CN103515970B - 一种用于电气化铁道无功与不对称补偿的三桥臂补偿装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于电气化铁道的电力电子补偿装置，属于电气化铁路供电领域。一种用于电气化铁道无功与不对称补偿的补偿装置，其特征在于包括：（1）三个共用直流母线的逆变器桥臂；（2）三个逆变器桥臂的交流出线通过连接电抗或者连接变压器接到电力牵引网中，其中第一桥臂的交流出线连接于牵引电网的超前相上，第二桥臂的交流出线连接于牵引电网的滞后相上，第三桥臂的交流出线连接于牵引电网的回流线上；（3）装置检测和控制单元，用于对各信号进行采集并分析，计算并控制装置输出补偿电流。本发明采用三桥臂的动态补偿结构，具有公共的直流母线，可以输出多种补偿电流，除无功电流外，还可直接输出负序电流和谐波电流。

Description

一种用于电气化铁道无功与不对称补偿的三桥臂补偿装置

技术领域

本发明涉及一种用于电气化铁道的电力电子补偿装置，可用于电气化铁路负荷的无功和不对称补偿，同时能够对低次谐波进行治理，属于电气化铁道供电领域，尤其涉及一种用于电气化铁道无功与不对称补偿的三桥臂补偿装置。

背景技术

随着国民经济的快速发展，电气化铁路获得了飞速发展，在给人们带来了快捷、高效的交通同时，也带来了严重电能质量问题。机车为单相供电负荷，电气化铁路牵引变电站也就多采用三相-两相变压器，包括VV变压器、VX变压器、Ynd11变压器、SCOTT变压器等，其原边为三相110kV/220kV系统，副边为两个单相27.5kV系统。不同的牵引变压器原副边电压和电流关系不同，在影响程度上略有区别，但引起的电能质量问题类似。首先，电力机车牵引负荷为波动性很大的单相负载，当机车的工况改变时，会导致较大的负荷电流波动，从而引起供电网电压的波动；其次，电铁供电采用单相制式，会产生大量的负序电流；另外，传统的相控整流式的机车（如韶山6型）会产生很大的谐波电流。电铁负荷对电网的影响还可参看文献中的相关部分。这些如不能在电铁牵引变电站得到及时治理，将注入电力系统，影响电网的安全运行并波及其他用户。

针对牵引负荷存在的电能质量问题，目前的主要治理手段是在27.5kV侧加装固定电容器或TCR，该种方式采用晶闸管投切电容和电感以实现补偿，其存在占地面积大、损耗大（尤其在轻载时）等缺点；专利“用于电气化铁道无功功率补偿与电能质量控制的补偿装置”（申请号为200610089396.7）提出了一种先进的补偿方式，采用两个背靠背连接的四桥臂动态补偿方案，其两个单相H桥分别接在两供电臂，可分别补偿各自桥臂的无功功率，同时通过公共的直流母线可进行桥臂之间的有功交换，可直接补偿负序。但因两供电臂有一公共线路，所以两单相桥中至少有一个需要通过单相变压器接入电网。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于电气化铁道无功与不对称补偿的补偿装置，解决现在的补偿装置存在占地面积大、损耗大，以及需要加载单相变压器接入电网，增大成本的缺陷。

技术方案

一种用于电气化铁道无功与不对称补偿的补偿装置，其特征在于包括：

（1）三个共用直流母线的逆变器桥臂；（2）三个逆变器桥臂的交流出线通过连接电抗或者连接变压器接到电力牵引网中，其中第一桥臂的交流出线连接于牵引电网的超前相上，第二桥臂的交流出线连接于牵引电网的滞后相上，第三桥臂的交流出线连接于牵引电网的回流线上；（3）装置检测和控制单元，用于对各信号进行采集并分析，计算并控制装置输出补偿电流。

所述三个逆变器桥臂通过包括连接电抗器或变压器的并网单元接入牵引电网。

所述三个逆变器桥臂，为两电平、三电平或多电平结构、模块化多电平变换器结构中的任意一种。

所述三个逆变器桥臂，采用一个三相桥臂，或者采用多个三相桥臂并联。

所述逆变器桥臂采用门极可关断晶闸管、绝缘栅双极晶体管、集成门极换向晶闸管或电子注入增强栅晶体管组成全控型的电压源逆变器。

所述三个逆变器桥臂的额定容量根据牵引变压器的接线形式确定。

对于VV、YND11、VX接线形式的变压器，超前相和滞后相相位差为60度，三个逆变器桥臂的额定容量相同。

对于SCOTT、阻抗匹配平衡变压器接线形式的变压器，超前相和滞后相相位差为90度，第一桥臂和第二桥臂的额定容量相同，第三桥臂的额定容量最小为第一桥臂的1.414倍。

所述装置检测和控制单元采用相间能量传递的方法计算补偿参考电流从而进行无功与不对称补偿。

所述相间能量传递的方法为装置检测和控制单元分别采集电气化铁道两供电臂的电流，根据牵引变压器的原副边电流的关系，得出对应的原边三相电流；同时根据原副边关系，推导出副边两供电臂间能量传递与原边三相系统无功和负序的关系，在对系统电流进行分析计算后得到补偿参考分量，然后利用两供电臂间的能量传递原理得到副边两供电臂的补偿参考电流，同时将两参考电流之和取反作为公共线路的参考电流，即可得出整个装置的补偿参考电流。

有益效果

本发明采用三桥臂的动态补偿结构，具有公共的直流母线，可以输出多种补偿电流，除无功电流外，还可直接输出负序电流和谐波电流，从而具有更高的性价比，而且可适应于各种牵引变压器，通过电抗器或变压器接在供电臂上，应用更灵活。

附图说明

图1为本发明的结构原理示意图。

图2是本发明的电路实现方式1两电平结构示意图。

图3是本发明的电路实现方式2三电平结构示意图。

图4是本发明的电路实现方式3模块化多电平MMC结构示意图。

图5是本发明的控制算法原理示意图。

图6是本发明在SCOTT变压器下的仿真示例接线图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。

本发明针对现有技术存在的上述不足，在上文所述专利基础之上提出一种新的技术方案，将三桥臂结构的动态补偿装置接在27.5kV的牵引电网侧，应用于电铁系统的无功和负序补偿，相比上述专利的四桥臂结构少一个桥臂。三桥臂具有公共的直流母线，可以输出多种补偿电流，除无功电流外，还可直接输出负序电流和谐波电流，从而具有更高的性价比。该方案可适应于各种牵引变压器，通过电抗器或变压器接在供电臂上，应用更灵活。

本发明的装置结构原理参考附图1，包括：

（1）采用三个共用直流母线的桥臂构成，三个桥臂的交流出线通过连接电抗或者连接变压器接到牵引电网中，桥臂1的交流出线连接于牵引网超前相上，桥臂2的交流出线连接于牵引网滞后相上，桥臂3的交流出线连接于牵引网回流线上。

（2）桥臂的参数根据牵引变压器的接线形式确定，针对不同的牵引变压器，三桥臂的额定电流可能有所不同。

（3）装置检测和控制单元，对各信号进行采集并分析计算补偿参考电流，其中无功和负序补偿参考电流的计算采用两供电臂间的能量传递原理，然后控制各桥臂输出补偿电流。

本发明提出的用于电气化铁道的三桥臂补偿装置应用基于全控型电力电子开关的三相电压源型逆变器，具有以下优点：

（1）采用SVC的无功补偿方案，虽也可实现动态补偿，但会产生大量的谐波电流，因此补偿装置本身必须加一定的滤波器，整体装置偏大；而且电抗器的运行损耗极大。而本发明的装置采用脉宽调制（PWM）技术或多重化结构，可使其输出电流接近正弦波，从而无需附加额外的滤波器；

（2）通过对大功率电力电子器件的开关控制，本发明的装置不但可以实现无功的连续调节（吸收或发出无功），而且通过三桥臂共用的直流母线，可以直接进行相间的有功传递，从而对两供电臂负荷产生的负序进行补偿；

（3）除无功和负序补偿外，可以同时进行谐波的动态补偿；

（4）相比专利所提的背靠背式的四桥臂补偿方案，本发明少一个桥臂数量，且可以不通过变压器而直接接入电铁系统；

（5）在供电臂轻载情况下，本发明装置可以闭锁逆变器的脉冲，从而大大降低装置的运行损耗；

（6）适用于各种电气化铁路牵引变压器，同时根据不同牵引变压器的特点，各桥臂的容量可以分别进行设计，以提高装置的利用率。

上述补偿装置中，构成装置的三桥臂，可以为两电平、三电平或多电平结构、模块多电平MMC结构中的任意一种，如附图2～4所示。可以是一个三相桥臂装置，也可以根据需要采用多个三相桥臂并联。

本发明的补偿装置中，当不需要输出补偿电流时，逆变器可以工作在脉冲闭锁状态，以降低整个装置的运行损耗。如果采用多个逆变器并联的结构，当输出电流较小时，可闭锁部分散相逆变器，充分利用单模块的容量，从而降低装置损耗，提高装置的运行效率。

以下进一步介绍本发明补偿装置的原理：

本发明提供一种将三桥臂结构的动态补偿装置，应用于电铁系统的无功和负序补偿。其是基于电压源逆变器（VSC）构成的一种并联型补偿装置，它采用门极可关断晶闸管（GTO）、绝缘栅双极晶体管（IGBT）、集成门极换向晶闸管（IGCT）或电子注入增强栅晶体管（IEGT）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。本发明装置包括：（1）三个共用直流母线的桥臂；（2）将三桥臂接入牵引电网的并网单元，包括连接电抗器或变压器；（3）装置检测和控制单元，用于各信号的检测，计算并控制装置输出补偿电流。

针对电气化铁路负荷造成的负序、谐波以及冲击负载引起的电压波动等质量问题，可利用三桥臂的特点，发挥其公用直流母线的作用，更好的满足治理需求。本发明所提的补偿装置原理接线参考图1所示，可适用于各种类型接线的电气化铁路牵引变电所的不对称补偿。

参照图1所示，本发明提出的补偿装置接在27.5kV供电臂侧，采集系统分别采集两供电臂的电流，根据牵引变压器的原副边电流的关系，得出对应的原边三相电流；同时根据原副边关系，推导出副边两供电臂间能量传递与原边三相系统无功和负序的关系。在对系统电流进行分析计算后得到补偿参考分量后，利用两供电臂间的能量传递原理得到副边两供电臂的补偿参考电流，同时将两参考电流之和取反作为公共线路的参考电流，即可得出装置的补偿参考电流，其算法原理如图5所示。因各牵引变压器原副边电压电流关系不同，以下以SCOTT变压器为例进行无功和负序补偿参考电流的算法说明，其接线原理如图6所示。

首先是SCOTT变压器副边两供电臂间能量传递推导说明。

设系统电压的A相正序分量的相位为，原边三相系统电压为：

设变压器为理想变压器且变比为K，则有：

设副边两相电流分别滞后两边的电压角度为则：

系统侧三相电流分别为：

$\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{I}}_A\\ {\stackrel{\·}{I}}_B\\ {\stackrel{\·}{I}}_C\end{array}\right]=\frac{1}{K}\left[\begin{array}{cc}\frac{2}{\sqrt{3}}& 0\\ -\frac{1}{\sqrt{3}}& 1\\ -\frac{1}{\sqrt{3}}& -1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{I}}_t\\ {\stackrel{\·}{I}}_m\end{array}\right]$

对原边三相电流作正负序分析可得：

即

由上式可以看出，当两供电臂发等量反相的有功电流时（即从一相吸收有功向另外一相发出等量有功），那么有：

T相发出有功：T相吸收有功： $\left\{\begin{array}{c}{i}_A^{+}=0\\ i_A^{-}=\frac{2}{\sqrt{3}K}\left|I_{\mathrm{SAGP}}\right|\∠\mathrm{\α}\end{array}\right.$

当两供电臂发等量同相的无功电流时有

发出无功：吸收无功：

当两供电臂发等量反相的无功电流时有

T相发无功：T相吸无功：

从上式可以得出SCOTT变压器下副边有功、无功电流对原边无功和负序电流的影响关系式。可以看出当T相和M相同时发出等量反相的无功和有功时，会影响系统侧的负序电流；当T相和M相同时发出等量同相的无功电流时，会影响系统侧的无功电流。

下面是SCOTT变压器下无功和负序补偿参考电流计算的说明

设三相系统电压为则两供电臂的电压为令两供电臂电流分别为It、Im，则系统三相电流为

$\left[\begin{array}{c}{I}_A\\ I_B\\ I_C\end{array}\right]=\frac{1}{\sqrt{3}K}\left[\begin{array}{cc}2& 0\\ -1& \sqrt{3}\\ 1& -\sqrt{3}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{I}_t\\ I_m\end{array}\right]$

然后对系统三相电流进行dq变换。

计算出的各分量经过低通滤波后得到基波正序有功电流Ipd、基波正序无功电流Ipq、基波负序d轴分量Ind、基波负序q轴分量Inq，其中后三个分量即为补偿分量。

根据T相和M相间传递能量原理，当T相吸有功，M相发等量有功时，对系统电流的影响为 $\left\{\begin{array}{c}{i}_a^{+}=0\\ i_a^{-}=\frac{2}{\sqrt{3}K}{I}_{\mathrm{SVGP}}\cos \mathrm{\ωt}\end{array}\right.,$ 为相位平行于Ua的负序电流，对正序电流没有影响。则对基波负序d轴分量Ind的补偿，T和M相参考电流为

当T相发无功，M相吸等量无功时，对系统电流影响为对基波负序q轴分量Inq的补偿，T和M相参考电流为

对基波正序无功电流Ipq的补偿，T和M相发出等量无功，对系统电流的影响为

因此，T和M相对应的参考电流为

则最终的补偿装置的三相参考电流为 $\left\{\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{caref}}=i_{\mathrm{nd}\_t}+i_{\mathrm{nq}\_t}+i_{\mathrm{pq}\_t}\\ I_{\mathrm{cbref}}=i_{\mathrm{nd}\_m}+i_{\mathrm{nq}\_m}+i_{\mathrm{pq}\_m}\\ I_{\mathrm{caref}}=-I_{\mathrm{caref}}-I_{\mathrm{cbref}}\end{array}\right.$

以上为SCOTT变压器下无功和负序补偿参考电流的算法介绍，在求出各相的补偿参考电流后，装置根据电流跟踪控制输出相应的补偿电流。谐波补偿参考电流计算采用FFT算法，对两供电臂电流进行分析后得到谐波分量，即为谐波补偿参考电流，将其加到之前的无功和负序补偿参考电流中。

以上是SCOTT变压器下的三桥臂装置动态补偿原理介绍，其它变压器下的补偿原理基本相同。就是利用装置公共直流母线的特点，在两供电臂之间直接进行有功或无功交换，从而达到补偿负序的目的，设此时参考电流值为I_m1、I_t1；负序之外，装置还对负载无功进行就地补偿，使流过牵引变压器的无功电流很小，满足功率因数控制要求时，输出的电流参考值为I_m2、I_t2；电压源逆变器并联接入系统时，是一种电流源型的补偿装置，不仅可以输出基波电流，也可以输出谐波电流，采用可控硅整流供电的电气化机车引起的谐波电流主要是3、5、7等低次谐波电流，尤其是3次和5次谐波电流，因此检测供电臂负荷谐波电流中的低次谐波电流并使逆变器输出相应的补偿电流，可有效抑制谐波，此时输出电流参考值为I_m3、I_t3。

综合考虑功率因数、不平衡、谐波治理等控制需求，三桥臂补偿装置的补偿电流参考值分别为I_caref＝I_t1+I_t2+I_t3，I_cbref＝I_m1+I_m2+I_m3，I_ccref＝-I_ca-I_cb。采用电流动态跟踪的控制算法，可以让逆变器输出电流跟踪补偿电流参考值，从而达到动态补偿的目的。

Claims (9)

1.一种用于电气化铁道无功与不对称补偿的三桥臂补偿装置，其特征在于包括：

(1)三个共用直流母线的逆变器桥臂；(2)三个逆变器桥臂的交流出线通过连接电抗或者连接变压器接到电力牵引网中，其中第一桥臂的交流出线连接于牵引电网的超前相上，第二桥臂的交流出线连接于牵引电网的滞后相上，第三桥臂的交流出线连接于牵引电网的回流线上；(3)装置检测和控制单元，用于对各信号进行采集并分析，计算并控制装置输出补偿电流，所述三个逆变器桥臂通过相同的包括连接电抗器或变压器的并网单元接入牵引电网。

2.如权利要求1所述的用于电气化铁道无功与不对称补偿的三桥臂补偿装置，其特征在于：所述三个逆变器桥臂，为两电平、三电平或多电平结构、模块化多电平变换器结构中的任意一种。

3.如权利要求1所述的用于电气化铁道无功与不对称补偿的三桥臂补偿装置，其特征在于：所述三个逆变器桥臂，采用一个三相桥臂，或者采用多个三相桥臂并联。

4.如权利要求1所述的用于电气化铁道无功与不对称补偿的三桥臂补偿装置，其特征在于：所述逆变器桥臂采用门极可关断晶闸管、绝缘栅双极晶体管、集成门极换向晶闸管或电子注入增强栅晶体管组成全控型的电压源逆变器。

5.如权利要求1所述的用于电气化铁道无功与不对称补偿的三桥臂补偿装置，其特征在于：所述三个逆变器桥臂的额定容量根据牵引变压器的接线形式确定。

6.如权利要求5所述的用于电气化铁道无功与不对称补偿的三桥臂补偿装置，其特征在于：对于VV、YND11、VX接线形式的变压器，超前相和滞后相相位差为60度，三个逆变器桥臂的额定容量相同。

7.如权利要求5所述的用于电气化铁道无功与不对称补偿的三桥臂补偿装置，其特征在于：对于SCOTT、阻抗匹配平衡变压器接线形式的变压器，超前相和滞后相相位差为90度，第一桥臂和第二桥臂的额定容量相同，第三桥臂的额定容量最小为第一桥臂的1.414倍。

8.如权利要求1所述的用于电气化铁道无功与不对称补偿的三桥臂补偿装置，其特征在于：所述装置检测和控制单元采用相间能量传递的方法计算补偿参考电流从而进行无功与不对称补偿。

9.如权利要求8所述的用于电气化铁道无功与不对称补偿的三桥臂补偿装置，其特征在于：所述相间能量传递的方法为装置检测和控制单元分别采集电气化铁道两供电臂的电流，根据牵引变压器的原副边电流的关系，得出对应的原边三相电流；同时根据原副边关系，推导出副边两供电臂间能量传递与原边三相系统无功和负序的关系，在对系统电流进行分析计算后得到补偿参考分量，然后利用两供电臂间的能量传递原理得到副边两供电臂的补偿参考电流，同时将两参考电流之和取反作为公共线路的参考电流，即可得出整个装置的补偿参考电流。