CN109066737A - 一种牵引-补偿变压器的负序补偿装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种牵引‑补偿变压器的负序装置及其方法，涉及电气化铁路牵引供电技术领域。所述负序补偿装置安装于牵引‑补偿变压器，测控单元MC的输入端与牵引端口电压互感器PT的测量端和电流互感器CT的测量端连接，所述测控单元MC的输出端与所述第一无功补偿单元SVG1的控制端和所述第二无功补偿单元SVG2的控制端连接。所述测控单元与所述无功补偿器连接，通过电压互感器的电压值和电流互感器的电流值计算牵引端口功率P和工况来控制第一无功补偿单元和第二无功补偿单元的无功功率。用于测量电压互感器的电压值和电流互感器的电流值且计算牵引端口功率及工况来控制无功补偿器的无功功率。

Description

一种牵引-补偿变压器的负序补偿装置及其方法

技术领域

本发明涉及交流电气化铁路供电技术领域，尤其涉及牵引变压器结构技术领域。

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分割，形成电分相，也称分相。为防止电力机车带电通过电分相发射因燃弧而烧坏接触网悬挂部件，甚至导致相间短路等事故，随着列车速度的不断升高，在司机无法手动进行退级、关辅助机组、断主断路器、靠列车惯性驶过中性段、再合主断路器、合辅助机组、进级恢复牵引功率来完成过分相的情况下，采用了自动过分相技术，主要有地面开关自动切换过分相、车载自动过分相以及柱上自动过分相等几种，但仍存在开关切换中列车通过电分相的暂态电气过程，易产生较大的操作过电压或过电流，造成牵引网与车载设备烧损等事故，甚至导致自动过分相操作失败，影响供电可靠性和列车安全运行。因此，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。

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，其核心是多组四象限PWM控制和多重化控制的牵引变流器，谐波含量小，功率因数接近于1，但交直交型电力机车或动车组牵引功率大，如大编组运行的高速动车组其额定功率达25MW，相当普速铁路列车的5倍，这些大量开行的大功率单相负荷对三相电网造成的电能质量的主要问题将是三相电压不平衡度(负序)问题。

因此，现在需要解决的技术问题是：当三相电压不平衡度(负序)不能满足要求时，发明一种牵引-补偿变压器的负序补偿装置与负序补偿方法，使负序补偿装置容量最小，并且有关绕组集成于一体，减小占地，便于安装。

发明内容

本发明目的是提供一种牵引-补偿变压器的负序补偿装置及其方法，不仅能拥有使负序补偿装置容量为最小，有效消除电气化铁路单相负荷造成的三相系统的电压不平衡问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用一技术方案具体如下：

一种牵引-补偿变压器的负序补偿装置，其中：所述负序补偿装置安装于牵引-补偿变压器，且包括与所述牵引-补偿变压器连接的无功补偿器和测控单元；所述测控单元与所述无功补偿器连接，用于测量电压互感器的电压值和电流互感器的电流值且计算牵引端口功率及工况来控制无功补偿器的无功功率。

优选地，所述无功补偿器包括第一无功补偿单元和第二无功补偿单元；所述第一无功补偿单元(SVG₁)的交流端口与牵引-补偿变压器第三次边绕组的端子t和第一次边绕组的端子r构成的端口tr连接，所述第二无功补偿单元(SVG₂)的交流端口与牵引-补偿变压器第一次边绕组的端子s和第三次边绕组的端子t构成端口st连接。

进一步优选地，所述测控单元的输入端与牵引-补偿变压器第二次边绕组的端子r′和端子s′引出的牵引端口电压互感器的测量端和电流互感器的测量端连接，所述测控单元MC的输出端与所述第一无功补偿单元的控制端和所述第二无功补偿单元的控制端连接。

进一步优选地，所述第一无功补偿单元和第二无功补偿单元的交流端口的公共连接点即第三次边绕组tx的端子t接地。

具体地，所述次边端口tr的第一无功补偿单元吸收感性(或容性)无功功率，所述次边端口st的无功补偿单元吸收等量的容性(或感性)无功功率。

为了解决上述技术问题，本发明采用又一技术方案具体如下：

一种使用上述技术方案中任意一项所述的负序补偿装置的负序补偿方法，其中：该负序补偿方法具体步骤包括：所述测控单元通过电压互感器的电压值和电流互感器的电流值并计算牵引端口功率P和工况来控制第一无功补偿单元和第二无功补偿单元的无功功率；设牵引-补偿变压器原边的负序允许容量为S_d，牵引负荷功率因数为1：

(1)当牵引端口处于牵引工况时，测控单元控制第一无功补偿单元吸收的无功功率Q₁为感性，第二无功补偿单元的吸收无功Q₂为容性，且Q₁＝Q₁，设Q₁与Q₂产生的负序分量之和为S_C，则Q₁与Q₂的值为Q1＝Q2＝S_C/2＝(P-S_d)/2；

(2)当牵引端口处于再生工况时，测控单元控制第一无功补偿单元吸收的无功功率Q₁为容性，第二无功补偿单元吸收的无功功率Q₂为感性，且Q₁＝Q₁，设Q₁与Q₂产生的负序分量之和为S_C，则Q₁与Q₂的值为Q₁＝Q₂＝S_C/2＝(P-S_d)/2；

(3)根据上述(1)和(2)中Q₁、Q₂的大小来判断第一无功补偿单元和第二无功补偿单元有无停运。

优选地，当Q₁、Q₂＜0时，令Q₁＝Q₂＝0，代表第一无功补偿单元和第二无功补偿单元均停运；当Q₁、Q₂﹥0时，代表第一无功补偿单元和第二无功补偿单元均正常运行。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：

本发明所述牵引-补偿变压器不仅能进一步增强牵引供电系统的节能效果，而且拥有补偿绕组，使负序补偿装置容量为最小，能有效消除电气化铁路单相负荷造成的三相系统的电压不平衡问题；除了适于直接供电的牵引变电所和牵引网外，亦用于AT供电的牵引变电所及其牵引网；同时本发明也具备技术先进、可靠，以及占地少，易于安装等优点。

附图说明

图1是本发明绕组的接线示意图。

图2是本发明的负序补偿装置的结构示意图。

图3是本发明的负序补偿方法的流程图。

具体实施方式

为了更好理解本发明的创造思想，在此将本发明的工作原理作如下说明：

如图1所示，第二原边绕组TX的X端端子与第一原边绕组RS中点连接，第一原边绕组RS对应的第二边绕组r′s′馈出牵引端口，即第一原边绕组RS和第二次边绕组r′s′构成单相接线变压器，用于同相牵引供电；第三次边绕组tx的x端端子与第一次边绕组rs中点连接，r端子、s端子及t端子用于连接无功补偿装置；第二原边绕组TX的匝数n与第一原边绕组RS的匝数m的关系为：第三次边绕组tx的匝数n′与第一次边绕组rs的匝数m′的关系亦为：n′＝m′/2，即原边三个端子R、S、T形成等腰三角形，次边三个端子r、s、t也形成等腰三角形；当原边三个端子R、S、T接入三相电网时，次边端口tr和st之间形成90°夹角，次边端口tr和st分别与第二次边绕组r′s′(牵引端口)形成45°夹角。

设牵引-补偿变压器原边的负序允许容量为S_d，牵引负荷功率因数为1：当牵引端口处于牵引(再生)工况时，测控单元MC控制第一无功补偿单元SVG₁吸收的无功功率Q₁为感性(容性)，第二无功补偿单元SVG₂的吸收无功Q₂为容性(感性)，且Q₁＝Q₁，设Q₁与Q₂产生的负序分量之和为S_C，则Q₁与Q₂的值为Q₁＝Q₂＝S_C/2＝(P-S_d)/2；当Q₁、Q₂＜0时，令Q₁＝Q₂＝0，代表第一无功补偿单元和第二无功补偿单元均停运。

第二次边绕组r′s′引出牵引端口，实施同相供电，取消变电所出口的电分相，即将原来异相供电的牵引变电所的上下行供电臂合并，更有利于其中运行的多组列车牵引与再生电能的相互利用，减少从电力系统的用电，大大增加节能和节支效果。下面结合附图和具体实施方式对本本发明作进一步的描述。

实施例一

如图2所示，本发明实施例提供了一种牵引-补偿变压器的负序补偿装置，其中：所述负序补偿装置NCS安装于牵引-补偿变压器，且包括与所述牵引-补偿变压器连接的无功补偿器SVG和测控单元MC；所述测控单元MC与所述无功补偿器SVG连接，用于测量电压互感器PT的电压值和电流互感器CT的电流值且计算牵引端口有功功率及工况来控制无功补偿器SVG的无功功率。

在本发明实施例中，所述无功补偿器SVG包括第一无功补偿单元SVG₁和第二无功补偿单元SVG₂；所述第一无功补偿单元SVG₁的交流端口与次边端子t和端子r构成的端口tr连接，所述第二无功补偿单元SVG₂交流端口与次边端子s和端子t构成端口st连接。所述第一无功补偿单元(SVG₁)和第二无功补偿单元SVG₂的交流端口的公共连接点即第三次边绕组tx的端子t接地。

在本发明实施例中，所述测控单元MC的输入端与牵引端口电压互感器PT的测量端和电流互感器CT的测量端连接，所述测控单元MC的输出端与所述第一无功补偿单元SVG₁的控制端和所述第二无功补偿单元SVG₂的控制端连接。

在本发明实施例中，所述次边端口tr的第一无功补偿单元SVG₁吸收感性(或容性)无功功率，所述次边端口st的无功补偿单元SVG₂吸收等量的容性(或感性)无功功率。

实施例二

如图3所示，本发明实施例提供了一种使用上述实施例一中所述的负序补偿装置的牵引-补偿变压器的负序补偿方法，其中：该负序补偿方法具体步骤包括：所述测控单元MC通过电压互感器的电压值和电流互感器的电流值计算牵引端口功率P和工况来控制第一无功补偿单元和第二无功补偿单元的无功功率；设牵引-补偿变压器原边的负序允许容量为S_d，牵引负荷功率因数为1：

(1)当牵引端口处于牵引工况时，测控单元MC控制第一无功补偿单元SVG₁吸收的无功功率Q₁为感性，第二无功补偿单元SVG₂的吸收无功Q₂为容性，且Q₁＝Q₁，设Q₁与Q₂产生的负序分量之和为S_C，则Q₁与Q₂的值为Q₁＝Q₂＝S_C/2＝(P-S_d)/2；

(2)当牵引端口处于再生工况时，测控单元MC控制第一无功补偿单元SVG₁吸收的无功功率Q₁为容性，第二无功补偿单元SVG₂吸收的无功功率Q₂为感性，且Q₁＝Q₁，设Q₁与Q₂产生的负序分量之和为S_C，则Q₁与Q₂的值为Q₁＝Q₂＝S_C/2＝(P-S_d)/2；

(3)根据上述(1)和(2)中Q₁、Q₂的大小来判断第一无功补偿单元SVG₁和第二无功补偿单元SVG₂有无停运。

在本发明实施例中，当Q₁、Q₂＜0时，令Q₁＝Q₂＝0，代表第一无功补偿单元SVG₁和第二无功补偿单元SVG₂均停运；当Q₁、Q₂﹥0时，代表第一无功补偿单元SVG₁和第二无功补偿单元SVG₂均正常运行。

在本发明实施例中，所述第一无功补偿单元的无功功率Q₁与第二无功补偿单元的无功功率Q₂产生的正序分量之和为0。所述第一无功补偿单元的无功功率Q₁与第二无功补偿单元的无功功率Q₂产生的负序分量之和的大小等于2Q₁或者2Q₂，即无功功率Q₁与无功功率Q₂只占有牵引-补偿变压器绕组容量。

Claims (6)

1.一种牵引-补偿变压器的负序补偿装置，其特征在于：所述负序补偿装置(NCS)安装于牵引-补偿变压器，且包括与牵引-补偿变压器连接的无功补偿器(SVG)和测控单元(MC)；所述测控单元(MC)与无功补偿器(SVG)连接，用于测量电压互感器(PT)的电压值和电流互感器(CT)的电流值并计算牵引端口功率及工况来控制无功补偿器(SVG)的无功功率。

2.根据权利要求1所述牵引-补偿变压器的负序补偿装置，其特征在于：所述无功补偿器(SVG)包括第一无功补偿单元(SVG₁)和第二无功补偿单元(SVG₂)；所述第一无功补偿单元(SVG₁)的交流端口与牵引-补偿变压器第三次边绕组的端子t和第一次边绕组的端子r构成的端口tr连接，所述第二无功补偿单元(SVG₂)的交流端口与牵引-补偿变压器第一次边绕组的端子s和第三次边绕组的端子t构成端口st连接。

3.根据权利要求2所述牵引-补偿变压器的负序补偿装置，其特征在于：所述测控单元(MC)的输入端与牵引-补偿变压器第二次边绕组的端子r′和端子s′引出牵引端口的电压互感器(PT)的测量端和电流互感器(CT)的测量端连接，所述测控单元(MC)的输出端与第一无功补偿单元(SVG₁)的控制端和第二无功补偿单元(SVG₂)的控制端连接。

4.根据权利要求2所述牵引-补偿变压器的负序补偿装置，其特征在于：所述第一无功补偿单元(SVG₁)和第二无功补偿单元(SVG₂)的交流端口的公共连接点即第三次边绕组tx的端子t接地。

5.一种使用上述权利要求1至4中任意一项所述的负序补偿装置的负序补偿方法，其特征在于：该负序补偿方法具体步骤包括：所述测控单元(MC)通过电压互感器(PT)的电压值和电流互感器(CT)的电流值并计算牵引端口功率P和工况来控制第一无功补偿单元(SVG₁)和第二无功补偿单元(SVG₂)的无功功率；设牵引-补偿变压器原边的负序允许容量为S_d，牵引负荷功率因数为1：

(1)当牵引端口处于牵引工况时，测控单元(MC)控制第一无功补偿单元(SVG₁)吸收的无功功率Q₁为感性，第二无功补偿单元(SVG₂)的吸收无功Q₂为容性，且Q₁＝Q₁，设Q₁与Q₂产生的负序分量之和为S_C，则Q₁与Q₂的值为Q₁＝Q₂＝S_C/2＝(P-S_d)/2；

(2)当牵引端口处于再生工况时，测控单元(MC)控制第一无功补偿单元(SVG₁)吸收的无功功率Q₁为容性，第二无功补偿单元(SVG₂)吸收的无功功率Q₂为感性，且Q₁＝Q₁，设Q₁与Q₂产生的负序分量之和为S_C，则Q₁与Q₂的值为Q₁＝Q₂＝S_C/2＝(P-S_d)/2；

(3)根据上述(1)和(2)中Q₁、Q₂的大小来判断第一无功补偿单元(SVG₁)和第二无功补偿单元(SVG₂)有无停运。

6.根据权利要求5所述的负序补偿装置的负序补偿方法，其特征在于，当Q₁、Q₂＜0时，令Q₁＝Q₂＝0，代表第一无功补偿单元(SVG₁)和第二无功补偿单元(SVG₂)均停运；当Q₁、Q₂﹥0时，代表第一无功补偿单元(SVG₁)和第二无功补偿单元(SVG₂)均正常运行。