路的增长而急剧增大，影响牵引网线路上的其它机车和用电设备；

（3）本发明中的电压源型变流装置安装在电铁牵引供电系统电能质量的考核点，即牵引变电所，能集中补偿电铁牵引供电系统的无功功率、低次谐波、负序分量、抑制闪变等电能质量问题，可以准确体现电压源型变流装置对电铁牵引供电系统电能质量的治理效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有技术电气化铁路的电能质量控制补偿装置的电气连接结构示意图；

图2是本发明提供的电气化铁路牵引供电网电能质量综合治理装置一种具体实施方式的主电路结构示意图；

图3是本发明提供的电气化铁路牵引供电网电能质量综合治理装置一种具体实施方式APF变流器的电路拓扑结构图；

图4是本发明提供的电气化铁路牵引供电网电能质量综合治理装置一种具体实施方式HPF支路的阻抗频率特性图；

图5是本发明提供的电气化铁路牵引供电网电能质量综合治理装置一种具体实施方式控制装置的系统结构框图；

图6是本发明提供的电气化铁路牵引供电网电能质量综合治理装置另一种具体实施方式的电气连接结构示意图；

图中：1-APF支路，2-HPF支路，TA1-第一馈线电流互感器，QF1-APF支路断路器，QS1-第一隔离闸刀，FV1-第一保护熔断器，TP-隔离变压器，TA0-第一电流互感器，KM1-第一真空接触器，KM2-第二真空接触器，Rc1-第一充电电阻，3-APF变流器，4-控制装置，5-充电电路，6-功率单元，7-主控单元，8-触摸工控机，9-微机保护器，10-数字模拟量采集装置，11-牵引变压器，TA2-第二馈线电流互感器，QF2-HPF支路断路器，QS2-第二隔离闸刀，FV2-第二保护熔断器，TA3-第二电流互感器，TD-放电线圈，R-电阻器，C-电容器，L-电抗器，12-无源滤波器，13-相电抗器，14-电压源型变流装置。

具体实施方式

为了引用和清楚起见，将下文中使用的技术名词、简写或缩写记载如下：

SVC：Static Var Compensator，静止无功补偿器的简称；

HPF：High Pass Filter，高通滤波器的简称；

STATCOM：Static Synchronous Compensator，静止同步补偿器的简称；

APF：Active Power Filter，有源电力滤波器的简称。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如附图2至附图6所示，给出了本发明一种电气化铁路牵引供电网电能质量综合治理装置的具体实施例，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

如附图6所示的一种电气化铁路牵引供电网电能质量综合治理装置的具体实施方式，包括：APF支路1和HPF支路2，APF支路1和HPF支路2均挂接在接触网上。APF支路1包括连接电抗器、控制装置4、一组以上的APF变流器3和一组以上与APF变流器3对应的充电电路5。APF变流器3连接充电电路5后，再通过连接电抗器L1挂接在接触网上。APF变流器3由两个以上的功率单元6级联而成，控制装置4与APF变流器3相连，控制装置4向功率单元6的开关器件发出控制信号，产生单相等幅交流PWM输出电压，再通过连接电抗器L1得到期望的电流注入到所述接触网中，以抵消接触网中原有谐波，补偿无功电流。HPF支路2包括电阻器R、电抗器L和电容器C，电阻器R、电抗器L和电容器C组成二阶谐振电路。该具体实施方式将电压源型变流装置（APF1支路）设计为直挂27.5kV牵引网的系统结构，可以省去隔离变压器TP。但电压源型变流装置需要选用耐压等级更高的开关器件及其他系统部件，同时要增加相应电压等级的连接电抗器，方案成本较高。作为一种典型的实施方式，如附图6所示，在APF变流器3容量足够的情况下，仅需采用一组APF变流器3。如果一组APF变流器3容量不足，可以采用两组以上的多组连接电抗器L1、充电电路5和APF变流器3并联。

APF支路1还进一步包括第一电流互感器TA0、第一馈线电流互感器TA1、APF支路断路器QF1、第一隔离闸刀QS1和第一保护熔断器FV1。第一馈线电流互感器TA1、APF支路断路器QF1、第一隔离闸刀QS1和第一保护熔断器FV1连接在连接电抗器L1与充电电路5之间。第一电流互感器TA0连接在连接电抗器L1与地之间，第一隔离闸刀QS1、APF支路断路器QF1用于接通或切断APF支路1，第一保护熔断器FV1与第一馈线电流互感器TA分别为APF支路1提供过压和过流保护，第一电流互感器TA0为APF支路1提供接地保护。充电电路5进一步包括第一真空接触器KM1、第二真空接触器KM2和第一充电电阻Rc1，第一真空接触器KM1与第一充电电阻Rc1串联后，再与第二真空接触器KM2并联。

如附图2所示，另一种电气化铁路牵引供电网电能质量综合治理装置的具体实施方式，包括：APF支路1和HPF支路2，APF支路1和HPF支路2均挂接在接触网上。APF支路1进一步包括隔离变压器TP、控制装置4、一组以上的APF变流器3和一组以上与APF变流器3对应的充电电路5。APF变流器3连接充电电路5后，再通过隔离变压器TP挂接在接触网上，APF变流器3通过充电电路5与隔离变压器TP的次边相连，隔离变压器TP的原边与接触网相连。APF变流器3由两个以上的功率单元6级联而成，控制装置4与APF变流器3相连，控制装置4向功率单元6的开关器件发出控制信号，产生单相等幅交流PWM输出电压，再通过隔离变压器TP原边线路中的连接电抗得到期望的电流注入到接触网中，以抵消接触网中原有谐波，补偿无功电流。HPF支路2包括电阻器R、电抗器L和电容器C，电阻器R、电抗器L和电容器C组成二阶谐振电路。

APF支路1还进一步包括第一电流互感器TA0、第一馈线电流互感器TA1、APF支路断路器QF1、第一隔离闸刀QS1和第一保护熔断器FV1。第一馈线电流互感器TA1、APF支路断路器QF1、第一隔离闸刀QS1和第一保护熔断器FV1连接在接触网与隔离变压器TP之间，第一电流互感器TA0连接在隔离变压器TP与地之间，第一隔离闸刀QS1、APF支路断路器QF1用于接通或切断APF支路1，第一保护熔断器FV1与第一馈线电流互感器TA1分别为APF支路1提供过压和过流保护，第一电流互感器TA0为APF支路1提供接地保护。

其中，隔离变压器TP的原边与27.5kV接触网相连，隔离变压器TP的次边两个10kV的绕组分别连接两台APF变流器3。隔离变压器TP进一步采用油浸式隔离变压器，隔离变压器TP的原边直挂在馈线上，隔离变压器TP自带电压互感器，以检测馈线电压。

充电电路5进一步包括第一真空接触器KM1、第二真空接触器KM2和第一充电电阻Rc1，第一真空接触器KM1与第一充电电阻Rc1串联后，再与第二真空接触器KM2并联。APF变流器3在充电过程中，通过控制装置4发出指令控制第一真空接触器KM1，接入第一充电电阻Rc1来限制充电电流，当充电结束后，切断第一充电电阻Rc1，完成充电过程。充电电路5抑制APF变流器3直流侧电容充电过程中的过电流，保护功率单元6中开关器件的续流二级管。

HPF支路2还进一步包括第二馈线电流互感器TA2、第二电流互感器TA3、HPF支路断路器QF2、第二隔离闸刀QS2、放电线圈TD和第二保护熔断器FV2。HPF支路2的电阻器R与电抗器L并联后再与所述电容器C串联组成二阶高通滤波器，第二馈线电流互感器TA2、HPF支路断路器QF2、第二隔离闸刀QS2和第二保护熔断器FV2连接在接触网和二阶高通滤波器之间，第二电流互感器TA3连接在二阶高通滤波器与地之间。第二隔离闸刀QS2、HPF支路断路器QF2用于接通或切断HPF支路2，第二保护熔断器FV2与第二馈线电流互感器TA2分别为HPF支路2提供过压和过流保护，第二电流互感器TA3为HPF支路2提供接地保护。电容器C包括相互串联的两个子电容，放电线圈TD并联连接在电容器C的两个子电容上，放电线圈TD用于HPF支路2退出运行后放掉电容器C上的余电。

HPF支路2安装在编组站，HPF支路2采用二阶高通滤波器结构，用于集中补偿交直流机车在接触网中产生的高次谐波。从附图2或附图6中可以看出，HPF支路2是利用RLC构成的一个二阶谐振电路。由于电抗器L被电阻器R旁路，其并联的合成阻抗不可能超过电阻值，而电容器C的容抗与频率成反比，因此该二阶高通滤波器有一个较低的阻抗频率范围。当频率低于截止频率fk时，二阶高通滤波器的阻抗明显增加，使低次谐波电流难于通过。反之，当频率高于截止频率fk时，HPF阻抗较低，从而达到滤除较高次谐波的目的。

二阶高通滤波器的阻抗Z_n为： $Z_n=\frac{1}{\mathrm{Jn\ωC}}+{(\frac{1}{R}+\frac{1}{\mathrm{jn\ωL}})}^{-1}$

其中，C为电容器的电容值，R为电阻器的电阻值，L为电抗器的电抗值，n为谐波的次数，ω为角频率，j为复数表现形式。

功率单元6则进一步包括4个可控开关器件和电容，4个可控开关器件构成的一个单相H桥，中间直流回路采用滤波电容并联在单相H桥的两端，用于实现滤波和储能。功率单元6通过接收主控单元7的控制信号来控制开关器件动作，产生单相等幅交流PWM输出电压，继而通过连接电抗器得到期望的电流注入到接触网中，来抵消网中原有谐波，补偿无功电流，以及解决其它电能质量问题。

输入三相交流110kV电压经过牵引变压器11转变成27.5kV适合电力机车使用要求的电压，牵引变压器11安装在牵引变电所，牵引变压器11通过馈线输送到接触网。作为电压源型变流器的APF支路1安装在铁路牵引变电所，用于集中补偿牵引供电系统的负序分量、无功功率、低次谐波、闪变等电能质量问题。APF支路1经过一个27.5kV/10kV隔离变压器TP降压到10kV，然后在隔离变压器TP的二次侧并联两重APF变流器3，每重APF变流器3采用多个功率单元6级联的拓扑结构，使得每重APF变流器3的等效开关频率高，装置自身产生的谐波小。作为无源滤波器的HPF支路2安装在编组站，它被设计成一个二阶高通滤波器，用于集中补偿交直流机车在牵引网中产生的高次谐波。

作为本发明一种较佳的实施方式，控制装置4进一步包括主控单元7、触摸工控机8、微机保护器9和数字模拟量采集装置10。主控单元7是整个控制装置4的核心部件，几乎所有的APF变流器3控制命令都由它发出。主控单元7根据实时检测的各关键控制量，根据核心控制算法进行实时计算，产生各功率单元6中开关器件的驱动脉冲，并通过光纤通讯的方式下传至各个功率单元6。数字模拟量采集装置10采集包括接入点网压和网流信号，APF变流器3的输出电流在内的模拟量，以及各个接触器、断路器开关状态在内的数字量，并通过光纤反馈给主控单元7。同时，输出主控单元7给定的如闭合第一真空接触器KM1、面板指示数字信号等信息。主控单元7与数字模拟量采集装置10相连，主控单元7根据实时检测的模拟量和数字量信号进行实时计算，产生功率单元6各个开关器件的驱动脉冲。主控单元7还与触摸工控机8相连，将包括功率单元6的状态，系统关键部件（如风机、柜门、接触器、电源供电等在内的）状态信息实时反馈至触摸工控机8，主控单元7同时接收触摸工控机8下传的APF变流器3的运行参数和操作指令信息。作为本发明一种较佳的实施方式，触摸工控机8负责设定运行参数和操作指令（如停机、复位、急停和运行等），监控APF变流器3的运行状态和实时直观地显示各重要参数，还可以根据需要实时监控各个接触器和整个电能质量综合治理装置指定关键部位（如：APF变流器3各个功率单元6电容C1～Cn的实时直流电压值；功率单元的实时状态是否正常，或是报“功率单元欠压故障”、“功率单元过压故障”、“功率单元光纤故障”、“功率单元电源故障”等；APF变流器3的实时输出电流有效值；接触网侧的实时功率因素等）的状态信息，并将相关的信息反馈给上级的中心计算机，具有一定的故障诊断能力和保护措施，同时下传主控单元7所需的运行参数及停机、复位、急停和运行等操作指令。微机保护器9可以设置包括APF支路速断、过流保护、差流保护、变压器瓦斯保护、压力释放和温度保护在内的整定参数值，对APF支路1的安全运行进行保护。APF支路断路器QF1通过微机保护器9与数字模拟量采集装置10相连，第一真空接触器KM1和第二真空接触器KM2与数字模拟量采集装置10相连。微机保护器9将包括APF变流器3过流故障信息在内的信号发送至数字模拟量采集装置10，同时向APF支路断路器QF1发送跳闸指令。数字模拟量采集装置10再将故障信息转换成数字信号发送至主控单元7，主控单元7接收到故障信息后向APF变流器3下传故障停机命令，并向第一真空接触器KM1和第二真空接触器KM2发送跳闸指令。

本发明具体实施方式描述的技术方案采用电压源型变流装置（APF支路1）与无源滤波器（HPF支路2）对牵引网谐波的谐波进行有选择性的分段补偿。其中，无源滤波装置设计为二阶高通滤波器结构，专用于补偿牵引网的高次谐波，而牵引网的低次谐波和无功功率补偿则由电压源型变流装置来补偿。使得电压源型变流装置和无源滤波器在补偿牵引网谐波时不会产生相互影响，有助于电压源型变流装置自身的稳定运行。另外，将电压源型变流装置安装于牵引变电所，集中补偿电铁牵引供电系统的无功功率、低次谐波、负序电流、抑制闪变等电能质量问题。将无源滤波器安装于编组站，它是交直流机车集中地，也是谐波源所在地，无源滤波器安装于此可以进行就地补偿，避免谐波源（特别是高次谐波）的阻抗随线路的增长而急剧增大，从而影响牵引网线路上的其它机车和用电设备。将电压源型变流装置和无源滤波器分开安装也可以节约现场用地面积，便于实际工程施工。

本发明具体实施方式描述的技术方案具有如下技术效果：

（1）本发明通过电压源型变流装置与无源滤波器对牵引网谐波的谐波进行有选择性的分段补偿，避免了电压源型变流装置和无源滤波器在补偿牵引网的谐波时产生的相互影响，有助于电压源型变流装置自身的稳定运行；

（2）本发明中的电压源型变流装置与无源滤波器有针对性的选择不同的安装地点，使得无源滤波器能在谐波源所在地，就进行就地补偿，避免谐波源的高次谐波阻抗随线路的增长而急剧增大，影响牵引网线路上的其它机车和用电设备；

（3）本发明中的电压源型变流装置安装在电铁牵引供电系统电能质量的考核点，即牵引变电所，能集中补偿电铁牵引供电系统的无功功率、低次谐波、负序分量、抑制闪变等电能质量问题，可以准确体现电压源型变流装置对电铁牵引供电系统电能质量的治理效果。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神实质和技术方案的情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (12)

1.一种电气化铁路牵引供电网电能质量综合治理装置，其特征在于，包括：APF支路（1）和HPF支路（2），所述APF支路（1）和HPF支路（2）均挂接在接触网上；所述APF支路（1）包括连接电抗器（L1）、控制装置（4）、一组以上的APF变流器（3）和一组以上与所述APF变流器（3）对应的充电电路（5），所述APF变流器（3）连接所述充电电路（5）后，再通过所述连接电抗器（L1）挂接在所述接触网上；所述APF变流器（3）由两个以上的功率单元（6）级联而成，所述控制装置（4）与所述APF变流器（3）相连，所述控制装置（4）向所述功率单元（6）的开关器件发出控制信号，产生单相等幅交流PWM输出电压，再通过所述连接电抗器（L1）得到期望的电流注入到所述接触网中，以抵消所述接触网中原有谐波，补偿无功电流；所述HPF支路（2）包括电阻器（R）、电抗器（L）和电容器（C），所述电阻器（R）、电抗器（L）和电容器（C）组成二阶谐振电路。

2.一种电气化铁路牵引供电网电能质量综合治理装置，其特征在于，包括：APF支路（1）和HPF支路（2），所述APF支路（1）和HPF支路（2）均挂接在接触网上；所述APF支路（1）包括隔离变压器（TP）、控制装置（4）、一组以上的APF变流器（3）和一组以上与所述APF变流器（3）对应的充电电路（5），所述APF变流器（3）连接所述充电电路（5）后，再通过所述隔离变压器（TP）挂接在接触网上，所述APF变流器（3）通过所述充电电路（5）与所述隔离变压器（TP）的次边相连，所述隔离变压器（TP）的原边与接触网相连；所述APF变流器（3）由两个以上的功率单元（6）级联而成，所述控制装置（4）与所述APF变流器（3）相连，所述控制装置（4）向所述功率单元（6）的开关器件发出控制信号，产生单相等幅交流PWM输出电压，再通过所述隔离变压器（TP）原边线路中的连接电抗得到期望的电流注入到所述接触网中，以抵消所述接触网中原有谐波，补偿无功电流；所述HPF支路（2）包括电阻器（R）、电抗器（L）和电容器（C），所述电阻器（R）、电抗器（L）和电容器（C）组成二阶谐振电路。

3.根据权利要求1所述的一种电气化铁路牵引供电网电能质量综合治理装置，其特征在于：所述APF支路（1）还包括第一电流互感器（TA0）、第一馈线电流互感器（TA1）、APF支路断路器（QF1）、第一隔离闸刀（QS1）和第一保护熔断器（FV1），所述第一馈线电流互感器（TA1）、APF支路断路器（QF1）、第一隔离闸刀（QS1）和第一保护熔断器（FV1）连接在所述接触网与所述连接电抗器（L1）之间，所述第一电流互感器（TA0）连接在所述APF变流器（3）与地之间，所述第一隔离闸刀（QS1）、APF支路断路器（QF1）用于接通或切断所述APF支路（1），所述第一保护熔断器（FV1）与所述第一馈线电流互感器（TA1）分别为所述APF支路（1）提供过压和过流保护，所述第一电流互感器（TA0）为所述APF支路（1）提供接地保护。

4.根据权利要求2所述的一种电气化铁路牵引供电网电能质量综合治理装置，其特征在于：所述APF支路（1）还包括第一电流互感器（TA0）、第一馈线电流互感器（TA1）、APF支路断路器（QF1）、第一隔离闸刀（QS1）和第一保护熔断器（FV1），所述第一馈线电流互感器（TA1）、APF支路断路器（QF1）、第一隔离闸刀（QS1）和第一保护熔断器（FV1）连接在所述接触网与所述隔离变压器（TP）之间，所述第一电流互感器（TA0）连接在所述隔离变压器（TP）与地之间，所述第一隔离闸刀（QS1）、APF支路断路器（QF1）用于接通或切断所述APF支路（1），所述第一保护熔断器（FV1）与所述第一馈线电流互感器（TA1）分别为所述APF支路（1）提供过压和过流保护，所述第一电流互感器（TA0）为所述APF支路（1）提供接地保护。

5.根据权利要求2或4所述的一种电气化铁路牵引供电网电能质量综合治理装置，其特征在于：所述隔离变压器（TP）的原边与所述27.5kV接触网相连，所述隔离变压器（TP）的次边两个10kV的绕组分别连接两台APF变流器（3）。

6.根据权利要求5所述的一种电气化铁路牵引供电网电能质量综合治理装置，其特征在于：所述隔离变压器（TP）采用油浸式隔离变压器，所述隔离变压器（TP）的原边直挂在馈线上，所述隔离变压器（TP）自带电压互感器，以检测馈线电压。

7.根据权利要求3、4、6中任一权利要求所述的一种电气化铁路牵引供电网电能质量综合治理装置，其特征在于：所述充电电路（5）包括第一真空接触器（KM1）、第二真空接触器（KM2）和第一充电电阻（Rc1），所述第一真空接触器（KM1）与第一充电电阻（Rc1）串联后，再与所述第二真空接触器（KM2）并联；所述APF变流器（3）在充电过程中，通过所述控制装置（4）发出指令控制所述第一真空接触器（KM1），接入所述第一充电电阻（Rc1）来限制充电电流，当充电结束后，切断所述第一充电电阻（Rc1），完成充电过程；所述充电电路（5）抑制所述APF变流器（3）直流侧电容充电过程中的过电流，保护所述功率单元（6）中开关器件的续流二级管。

8.根据权利要求7所述的一种电气化铁路牵引供电网电能质量综合治理装置，其特征在于：所述HPF支路（2）还包括第二馈线电流互感器（TA2）、第二电流互感器（TA3）、HPF支路断路器（QF2）、第二隔离闸刀（QS2）、放电线圈（TD）和第二保护熔断器（FV2）；所述HPF支路（2）的电阻器（R）与电抗器（L）并联后再与所述电容器（C）串联组成二阶高通滤波器，所述第二馈线电流互感器（TA2）、HPF支路断路器（QF2）、第二隔离闸刀（QS2）和第二保护熔断器（FV2）连接在所述接触网和二阶高通滤波器之间，所述第二电流互感器（TA3）连接在所述二阶高通滤波器与地之间，所述第二隔离闸刀（QS2）、HPF支路断路器（QF2）用于接通或切断所述HPF支路（2），所述第二保护熔断器（FV2）与所述第二馈线电流互感器（TA2）分别为所述HPF支路（2）提供过压和过流保护，所述第二电流互感器（TA3）为所述HPF支路（2）提供接地保护；所述电容器（C）包括相互串联的两个子电容，所述放电线圈（TD）并联连接在所述电容器（C）的两个子电容上，所述放电线圈（TD）用于所述HPF支路（2）退出运行后泄放所述电容器（C）上的余电。

9.根据权利要求3、4、6、8中任一权利要求所述的一种电气化铁路牵引供电网电能质量综合治理装置，其特征在于：输入三相交流110kV电压经过牵引变压器（11）转变成27.5kV适合电力机车使用要求的电压，所述牵引变压器（11）安装在牵引变电所，所述牵引变压器（11）通过馈线输送到所述接触网。

10.根据权利要求9所述的一种电气化铁路牵引供电网电能质量综合治理装置，其特征在于：所述功率单元（6）包括4个可控开关器件和电容，4个可控开关器件构成的一个单相H桥，中间直流回路采用滤波电容并联在所述单相H桥的两端。

11.根据权利要求3、4、6、8、10中任一权利要求所述的一种电气化铁路牵引供电网电能质量综合治理装置，其特征在于：所述HPF支路（2）安装在编组站，HPF支路（2）采用二阶高通滤波器结构，用于集中补偿交直流机车在所述接触网中产生的高次谐波。

12.根据权利要求8或10所述的一种电气化铁路牵引供电网电能质量综合治理装置，其特征在于：所述控制装置（4）包括主控单元（7）、触摸工控机（8）、微机保护器（9）和数字模拟量采集装置（10）；所述数字模拟量采集装置（10）采集包括接入点网压和网流信号，所述APF变流器（3）的输出电流在内的模拟量，以及各个接触器、断路器开关状态在内的数字量；所述主控单元（7）与所述数字模拟量采集装置（10）相连，所述主控单元（7）根据实时检测的模拟量和数字量信号进行实时计算，产生所述功率单元（6）各个开关器件的驱动脉冲；所述主控单元（7）还与所述触摸工控机（8）相连，将包括所述功率单元（6）、接触器、供电电源在内的状态信息实时反馈至所述触摸工控机（8），所述主控单元（7）同时接收所述触摸工控机（8）下传的APF变流器（3）的运行参数和操作指令信息，所述触摸工控机（8）负责设定所述运行参数和操作指令，实时监控各个接触器和整个电能质量综合治理装置指定部位的状态信息；所述APF支路断路器（QF1）通过所述微机保护器（9）与所述数字模拟量采集装置（10）相连，所述第一真空接触器（KM1）和第二真空接触器（KM2）与所述数字模拟量采集装置（10）相连，所述微机保护器（9）将包括APF变流器（3）过流故障信息在内的信号发送至所述数字模拟量采集装置（10），同时向所述APF支路断路器（QF1）发送跳闸指令；所述数字模拟量采集装置（10）再将故障信息转换成数字信号发送至所述主控单元（7），所述主控单元（7）接收到故障信息后向所述APF变流器（3）下传故障停机命令，并向所述第一真空接触器（KM1）和第二真空接触器（KM2）发送跳闸指令。

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