CN109066718A - 一种电气化铁路同相供变电系统的负序补偿装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电气化铁路同相供变电系统的负序补偿装置及其方法，属于电气化铁路供电技术领域。所述同相供变电系统包括第一牵引变电所、第二牵引变电所、……以及第n个牵引变电所，n≥2；所述第一牵引变电所、第二牵引变电所、……以及第n个牵引变电所均分别与所述单相高压输电线和牵引网连接；所述负序补偿装置安装于所述第一牵引变电所内且包括三相补偿变压器、与所述三相补偿变压器连接的三相无功补偿器和与三相无功补偿器的所述测控单元。本发明能有效地解决不改变牵引变电所群的有功潮流，通过无功潮流控制来解决牵引变电所群的负序集中补偿的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及交流电气化铁路供电技术领域，尤其涉及带单相高压输电线的同相供变电系统的负序集中补偿技术。
背景技术
电气化铁道普遍采用由公用电力系统供电的单相工频交流制，为使单相的牵引负荷在三相电力系统中尽可能平衡分配，电气化铁道往往采用轮换相序、分相分区供电的方案。分相分区处的相邻供电区之间用分相绝缘器隔离，形成电分相，简称分相。电分相环节是整个牵引供电系统中最薄弱的环节，列车过分相成为了高速铁路乃至整个电气化铁路牵引供电的瓶颈。
理论和实践表明在牵引变电所采用单相牵引变压器或组合式同相供电技术可以取消其出口处的电分相，在分区所采用双边连通技术可以取消该处的电分相，从而消除供电瓶颈，提高铁路供电能力和运输能力。其中，牵引变电所采用单相牵引变压器或组合式同相供电技术取消其出口处的电分相的技术已经得到成功应用，效果甚好，而分区所的双边连通类似于电网的合环运行，其应用受到电网条件的制约，比如电网输电线与牵引网形成并联关系且电压等级较为接近，会出现牵引网中的穿越功率(均衡电流)较大的问题，加之缺乏相关标准，影响双边供电(合环)的实施，但有一种供电结构不产生穿越功率，这就是辐射式结构供电方式，即电网的同一变电站的分段母线分别给多个牵引变电所进行供电，换言之，在网络图论上形成树形供电：该变电站是树根，各个牵引变电所是叶。此时，在牵引变电所采用单相牵引变压器或组合式同相供电技术取消其出口处的电分相，在分区所采用双边连通技术而取消该处的电分相，就不会在牵引网中造成穿越功率，从而创造电网与铁路双赢的局面。
在此，我们称电网同一变电站以辐射式结构给多个牵引变电所供电的这些牵引变电所为牵引变电所群。进行贯通式同相供电的、最优化的牵引变电所群这样构成：牵引变电所群原边均由同一变电站的分段母线供电，群中最多1个牵引变电所为负序补偿变电所，其余为单相变电所，群内所有单相牵引母线的电压相别相同。
为此，发明人提出了“一种牵引变电所群的负序集中补偿控制系统及其控制方法(申请号：2018106212100)”，其核心是负序补偿变电所的负序补偿装置ADA将牵引变电所群中非负序补偿变电所的有功功率调节过来，通过改变牵引变电所群的有功潮流来实现负序的集中补偿，使负序达标。研究发现，当牵引变电所群规模越大，需要改变的有功潮流的规模就越大，电气距离就越长，技术难度就越大，网损的经济指标就越差，甚至不能实现；同时，由于电网同一变电站以辐射式结构给多个牵引变电所供电，会受到辐射式高压输电线长度和投资的限值，使得牵引变电所群的数量受到制约，也就使得在分区所采用双边连通技术而取消该处的电分相的电气化铁路里程受到限制。
本发明不改变牵引变电所群的有功潮流，通过无功潮流控制来解决牵引变电所群的负序集中补偿的技术问题，使负序治理达到国家标准。
发明内容
本发明目的是提供一种电气化铁路同相供变电系统的负序补偿装置及其方法，它能有效地解决不改变牵引变电所群的有功潮流，通过无功潮流控制来解决牵引变电所群的负序集中补偿的技术问题。
为了解决上述技术问题，本发明所采用了如下技术方案为：
一种电气化铁路同相供变电系统的负序补偿装置，所述同相供变电系统包括第一牵引变电所、第二牵引变电所以及第n个牵引变电所和单相高压输电线以及牵引网，n≥2；所述第一牵引变电所包括三相高压母线、与所述三相高压母线连接的第一主变压器和负序补偿装置；所述负序补偿装置安装于所述第一牵引变电所内且包括三相补偿变压器、与所述三相补偿变压器连接的三相无功补偿器和与三相无功补偿器连接的测控单元。
优选地，所述测控单元包括电压互感器、第一电流互感器、第二电流互感器和控制器，所述电压互感器原边并接于三相高压母线中A相和B相之间，所述第一电流互感器的原边串接于第一牵引变电所的第一主变压器的原边A相馈线，所述第二电流互感器的原边串接于三相高压母线对单相高压输电线的A相馈线。优选地，所述控制器的输入端分别与电压互感器、第一电流互感器和第二电流互感器的测量端连接，所述控制器的输出端与所述三相无功补偿器的控制端连接。
优选地，所述三相补偿变压器原边与三相高压母线A相、B相和C相连接，所述三相补偿变压器次边连接三相无功补偿装置。
为了解决上述技术问题，本发明所采用了又一如下技术方案为：
一种使用上述技术方案的所述的负序补偿装置的电气化铁路同相供变电系统的负序补偿方法，其中，设变电站分段母线负序允许容量为Sd、牵引网负荷功率因数为1，所述负序补偿方法包括步骤具体如下：
控制器根据t时刻电压互感器和第一电流互感器测量的电压和电流计算出第一有功功率S1(t)，根据t时刻电压互感器和第二电流互感器测量的电压和电流计算出第二有功功率S2(t)；
控制器进一步计算第一有功功率S1(t)和第二有功功率S2(t)在时刻t的有功功率总和S(t)，即S(t)＝S1(t)+S2(t)；
控制器(CD)控制三相无功补偿器(SVG)在t时刻输出的负序功率SC(t)的相位与s(t)的相位相反，且SC(t)的大小为：SC(t)＝S(t)-Sd；根据负序功率SC(t)是否小于阈值VT来判断三相无功补偿器有无停运。
优选地，当负序功率SC(t)小于阈值VT,则停运三相无功补偿器，即令SC(t)等于VT；反之，则正常运行三相无功补偿器。
进一步优选地，所述阈值VT为0。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
一、可以在更大范围内实施贯通式同相供电，最大范围取消电分相，且不在电网不产生穿越功率。
二、在同相供变电系统中设定一个牵引变电所进行负序集中补偿，可使系统整体结构最简化。
三、所需三相无功补偿器只产生负序分量，不产生正序分量，即不占有电网的正序容量，与之配套的三相补偿变压器只传输负序功率，不传输正序功率，具有免缴容量电费的技术优势，同时，不改变牵引变电所牵引网的有功潮流，不增加额外的牵引网功率损耗。
四、牵引网在更大范围内实施同相贯通，更有利于再生列车电能的被牵引列车利用，减少从电力系统的用电，大大增加节能效果。
五、无功补偿器工况可逆，当同相供变电系统处于等效再生工况时，仍可向电网送出达标的电能。
六、结构简单，性能优越、技术先进、方法可靠，易于实施。
附图说明
图1是本发明实施例一中所述负序补偿装置所在同相供变电系统的结构示意图。
图2是本发明实施例一中所述测控单元的结构框架图。
图3是本发明实施例一中所述控制器的输入、输出关系示意图。
图4是本发明实施例二中所述负序补偿方法的流程示意图。
具体实施方式
为了更好理解本发明的创造思想，本发明工作原理为：交直交列车的功率因数很高，可认为1，且各个牵引变电所的功率因数相同，以三相高压母线位负序达标考核点，考核点处产生的总的负序电流可以用标量代数和计算，总的负序电流或功率可以在一个牵引变电所通过安装负序补偿系统进行集中补偿，补偿后达到国标要求，其中负序补偿通过其三相无功补偿器产生负序潮流，不改变同相供变电系统的有功潮流利用高压输电线输送功率大、输送距离长的优势，大大延长无分相贯通的电气化铁路供电里程。下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的描述。
实施例一
如图1所示，本发明实施例提供了一种电气化铁路同相供变电系统的负序补偿装置，所述同相供变电系统包括第一牵引变电所SS1、第二牵引变电所SS2、……以及第n个牵引变电所SSn，n≥2；所述第一牵引变电所SS1、第二牵引变电所SS2、……以及第n个牵引变电所SSn均分别与所述单相高压输电线HL和牵引网0CS连接，n≥2；所述负序补偿装置NCS安装于所述第一牵引变电所SS1内且包括三相补偿变压器MT、与所述三相补偿变压器MT连接的三相无功补偿器SVG和与三相无功补偿器SVG的所述测控单元MC。在直接供电方式下，相邻牵引变电所的所间距一般在50km左右。
在本发明实施例中，所述三相无功补偿器SVG分别与三相高压母线HB的A相、B相和C相连接。所述三相无功补偿器SVG只产生负序分量，不产生正序分量；所述三相补偿变压器MT只传输负序功率，不传输正序功率。
结合图2所示，在本发明实施例中，所述测控单元MC包括电压互感器PT、第一电流互感器CT1和第二电流互感器CT2和控制器CD，所述电压互感器PT原边并接于三相高压母线HB中A相和B相之间，所述第一电流互感器CT1原边串接于所述第一牵引变电所SS1的第一主变压器TT1原边A相馈线，所述第二电流互感器CT2原边串接于三相高压母线HB对单相高压输电线HL的A相馈线。
结合图3所示，在本发明实施例中，所述控制器CD的输入端分别与电压互感器PT、第一电流互感器CT1和第二电流互感器CT2的测量端连接，所述控制器CD的输出端与所述三相无功补偿器SVG的控制端连接。
在本发明实施例中，所述第一牵引变电所SS1的第一主变压器TT1、第二牵引变电所SS2的第二主变压器TT2、……以及第n牵引变电所SSn的第n主变压器TTn均采用单相接线。所述第一主变压器TT1原边一端通过第一电流互感器CT1与三相高压母线HB的A相串接，其另一端与三相高压母线HB的B相；所述第一主变压器TT1次边一端与牵引网OCS连接，其另一端接地。所述第二主变压器TT2、……以及第n主变压器TTn的原边一端分别与所述HL的A相馈线连接，所述第二主变压器TT2、……以及第n主变压器TTn的原边一端分别与所述HL的B相馈线连接。
在本发明实施例中，第一牵引变电所SS1的第一主变压器TT1原边、单相高压输电线HL、电压互感器PT亦可同时连接于三相高压母线HB中的B相和C相上，或者同时连接于三相高压母线HB中的C相和A相上。
综上所述，本发明实施例通过在同相供变电系统中设定一个牵引变电所进行负序集中补偿，可使系统整体结构最简化，所需三相无功补偿器只产生负序分量，不产生正序分量，即不占有电网的正序容量，与之配套的三相补偿变压器只传输负序功率，不传输正序功率，具有免缴容量电费的技术优势，同时，不改变牵引变电所牵引网的有功潮流，不增加额外的牵引网功率损耗。牵引网在更大范围内实施同相贯通，更有利于再生列车电能的被牵引列车利用，减少从电力系统的用电，大大增加节能效果。无功补偿器工况可逆，当同相供变电系统处于等效再生工况时，仍可向电网送出达标的电能。结构简单，性能优越、技术先进、方法可靠，易于实施。
实施例二
如图4所示，本发明实施例提供了一种使用上述实施例二中所述的负序补偿装置的电气化铁路同相供变电系统的负序补偿方法，其中，设变电站分段母线负序允许容量为Sd、牵引网负荷功率因数为1，所述负序补偿方法包括步骤具体如下：
控制器CD根据t时刻电压互感器PT和第一电流互感器CT1测量的电压和电流计算出第一有功功率S1(t)，根据t时刻电压互感器PT和第二电流互感器CT2测量的电压和电流计算出第二有功功率S2(t)；
控制器CD进一步计算第一有功功率S1(t)和第二有功功率S2(t)在时刻t的有功功率总和S(t)，即S(t)＝S1(t)+S2(t)；
控制器CD控制三相无功补偿器SVG在t时刻输出的负序功率SC(t)的相位与s(t)的相位相反，且SC(t)的大小为：SC(t)＝S(t)-Sd；
根据负序功率SC(t)是否小于阈值VT来判断三相无功补偿器SVG有无停运。
在本发明实施例中，当负序功率SC(t)小于阈值VT,则停运三相无功补偿器SVG，即令SC(t)等于VT；反之，则正常运行三相无功补偿器SVG。在本发明具体实施例所述阈值VT为0。
综上所述，本发明实施例通过设定交直交列车的功率因数很高的特点(即可认为1)，且各个牵引变电所的功率因数相同，以三相高压母线位负序达标考核点，考核点处产生的总的负序电流可以用标量代数和计算，总的负序电流或功率可以在一个牵引变电所通过安装负序补偿系统进行集中补偿，补偿后达到国标要求，其中负序补偿系统通过其三相无功补偿器产生负序潮流，不改变同相供变电系统的有功潮流利用高压输电线输送功率大、输送距离长的优势，大大延长无分相贯通的电气化铁路供电里程。同时，牵引网在更大范围内实施同相贯通，更有利于再生列车电能的被牵引列车利用，减少从电力系统的用电，大大增加节能效果。无功补偿器工况可逆，当同相供变电系统处于等效再生工况时，仍可向电网送出达标的电能。性能优越、技术先进、方法可靠，易于实施。
Claims (7)
1.一种电气化铁路同相供变电系统的负序补偿装置，所述同相供变电系统包括第一牵引变电所(SS1)、第二牵引变电所(SS2)以及第n个牵引变电所(SSn)和单相高压输电线(HL)以及牵引网(0CS)，n≥2；其特征在于：所述第一牵引变电所(SS1)包括三相高压母线(HB)、与所述三相高压母线(HB)连接的第一主变压器(TT1)和负序补偿装置(NCS)；所述负序补偿装置(NCS)安装于第一牵引变电所(SS1)内且包括三相补偿变压器(MT)、与三相补偿变压器(MT)连接的三相无功补偿器(SVG)和与三相无功补偿器(SVG)连接的测控单元(MC)。
2.根据权利要求1所述的电气化铁路同相供变电系统的负序补偿装置，其特征在于，所述测控单元(MC)包括电压互感器(PT)、第一电流互感器(CT1)、第二电流互感器(CT2)和控制器(CD)，所述电压互感器(PT)原边并接于三相高压母线(HB)中A相和B相之间，所述第一电流互感器(CT1)的原边串接于第一牵引变电所(SS1)的第一主变压器(TT1)的原边A相馈线，所述第二电流互感器(CT2)的原边串接于三相高压母线(HB)对单相高压输电线(HL)的A相馈线。
3.根据权利要求2所述的电气化铁路同相供变电系统的负序补偿装置，其特征在于，所述控制器(CD)的输入端分别与电压互感器(PT)、第一电流互感器(CT1)和第二电流互感器(CT2)的测量端连接，所述控制器(CD)的输出端与所述三相无功补偿器(SVG)的控制端连接。
4.根据权利要求1所述的电气化铁路同相供变电系统的负序补偿装置，其特征在于，所述三相补偿变压器(MT)原边与三相高压母线(HB)的A相、B相和C相连接，所述三相补偿变压器(MT)次边连接三相无功补偿装置(SVG)。
5.一种使用上述权利要求1至4中任意一项所述电气化铁路同相供变电系统的负序补偿方法，其特征在于：设变电站分段母线负序允许容量为Sd、牵引网负荷功率因数为1，所述负序补偿方法包括步骤具体如下：
所述控制器(CD)根据t时刻电压互感器(PT)和第一电流互感器(CT1)测量的电压和电流计算出第一有功功率S1(t)，根据t时刻电压互感器(PT)和第二电流互感器(CT2)测量的电压和电流计算出第二有功功率S2(t)；
所述控制器(CD)进一步计算第一有功功率S1(t)和第二有功功率S2(t)在时刻t的有功功率总和S(t)，即S(t)＝S1(t)+S2(t)；
所述控制器(CD)控制三相无功补偿器(SVG)在t时刻输出的负序功率SC(t)的相位与s(t)的相位相反，且SC(t)的大小为：SC(t)＝S(t)-Sd；根据负序功率SC(t)是否小于阈值VT来判断三相无功补偿器(SVG)有无停运。
6.根据权利要求5中所述的牵引变电所群的负序补偿方法，其特征在于，当负序功率SC(t)小于阈值VT,则停运三相无功补偿器(SVG)，即令SC(t)等于VT；反之，则正常运行三相无功补偿器(SVG)。
7.根据权利要求5或6中所述的电气化铁路同相供变电系统的的负序补偿方法，其特征在于，所述阈值VT为0。
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