CN103560508B - 一种电气化铁道用直挂式大容量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道用直挂式大容量电能质量综合治理装置，包括有源补偿系统和无源补偿系统，所述无源补偿系统包含两台用来滤除高次谐波并提供部分容性无功功率的无源高通滤波器；所述有源补偿系统由多个有源补偿单元并联而成。本发明具有结构简单、成本低廉、可靠性好、能解决多种电能质量问题等优点。

Description

一种电气化铁道用直挂式大容量电能质量综合治理装置

技术领域

本发明主要涉及到电气化铁路牵引供电系统领域，特指一种适用于电气化铁道的直挂式大容量电能质量综合治理装置。

背景技术

鉴于速度快、运量大、综合效益突出等优势，电气化铁路是铁路发展的必然趋势。电气化铁路的发展给交流牵引供电系统提出了更高的要求。由于机车负载的特殊性，牵引供电系统存在一系列的电能质量问题。电气化铁路牵引供电系统不同于一般三相电力系统。对于供电给牵引变电站的三相电力系统来说，牵引负荷具有非线性、不对称及波动性等特点。因此，牵引负荷会给电力系统带来诸多电能质量问题，如：谐波超标、负序过大、功率因数不达标、电压波动及闪变等，牵引网电能质量的下降将导致保护误动、系统谐振、机车出力减小甚至停运等故障。

为解决牵引供电系统在异相供电模式下的一系列电能质量问题，许多科研工作者进行了深入研究，已提出不少实现方案。用来解决谐波、无功、负序、电压波动等电能质量问题的有效措施之一便是在牵引供电系统的牵引侧装设补偿装置。相比于无源补偿，有源补偿（或混合补偿）装置具有许多优点，是牵引供电系统补偿技术的发展方向。然而在高压大容量应用领域中，有源补偿装置通常采用工频变压器接入电网，笨重的工频变压器增加了补偿装置的成本、体积及损耗，并且会恶化装置的动态响应特性及补偿效果。随着级联型多电平技术的发展，高压直挂式补偿装置引起了人们的广泛关注。从理论上说，只要等效开关频率足够高，补偿装置就有可能实现对高次谐波的补偿，但这种补偿装置成本过高，控制较复杂。鉴于实际控制系统的固有延时及装置本身的惰性，用纯有源装置实现对富含高次谐波电流的负载（如：基于交流传动的高速列车）进行谐波补偿的难度非常大。

由上述分析可知，针对电气化铁路电能质量治理，目前所采用的治理策略还存在一定局限性，主要体现为：

1、补偿装置需采用变压器接入牵引网，笨重的工频变压器增加了补偿装置的成本、体积及损耗，并且会恶化装置的动态响应特性及补偿效果。采用多重化变压器时，各绕组间的电磁耦合会增加控制系统的设计难度。

2、基于晶闸管的补偿装置响应速度较慢，装置本身会产生谐波电流。

3、直挂式补偿装置的设计不尽合理，实现模块化设计的难度较大。功率模块不具备旁路功能，装置无法实现冗余运行。

4、基于纯有源补偿的治理策略经济性不佳、治理效果有限。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单、成本低廉、可靠性好、能解决多种电能质量问题的电气化铁道用直挂式大容量电能质量综合治理装置。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种电气化铁道用直挂式大容量电能质量综合治理装置，包括有源补偿系统和无源补偿系统，所述无源补偿系统包含两台用来滤除高次谐波并提供部分容性无功功率的无源高通滤波器；所述有源补偿系统由多个有源补偿单元并联而成。

作为本发明的进一步改进：

所述无源高通滤波器安装于牵引网末端的分区所或开闭所，所述有源补偿系统的两个交流侧分别接于牵引变压器的两个异相供电臂与地之间。

所述有源补偿单元由两个连接电抗、若干个具有高频隔离环节的PET功率模块级联而成。

所述PET功率模块包含左侧AC/DC变流器、右侧AC/DC变流器及谐振型双向高频隔离DC-DC变流器。

所述左侧AC/DC变流器为单相半桥变流电路，所述单相半桥电路的交流侧出口并联一个双向半导体旁路开关K1，所述左侧AC/DC变流器的直流侧由两个电容C2串联而成，每个电容C2均并联一个电阻R1，在左侧AC/DC变流器的正-负直流母线之间设置L1-C1谐振滤波支路；所述右侧AC/DC变流器的结构与左侧AC/DC变流器相同。

所述左侧AC/DC变流器为单相全桥变流器、单相半桥二极管钳位型AC-DC变流器或飞跨电容型多电平变流器；所述右侧AC/DC变流器的结构与左侧AC/DC变流器相同。

所述谐振型双向高频隔离DC-DC变流器包括半桥电路、Lr-Lm-Cr谐振电路、高频变压器，谐振型双向高频隔离DC-DC变流器在高频变压器一次侧实现零电压开关与小电流关断，在高频变压器二次侧实现零电流开关；所述Lr-Lm-Cr谐振电路包括电感元件Lr、Lm及电容元件Cr；所述谐振型双向高频隔离DC-DC变流器分别与左侧AC/DC变流器、右侧AC/DC变流器共用直流母线。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明的电气化铁道用直挂式大容量电能质量综合治理装置，将有源补偿与无源补偿相结合，充分利用各自的优点并有效降低装置成本。此结构能实现高压直挂式大容量输出、显著提高装置的运行可靠性、减小传导电磁干扰及降低系统设计难度。依据实际容量需求，该装置能实现各子系统的灵活配置。各有源补偿单元既可独立工作，也能并列运行。针对不同的补偿目标，本装置能灵活选择控制模式并实现多目标最优协调控制，提供电气化铁路电能质量问题的系统解决方案。即，本装置的各个有源补偿单元可灵活选择不同的控制模式，不同控制模式之间可分配不同的优先级。在选定补偿目标后，补偿系统的各补偿单元可作为一个整体，实现并列运行控制或主从控制。补偿系统的各补偿单元也可分别依据不同的补偿目标优先级，选择不同的控制模式，以此实现各补偿单元的独立控制。

2、本发明中有源补偿系统包含若干个完全一致的有源补偿单元，每个有源补偿单元均由若干个PET功率模块级联而成，根据实际工况，可灵活确定有源补偿单元的个数。由多个有源补偿单元组成的有源补偿系统能显著提高装置的运行可靠性，并减小装置的传导电磁干扰。进一步，该结构还能实现旁路运行、谐振软开关、二次脉动抑制等功能，且易于模块化设计。

3、本发明中基于LLC谐振半桥变流器设计的PET功率模块，能有效提高器件开关频率、降低高频隔离变压器的体积与重量，并减小装置损耗及功率器件个数。该PET功率模块无需采用其它措施就能自动平衡高频变压器中的直流分量，不易发生直流磁饱和。在故障状态下，PET功率模块能实现旁路功能。

4、本发明中无源补偿系统安装于牵引网末端的分区所（或开闭所），用以滤除高次谐波电流（13次以上，不含13次），同时兼顾提高牵引网末端电压、补偿机车无功功率等功能。

5、本发明具有满足高压、大容量、高效、高可靠性等特点，且能综合解决谐波、无功、负序、电压波动及闪变等问题，进一步本发明还满足了高性价比的要求。

附图说明

图1是本发明的结构框架原理示意图。

图2是本发明在具体应用实例中采用AC-DC单相半桥变流器的拓扑结构原理示意图。

图3是本发明在具体应用实例中谐振型双向高频隔离DC-DC变流器的拓扑结构原理示意图。

图4是本发明在具体应用实例中采用AC-DC单相全桥变流器的拓扑结构原理示意图。

图5是本发明在具体应用实例中采用单相半桥二极管钳位型AC-DC变流器的拓扑结构原理示意图。

图6是本发明在基于AT供电的牵引系统中应用时的结构示意图。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，本发明的种电气化铁道用直挂式大容量电能质量综合治理装置，包括有源补偿系统和无源补偿系统；其中，无源补偿系统包含两台无源高通滤波器，用来滤除高次谐波（13次以上，不含13次），并提供部分容性无功功率。有源补偿系统由多个补偿单元并联而成，为简化分析，本实施例中以仅包含两个并联的有源补偿单元为例，即有源补偿单元A与有源补偿单元B。有源补偿单元A与有源补偿单元B的拓扑结构完全一致，均由两个连接电抗与若干个具有高频隔离环节的AC-DC-AC-DC-AC型电力电子变压器（PET）功率模块级联而成。有源补偿单元A与有源补偿单元B并联后，直挂于牵引网的两个异相供电臂与地之间。在确定的容量需求工况下，有源补偿单元A与有源补偿单元B的并联结构能减小装置在高压大容量工况下的传导电磁干扰、提高装置的可靠性，并可减小单个PET功率单元的重量、体积、损耗等，由此可有效降低系统的设计难度。

其中，PET功率模块包含左、右侧两个AC/DC变流器及谐振型双向高频隔离DC-DC变流器。

左侧AC/DC变流器为单相半桥变流电路，如图2所示为左侧AC/DC变流器的拓扑结构示意图，单相半桥电路的交流侧出口并联一个双向半导体旁路开关K1。左侧AC/DC变流器的直流侧由两个电容C2串联而成，每个电容C2均并联一个电阻R1，以实现放电及均压功能。在变流器正-负直流母线之间设置L1-C1谐振滤波支路，以抑制变流器直流侧电压存在的“二次纹波”。

谐振型双向高频隔离DC-DC变流器（LLCDC-DC谐振变流器）包括半桥电路、Lr-Lm-Cr谐振电路、高频变压器(HFT)，如图3所示为谐振型双向高频隔离DC-DC变流器的拓扑结构示意图。谐振型双向高频隔离DC-DC变流器在高频变压器一次侧可实现零电压开关（ZVS）与小电流关断，在高频变压器二次侧可实现零电流开关（ZCS）。Lr-Lm-Cr谐振电路包括电感元件Lr、Lm及电容元件Cr，电感元件Lr、Lm可利用高频变压器的漏抗与励磁电抗实现。谐振型双向高频隔离DC-DC变流器分别与左、右两侧的AC-DC变流器共用直流母线。

右侧AC/DC变流器与左侧AC/DC变流器的结构完全一致。可以理解，在其他实施例中，也可以右侧AC/DC变流器和左侧AC/DC变流器也可以采用单相全桥变流器（如图4）、单相半桥二极管钳位型AC-DC变流器（如图5）或飞跨电容型多电平变流器等其他类型的拓扑结构，这些也应在本发明的保护范围之内。

本发明为混合型治理装置，为避免高通滤波器引发系统谐振，不能采用基于负载电流检测的工作模式，而需采用基于牵引网母线电流检测的工作模式，从而构成闭环控制系统。闭环控制系统将产生谐振的传递函数包含在闭环内，只要选择适当的校正环节即可抑制谐振。为减小无源高通滤波器与有源补偿系统之间的耦合，充分利用有源与无源补偿各自的优点，谐波电流跟踪控制采用指定次谐波电流分频控制，其具体实现策略可采用基于多同步旋转坐标系的分频控制或比例-谐振控制。有源补偿系统的控制器设计分三部分：左侧AC/DC变流器控制、右侧AC/DC变流器控制、中间谐振DC-DC变流器控制。鉴于PET功率单元的对称结构，可基于单相级联型多电平变流器的数学模型设计左、右两侧AC/DC变流器的控制策略。中间谐振DC-DC变流器工作于开关频率固定、占空比为50%的脉冲宽度调制模式。开关频率的选择必须小于谐振频率，以便实现隔离变压器一次侧的零电压开通及小电流关断。为减小谐振变流器直流侧电容电压的波动，可在各路PWM载波信号中插入相移。依据能量流动的方向，可使谐振变流器的一侧工作于PWM模式，另一侧工作于二极管整流模式，由此可简化控制器设计及实现能量的双向流动。

当本发明的电能质量治理装置实现综合补偿功能时，需考虑多目标补偿之间的协调控制。针对不同的补偿目标，本装置的各个有源补偿单元可灵活选择不同的控制模式，不同控制模式之间可分配不同的优先级。在选定补偿目标后，补偿系统的各补偿单元可作为一个整体，实现并列运行控制或主从控制。补偿系统的各补偿单元也可分别依据不同的补偿目标优先级，选择不同的控制模式，以此实现各补偿单元的独立控制。通过将优化算法与控制模式相结合，可实现补偿系统的多目标最优协调控制。

鉴于AT供电模式的优越性，本实施例中，以AT供电牵引变电站为例进一步描述本发明电能质量综合治理装置的补偿原理，可以理解，本发明并不局限于AT供电牵引变电站，也能应用于其他供电模式的牵引变电站。

本发明具体应用于采用AT供电模式的牵引变电站后，其配置方式如图6所示。无源高通滤波器（HPF）安装于牵引网末端的分区所或开闭所，主要负责滤除高次谐波（13次以上，不含13次），并能提高牵引网末端电压及补偿机车无功功率。有源补偿系统的两个交流侧分别接于牵引变压器的两个异相供电臂与地之间。有源补偿系统用于实现无功与低次谐波补偿（13次以下，包含13次）、治理负序、抑制电压波动及闪变。

（1）负序治理：

设电源电压三相对称，且幅值为U，分别表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{U}}_A={\mathrm{Ue}}^{j0}\\ {\stackrel{\·}{U}}_B={\mathrm{Ue}}^{-j2\mathrm{\π}/3}\\ {\stackrel{\·}{U}}_C={\mathrm{Ue}}^{j2\mathrm{\π}/3}\end{array}\right.---\left(1\right)$

式（1）中，e为欧拉数；j为虚数单位；π为圆周率。

据图6所示牵引变压器接入系统中的相序，V/v牵引变压器副边电压为：

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{\α}}=\frac{U}{K}{e}^{-\mathrm{j\π}/6}\\ {\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{\β}}=\frac{U}{K}{e}^{-\mathrm{j\π}/2}\end{array}\right.---\left(2\right)$

式（2）中，K为变压器变比。

为简化分析，假设机车负载基波电流为纯有功电流，且幅值为I_α、I_β，则左、右两个异相供电臂电流为：

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{\α}}=I_{\mathrm{\α}}{e}^{-\mathrm{j\π}/6}\\ {\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{\β}}=I_{\mathrm{\β}}{e}^{-\mathrm{j\π}/2}\end{array}\right.---\left(3\right)$

据图6所示相量关系，忽略空载电流，变压器一次、二次电流关系为：

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{I}}_A={\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{\α}}/K\\ {\stackrel{\·}{I}}_B={\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{\β}}/K\\ {\stackrel{\·}{I}}_C=-({\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{\α}}+{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{\β}})/K\end{array}\right.---\left(4\right)$

依据对称分量法，变压器高压侧电流中的正序分量、负序分量计算式为：

$\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{I}}_{+}\\ {\stackrel{\·}{I}}_{-}\end{array}\right]=\frac{1}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& a& a^2\\ 1& a^2& a\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{I}}_A\\ {\stackrel{\·}{I}}_B\\ {\stackrel{\·}{I}}_C\end{array}\right]=\frac{\sqrt{3}}{3K}\left[\begin{array}{cc}{e}^{\mathrm{j\π}/6}& e^{\mathrm{j\π}/2}\\ e^{-\mathrm{j\π}/6}& e^{-\mathrm{j\π}/2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{\α}}\\ {\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]---\left(5\right)$

式（5）中，分别为三相电流中的正序和负序电流；复数算子a=e^j2π/3。

三相电流不平衡度可表示为：

$\mathrm{\η}=\frac{{\stackrel{\·}{I}}_{-}}{{\stackrel{\·}{I}}_{+}}\×100\%---\left(6\right)$

通过有源补偿装置将两牵引臂有功电流差值的一半，从重载侧转移至轻载侧，此时两供电臂电流的幅值相等，相角相差π/3。根据（5）、（6）式可计算出电流不平衡度为50%。在此基础上，在α相补偿一定的容性无功电流使得电流超前该桥臂电压π/6；在β相补偿一定的感性无功电流使电流滞后该桥臂电压π/6，这样补偿之后的电流分别与 重合。此时，原边三相电流完全对称。

（2）电压波动抑制：

如图6所示，系统等值电抗为X，两供电臂电流分别为设功率因数角为则有：

为简化分析，令变压器变比K为1。用牵引负荷电流表示的牵引变压器一次侧三相电压波动为：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{AB}}={\stackrel{\·}{U}}_{A0B0}-{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{AB}}=\mathrm{jX}({\stackrel{\·}{I}}_A-{\stackrel{\·}{I}}_B)=\mathrm{jX}({\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{\α}}-{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{\β}})\\ \mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{BC}}={\stackrel{\·}{U}}_{B0C0}-{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{BC}}=\mathrm{jX}({\stackrel{\·}{I}}_B-{\stackrel{\·}{I}}_C)=\mathrm{jX}(2{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{\β}}+{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{\α}})\\ \mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{CA}}={\stackrel{\·}{U}}_{C0A0}-{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{CA}}=\mathrm{jX}({\stackrel{\·}{I}}_C-{\stackrel{\·}{I}}_A)=-\mathrm{jX}(2{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{\α}}+{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{\β}})\end{array}\right.---\left(8\right)$

取式（7）中的纵分量：

当供电系统短路容量相对牵引负荷容量并非足够大时，三相电压波动就有可能超出允许范围。因此需要对电压波动进行治理。依据式（8）及牵引网实际工况，可通过优化算法控制有源补偿子系统输出给定电流，使牵引变压器一次侧三相电压波动最小。

（3）谐波及无功补偿：

采集系统母线电流，通过谐波及无功检测电路计算出牵引负荷中的谐波及无功电流，并控制有源补偿子系统输出与牵引负荷中的谐波及无功电流相位相反的补偿电流，以此实现谐波治理及无功补偿。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种电气化铁道用直挂式大容量电能质量综合治理装置，其特征在于，包括有源补偿系统和无源补偿系统，所述无源补偿系统包含两台用来滤除高次谐波并提供部分容性无功功率的无源高通滤波器；所述有源补偿系统由多个有源补偿单元并联而成；所述有源补偿单元由两个连接电抗、若干个具有高频隔离环节的PET功率模块级联而成；所述PET功率模块包含左侧AC/DC变流器、右侧AC/DC变流器及谐振型双向高频隔离DC-DC变流器；所述左侧AC/DC变流器为单相半桥变流电路，所述单相半桥变流电路的交流侧出口并联一个双向半导体旁路开关K1，所述左侧AC/DC变流器的直流侧由两个电容C2串联而成，每个电容C2均并联一个电阻R1，在左侧AC/DC变流器的正-负直流母线之间设置L1-C1谐振滤波支路；所述右侧AC/DC变流器的结构与左侧AC/DC变流器相同。

2.根据权利要求1所述的电气化铁道用直挂式大容量电能质量综合治理装置，其特征在于，所述无源高通滤波器安装于牵引网末端的分区所或开闭所，所述有源补偿系统的两个交流侧分别接于牵引变压器的两个异相供电臂与地之间。

3.根据权利要求1所述的电气化铁道用直挂式大容量电能质量综合治理装置，其特征在于，所述左侧AC/DC变流器为单相全桥变流器、单相半桥二极管钳位型AC-DC变流器或飞跨电容型多电平变流器；所述右侧AC/DC变流器的结构与左侧AC/DC变流器相同。

4.根据权利要求1所述的电气化铁道用直挂式大容量电能质量综合治理装置，其特征在于，所述谐振型双向高频隔离DC-DC变流器包括半桥电路、Lr-Lm-Cr谐振电路、高频变压器，谐振型双向高频隔离DC-DC变流器在高频变压器一次侧实现零电压开关与小电流关断，在高频变压器二次侧实现零电流开关；所述Lr-Lm-Cr谐振电路包括电感元件Lr、Lm及电容元件Cr；所述谐振型双向高频隔离DC-DC变流器分别与左侧AC/DC变流器、右侧AC/DC变流器共用直流母线。