CN104393601B - 电感集成型混合铁路潮流控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电感集成型混合铁路潮流控制器，公共电网经三相V/v变压器变为铁道牵引网的α、β两相，分别与α相、β相LC耦合补偿臂相连；α相、β相LC耦合补偿臂的电感通过非正交解耦技术集成到V/v牵引变压器二次侧，成为α相、β相集成电感绕组；α相、β相LC耦合补偿臂分别经第一、第二降压变压器与背靠背变流器两输出端相连。本发明采用非正交解耦技术将耦合臂的电感集成到变压器绕组，能够减少高速铁路功补系统的占地面积；采用有、无源系统相结合的技术方案大幅降低了变流器的容量。该系统是一种具有较高性价比的电气化铁道电能质量控制系统。

Description

电感集成型混合铁路潮流控制器

技术领域

本发明涉及电气化铁道供电系统电能质量领域，特别涉及一种电感集成型混合铁路潮流控制器。

背景技术

随着电气化铁路在我国的快速发展，牵引供电系统所面临的负序、无功和谐波等电能质量问题日益突出，降低了公用电网的电能质量，并对其安全稳定运行产生了影响。为改善电气化铁道供电系统的供电质量，提高公共电网的安全稳定性，工程技术人员进行了多种尝试。换相供电是我国牵引变电所为解决负序问题普遍采用的高压进线方式，但对于电网相对脆弱地区的牵引变电所该方法仍难以达到国标对负序电压含量所提出的要求。采用单相SVC能对牵引供电系统的负序和无功进行综合补偿，但该系统很难难在技术和经济上同时达到理想状态。

随着电力电子技术的快速发展，学者和工程师们提出了多种有源拓扑结构。其中，日本学者提出的静止铁路功率调节器(下文称RPC)以其优异的补偿性能受到广泛关注，但因其投资成本高昂并未实现大规模工业应用。另外，常规RPC需串接一个耦合电感才能实现其补偿功能，高压电抗器成本昂贵且占地面积较大，不利于在空间极为有限的牵引变电所实现系统的集成化安装，这进一步限制了该系统的推广。因此，探索具有更高性价比和集成度的铁路功率调节系统成为了目前亟待解决的重要课题。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种电感集成型混合铁路潮流控制器(下文称ILC-RPFC)。

本发明解决上述问题的技术方案是：电感集成型混合铁路潮流控制器，包括三相V/v变压器、α相LC耦合补偿臂、β相LC耦合补偿臂、第一降压变压器、第二降压变压器、背靠背变流器；所述V/v变压器将三相公共电网变为铁道牵引网的α、β两相，α相的供电绕组与牵引网相连，为机车负荷供电；α相、β相分别与α相、β相LC耦合补偿臂相连，α相、β相LC耦合补偿臂的电感通过非正交解耦技术集成到V/v牵引变压器二次侧，成为α相、β相集成电感绕组；α相、β相LC耦合补偿臂分别经第一、第二降压变压器与背靠背变流器两输出端相连。

所述三相V/v变压器由两个单相变压器按V/v接线连接构成，其中α相变压器二次侧有3个绕组，与牵引网相连的为供电绕组，为机车供电，另外两个二次侧绕组匝数相等、绕向相反互相串联构成α相集成电感绕组；β相变压器两个二次侧绕组匝数相等、绕向相反互相串联构成β相集成电感绕组；α、β相集成电感绕组的电感值可按设计要求灵活配置。

所述α相LC耦合补偿臂、β相LC耦合补偿臂分别由α相集成电感绕组、β相集成电感绕组充当电感，并和各相的电容一起串接构成LC支路。

所述背靠背变流器由两个单相逆变器经直流电容背靠背连接构成。

所述集成电感绕组，其电感数值应根据LC耦合补偿臂的电感设计值L，按照如下解析法确定其空间布置参数，即：

其中δ为电感绕组与非对称V/v牵引变压器距铁芯柱之间的距离，r_av为非对称V/v牵引变压器铁芯中间距绕组的距离，a₁、a₂为电感绕组高度，H_x2为电感绕组厚度，a₀为电感绕组间距，μ₀＝4π×10^-7H/m为真空磁导率，N为非对称V/v牵引变压器任一段集成电感绕组的匝数。

所述α相LC耦合补偿臂电抗的绝对值|X_ILCα|按下式进行取值：

其中λ为机车负载的功率因数，I_cα为变流器α相端口的补偿电流折算至第一降压变压器一次侧的归算量，V_α为三相V/v变压器二次侧α相供电绕组端口电压。

所述β相LC耦合补偿臂电抗的绝对值|X_ILCβ|按下式进行取值：

其中λ为机车负载的功率因数，ε为小于1的正实数，I_L为负载电流，V_α为三相V/v变压器二次侧α相供电绕组端口电压。

本发明的有益效果在于：

(1)主变基于非正交解耦技术的集成电感绕组，该绕组可在解耦条件下将LC耦合补偿臂中的电感集成于V/v变压器内部，大幅提高了系统的集成度，显著降低了系统的安装难度和投资成本。

(2)两集成电感绕组充当两相电感，并和两相电容支路串接构成两LC耦合补偿臂。α相集成电感LC耦合补偿臂在大幅提高系统集成度的同时，还可以设计成针对某次谐波的单调谐滤波器，主要起补偿无功和谐波的作用，变流器的容量因此得到大幅降低。除此之外，对于谐波，α相相当于一个单相混合有源滤波器，不仅避免了机械投切固定电容器组可能引起的谐振隐患，还可降低系统谐波补偿容量，大为降低了生产成本。β相LC耦合补偿臂的主要作用是滤除β相逆变器补偿电流中的高频毛刺，并起到与α相变流器相匹配的作用。

(3)变流器由两个单相逆变器经直流电容背靠背连接，不仅能重新分配牵引网两端的有功潮流，还可以独立补偿各相的无功和谐波，从而彻底解决牵引供电系统中的主要电能质量问题；在采用多电平拓扑时，无需两单相降压变压器，系统的占地面积和投资成本还将进一步降低。

附图说明

图1是本发明的系统结构框图。

图2是本发明的变压器的绕组非正交解耦原理图。

图3是本发明的变压器的非正交解耦电感绕组的空间布置图

图4是本发明的控制策略示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，本发明包括三相V/v变压器1、降压变压器2、α相LC耦合补偿臂4(由集成电感绕组3充当第一电感与第一电容C_α串接构成)、β相LC耦合补偿臂(由集成电感绕组5充当第二电感与第二电容C_β串接构成)6、背靠背变流器7。所述V/v牵引变压器1由两个单相变压器T_α、T_β组成，单相变压器T_α的一次侧与电网相连，二次侧供电绕组与牵引网和α相LC耦合补偿臂4相连，二次侧集成电感绕组3由两个匝数相等、绕向相反的线圈串接构成，其电感值为L_α；单相变压器T_β的一次侧与电网相连，二次侧集成电感绕组其电感值为L_β，与第二电容C_β串接构成β相耦合臂；所述降压变压器2包括第一降压变压器T₁和第二降压变压器T₂，所述第一降压变压器T₁的一次侧与α相LC耦合补偿臂4相连，所述第二降压变压器T₂的一次侧与β相LC耦合补偿臂6相连，所述第一、第二降压变压器二次侧与背靠背变流器7两端相连。

单相变压器T_α将高压电网的电压降至27.5kV，为机车供电；单相变压器T_β主要用来为逆变器转移有功提供能量回流的通道，其二次侧的电压一般不为27.5kV，需根据负载统计结果和LC耦合补偿臂的参数综合考虑。α相LC耦合补偿臂4、β相LC耦合补偿臂6参数需根据负载统计结果和T_β的二次侧电压进行设计；α相、β相LC耦合补偿臂的电抗绝对值|X_ILCα|、|X_ILCβ|可分别按下式进行设计：

其电感、电容具体数值可根据实测数据按上式灵活配置。由各LC耦合补偿臂所需的电感值L，按照解析法确定集成电感绕组的空间布置参数。通过控制背靠背变流器7中的两逆变器端口输出电压的幅值和相角能动态调整主变二次端口的有功、无功和谐波的分布状态，确保牵引变电所公共连接点主要电能质量指标满足国家标准。

下面介绍非正交解耦电感集成原理及其电感具体设计方法。

如图2所示对变压器的绕组m和n进行非正交解耦，其中绕组n分为匝数相等的两段，分别为n-1和n-2。绕组m两端施加电压U_m，其在绕组m上产生电动势E_m，在绕组n-1和n-2上分别产生电动势E'_m-1和E'_m-2，因为绕组n-1和n-2是反向串联且匝数相等，则E'_m-1和E'_m-2等值反向，故电动势E_m在绕组n感生的总电动势E'_m为零，即使绕组n两端形成回路，也不会产生感应电流；反之，绕组n两端施加电压U_n，产生电动势分别为E_n-1和E_n-2，在绕组m产生的电动势为E'_n-1和E'_n-2，显然两者是等值反向的，故总电动势E'_n为零，在绕组m回路中无感应电流产生，则无功率耦合。同理分析可知，绕组k和绕组n也无功率耦合。

如图3所示是集成电感绕组的空间布置图，其中δ为电感绕组与非对称V/v牵引变压器距铁芯柱之间的距离，r_av为非对称V/v牵引变压器铁芯中间距绕组的距离，a₁、a₂为电感绕组高度，H_x2为电感绕组厚度，a₀为电感绕组间距，μ₀＝4π×10^-7H/m为真空磁导率，N为非对称V/v牵引变压器任一段集成电感绕组的匝数。集成电感绕组放在二次绕组外侧，便于引出端子。上述空间分布参数与所需设计的电感值L的关系为：

下面简要介绍本发明系统的控制策略：

ILC-RPFC系统的控制原理如图4所示。供电臂电压v_α经锁相环(PLL)产生电压同步信号。将检测到的i_L、i_β输入指令电流运算电路，得到应该补偿的电流指令信号i_cα ^*、i_cβ ^*。将检测到的实际补偿电流i_cα、i_cβ与电流指令信号i_cα ^*、i_cβ ^*相减得到的误差信号e₁、e₂经过电流控制，发出多路PWM脉冲控制两单相逆变器工作。直流电压的误差信号经PI控制器输入指令电流运算电路对直流电压进行调节。

Claims (5)

1.一种电感集成型混合铁路潮流控制器，其特征在于：包括三相V/v变压器、α相LC耦合补偿臂、β相LC耦合补偿臂、第一降压变压器、第二降压变压器、背靠背变流器；所述三相V/v变压器将三相公共电网变为铁道牵引网的α、β两相，α相的供电绕组与牵引网相连，为机车负荷供电；α相、β相分别与α相、β相LC耦合补偿臂相连，α相、β相LC耦合补偿臂的电感通过非正交解耦技术集成到三相V/v变压器二次侧，成为α相、β相集成电感绕组；α相、β相LC耦合补偿臂分别经第一、第二降压变压器与背靠背变流器两输出端相连；所述α相集成电感绕组包括两个匝数相等、绕向相反互相串联的二次侧绕组，所述β相集成电感绕组包括两个匝数相等、绕向相反互相串联的二次侧绕组，其电感数值应根据LC耦合补偿臂的电感设计值L，按照如下解析法确定其空间布置参数，即：

$\left\{\begin{array}{c}L=\frac{2{\mathrm{\π\μ}}_0{N}^2\mathrm{\ρ}}{H_{x2}}\ΣD,\ΣD=r_{av}\[a_0+\frac{1}{3}(a_1+a_2)\]\\ \mathrm{\ρ}=1-\frac{1}{{\mathrm{\πu}}_2}(1-e^{-{\mathrm{\πu}}_2})\[1-0.5e^{-2\mathrm{\π}v}(1-e^{-{\mathrm{\πu}}_2})\]\\ u_2=\frac{H_{x2}}{a_0+a_1+a_2},v=\frac{\mathrm{\δ}}{a_0+a_1+a_2}\end{array}\right.,$

其中δ为二次侧绕组与三相V/v变压器铁芯柱之间的距离，r_av为三相V/v变压器铁芯柱中间距二次侧绕组中轴线的距离，a₁、a₂为集成电感绕组两个二次侧绕组的高度，H_x2为二次侧绕组厚度，a₀为集成电感绕组两个二次侧绕组间距，μ₀＝4π×10^-7H/m为真空磁导率，N为三相V/v变压器任一段集成电感绕组的匝数。

2.如权利要求1所述的电感集成型混合铁路潮流控制器，其特征在于：所述三相V/v变压器由两个单相变压器按V/v接线连接构成，其中α相变压器二次侧有3个绕组，与牵引网相连的绕组为供电绕组，为机车供电，另外两个二次侧绕组匝数相等、绕向相反互相串联构成α相集成电感绕组；β相变压器两个二次侧绕组匝数相等、绕向相反互相串联构成β相集成电感绕组；α、β相集成电感绕组的电感值可按设计要求灵活配置。

3.如权利要求1所述的电感集成型混合铁路潮流控制器，其特征在于：所述α相LC耦合补偿臂、β相LC耦合补偿臂分别由α相集成电感绕组、β相集成电感绕组充当电感，并和各相的电容一起串接构成LC支路。

4.如权利要求1所述的电感集成型混合铁路潮流控制器，其特征在于：所述α相LC耦合补偿臂电抗的绝对值|X_ILCα|按下式进行取值：

$\left|X_{ILC\mathrm{\α}}\right|=\frac{V_{\mathrm{\α}}}{I_{c\mathrm{\α}}}\frac{3\mathrm{\λ}+2\sqrt{3(1-{\mathrm{\λ}}^2)}}{2\sqrt{1+3\frac{1}{{\mathrm{\λ}}^2-1}+\frac{\sqrt{3(1-{\mathrm{\λ}}^2)}}{\mathrm{\λ}}}}$

其中λ为机车负载的功率因数，I_cα为变流器α相端口的补偿电流折算至第一降压变压器一次侧的归算量，V_α为三相V/v变压器二次侧α相供电绕组端口电压。

5.如权利要求1所述的电感集成型混合铁路潮流控制器，其特征在于：所述β相LC耦合补偿臂电抗的绝对值|X_ILCβ|按下式进行取值：

$\left|X_{ILC\mathrm{\β}}\right|=\frac{V_{\mathrm{\α}}}{I_L}\frac{3{\mathrm{\λ}}^2}{\mathrm{\λ}+2\sqrt{3(1-{\mathrm{\λ}}^2)}}(\sqrt{4-3{\mathrm{\ϵ}}^2}-\mathrm{\ϵ}),$

其中λ为机车负载的功率因数，ε为小于1的正实数，I_L为负载电流，V_α为三相V/v变压器二次侧α相供电绕组端口电压。