CN103545825A - 一种电气化铁路电能质量电磁混合补偿系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电气化铁路电能质量电磁混合补偿系统，包括铁路功率调节器RPC、两个磁控静止无功补偿器MSVC、V/V牵引变压器；V/V牵引变压器由两个单相变压器接成V/V型，V/V牵引变压器的原边接在三相公共电网上，V/V牵引变压器副边的两个输出端为牵引供电臂；磁控静止无功补偿器MSVC包括磁控电抗器、三次单调谐滤波支路、五次单调谐滤波支路，三者并联连接；铁路功率调节器RPC包括两个共用直流侧的H桥变流器。本发明采用MSVC和RPC协同工作，解决了电气化铁路的谐波和负序不平衡问题；采用MSVC和RPC混合补偿有效降低了RPC的补偿容量，进而降低了系统造价。

Description

一种电气化铁路电能质量电磁混合补偿系统

技术领域

本发明属于电气化铁路电能质量补偿领域，特别涉及一种电气化铁路电能质量电磁混合补偿系统。

背景技术

我国已经有近8000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。高速铁路负荷采用基于脉宽调制的交-直-交供电策略，与常规电气化铁路机车牵引负荷相比具有瞬时功率大、功率因数高和含有大量高次谐波等特点。高铁负荷作为单相大功率负荷，会产生的大量负序电流，而这些负序电流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。因此有必要对电气化铁路的负序不平衡和谐波问题采取有效的治理措施。

牵引变压器是牵引供电系统与公用电网的连接桥梁，常用的牵引变压器主要有Scott牵引变压器，YNvd牵引变压器，V/V牵引变压器和阻抗平衡变压器。其中，Scott牵引变压器和阻抗平衡变压器是平衡牵引变压器，但是其完全消除负序电流的条件是两侧牵引供电臂负荷相等，这无疑具有很大的随机性。V/V牵引变压器将三相电源转换成两个单相供电电源，供两个相邻的牵引供电臂供电。V/V牵引变压器由于其接线方式简单，容量利用率高的优点，因此得到了广泛使用，因此，本专利选取V/V牵引变压器下的牵引供电系统作为研究对象。

近些年采用无功和平衡化补偿装置成为电铁牵引负荷电能质量补偿的研究热点。静止无功补偿器(Static Var Compensator，SVC)是解决电铁负序和无功问题的一个有效的方法，但是SVC无法解决谐波问题，而且晶闸管控制电抗器(Thyristor Controlled Reactor，TCR)本身也是一个谐波源，会进一步恶化谐波问题。随着电力电子器件的发展，出现了很多基于电力电子器件的电气化铁路有源电能质量综合治理方案。20世纪80年代有日本学者提出了铁路功率调节器(Railway Power Conditioner，RPC)，RPC可以对负序，谐波，无功进行综合补偿。但是RPC补偿需要的补偿容量很大，加之电力电子器件单位容量的造价高昂，因此成本很高，限制了RPC补偿方式的发展。

发明内容

针对背景技术存在的问题，本发明提出了一种基于RPC和带有磁控电抗器(Magnetic Controlled Reactor，MCR)的磁控静止无功补偿器(Magnetic Static varCompensator，MSVC)的电气化铁路电能质量电磁混合补偿系统。RPC只用来传递有功功率和治理部分谐波，MSVC用来补偿无功功率并通过三次单调谐滤波支路和五次单调谐滤支路滤除系统的三次、五次谐波；采用RPC和MSVC相配合，使无源性的无功补偿装置MSVC降低有源性补偿装置RPC的补偿容量。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种电气化铁路电能质量电磁混合补偿系统，包括铁路功率调节器RPC、两个磁控静止无功补偿器MSVC、V/V牵引变压器；V/V牵引变压器由两个单相变压器接成V/V型，V/V牵引变压器的原边接在三相公共电网上，V/V牵引变压器副边的两个输出端为牵引供电臂；铁路功率调节器RPC、两个磁控静止无功补偿器MSVC分别与牵引供电臂连接。

所述磁控静止无功补偿器MSVC包括磁控电抗器、三次单调谐滤波支路、五次单调谐滤波支路，三者并联连接。

所述铁路功率调节器RPC包括两个共用直流侧的H桥变流器，两个H桥变流器通过公用直流电容器背靠背连接，两个H桥变流器的输出端串联电感后通过降压变压器并联到牵引供电臂上。

本发明中，由于三次、五次单调谐滤波支路在基波电压下显容性，因此滤波支路与磁控电抗器MCR并联组成了磁控静止无功补偿器(MSVC)，MSVC可以分相无功容量。为了降低有源部分的补偿容量，当在供电臂上出现负荷时，RPC传递两侧负荷有功功率差值的一半，然后通过MSVC补偿相应的无功功率，改变供电臂电流相角，以达到完全补偿负序不平衡的目的。

本发明利用RPC和MSVC配合补偿，其中RPC只用来传递有功功率，减小了补偿装置有源部分的补偿容量。采用了基于MCR的MSVC补偿无功，与晶闸管投切无功补偿设备相比，可以根据负荷变化连续平滑地改变补偿容量，动态补偿效果好。与TCR型SVC相比较，MCR输出谐波含量小，采用新型双级磁饱和技术的MCR总谐波含量小于5%，且通过与MCR并联的滤波支路可以起到降低谐波的作用，根据国家谐波标准，MSVC输出谐波满足国家并网设备输出谐波的要求。经过无源LC滤波器和RPC的有源滤波作用，可以完全消除系统中的谐波问题。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

1、本发明通过MSVC和RPC混合补偿综合解决了高铁供电系统中的负序不平衡和谐波问题。

2、本发明采用MSVC和RPC混合补偿有效降低了RPC的补偿容量，进而降低了系统造价。

附图说明

图1是本发明中的混合补偿系统结构图；

图2是本发明中补偿前牵引变高压侧三相电流相量；

图3是本发明中RPC传递有功后牵引变高压侧三相电流；

图4是本发明在无功补偿以后牵引变高压侧三相电流波形；

图5是本发明控制系统框图。

其中，1—磁控静止无功补偿器MSVC，2—磁控电抗器MCR，3—三次单调谐滤波支路，4—五次单调谐滤波支路，5—铁路功率调节器RPC。

具体实施方式

本发明结构如图1所示，包括铁路功率调节器RPC、两个磁控静止无功补偿器MSVC、V/V牵引变压器；V/V牵引变压器由两个单相变压器接成V/V型，V/V牵引变压器的原边接在三相公共电网上，V/V牵引变压器副边的两个输出端为牵引供电臂；铁路功率调节器RPC、两个磁控静止无功补偿器MSVC分别与牵引供电臂连接；磁控静止无功补偿器MSVC包括磁控电抗器、三次单调谐滤波支路、五次单调谐滤波支路，三者并联连接；铁路功率调节器RPC包括两个共用直流侧的H桥变流器，两个H桥变流器通过公用直流电容器背靠背连接，两个H桥变流器的输出端串联电感后通过降压变压器并联到牵引供电臂上。

其中，I_A、I_B、I_C是牵引V/V变压器高压侧三相电流，I_a、I_b、I_c是牵引V/V变压器低压侧三相电流。

通过牵引供电臂上加装的电流互感器和电压互感器实时测得系统的电压和负荷电流。以牵引变原边A相电压作为参考向量，则两供电臂电压为：e_a(t)＝Sin(ωt-π/6)，e_b(t)＝Sin(ωt-π/2)。由于高速机车功率因数接近于1，这里为了简化分析，假定机车基波只存在有功电流，则两侧负载电流为：

式中，I_aLf、I_bLf分别为两侧负载基波电流的幅值；

分别为两侧负载第i次谐波电流分量的幅值。

根据鉴相检测原理，将两侧牵引供电臂上的电流乘以同步信号，求和后再通过低通滤波器即可求出基波有功电流幅值的1/2，即：

$I_{\mathrm{mp}}=\frac{1}{2}(I_{\mathrm{aLf}}+I_{\mathrm{bLf}})---\left(14\right)$

为了完全消除负序和谐波电流，补偿后期望的供电臂电流为：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_a^{\exp }\left(t\right)=I_{\mathrm{mp}}\sin (\mathrm{\ωt}-\frac{\mathrm{\π}}{6})+\frac{1}{\sqrt{3}}{I}_{\mathrm{mp}}\cos (\mathrm{\ωt}-\frac{\mathrm{\π}}{6})\\ i_b^{\exp }\left(t\right)=I_{\mathrm{mp}}\sin (\mathrm{\ωt}-\frac{\mathrm{\π}}{2})-\frac{1}{\sqrt{3}}{I}_{\mathrm{mp}}\cos (\mathrm{\ωt}-\frac{\mathrm{\π}}{2})\end{array}\right.---\left(15\right)$

只要RPC和MSVC将供电臂的电流补偿为(15)，即达到了补偿负序和谐波电流的目的。

根据以上推导，可以求得MSVC的基波参考指令电流为：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{ac}.\mathrm{sf}}^{\mathrm{ref}}=\frac{1}{\sqrt{3}}{I}_{\mathrm{mp}}\cos (\mathrm{\ωt}-\frac{\mathrm{\π}}{6})\\ i_{\mathrm{bc}.\mathrm{sf}}^{\mathrm{ref}}=-\frac{1}{\sqrt{3}}{I}_{\mathrm{mp}}\cos (\mathrm{\ωt}-\frac{\mathrm{\π}}{2})\end{array}\right.---\left(16\right)$

图1中，根据KCL(基尔霍夫电流定律)，可以得出：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_a\left(t\right)=i_{\mathrm{ac}}\left(t\right)+i_{\mathrm{ac}.s}\left(t\right)+i_{\mathrm{aL}}\left(t\right)\\ i_b\left(t\right)=i_{\mathrm{bc}}\left(t\right)+i_{\mathrm{bc}.s}\left(t\right)+i_{\mathrm{bL}}\left(t\right)\end{array}\right.---\left(17\right)$

则可以求出RPC的参考指令电流为：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{ac}}^{\mathrm{ref}}\left(t\right)=i_a^{\exp }\left(t\right)-i_{\mathrm{ac}.s}\left(t\right)-i_{\mathrm{aL}}\left(t\right)\\ i_{\mathrm{bc}}^{\mathrm{ref}}\left(t\right)=i_b^{\exp }\left(t\right)-i_{\mathrm{bc}.s}\left(t\right)-i_{\mathrm{bL}}\left(t\right)\end{array}\right.---\left(18\right)$

通过电流滞环跟踪控制的方法一定的方法控制RPC两侧逆变器发出的电流，使其跟踪指令电流变化，即可达到补偿负序和谐波电流的目的。

本发明进行负序补偿原理如下：

首先讨论补偿装置在基波下对负序不平衡的补偿原理。对于高速铁路机车，其功率因数接近于1，为了便于分析，这里将机车在基波下看作纯阻性负载。在图1中，假设两侧牵引供电臂的负荷基波电流为和

不妨假设

此时的牵引变高压侧三相电流向量图如图2所示。

图2中，分别为牵引变高压侧三相电压，其中

作为参考零向量。

分别为牵引变高压侧三相电流，其与牵引供电臂电流关系为：

其中，K_T为牵引供电臂的变比。

图1中，RPC的作用是传递有功功率，传递的有功电流值为两侧负载电流差的一半，即

传递方向为从负荷小的一侧传递到负荷大的一侧。此时RPC发出的有功功率表达式为：

经过RPC传递以上的有功功率以后，两侧供电臂的电流为：

即此时两供电臂的电流大小相等，均为有功电流。此时牵引变压器高压侧三相电流如图3所示。

从图3可以看出，经过RPC补偿以后牵引变高压侧A相电流和B相电流大小相等，但是相位相差60°，在RPC传递有功的基础上，如果希望将系统补偿平衡，还需要补偿一定的无功功率，两供电臂所需的无功功率如下式所示：

式中，

是a侧牵引供电臂上的MSVC发出的无功电流，是b侧牵引供电臂上的MSVC发出的无功电流，它们都与牵引供电臂电压向量垂直。经过无功补偿以后牵引变高压侧三相电流相量如图4所示。

从图4可以看出，经过无功补偿以后，牵引变高压侧三相电流大小相等，相位互差120°，系统补偿为平衡网络。

通常为了便于计算MSVC的输出容量，将式(4)等式两端乘以牵引供电臂电压，那么可以得出所需MSVC容量和两侧有功功率之间的关系，如下式所示：

$\left\{\begin{array}{c}{Q}_a=-\frac{1}{2\sqrt{3}}(P_{\mathrm{aL}}+P_{\mathrm{bL}})\\ Q_b=\frac{1}{2\sqrt{3}}(P_{\mathrm{aL}}+P_{\mathrm{bL}})\end{array}\right.---\left(5\right)$

式(5)中，Q_a、Q_b分别为a、b两侧供电臂MSVC需要吸收无功功率，其中正号代表感性无功，负号代表容性无功；P_aL和P_bL分别代表两侧供电臂上的有功负荷功率大小。根据式(5)可以快速确定MSVC的容量。

谐波抑制原理：

牵引供电臂上总的谐波电流为：

${\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{ah}}={\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{ach}}\frac{Z_h}{Z_{\mathrm{sh}}+Z_h}+{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{mcrah}}\frac{Z_h}{Z_{\mathrm{sh}}+Z_h}+{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{aLh}}\frac{Z_h}{Z_{\mathrm{sh}}+Z_h}---\left(6\right)$

由式(6)可以求出经过补偿以后的牵引供电臂上的谐波，为了完全消除谐波，补偿的目标是：

${\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{ah}}=0---\left(7\right)$

可以求出此时RPC需要发出的谐波电流为：

${\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{ach}}^{\left(i\right)}=\left\{\begin{array}{c}0,i=\mathrm{3,5}\\ -{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{mcrah}}^{\left(i\right)}-{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{aLh}}^{\left(i\right)},i=\mathrm{2,4,6,7}...\end{array}\right.---\left(8\right)$

其中，

为a侧牵引供电臂RPC发出的第i次谐波值，

和

分别是a侧牵引供电臂MCR和机车负载所发出的第i次谐波。由式(10)我们可以看出牵引供电臂上的3次、5次滤波支路的存在滤除了系统中含量较大的3次谐波和5次谐波，剩余次数的谐波含量较少，这样进一步降低了RPC用于滤除谐波部分的容量，减小了系统造价。根据式(10)可以得出a侧牵引供电臂RPC所需要发出的总谐波电流为：

${\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{ach}}=\underset{i=2}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{ach}}^{\left(i\right)}---\left(9\right)$

由于a侧和b侧供电臂的补偿结构相同，同理可以得出b侧供电臂RPC需要补偿的谐波电流如下式所示：

${\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{bch}}^{\left(i\right)}=\left\{\begin{array}{c}0,i=\mathrm{3,5}\\ -{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{mcrbh}}^{\left(i\right)}-{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{bLh}}^{\left(i\right)},i=\mathrm{2,4,6,7}...\end{array}\right.---\left(10\right)$

其中符号含义和式(8)相似。同样可以得出b侧牵引供电臂RPC所需要发出的总谐波电流为：

${\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{bch}}=\underset{i=2}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{bch}}^{\left(i\right)}---\left(11\right)$

经过以上负序补偿和谐波抑制的原理推导，可以得出RPC总的输出电流表达式为：

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{ac}}={\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{acf}}+{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{ach}}\\ {\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{bc}}={\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{bcf}}+{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{bch}}\end{array}\right.---\left(12\right)$

其中

开口

的表达式由式(3)、(9)和(11)给出。两侧供电臂MSVC的输出容量由式(5)给出。

MSVC控制策略：

MSVC需要发出指定的基波无功电流，已知两侧MSVC需要发出的基波电流的有效值如式(4)所示。

MSVC中MCR为容量可变器件，因此可以推导出MCR所需的补偿电流有效值为：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{ac}.\mathrm{mcr}}^{\mathrm{ref}}=I_{\mathrm{ac}.\mathrm{FC}}-I_{\mathrm{ac}.\mathrm{sf}}^{\mathrm{ref}}\\ I_{\mathrm{bc}.\mathrm{mcr}}^{\mathrm{ref}}=I_{\mathrm{bc}.\mathrm{FC}}+I_{\mathrm{bc}.\mathrm{sf}}^{\mathrm{ref}}\end{array}\right.---\left(19\right)$

式中，

分别为两侧需要补偿的无功电流基波分量的参考值；I_ac.FC、I_bc.FC分别为两侧滤波支路的电流有效值；

分别为两侧MCR的基波参考指令电流值。将实际测得的MCR电流经过FFT变换求得实际电流基波有效值之后，将实际值和指令值做差，偏差信号经过PI调节以后控制MCR的容量，以达到动态跟踪指令参考电流的目的。

RPC控制策略：

RPC要正常工作，直流电压必须保持恒定，因此，RPC在进行负序谐波补偿时，需要在其参考指令电流的基础上叠加一个直流电压控制信号得到的有功电流分量。直流电压的实测值与参考值比较后经过PI调节器，再乘以相应供电臂的同步参考信号，得到直流电压调节信号，再与参考指令信号叠加，得到实际参考指令电流

和

通过直流电压控制，使两侧有功功率平衡，两侧功率模块的损耗由两侧变流器分担。RPC采用滞环电流跟踪控制，实现变流器对参考电流的快速跟踪。

综上所述，整个系统的控制策略如图5所示。

Claims (3)

1.一种电气化铁路电能质量电磁混合补偿系统，其特征在于：包括铁路功率调节器RPC、两个磁控静止无功补偿器MSVC、V/V牵引变压器；V/V牵引变压器由两个单相变压器接成V/V型，V/V牵引变压器的原边接在三相公共电网上，V/V牵引变压器副边的两个输出端为牵引供电臂；铁路功率调节器RPC、两个磁控静止无功补偿器MSVC分别与牵引供电臂连接。

2.根据权利要求1所述的一种电气化铁路电能质量电磁混合补偿系统，其特征在于：所述磁控静止无功补偿器MSVC包括磁控电抗器、三次单调谐滤波支路、五次单调谐滤波支路，三者并联连接。

3.根据权利要求1或2所述的一种电气化铁路电能质量电磁混合补偿系统，其特征在于：所述铁路功率调节器RPC包括两个共用直流侧的H桥变流器，两个H桥变流器通过公用直流电容器背靠背连接，两个H桥变流器的输出端串联电感后通过降压变压器并联到牵引供电臂上。

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