CN110011305A - 一种轨道交通低压系统电压暂降的治理装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轨道交通低压系统电压暂降的治理装置，包括：DC/DC变换器、支撑电容C₁、逆变单元、LCL滤波器、双向反并联晶闸管、以及控制电路；其中：DC/DC变换器一端连接1500V直流母线，另一端通过支撑电容C₁与逆变单元相连，控制电路信号输入端连接35/0.4kV变压器，控制端分别连接双向反并联晶闸管以及逆变电路；所述控制电路以35/0.4kV变压器低压侧电压作为输入信号，对双向反并联晶闸管以及逆变电路进行控制。该治理装置可消除电压暂降对低压负荷安全稳定运行造成的影响。

Description

一种轨道交通低压系统电压暂降的治理装置

技术领域

本发明涉及电力系统技术领域，尤其涉及一种轨道交通低压系统电压暂降的治理装置。

背景技术

现代电力系统中常见的电能质量问题一般包括电压暂升、电压暂降、短时中断、三相不平衡及谐波干扰等。在这些电能质量问题中，发生次数最多形式最严峻的就是电压暂降问题。电压暂降相比于电压中断，发生得更频繁，电压中断局限于某一个地区或区域，而电压暂降却能由数百公里外的输电系统故障引起，它对敏感负荷造成的危害和电压中断是一样的。虽然电压暂降持续时间短，但是轨道交通低压系统中存在大量敏感负荷，诸如通信设备、及部分特种设备，一旦发生电压暂降将对设备的正常稳定运行及人民群众的生命安全产生巨大威胁。

由此可见，必须采取相应的措施来解决轨道交通低压系统电压暂降问题。针对电压暂降的治理，目前应用最为普遍的治理装置包括：UPS(不间断电源)、SSTS(固态切换开关)、DVR(动态电压恢复器)。以上三种装置中UPS储能电池维护成本过高且不适用于大功率场所，SSTS需要有备用电源作为前提条件，DVR则具有较高性价比且能在毫秒级时间内补偿系统的电压暂降。但是，传统DVR在电网电压跌落50％以内一般具有较好的治理效果，一旦电网电压跌落至50％以下，或完全中断时，传统DVR由于其本身的拓扑结构、储能容量及输出功率的限制将无法进行有效补偿。

发明内容

本发明的目的是提供一种轨道交通低压系统电压暂降的治理装置，用以消除电压暂降对低压负荷安全稳定运行造成的影响。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种轨道交通低压系统电压暂降的治理装置，包括：DC/DC变换器、支撑电容C₁、逆变单元、LCL滤波器、双向反并联晶闸管、以及控制电路；其中：

DC/DC变换器一端连接1500V直流母线，另一端通过支撑电容C₁与逆变单元相连，控制电路信号输入端连接35/0.4kV变压器，控制端分别连接双向反并联晶闸管以及逆变电路；

所述控制电路以35/0.4kV变压器低压侧电压作为输入信号，对双向反并联晶闸管以及逆变电路进行控制。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，通过提出的新型电路拓扑可以很好地解决深度电压暂降问题，且无需储能模块、整流单元以及并网变压器，极大降低了治理装置成本，具有较高的经济性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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，对于本领域的普通技术人员来讲，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附图。

图1为本发明实施例提供的轨道交通牵引供电系统网架结构图；

图2为本发明实施例提供的一种轨道交通低压系统电压暂降的治理装置结构示意图；

图3为本发明实施例提供的治理装置的工作原理图；

图4为本发明实施例提供的器件参数的设计方式示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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，都属于本发明的保护范围。

轨道交通牵引供电系统的网架结构如图1，该系统中存在多个110/35kV变压器，每个变压器下有多段并列运行的35kV母线通过整流变压器为1500V直流母线供电，这种设计方式大大提高了直流母线供电的可靠性。

本发明实施例基于轨道交通牵引供电系统的网架结构提出一种轨道交通低压系统电压暂降的治理装置，如图2所示，其主要包括：包括：DC/DC变换器、支撑电容C₁、逆变单元(即图2中的AC/DC)、LCL滤波器、双向反并联晶闸管、以及控制电路。电路连接方式如下：DC/DC变换器一端连接1500V直流母线，另一端通过支撑电容C₁与逆变单元相连，逆变单元通过LCL滤波器接入0.4kV低压系统；控制电路信号输入端连接35/0.4kV变压器，控制端分别连接双向反并联晶闸管以及逆变电路；

所述控制电路以35/0.4kV变压器低压侧电压作为输入信号，对双向反并联晶闸管以及逆变电路进行控制。

本发明实施例上述方案通过利用轨道交通牵引供电系统的直流母线来替代传统DVR的储能模块，并省略了DVR接入系统所需的串联变压器，大大降低了治理装置成本，具有较高的经济性。

为了便于理解，下面针对工作原理进行介绍。

如图2所示，低压系统有两条供电支路，第一条为35KV母线经35/0.4kV变压器供电(称为原供电支路)，第二条为1500V直流母线经DC/DC、支撑电容、逆变单元、LCL滤波器供电。治理装置的工作原理如图3所示，由电压检测单元实时检测电网电压，以判断是否发生电压暂将；当发生电压暂将时，由低压系统总进线串入了双向反并联晶闸管，因此，通过停止给晶闸管控制信息来中断第一条支路，通过输出电压控制单元控制第二条支路给低压系统供电；当系统电压恢复正常时，低压系统电压相角θ₁，而逆变器输出电压相角θ₂，为消除两者之间的相角差，通过控制逆变器输出电压频率，使逆变器输出电压相角与系统电压相吻合，然后切换为第一条支路供电。

此外，为了提高治理装置的可靠性，下面提供器件参数的设计方式，如图4所示。

1、支撑电容参数。

若允许支撑电容两端电压在U_min～U_max波动，逆变单元输出功率为P，则支撑电容最小容值为：

其中，f_R为1500V直流母线电压波动频率。

2、LCL滤波器参数。

如图2所示，LCL滤波器主要包括：相互连接的两个电感，以及连接在两个电感之间的滤波电容。

为了不使LCL滤波器的谐振峰出现在低频或高频段，设计滤波器的谐振频率时，应该大于电网频率10倍，小于开关频率1/2。

LCL滤波器的谐振频率为：

其中，L₁为逆变单元侧的电感值，L₂为负荷侧的电感值，C₂为滤波电容的电容值；

根据电感压降不超过支撑电容两端电压10％的约束条件，LCL滤波器的总电感值满足：

式中，I_s为逆变单元输出电流；f₁为电网基波频率。

根据最大允许纹波条件决定逆变单元侧电感的电感值L₁：

其中，U_dc为支撑电容两端电压；f_c为逆变单元开关频率；Δi_max是流过支撑电容的最大允许纹波电流。Δi_max根据逆变单元输出电流设置，通常不超过0.2I_s。

为了避免并网逆变单元的功率因数过度降低，滤波电容吸收的基波无功功率不能大于系统额定有功功率的5％，因此，滤波电容的电容值C₂满足：

其中，E_m为电网相电压有效值；f₁为电网基波频率；λ为滤波电容吸收的基波无功功率所占逆变单元输出功率为P的比例。

下面以一个具体的应用场景作为示例来进行介绍。需要说明的是，下述示例中所采用的数值仅为举例，用户可根据实际的需求做相应的更改。

本示例中，动态电压恢复器用来治理轨道交通低压台区0.4kV母线上的电压暂降问题。其中低压负荷正常用电期间，平均视在功率S＝389.51kVA，平均有功功率(即，逆变单元输出功率)P＝307.71kW，负载平均功率因数cosθ。

根据以上待治理系统所提供的数据，对治理装置各元件参数做出如下设计：

支撑电容两端电压设计为U_dc＝320V，支撑电容两端电压允许波动范围不超过U_dc的5％。则支撑电容两端电压最大值：

U_max＝320×(1+2.5％)＝328V

支撑电容两端电压最小值：

U_max＝320×(1-2.5％)＝312V

对支撑电容参数设计如下：

在对LCL滤波器参数设计时，如果滤波电容取值过大会导致大量无功电流注入滤波电容，使得逆变单元输出电流增加，从而增大系统损耗，所以滤波电容吸收的基波无功功率一般不能大于系统有功功率的5％，滤波电容容值计算如下：

入口滤波器总电感应满足：

根据网侧最大允许纹波条件决定逆变单元侧电感L₁的取值：

设计滤波器谐振频率f_res＝2kHz，滤波电容C₂＝400μF，总电感L＝0.2mH，可以得到：

于是可得方程组如下：

为了对逆变单元开关频率所产生的高次谐波电流分流，使其更多的流过电容支路，因此设计网侧电感L₂时，应满足X_C2<<X_L2，其中X_L2，X_C2是L₂，C₂在开关频率处的阻抗值。

滤波电容在f_c处的容抗：

网侧电感在f_c处的感抗：X_L2＝hωL₂＝200×100π×0.182×10^-3＝11.43Ω

可见X_C2<<X_L2，该设计对高次谐波能起到较好的分流作用。

综上，所设计出的元件参数分别为：

支撑电容：C₁＝7000μF

滤波电容：C₂＝400μF

逆变单元侧电感：L₁＝0.018mH

负荷侧电感：L₂＝0.182mH

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种轨道交通低压系统电压暂降的治理装置，其特征在于，包括：DC/DC变换器、支撑电容C₁、逆变单元、LCL滤波器、双向反并联晶闸管、以及控制电路；其中：

DC/DC变换器一端连接1500V直流母线，另一端通过支撑电容C₁与逆变单元相连，控制电路信号输入端连接35/0.4kV变压器，控制端分别连接双向反并联晶闸管以及逆变电路；

所述控制电路以35/0.4kV变压器低压侧电压作为输入信号，对双向反并联晶闸管以及逆变电路进行控制。

2.根据权利要求1所述的一种轨道交通低压系统电压暂降的治理装置，其特征在于，若允许支撑电容C₁两端电压在U_min～U_max波动，逆变单元输出功率为P，则支撑电容C₁最小容值为：

其中，f_R为1500V直流母线电压波动频率。

3.根据权利要求2所述的一种轨道交通低压系统电压暂降的治理装置，其特征在于，所述LCL滤波器包括：相互连接的两个电感，以及连接在两个电感之间的滤波电容；

LCL滤波器的谐振频率为：

其中，L₁为逆变单元侧的电感值，L₂为负荷侧的电感值，C₂为滤波电容的电容值；

LCL滤波器的总电感值满足：

式中，I_s为逆变单元输出电流；f₁为电网基波频率；

根据最大允许纹波条件决定逆变单元侧电感的电感值L₁：

其中，U_dc为支撑电容两端电压；f_c为逆变单元开关频率；Δi_max是流过支撑电容的最大允许纹波电流。

滤波电容的电容值C₂满足：

其中，E_m为电网相电压有效值；f₁为电网基波频率；λ为滤波电容吸收的基波无功功率所占逆变单元输出功率为P的比例。