CN103972910A - 一种用于平衡牵引变压器的lc耦合电气化铁道系统功率调节装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于平衡牵引变压器的LC耦合电气化铁道系统功率调节装置，所述电气化铁道系统包括高压电网、平衡牵引变压器和两相牵引供电系统；所述LC耦合电气化铁道系统功率调节装置包括：超前相LC耦合支路、滞后相LC耦合支路、超前相牵引网、滞后相牵网、超前相降压变压器、滞后相降压变压器、超前相逆变器、滞后相逆变器和直流电容。本发明所提供的一种LC耦合电气化铁道系统功率调节装置能够成功应对电气化铁道系统的各种电能质量问题，提高牵引变压器的容量利用率。本发明具备结构简单、制造难度低、成本低、占地少、可靠性高，以及实用性强的特点。

Description

一种用于平衡牵引变压器的LC耦合电气化铁道系统功率调节装置

技术领域

本发明涉及电气化铁道供电领域，更具体地，涉及一种用于平衡牵引变压器的LC耦合电气化铁道系统功率调节装置。

背景技术

随着我国电力机车不断朝高速客运与重载货运方向发展，由牵引网渗透至公共电力系统的负序、无功和谐波显著增加，严重威胁并电网的安全稳定运行。

传统的供电系统通常为三相对称系统，而电气化铁道所用的供电系统为两相或单相供电系统，故在将三相电变为两相电或单相电的核心环节--牵引变电所，因两相牵引负荷不平衡，使得高压侧三相电流不对称，大量负序电流注入公共电网，对三相电力系统的对称运行和旋转电气设备带来了严重威胁。根据牵引变电所高压进线的短路容量不同，负序电流也将对三相进线电压的对称性产生不同程度的影响，对于地处山区、高原等电网相对薄弱地区的牵引变电所，其高压侧电压不平衡度难以满足国标GB/T15543-1995所规定的低于2％的要求。另外，我国大部分电气化铁路上依然大量运行着AC-DC型电力机车，其所采用的单相整流型传动系统在牵引网中产生大量无功和奇数次谐波，奇数次谐波渗透至公共电力系统除增加系统的损耗之外，还将严重影响电力系统的安全运行；同时，如不对牵引网的无功进行补偿，牵引变电所供电区段的末端电压将会大幅降低，从而严重影响电气化铁道的运力，也将增加铁路运营商所缴纳的电费成本。况且，机车负荷具有随机性和冲击性，使得上述电能质量问题也具有随机性和冲击性，从而大大增加了对其进行治理的难度。

考虑到经济性，我国牵引变电所三相进线普遍采用相序轮换技术，但对于山区等电网相对薄弱地区的牵引变电所，该方法仍难以满足国家标准对电能质量所提出的要求。

平衡牵引变压器以其较好的负序抑制能力在我国牵引供电系统中得到了广泛应用(目前我国60％～70％的牵引变电所采用的均是平衡变压器)，但该优异特性受负荷的波动性影响较大-两相负荷越不平衡其抑制负序的能力越差，这种现象对于地处偏远资源富集地区的电气化铁道牵引供电系统显得尤为明显。此外，在没有辅助装备的情况下，平衡牵引变压器自身并不具备补偿无功和抑制谐波的功能。

在两相牵引馈线安装SVC能对无功和谐波进行补偿，但对负序的抑制效果有限，而且在占用较大安装空间的同时，易与系统阻抗产生谐振，治理效果和可靠性均难达到理想状态。

针对这些方法的不足，国内外同行提出了多种基于大功率全控型功率器件的有源解决方案。其中，日本学者Mochinaga.Yoshifumi所提出的铁路功率调节器以其优异的综合治理效果和通用性受到了相关工业部门的广泛关注。但较高的补偿容量和投资成本限制了它的进一步工业大规模推广。另外，对于分布在我国广大国土面积上的铁路网系统，而又伴随着经济社会发展很不平衡的国情来说，上述制约条件显得尤为明显。自1993年提出至今，该系统仅在国内外少数牵引变电所投入了实际应用。

不难看出，现有技术还存在一定的缺陷。

发明内容

有鉴于此，有必要针对上述的问题，提供一种用于平衡牵引变压器的LC耦合电气化铁道系统功率调节装置，所述电气化铁道系统包括高压电网、平衡牵引变压器和两相牵引供电系统，所述两相牵引供电系统包括超前相牵引网与滞后相牵引网；所述LC耦合电气化铁道系统功率调节装置包括：超前相LC耦合支路、滞后相LC耦合支路、超前相牵引馈线、滞后相牵引馈线、超前相降压变压器、滞后相降压变压器、超前相逆变器、滞后相逆变器和直流电容；

其中，所述平衡牵引变压器的一次侧接入于高压电网；

所述平衡牵引变压器二次侧的超前相与超前相牵引网、超前相LC耦合支路连接，平衡牵引变压器二次侧的滞后相与滞后相牵引网、滞后相LC耦合支路连接；

超前相LC耦合支路还与超前相降压变压器一次侧连接，滞后相LC耦合支路还与滞后相降压变压器一次侧连接；

超前相降压变压器二次侧与超前相逆变器连接；滞后相降压变压器二次侧与滞后相逆变器连接；

超前相逆变器与滞后相逆变器通过直流电容背靠背连接。

进一步的，所述超前相LC耦合支路由电感和电容串联构成。

进一步的，所述超前相LC耦合支路设置为单调谐滤波器。

进一步的，所述滞后相LC耦合支路由电感和电容串联构成。

进一步的，所述滞后相LC耦合支路设置为单调谐滤波器。

进一步的，所述超前相降压变压器为单相双绕组变压器或单相多绕组变压器。

进一步的，所述滞后相降压变压器为单相双绕组变压器或单相多绕组变压器。

进一步的，所述超前相LC耦合支路的绝对值|XLCα|、滞后相LC耦合支路电抗的绝对值|XLCβ|，分别以超前相逆变器、滞后相逆变器的端口运行电压、补偿容量最小原则进行设计，并分别按下式进行取值，即

$\left\{\begin{array}{c}{\left|X_{\mathrm{LC\α}}\right|}_{\mathrm{pu}}={(\frac{1}{{\mathrm{\ωC}}_{\mathrm{\α}}}-{\mathrm{\ωL}}_{\mathrm{\α}})}_{\mathrm{pu}}=\frac{2\sqrt{1-{{\mathrm{\λ}}_1}^2}}{\sqrt{4(1-{{\mathrm{\λ}}_1}^2)+{({\mathrm{\λ}}_2\mathrm{\ϵ}-{\mathrm{\λ}}_1)}^2}}\\ {\left|X_{\mathrm{LC\β}}\right|}_{\mathrm{pu}}={(\frac{1}{{\mathrm{\ωC}}_{\mathrm{\β}}}-{\mathrm{\ωL}}_{\mathrm{\β}})}_{\mathrm{pu}}=\frac{2\mathrm{\ϵ}\sqrt{1-{\mathrm{\λ}}_2^2}}{\sqrt{{4\mathrm{\ϵ}}^2(1-{\mathrm{\λ}}_2^2)+{({\mathrm{\λ}}_2\mathrm{\ϵ}-{\mathrm{\λ}}_1)}^2}}\end{array}\right.$

其中，|XLCα|pu为|XLCα|的标幺值，|XLCβ|pu为|XLCβ|的标幺值；Cα、Lα分别为超前相LC耦合支路、滞后相LC耦合支路的电容和电感；Cβ、Lβ分别为超前相LC耦合支路、滞后相LC耦合支路的电容和电感；λ1、λ2分别为超前相牵引网馈线电流、滞后相牵引网馈线电流的功率因数；ε为超前相牵引网馈线电流与滞后相牵引网馈线电流的有效值之比，即ε＝IβL/IαL，其中IαL、IβL分别为平衡牵引变压器二次侧超前相牵引网馈线电流有效值、滞后相的牵引网馈线电流有效值。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

(1)本发明更适应我国电气化铁道多数牵引变电站都采用平衡牵引变压器的国情，在无需更换主变牵引变压器的前提下，能成功应对电气化铁道系统的各种电能质量问题，提高牵引变压器的容量利用率，因此，本装置具有良好的通用性。

(2)当采用最优阻抗设计后，在补偿相同负荷的前提下，LC耦合支路能最大限度的分担牵引馈线的基波电压降，从而使得超前相逆变器、滞后相逆变器的运行电压大幅低于传统的铁道功率调节装置，故本发明能大幅降低逆变器的基波补偿容量；从而能够大幅降低主电路的制造难度和生产成本。

(3)两个逆变器经直流电容背靠背连接，能成功实现有功的转移，同时便于逆变器独立补偿各相的无功和谐波，从而解决电气化铁道两相供电系统中的电能质量问题；此外，两逆变器还可以采用多个小功率H桥逆变器相串联的链式拓扑结构，可使得本发明无需两单相降压变压器，如此一来，进一步降低了投资成本，并且，由于结构也变得更为紧凑，占地及土建成本也将得到降低。

(4)本发明直流侧电压的幅值大幅低于铁道系统功率调节装置；而且在相同电压控制器的控制下，直流侧电压能够更快进入稳态，稳态时的电压波动也更小，可使得本发明拥有更低的设计容量和更高的可靠性。

(5)在谐波域中，本发明的结构相当于一个阻尼系数为无穷大的单相LC串联支路混合有源滤波器，不仅获得了较低的谐波补偿容量，更为重要的是从本质上避免了晶闸管投/切电容、电抗器所存在的串、并联谐振的隐患，系统可靠性大为提高。

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为本发明实施例提供的一种用于平衡牵引变压器的LC耦合电气化铁道系统功率调节装置的结构示意图。

图2为图1中实施例中超前相(α相)、滞后相(β相)的等效电路图。

图3为图1中实施例α相逆变器invα端口运行电压三维图。

图4为传统的电气化铁道系统功率调节装置α相逆变器invα端口运行电压三维图。

图5为图1中实施例α相逆变器invα的补偿容量三维图。

图6为传统的电气化铁道系统功率调节装置的α相逆变器invα的补偿容量三维图。

图7为图1中实施例与传统的电气化铁道系统功率调节装置的α相逆变器invα的补偿容量对比图。

图8是本发明用于平衡牵引变压器的LC耦合电气化铁道系统功率调节装置的控制策略示意图。

附图说明：

1、平衡牵引变压器； 2、超前相(α相)LC耦合支路；

3、滞后相(β相)LC耦合支路； 4、超前相(α相)降压变压器；

5、滞后相(β相)降压变压器； 6、超前相(α相)逆变器；

7、滞后相(β相)逆变器； 8、直流电容8。

具体实施方式

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和附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。需要说明的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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做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。

下面结合附图说明本发明的具体实施方式。

请参阅图1，为一种用于平衡牵引变压器的LC耦合电气化铁道系统功率调节装置，所述电气化铁道系统包括高压电网、平衡牵引变压器1和两相牵引供电系统，两相牵引供电系统包括：超前相(α相)牵引网和滞后相(β相)牵引网；所述LC耦合电气化铁道系统功率调节装置包括：超前相(α相)LC耦合支路2、滞后相(β相)LC耦合支路3、超前相(α相)牵引馈线、滞后相(β相)牵引馈线、超前相(α相)降压变压器4、滞后相(β相)降压变压器5、超前相(α相)逆变器6、滞后相(β相)逆变器7和直流电容8。

所述超前相(α相)LC耦合支路2由电感和电容串联构成；所述滞后相(β相)LC耦合支路3由电感和电容串联构成。

所述超前相(α相)降压变压器4为单相双绕组变压器或单相多绕组变压器；所述滞后相(β相)降压变压器5为单相双绕组变压器或单相多绕组变压器。

其中，所述平衡牵引变压器1的一次侧接入于高压电网；所述平衡牵引变压器1二次侧的超前相(α相)通过超前相(α相)牵引馈线与超前相(α相)牵引网连接，平衡牵引变压器1二次侧的滞后相(β相)通过滞后相(β相)牵引馈线与滞后相(β相)牵引网连接；为机车供电；

所述平衡牵引变压器1二次侧的超前相(α相)与超前相(α相)LC耦合支路2连接，平衡牵引变压器1二次侧的滞后相(β相)与滞后相(β相)LC耦合支路3连接；

超前相(α相)LC耦合支路2还与超前相(α相)降压变压器4一次侧连接，滞后相(β相)LC耦合支路3还与滞后相(β相)降压变压器5一次侧连接；

超前相(α相)降压变压器4二次侧与超前相(α相)逆变器6连接；滞后相(β相)降压变压器5二次侧与滞后相(β相)逆变器7连接；

超前相(α相)逆变器6与滞后相(β相)逆变器7通过直流电容8背靠背连接；直流电容主要为整个系统转移有功功率提供能量流动的通道，并为两逆变器补偿无功和谐波提供电压支撑。

平衡牵引变压器1将高压电网的电压(110kV或220kV)降至两相牵引供电系统所需的27.5kV，为机车供电。超前相(α相)LC耦合支路2、滞后相(β相)LC耦合支路3参数需根据负载统计结果，并以逆变器端口运行电压、补偿容量最小原则进行设计。另外，根据谐波实测数据，还可以对超前相(α相)LC耦合支路2、滞后相(β相)LC耦合支路3的电容、电感参数按某次谐波进行全调谐设计；作为优选，由于超前相(α相)LC耦合支路2、滞后相(β相)LC耦合支路3的主要作用是辅助超前相(α相)逆变器6、滞后相(β相)逆变器7补偿无功和滤除谐波，故通常将超前相(α相)LC耦合支路2、滞后相(β相)LC耦合支路3设计成针对某次谐波的单调谐滤波器，以降低逆变器的谐波补偿容量。超前相(α相)逆变器6与滞后相(β相)逆变器7通过公共直流电容8背靠背连接，经由超前相(α相)相降压变压器、滞后相(β相)相降压变压器分别与超前相(α相)LC耦合支路2、滞后相(β相)LC耦合支路3接入两相牵引系统。通过控制两逆变器端口输出电压的幅值和相角能对机车负载的谐波和无功进行动态补偿，并能实时转移适当有功功率，确保牵引变电所进线电压、电流的不平衡度满足国家相关标准。两个逆变器的主电路可使用多个单相两电平逆变器或者多个单相二极管钳位式多电平逆变器相并联的拓扑结构，亦或者采用多个小功率H桥逆变器串联连接的链式拓扑结构。若采用多个小功率H桥逆变器相串联的链式拓扑结构，则可省去单相降压变压器，即超前相(α相)逆变器6、滞后相(β相)逆变器7分别直接与超前相(α相)LC耦合支路2、滞后相(β相)耦合支路3相连，这样整个系统的成本都将大幅降低。当逆变器输出的电流为0时，逆变器将工作在脉冲封锁状态，从而能降低整个系统的损耗；当逆变器采用多个小功率逆变器并联的拓扑结构时，若系统需要补偿的电流较小，可以封锁部分小功率逆变器的脉冲，只留少数小功率逆变器处于工作状态，这样也能降低整个系统的损耗。

请参阅图2，为本实施例的超前相(α相)、滞后相(β相)的等效电路图。Vα：平衡牵引变压器11的二次侧超前相(α相)端口电压，Iα：平衡牵引变压器1二次侧超前相(α相)端口电流，ε＝IβL/IαL，IαL：平衡牵引变压器11二次侧滞后相(β相)负荷电流有效值，IβL：平衡牵引变压器11二次侧超前相(α相)负荷电流有效值，VLCαc：invα的端口运行电压折算至超前相(α相)降压变压器4一次侧的归算量，Iαc：invα的端口输出电流折算至超前相(α相)降压变压器4一次侧的归算量，XLCα：超前相(α相)LC耦合支路2等效电抗，Vβ：平衡牵引变压器11的二次侧滞后相(β相)端口电压，Iβ：平衡牵引变压器11二次侧滞后相(β相)端口电流，VLCβc：invβ的端口运行电压折算至滞后相(β相)降压变压器5一次侧的归算量，Iβc：invβ的端口输出电流折算至滞后相(β相)降压变压器5一次侧的归算量，XLCβ：滞后相(β相)LC耦合支路3等效电抗。另外，记超前相(α相)、滞后相(β相)相负载的功率因数分别为λ1、λ2。

由于超前相(α相)和滞后相(β相)的节容机理与此相同，以下将以超前相(α相)为例详细介绍本发明的节容性能：

由图2易得的VLCαc标幺值VLCαcpu的表达式为：

$V_{\mathrm{LC\αcpu}}=\sqrt{{\left|X_{\mathrm{LC\α}}\right|}_{\mathrm{pu}}^2-\frac{4\sqrt{1-{{\mathrm{\λ}}_1}^2}}{\sqrt{4(1-{{\mathrm{\λ}}_1}^2)+{({\mathrm{\λ}}_2\mathrm{\ϵ}-{\mathrm{\λ}}_1)}^2}}{\left|X_{\mathrm{LC\α}}\right|}_{\mathrm{pu}}+1}---\left(1\right)$

其中|XLCα|pu为XLCα绝对值的标幺值，且所选基值为VB＝Vα，ZB＝Vα/Icα。

若将图2中超前相(α相)耦合支路换成仅含L的电感支路，并将其电抗记为XLα，同理可得相同条件下传统的铁道系统功率调节装置的超前相(α相)的端口运行电压VLαc的标幺值VLαcpu的表达式为：

$V_{\mathrm{L\αcpu}}=\sqrt{{\left|X_{\mathrm{L\α}}\right|}_{\mathrm{pu}}^2+\frac{4\sqrt{1-{{\mathrm{\λ}}_1}^2}}{\sqrt{4(1-{{\mathrm{\λ}}_1}^2)+{({\mathrm{\λ}}_2\mathrm{\ϵ}-{\mathrm{\λ}}_1)}^2}}{\left|X_{\mathrm{L\α}}\right|}_{\mathrm{pu}}+1}---\left(2\right)$

其中|XLα|pu为XLα绝对值的标幺值。

由(1)、(2)可得出如图3、图4所示的三维坐标图。由图3、图4可知，当λ1固定时，VLCαpu与|XLCα|pu的关系为一“V”型曲线，且只要|XLCα|pu选取恰当，VLCαpu总存在小于1的值；而VLαpu与|XLα|pu几乎呈线性关系，且无论如何配置|XL|pu，VLαcpu恒大于1。故本发明invα的端口运行电压大幅低于传统的铁道系统功率调节装置。

由于实际中机车负载情况十分复杂，且本发明的优势主要取决于其有源部分容量的大小，故如何设计耦合电抗XLCk(k＝α、β)就成为了该系统最关键的问题。本发明将公开一种按逆变器端口运行电压VLckcpu(k＝α、β)最小原则设计本发明的超前相(α相)LC耦合支路2、滞后相(β相)LC耦合支路3参数的方法，并将其与传统的铁道系统功率调节装置进行补偿容量对比分析，以此说明本系统的优势。

所谓逆变器端口运行电压VLckcpu最小原则就是说，当ULCkpu⊥ULCkcpu时ULCkcpu最小，此时SLCkc也最小(k＝α、β)。超前相(α相)LC耦合支路2、滞后相(β相)LC耦合支路3电抗的绝对值|XLCα|、|XLCβ|按(1)式中ULCkpu⊥ULckcpu时进行设计，即：超前相(α相)LC耦合支路2的绝对值|XLCα|、滞后相(β相)LC耦合支路3电抗的绝对值|XLCβ|，分别以超前相(α相)逆变器6、滞后相(β相)逆变器7的端口运行电压、补偿容量最小原则进行设计，并分别按下式进行取值，即

$\left\{\begin{array}{c}{\left|X_{\mathrm{LC\α}}\right|}_{\mathrm{pu}}={(\frac{1}{{\mathrm{\ωC}}_{\mathrm{\α}}}-{\mathrm{\ωL}}_{\mathrm{\α}})}_{\mathrm{pu}}=\frac{2\sqrt{1-{{\mathrm{\λ}}_1}^2}}{\sqrt{4(1-{{\mathrm{\λ}}_1}^2)+{({\mathrm{\λ}}_2\mathrm{\ϵ}-{\mathrm{\λ}}_1)}^2}}\\ {\left|X_{\mathrm{LC\β}}\right|}_{\mathrm{pu}}={(\frac{1}{{\mathrm{\ωC}}_{\mathrm{\β}}}-{\mathrm{\ωL}}_{\mathrm{\β}})}_{\mathrm{pu}}=\frac{2\mathrm{\ϵ}\sqrt{1-{\mathrm{\λ}}_2^2}}{\sqrt{{4\mathrm{\ϵ}}^2(1-{\mathrm{\λ}}_2^2)+{({\mathrm{\λ}}_2\mathrm{\ϵ}-{\mathrm{\λ}}_1)}^2}}\end{array}\right.$

其中，|XLCα|pu为|XLCα|的标幺值，|XLCβ|pu为|XLCβ|的标幺值；Cα、Lα分别超前相(α相)LC耦合支路的电容和电感；Cβ、Lβ分别滞后相(β相)LC耦合支路的电容和电感；λ1、λ2分别为超前相(α相)、滞后相(β相)牵引馈线电流的功率因数；ε为滞后相与超前相牵引馈线电流的有效值之比，即ε＝IβL/IαL，其中IαL、IβL分别为平衡牵引变压器1二次侧超前相(α相)、滞后相(β相)的牵引馈线电流有效值。

当采用该设计方法后，易得本发明LC耦合电气化铁道系统功率调节装置中，invα补偿容量折算至降压变压器一次侧的归算量SLCαc＝VLCαcIαc的表达式如(3)所示。

$S_{\mathrm{LC\αc}}=\sqrt{1-X_{\mathrm{LC\αpu}}^2{U}_{\mathrm{\α}}{I}_{\mathrm{\αc}}}---\left(3\right)$

其中所选的基值为：SB＝VαIαc、IB＝Iαc，Iαc为α相的补偿电流。

在假设XLα＝|XLCα|＝X的前提下，传统的铁道系统功率调节装置中，invα在相同基值下的补偿容量补偿容量SLαc为：

$S_{\mathrm{L\αc}}=\sqrt{3X_{\mathrm{L\αpu}}^2+1U_{\mathrm{\α}}}{I}_{\mathrm{\αc}}---\left(4\right)$

由式(3)、(4)可绘制出图5、6、7，图5、6分别是本发明LC耦合电气化铁道系统功率调节装置和传统的铁道系统功率调节装置补偿容量关于XLαpu＝|XLCα|pu＝Xpu和补偿电流Iαc相关关系的三维坐标图。图7为两系统在固定各自耦合支路电抗前提下补偿容量与补偿电流的关系曲线。

请参阅图7，可以看出，传统的铁道系统功率调节装置容量二维曲线的斜率是本发明LC耦合电气化铁道系统功率调节装置的倍。当Xpu＝0.9时，可以明显看出本发明比传统的铁道系统功率调节装置在节容近83.8％。故与传统的铁道系统功率调节装置相比，本发明的节容效果十分显著，因此该系统能大幅降低生产成本。

请参阅图8，为本发明的控制策略。vα经锁相环为整个系统提供同步信号。检测逆变器直流侧电压vdc，将其与直流电压的指令量Vdc*相减所得的误差量经PI调节器输入指令电流运算模块，控制系统直流侧电压稳定。将来自电流互感器的iαL、iβL输入指令电流运算模块，经运算器运算后输出补偿电流的指令量iαc*、iβc*。将实际检测到的补偿电流iαc、iβc与运算得出的补偿电流指令量iαc*、iβc*相减，将其误差信号ε1、ε2输入电流控制器，在电流控制器和PWM(脉冲宽度调制)信号调制器的共同作用下发出多路PWM脉冲控制两逆变器工作。当逆变器采用三电平或者多电平结构时，除PWM信号的调制以及直流电压的控制有所不同外，控制策略不发生变化。

本发明所提供的一种LC耦合电气化铁道系统功率调节装置能够成功应对电气化铁道系统的各种电能质量问题，提高牵引变压器的容量利用率。本发明具备结构简单、制造难度低、成本低、占地少、可靠性高，以及实用性强的特点。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

(1)本发明更适应我国电气化铁道多数牵引变电站都采用平衡牵引变压器1的国情，在无需更换主变牵引变压器的前提下，能成功应对电气化铁道系统的各种电能质量问题，提高牵引变压器的容量利用率，因此，本装置具有良好的通用性。

(2)当采用最优阻抗设计后，在补偿相同负荷的前提下，LC耦合支路能最大限度的分担牵引馈线的基波电压降，从而使得超前相、滞后相逆变器的运行电压大幅低于传统的电气化铁道功率调节装置，故本发明能大幅降低逆变器的基波补偿容量；从而能够大幅降低主电路的制造难度和生产成本。

(3)两个逆变器经直流电容背靠背连接，能成功实现有功的转移，同时便于逆变器独立补偿各相的无功和谐波，从而解决电气化铁道两相供电系统中的电能质量问题；此外，两逆变器还可以采用多个小功率H桥逆变器相串联的链式拓扑结构，可使得本发明无需两单相降压变压器，如此一来，进一步降低了投资成本，并且，由于结构也变得更为紧凑，占地及土建成本也将得到降低。

(4)增加本发明后的电气化铁道系统直流侧电压的幅值大幅低于传统的电气化铁道系统；而且在相同电压控制器的控制下，直流侧电压能够更快进入稳态，稳态时的电压波动也更小，可使得本发明拥有更低的设计容量和更高的可靠性。

(5)在谐波域中，本发明的结构相当于一个阻尼系数为无穷大的单相LC串联支路混合有源滤波器，不仅获得了较低的谐波补偿容量，更为重要的是从本质上避免了晶闸管投/切电容、电抗器所存在的串、并联谐振的隐患，系统可靠性大为提高。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种用于平衡牵引变压器的LC耦合电气化铁道系统功率调节装置，所述电气化铁道系统包括高压电网、平衡牵引变压器和两相牵引供电系统，所述两相牵引供电系统包括超前相牵引网与滞后相牵引网；其特征在于：

所述LC耦合电气化铁道系统功率调节装置包括：超前相LC耦合支路、滞后相LC耦合支路、超前相牵引馈线、滞后相牵引馈线、超前相降压变压器、滞后相降压变压器、超前相逆变器、滞后相逆变器和直流电容；

其中，所述平衡牵引变压器的一次侧接入高压电网；

所述平衡牵引变压器二次侧的超前相与超前相牵引网、超前相LC耦合支路连接，平衡牵引变压器二次侧的滞后相与滞后相牵引网、滞后相LC耦合支路连接；

超前相LC耦合支路还与超前相降压变压器一次侧连接，滞后相LC耦合支路还与滞后相降压变压器一次侧连接；

超前相降压变压器二次侧与超前相逆变器连接；滞后相降压变压器二次侧与滞后相逆变器连接；

超前相逆变器与滞后相逆变器通过直流电容背靠背连接。

2.根据权利要求1所述的一种用于平衡牵引变压器的LC耦合电气化铁道系统功率调节装置，其特征在于：

所述超前相LC耦合支路由电感和电容串联构成。

3.根据权利要求1所述的一种用于平衡牵引变压器的LC耦合电气化铁道系统功率调节装置，其特征在于：

所述超前相LC耦合支路设置为单调谐滤波器。

4.根据权利要求1所述的一种用于平衡牵引变压器的LC耦合电气化铁道系统功率调节装置，其特征在于：

所述滞后相LC耦合支路由电感和电容串联构成。

5.根据权利要求1所述的一种用于平衡牵引变压器的LC耦合电气化铁道系统功率调节装置，其特征在于：

所述滞后相LC耦合支路设置为单调谐滤波器。

6.根据权利要求1所述的一种用于平衡牵引变压器的LC耦合电气化铁道系统功率调节装置，其特征在于：

所述超前相降压变压器为单相双绕组变压器或单相多绕组变压器。

7.根据权利要求1所述的一种用于平衡牵引变压器的LC耦合电气化铁道系统功率调节装置，其特征在于：

所述滞后相降压变压器为单相双绕组变压器或单相多绕组变压器。

8.根据权利要求1所述的一种用于平衡牵引变压器的LC耦合电气化铁道系统功率调节装置，其特征在于：

所述超前相LC耦合支路的绝对值|XLCα|、滞后相LC耦合支路电抗的绝对值|XLCβ|，分别以超前相逆变器、滞后相逆变器的端口运行电压、补偿容量最小原则进行设计，并分别按下式进行取值，即

$\left\{\begin{array}{c}{\left|X_{\mathrm{LC\α}}\right|}_{\mathrm{pu}}={(\frac{1}{{\mathrm{\ωC}}_{\mathrm{\α}}}-{\mathrm{\ωL}}_{\mathrm{\α}})}_{\mathrm{pu}}=\frac{2\sqrt{1-{{\mathrm{\λ}}_1}^2}}{\sqrt{4(1-{{\mathrm{\λ}}_1}^2)+{({\mathrm{\λ}}_2\mathrm{\ϵ}-{\mathrm{\λ}}_1)}^2}}\\ {\left|X_{\mathrm{LC\β}}\right|}_{\mathrm{pu}}={(\frac{1}{{\mathrm{\ωC}}_{\mathrm{\β}}}-{\mathrm{\ωL}}_{\mathrm{\β}})}_{\mathrm{pu}}=\frac{2\mathrm{\ϵ}\sqrt{1-{\mathrm{\λ}}_2^2}}{\sqrt{{4\mathrm{\ϵ}}^2(1-{\mathrm{\λ}}_2^2)+{({\mathrm{\λ}}_2\mathrm{\ϵ}-{\mathrm{\λ}}_1)}^2}}\end{array}\right.$

其中，|XLCα|pu为|XLCα|的标幺值，|XLCβ|pu为|XLCβ|的标幺值；Cα、Lα分别为超前相LC耦合支路、滞后相LC耦合支路的电容和电感；Cβ、Lβ分别为超前相LC耦合支路、滞后相LC耦合支路的电容和电感；λ1、λ2分别为超前相牵引网馈线电流、滞后相牵引网馈线电流的功率因数；ε为超前相牵引网馈线电流与滞后相牵引网馈线电流的有效值之比，即ε＝IβL/IαL，其中IαL、IβL分别为平衡牵引变压器二次侧超前相牵引网馈线电流有效值、滞后相的牵引网馈线电流有效值。