CN104325894A - 一种多馈线组合式供变电构造 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多馈线组合式供变电构造，主要由牵引变压器和有源补偿装置组成，其中，牵引变压器两台及以上，均为单相接线，有源补偿装置由匹配变压器和交直交变流器构成，其匹配变压器为三相YNd接线，交直交变流器为单相结构，各个牵引变压器原边绕组依次连接于高压母线ABC三个线电压UAB、UBC、UCA，匹配变压器的三个原边绕组分别连接于同一高压母线ABC三个相电压UA、UB、UC。本发明具有良好的组合性，容易按照实际需求增减供电设备，实现合成负序相量在360°范围内的跟踪补偿。本发明可以实现价格昂贵的有源补偿装置容量需求的最小化，从而大大减少其在供电设备中所占比重，有效减少一次性投资，且可以方便地用于负荷转换为再生反馈情形，进一步增强系统的节能效果。
Description
技术领域
本发明涉及城市轨道交通供电领域，尤其涉及一种多馈线组合式供变电构造。
背景技术
干线电气化铁路普遍采用由公用电网供电的单相工频交流制，为使单相的牵引负荷在三相电网中尽可能取得平衡，往往对铁路沿线的各个牵引变电所采用轮换相序接入电网的供电方案，而单个牵引变电所往往采用电网三相中的两相供电。申请者提出的《一种电气化铁路同轴电缆供电系统，申请号：201410271250.9》，可以大大延长牵引变电所之间的供电距离，进而减少因牵引变电所数量增加而增加的影响列车顺畅运行的分相数量，同时，可以方便地将单相工频交流制引入以地铁、轻轨为代表的城市轨道交通的供电。与干线电气化铁路不同，城市轨道交通的每条线路较短并且相互独立、互不交叉，采用单相工频交流制同轴电缆供电系统可以消除现有单相直流制引起的杂散电流及其对地下建筑物和金属管道的不良影响，还能保持无分相的优势。当然，与电气化铁路一样，城市轨道交通也有使单相的牵引负荷在三相电网中尽可能保持平衡的问题，就是尽可能把各条线路轮换相序接入电网。
针对电气化铁路的单个牵引变电所和多条线路在同一地点集中轮换相序接入电网的城市轨道交通变电所，本申请提出一种新的构造方案，用最小容量和最小成本的有源补偿技术，使随机波动的牵引负荷产生的剩余负序就地平衡并满足国标要求。
发明内容
本发明的目的就是提供一种多馈线组合式供变电构造，提出电气化铁路的单个牵引变电所和多条线路在同一地点集中轮换相序接入电网的城市轨道交通变电所的构造方案，用最小容量和最小成本的有源补偿技术，使随机波动的牵引负荷产生的剩余负序(电压不平衡)就地平衡并满足国标要求。
本发明的目的是由以下技术方案来实现的：
一种多馈线组合式供变电构造，主要由牵引变压器和有源补偿装置组成；其中，牵引变压器至少具有二台，均为单相接线，有源补偿装置由匹配变压器MT和交直交变流器ADA构成，其匹配变压器MT为三相YNd接线，交直交变流器ADA为单相结构；各个牵引变压器原边绕组依次连接于高压母线ABC三个线电压UAB、UBC、UCA，其中连接于线电压UAB上的牵引变压器记为牵引变压器一TTAB,连接于线电压UBC上的牵引变压器记为牵引变压器二TTBC,连接于线电压UCA上的牵引变压器记为牵引变压器三TTCA；匹配变压器MT的三个原边绕组分别连接于同一高压母线ABC三个相电压UA、UB、UC，匹配变压器MT的三个次边绕组分别连接三组交直交变流器的输入端口，其中连接于相电压UA的一组交直交变流器记为交直交变流器一ADAa，连接于相电压UB的一组交直交变流器记为交直交变流器二ADAb，连接于相电压UC的一组交直交变流器记为交直交变流器三ADAc；牵引变压器一TTAB次边绕组与交直交变流器三ADAc的输出端口相并联,一端接地,一端经牵引母线R输出馈线一Fab；牵引变压器二TTBC次边绕组与交直交变流器一ADAa的输出端口相并联，一端接地，一端经牵引母线S输出馈线二Fbc；牵引变压器三TTCA次边绕组与交直交变流器二ADAb的输出端口相并联，一端接地，一端经牵引母线T输出馈线三Fca；馈线Fab、馈线Fbc、馈线Fca的电压分别对应原边三个线电压UAB、UBC、UCA，其大小相同、相位互差120°。
记馈线一Fab的负荷功率为Sab、馈线二Fbc的负荷功率为Sbc、馈线三Fca的负荷功率为Sca,记负荷功率{Sab,Sbc,Sca}中最小负荷功率Smin＝min{Sab,Sbc,Sca}，负荷功率{Sab,Sbc,Sca}中最大负荷功率Smax＝max{Sab,Sbc,Sca}，认为负荷功率因数为1，对应特定标准和馈线负荷组合工况，分三种情形：
甲、若最大负荷功率Smax＝馈线一Fab的负荷功率Sab，则有源补偿装置中的交直交变流器三ADAc的计算容量取馈线一Fab的负荷功率Sab与最小负荷功率Smin之差Sab-Smin所引起的三相电压不平衡度超标部分功率的一半；
乙、若最大负荷功率Smax＝馈线二Fbc的负荷功率Sbc，则有源补偿装置中的交直交变流器一ADAa的计算容量取馈线二Fbc的负荷功率Sbc与最小负荷功率Smin之差Sbc-Smin所引起的三相电压不平衡度超标部分功率的一半；
丙、若最大负荷功率Smax＝馈线三Fca的负荷功率Sca，则有源补偿装置中的交直交变流器二ADAb的计算容量取馈线三Fca的负荷功率Sca与最小负荷功率Smin之差Sca-Smin所引起的三相电压不平衡度超标部分功率的一半。
本发明的工作原理分以下两方面说明：
A、当负荷的功率因数相同时，在正序电压下相位相差90°的负荷产生的负序相量的相位则相差180°，这就形成了最直接的、最小容量的负序补偿理论基础。在正序电压下线电压UAB、UBC、UCA分别与相电压UC、UA、UB相位相差90°，于是有，连接于线电压UAB上的牵引变压器一TTAB与匹配变压器MT连接于相电压UC的一对绕组及其交直交变流器三ADAc相匹配，连接于线电压UBC上的牵引变压器二TTBC与匹配变压器MT连接于相电压UA的一对绕组及其交直交变流器一ADAa相匹配，连接于线电压UCA上的牵引变压器三TTCA与匹配变压器MT连接于相电压UB的一对绕组及其交直交变流器二ADAb相匹配。
B、当负荷的功率因数相同时，相位相差120°的三相负荷产生的合成负序是由三相中两个较大的负荷(其大小分别为Smax1和Smax2)减去三相中最小的负荷(其大小为Smin)后剩余的相量(其大小分别为Smax1-Smin和Smax2-Smin)叠加而成的，或者说，可认为三相负荷的大小经配项分别记为Smin+(Smax1-Smin)、Smin+(Smax2-Smin)和Smin，其中三相Smin是对称的，其负序抵消，合成负序由两相负荷所余大小Smax1-Smin和Smax2-Smin在负序电压下按120°叠加得到，这样可以进一步减小对有源补偿装置容量的需求。由此并结合工作原理A可以确定有源补偿装置中的各交直交变流器的容量，分三种情形：
甲、若最大负荷功率Smax＝馈线一Fab的负荷功率Sab，则有源补偿装置中的交直交变流器三ADAc的计算容量取馈线一Fab的负荷功率Sab与最小负荷功率Smin之差Sab-Smin所引起的三相电压不平衡度超标部分功率的一半；
乙、若最大负荷功率Smax＝馈线二Fbc的负荷功率Sbc，则有源补偿装置中的交直交变流器一ADAa的计算容量取馈线二Fbc的负荷功率Sbc与最小负荷功率Smin之差Sbc-Smin所引起的三相电压不平衡度超标部分功率的一半；
丙、若最大负荷功率Smax＝馈线三Fca的负荷功率Sca，则有源补偿装置中的交直交变流器二ADAb的计算容量取馈线三Fca的负荷功率Sca与最小负荷功率Smin之差Sca-Smin所引起的三相电压不平衡度超标部分功率的一半。
同样，各交直交变流器按以下规则运行，亦分三种情形：
甲、若最小负荷功率Smin＝馈线一Fab的负荷功率Sab，则有源补偿装置中的交直交变流器三ADAc不工作，而交直交变流器一ADAa按馈线二Fbc负荷功率Sbc与馈线一Fab负荷功率Sab之差Sbc-Sab的一半在其计算容量内分担馈线二Fbc的负荷功率Sbc，交直交变流器二ADAb按馈线三Fca负荷功率Sca与馈线一Fab负荷功率Sab之差Sca-Sab的一半在其计算容量内分担馈线三Fca的负荷功率Sca；
乙、若最小负荷功率Smin＝馈线二Fbc的负荷功率Sbc，则有源补偿装置中的交直交变流器一ADAa不工作，而交直交变流器二ADAb按馈线三Fca负荷功率Sca与馈线二Fbc负荷功率Sbc之差Sca-Sbc的一半在其计算容量内分担馈线三Fca的负荷功率Sca，交直交变流器三ADAc按馈线一Fab负荷功率Sab与馈线二Fbc负荷功率Sbc之差Sab-Sbc的一半在其计算容量内分担馈线一Fab的负荷功率Sab；
丙、若最小负荷功率Smin＝馈线三Fca的负荷功率Sca，则有源补偿装置中的交直交变流器二ADAb不工作，而交直交变流器一ADAa按馈线二Fbc负荷功率Sbc与馈线三Fca负荷功率Sca之差Sbc-Sca的一半在其计算容量内分担馈线二Fbc的负荷功率Sbc，交直交变流器三ADAc按馈线一Fab负荷功率Sab与馈线三Fca负荷功率Sca之差Sab-Sca的一半在其计算容量内分担馈线一Fab的负荷功率Sab。
即是说，各交直交变流器的最大分担功率等于其计算容量。
这种多馈线组合式供变电构造具有组合性。当只有两组负荷时，可以选择牵引变压器一TTAB、牵引变压器二TTBC、牵引变压器三TTCA中的任意两台给负荷供电，对应的匹配变压器MT也连接两组交直交变流器；当多于三组负荷时，则按照全部负荷尽可能均匀分布于三相电网的原则，在对应的牵引母线上引出馈线即可，相应地调整对应的牵引变压器、匹配变压器及交直交变流器的计算容量而不用增加设备套数。
高速和重载铁路已广泛采用基于IGBT、IGCT等全控型器件的大功率交直交型电力机车或动车组，其负荷的功率因数接近于1，一般只计及其有功负荷即可，所含无功负荷是感性的，其量极小，可以忽略。但当无功负荷不可忽略时，如使用交直型电力机车的场合，可由交直交变流器输出端口进行无功功率补偿，使其功率因数升高。
根据可靠性要求，可以考虑牵引变压器、匹配变压器及交直交变流器的备用数量与方式。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
一、本发明具有良好的组合性，容易按照实际需求增减供电设备，实现合成负序相量在360°范围内的跟踪补偿。
二、本发明可以实现价格昂贵的有源补偿装置容量需求的最小化，从而大大减少其在供电设备中所占比重，有效减少一次性投资。
三、本发明可以方便地用于负荷转换为再生反馈情形，进一步增强系统的节能效果。
四、本发明技术先进、可靠，易于实施。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的描述。
附图说明
图1是实施例的多馈线组合式供变电构造示意图。
图2是本发明的具有两组负荷的多馈线组合式供变电构造示意图。
图3是本发明的具有多于三组负荷的多馈线组合式供变电构造示意图。
图4是本发明有源补偿装置中交直交变流器的结构示意图。
具体实施方式
实施例
如图1所示，一种多馈线组合式供变电构造，主要由牵引变压器和有源补偿装置组成；其中，牵引变压器两台及以上，均为单相接线，有源补偿装置由匹配变压器MT和交直交变流器ADA构成，其匹配变压器MT为三相YNd接线，交直交变流器ADA为单相结构；各个牵引变压器原边绕组依次连接于高压母线ABC三个线电压UAB、UBC、UCA，其中连接于线电压UAB上的牵引变压器记为牵引变压器一TTAB,连接于线电压UBC上的牵引变压器记为牵引变压器二TTBC,连接于线电压UCA上的牵引变压器记为牵引变压器三TTCA；匹配变压器MT的三个原边绕组分别连接于同一高压母线ABC三个相电压UA、UB、UC，匹配变压器MT的三个次边绕组分别连接三组交直交变流器的输入端口，其中连接于相电压UA的一组交直交变流器记为交直交变流器一ADAa，连接于相电压UB的一组交直交变流器记为交直交变流器二ADAb，连接于相电压UC的一组交直交变流器记为交直交变流器三ADAc；牵引变压器一TTAB次边绕组与交直交变流器三ADAc的输出端口相并联,一端接地,一端经牵引母线R输出馈线一Fab；牵引变压器二TTBC次边绕组与交直交变流器一ADAa的输出端口相并联，一端接地，一端经牵引母线S输出馈线二Fbc；牵引变压器三TTCA次边绕组与交直交变流器二ADAb的输出端口相并联，一端接地，一端经牵引母线T输出馈线三Fca；馈线Fab、馈线Fbc、馈线Fca的电压分别对应原边三个线电压UAB、UBC、UCA，其大小相同、相位互差120°；*、·、Δ为绕组同名端。
记馈线一Fab的负荷功率为Sab、馈线二Fbc的负荷功率为Sbc、馈线三Fca的负荷功率为Sca,记负荷功率{Sab,Sbc,Sca}中最小负荷功率Smin＝min{Sab,Sbc,Sca}，负荷功率{Sab,Sbc,Sca}中最大负荷功率Smax＝max{Sab,Sbc,Sca}，认为负荷功率因数为1，对应特定标准和馈线负荷组合工况，分三种情形：
甲、若最大负荷功率Smax＝馈线一Fab的负荷功率Sab，则有源补偿装置中的交直交变流器三ADAc的计算容量取馈线一Fab的负荷功率Sab与最小负荷功率Smin之差Sab-Smin所引起的三相电压不平衡度超标部分功率的一半；
乙、若最大负荷功率Smax＝馈线二Fbc的负荷功率Sbc，则有源补偿装置中的交直交变流器一ADAa的计算容量取馈线二Fbc的负荷功率Sbc与最小负荷功率Smin之差Sbc-Smin所引起的三相电压不平衡度超标部分功率的一半；
丙、若最大负荷功率Smax＝馈线三Fca的负荷功率Sca，则有源补偿装置中的交直交变流器二ADAb的计算容量取馈线三Fca的负荷功率Sca与最小负荷功率Smin之差Sca-Smin所引起的三相电压不平衡度超标部分功率的一半。
各交直交变流器按以下规则运行，亦分三种情形：
甲、若最小负荷功率Smin＝馈线一Fab的负荷功率Sab，则有源补偿装置中的交直交变流器三ADAc不工作，而交直交变流器一ADAa按馈线二Fbc负荷功率Sbc与馈线一Fab负荷功率Sab之差Sbc-Sab的一半在其计算容量内分担馈线二Fbc的负荷功率Sbc，交直交变流器二ADAb按馈线三Fca负荷功率Sca与馈线一Fab负荷功率Sab之差Sca-Sab的一半在其计算容量内分担馈线三Fca的负荷功率Sca；
乙、若最小负荷功率Smin＝馈线二Fbc的负荷功率Sbc，则有源补偿装置中的交直交变流器一ADAa不工作，而交直交变流器二ADAb按馈线三Fca负荷功率Sca与馈线二Fbc负荷功率Sbc之差Sca-Sbc的一半在其计算容量内分担馈线三Fca的负荷功率Sca，交直交变流器三ADAc按馈线一Fab负荷功率Sab与馈线二Fbc负荷功率Sbc之差Sab-Sbc的一半在其计算容量内分担馈线一Fab的负荷功率Sab；
丙、若最小负荷功率Smin＝馈线三Fca的负荷功率Sca，则有源补偿装置中的交直交变流器二ADAb不工作，而交直交变流器一ADAa按馈线二Fbc负荷功率Sbc与馈线三Fca负荷功率Sca之差Sbc-Sca的一半在其计算容量内分担馈线二Fbc的负荷功率Sbc，交直交变流器三ADAc按馈线一Fab负荷功率Sab与馈线三Fca负荷功率Sca之差Sab-Sca的一半在其计算容量内分担馈线一Fab的负荷功率Sab。
即是说，各交直交变流器的最大分担功率等于其计算容量。
高速和重载铁路已广泛采用基于IGBT、IGCT等全控型器件的大功率交直交型电力机车或动车组，其负荷的功率因数接近于1，一般只计及其有功负荷即可，所含无功负荷是感性的，其量极小，可以忽略。但当无功负荷不可忽略时，如使用交直型电力机车的场合，可由交直交变流器输出端口进行无功功率补偿，使其功率因数升高。
根据可靠性要求，可以考虑牵引变压器、匹配变压器及交直交变流器的备用数量与方式。
当负荷转换为再生反馈时，控制相关的交直交变流器使其分担的有功功率做相应调整。
图2所示是本发明的具有两组负荷的多馈线组合式供变电构造示意图。本发明的这种多馈线组合式供变电构造具有组合性。当只有两组负荷时，可以选择牵引变压器一TTAB、牵引变压器二TTBC、牵引变压器三TTCA中的任意两台给负荷供电，对应的匹配变压器MT也连接两组交直交变流器。图中，选择牵引变压器一TTAB次边绕组与交直交变流器三ADAc的输出端口相并联,一端接地,一端经牵引母线R输出馈线一Fab，牵引变压器二TTBC次边绕组与交直交变流器一ADAa的输出端口相并联，一端接地，一端经牵引母线S输出馈线二Fbc。
图3所示是本发明的具有多于三组负荷的多馈线组合式供变电构造示意图。本发明的这种多馈线组合式供变电构造具有组合性。当多于三组负荷时，则按照全部负荷尽可能均匀分布于三相电网的原则，在对应的牵引母线上引出馈线即可，相应地调整对应的牵引变压器、匹配变压器及交直交变流器的计算容量而不用增加设备套数。图中，在馈线Fab、馈线Fbc、馈线Fca基础上引出与馈线Fab同相位的馈线F’ab来供给新的一组负荷。
图4示出的是本发明有源补偿装置中交直交变流器的结构示意图。交直交变流器ADA为采用大功率电力电子半导体器件(例如集成门极换向晶闸管IGCT或绝缘栅双极性晶体管IGBT)的单相PWM(脉宽调制)变流器，即通过直流储能电容连接的交流-直流-交流变换装置，其两端串联的电抗器Li和电抗器Lo的电抗值可分别连同高压匹配变压器和牵引匹配变压器(如果有的话)的漏抗一并考虑。
需要说明的是，由于交直交变流器采用集成门极换向晶闸管IGCT或绝缘栅双极性晶体管IGBT等性能优良的现代电力电子半导体器件，其制造成本较高，降低交直交变流器容量将是降低成本的关键。
Claims (3)
1.一种多馈线组合式供变电构造，主要由牵引变压器和有源补偿装置组成；其特征在于：牵引变压器至少具有二台，均为单相接线；有源补偿装置由匹配变压器MT和交直交变流器ADA构成，其匹配变压器MT为三相YNd接线，交直交变流器ADA为单相结构；各个牵引变压器原边绕组依次连接于高压母线ABC三个线电压UAB、UBC、UCA，其中连接于线电压UAB上的牵引变压器记为牵引变压器一TTAB,连接于线电压UBC上的牵引变压器记为牵引变压器二TTBC,连接于线电压UCA上的牵引变压器记为牵引变压器三TTCA；匹配变压器MT的三个原边绕组分别连接于同一高压母线ABC三个相电压UA、UB、UC，匹配变压器MT的三个次边绕组分别连接三组交直交变流器的输入端口，其中连接于相电压UA的一组交直交变流器记为交直交变流器一ADAa，连接于相电压UB的一组交直交变流器记为交直交变流器二ADAb，连接于相电压UC的一组交直交变流器记为交直交变流器三ADAc；牵引变压器一TTAB次边绕组与交直交变流器三ADAc的输出端口相并联,一端接地,一端经牵引母线R输出馈线一Fab；牵引变压器二TTBC次边绕组与交直交变流器一ADAa的输出端口相并联，一端接地，一端经牵引母线S输出馈线二Fbc；牵引变压器三TTCA次边绕组与交直交变流器二ADAb的输出端口相并联，一端接地，一端经牵引母线T输出馈线三Fca；馈线一Fab、馈线二Fbc、馈线三Fca的电压分别对应原边三个线电压UAB、UBC、UCA，其大小相同、相位互差120°。
2.根据权利要求1所述的一种多馈线组合式供变电构造，其特征在于：记馈线一Fab的负荷功率为Sab、馈线二Fbc的负荷功率为Sbc、馈线三Fca的负荷功率为Sca,记负荷功率{Sab,Sbc,Sca}中最小负荷功率Smin＝min{Sab,Sbc,Sca}，负荷功率{Sab,Sbc,Sca}中最大负荷功率Smax＝max{Sab,Sbc,Sca}，认为负荷功率因数为1，对应特定标准和馈线负荷组合工况，分三种情形：
甲、若最大负荷功率Smax＝馈线一Fab的负荷功率Sab，则有源补偿装置中的交直交变流器三ADAc的计算容量取馈线一Fab的负荷功率Sab与最小负荷功率Smin之差Sab-Smin所引起的三相电压不平衡度超标部分功率的一半；
乙、若最大负荷功率Smax＝馈线二Fbc的负荷功率Sbc，则有源补偿装置中的交直交变流器一ADAa的计算容量取馈线二Fbc的负荷功率Sbc与最小负荷功率Smin之差Sbc-Smin所引起的三相电压不平衡度超标部分功率的一半；
丙、若最大负荷功率Smax＝馈线三Fca的负荷功率Sca，则有源补偿装置中的交直交变流器二ADAb的计算容量取馈线三Fca的负荷功率Sca与最小负荷功率Smin之差Sca-Smin所引起的三相电压不平衡度超标部分功率的一半。
3.根据权利要求1所述的一种多馈线组合式供变电构造，其特征在于，当只有两组负荷时，选择牵引变压器一TTAB、牵引变压器二TTBC、牵引变压器三TTCA中的任意两台给负荷供电，对应的匹配变压器MT也连接两组交直交变流器；当多于三组负荷时，则按照全部负荷尽可能均匀分布于三相电网的原则，在对应的牵引母线上引出馈线。
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