CN110011336A - 基于过分相负荷线性调节的高速铁路不平衡补偿拓扑系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于过分相负荷线性调节的高速铁路不平衡补偿拓扑系统，包括过分相供电拓扑结构与不平衡补偿拓扑结构两个部分。过分相供电拓扑结构为三相拓扑结构，每相拓扑结构分为上桥臂和下桥臂两部分。不平衡补偿拓扑结构为单相结构，由磁控电抗器MCR与三次、五次谐波滤波支路并联组成，形成磁控静止无功补偿模块(MSVC)。与现有技术相比，本发明可以根据两侧牵引网实际情况双向取流，能保持从两侧牵引供电臂吸收的能量线性变化关系而能量总和维持一定，使列车不断电通过分相区且实时跟踪响应牵引负荷的变化，完成负序电流的有效补偿，具有无需变压器接入的优点。

Description

基于过分相负荷线性调节的高速铁路不平衡补偿拓扑系统
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，涉及一种基于过分相负荷线性调节的高速铁路不平衡补偿拓扑系统。
背景技术
在我国目前的电网模式中，有更高一级电网时，往往不再使低一级电网结环运行，因此当采用110kV或220kV给牵引变进行供电时，多采用单侧供电或放射状供电方式。采用这种供电方式时，相邻供电臂之间电压差很大，不同电压相位的供电臂不能直接连接，因此两相供电臂之间有一个隔离区段，每隔20-30km需要通过隔离环节进行电气隔离，在牵引供电系统中一般被称为电分相区。电分相区是一段无电区，它的长度从几百米到一公里不等，列车通过电分相区时，将失去动力供应，将通过惯性滑行通过，因此会给列车速度带来损失，制约列车的高速运行。供电臂的末端设置有分区所，在牵引变电所故障情况下，闭合分区所的开关，由相邻牵引变电所实行越区供电。有一些牵引供电系统的分区所两端电压相位是不相同的(如单相结线牵引变电所)，这时候分区所实际上也是一个电分相区。
由于中国现行的牵引网供电模式以及相应的牵引变电站轮换相序连接方式，决定了牵引网上必然存在电分相环节(也称为中性段)。在现有的自动过电分相技术中，无论是地面开关自动切换方案还是车上自动控制断电方案，当机车通过电分相中性段时，都必然要经历一个从有电到无电再到有电的过程，此时受电弓不能带电流从供电臂进入中性段，或带电流从中性段进入供电臂。如果发生这种情况，会造成接触网严重拉弧放电，在牵引供电系统中出现过电压冲击，造成牵引变电所跳闸、承力索断线、分相绝缘器烧坏等严重后果，这种故障现象叫做列车闯分相。电分相环节及自动过分相问题一直严重制约着高速、重载列车的安全可靠运行，为了消除过分相过程中的过电压和过电流的问题，还需要加装复杂的自动过分相装置。
此外，高速铁路电力机车负载引起三相电流不平衡，会产生负序电流。负序电流给发电机带来附加损耗，引起转子发热、附加振动等，严重影响电力系统的安全稳定运行。机车谐波给电力设备带来额外功率损耗，引起继电保护装置误动或拒动，降低了电力系统的可靠性。因此，高速铁路供电系统的负序和谐波电能质量问题得到了广泛关注。
为解决过分相时的过电压、过电流问题，有学者提出在中性段真空断路器上并联电阻以加快过电压和过电流的衰减，但是无法降低过电压和过电流的幅值；有学者提出用晶闸管串联阀组代替真空断路器，可以将供电死区时间降低至30ms；这些方法都没有消除机车在通过电分相环节时的供电死区，因而也无法根本消除由于断电-复电操作所带来的过电压和过电流的问题。有学者提出一种不断电过分相方案，两牵引供电臂电压通过变压器降至500V，分别接至多个单相背靠背变流器的一个交流端口，所有变流器的另一交流端口则全部并联，经变压器升至27.5kV后接入中性段。该方案虽能够实现机车不断电过分相，但缺点是该方案要求机车在进入中性段之前必须减载至惰行状态，因此尽管机车在通过电分相时始终带电，但牵引力和速度仍然有所损失；有学者提出基于两相式MMC不断电过分相装置，该方案虽然利用变频移相技术，能够实现机车无断电、满功率通过电分相，但是由于其单相取流，一方面可能会使得一侧牵引变压器容量不足而过载，另一方面可能会加重负序不平衡使不平衡度超标，导致了应用的局限性。
目前负序不平衡补偿方法主要可分为两大类，即Steinmetz补偿方式和RPC补偿方式。Steinmetz补偿方式首先校正各相间负荷功率因数，利用无功补偿将负荷补偿为纯阻性负荷，然后在其余两相间补偿相应的电容和电感，进行平衡化补偿。但是这种补偿方式无法快速地对突变负荷进行跟踪响应，故无法有效对系统负序电流进行补偿；RPC由基于可关断晶闸管(GTO)的两个组成背靠背结构的单相电压源型逆变器和公共的直流电容组成，该补偿方式利用RPC传递有功功率，传递有功电流值为负载电流的一半，传递方向为负载小的一侧传递到负荷大的一侧，通过这种方式使得两侧牵引负荷功率相等，从而消除负序电流。采用这种方式进行负序补偿时，由于RPC能承受的电压电流水平较低，可靠性不强，需要在RPC两端通过变压器来接入电路，这不仅大大增加了装置成本，还使得有源补偿容量和装置占地面积增加，导致了应用的局限性。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种基于过分相负荷线性调节的高速铁路不平衡补偿拓扑系统。
本发明具体采用以下技术方案：
基于过分相负荷线性调节的高速铁路不平衡补偿拓扑系统，所述不平衡补偿拓扑系统包括过分相供电拓扑结构与不平衡补偿拓扑结构两个部分；所述过分相供电拓扑结构为三相拓扑结构，每相拓扑结构包括上桥臂和下桥臂，u,v,w相上桥臂和下桥臂包括由n个多电平换流器模块(MMC)和一个缓冲电感，直流母线侧上桥臂和下桥臂包括n个电容模块，n为大于1的正整数；第一多电平换流器模块(MMC1)的第二接口(a12)与第二多电平换流器模块(MMC2)的第一接口(a21)连接，n个多电平换流器模块(MMC)根据第一多电平换流器模块(MMC1)与第二多电平换流器模块(MMC2)的连接方式依次串联连接；第一电容模块(C1)的第一接口(b11)与第二电容模块(C2)的第一接口(b21)连接，n个电容模块(C)根据第一电容模块(C1)与第二电容模块(C2)的连接方式依次并联连接；多电平换流器模块(MMC)支路并联后，与电容模块(C)支路并联；
所述不平衡补偿拓扑结构用于对系统负序电流进行实时有效补偿。
优选地，所述不平衡补偿拓扑结构为单相拓扑结构，由磁控电抗器MCR与三次、五次谐波滤波支路并联组成，形成磁控静止无功补偿模块(MSVC)，所述磁控静止无功补偿模块(MSVC)为3个，分别安装于ab相、ac相与bc相之间。
优选地，所述的第一多电平换流器模块(MMC1)由第一全控开关器件(S11)、第二全控开关器件(S12)以及第一电容(C11)构成；其中，所述第一全控开关器件(S11)与所述第二全控开关器件(S12)串联；所述第一电容(C11)与所述第一全控开关器件(S11)和所述第二全控开关器件(S12)的串联支路并联。
优选地，所述直流母线侧上桥臂与下桥臂均含n个电容模块(C)，且这2n个电容模块(C)的两两电容模块(C)之间的中心处设置中性点，中性点与钢轨相连，为零电位。
优选地，第一磁控静止无功补偿模块(MSVC1)由第一磁控电抗器(MCR1)、第一三次谐波滤波器(FC31)和第一五次谐波滤波器(FC51)构成；其中，所述第一三次谐波滤波器(FC31)与所述第一五次谐波滤波器(FC51)并联，再与所述第一磁控电抗器(MCR1)并联。
与现有技术相比，本发明的优势在于可以根据两侧牵引网实际情况双向取流，提出利用三相模块化多电平变换器(MMC)的u,v,w相与中性点配合实现分相控制的创新点，有效地缓解了单相取电可能由于牵引变压器容量不足而过载，可能加重负序不平衡使得不平衡度超标的问题，同时保障了机车负荷经过分相区的线性变化，使得系统的负序电流能利用磁控静止无功补偿器(MSVC)进行实时有效补偿,节省了补偿装置成本与安装空间；该发明采用三个输出端口的三相模块化多电平变换器(MMC)而无需变压器接入，有效地降低了设备的造价与安装空间。
附图说明
图1为本发明的系统结构示意图；
图2为本发明的过分相供电拓扑结构示意图；
图3为本发明的不平衡补偿拓扑结构示意图；
图4为本发明的能量流向示意图；
图5为本发明的功率流动曲线图。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
请见图1，本发明的系统所采用的技术方案是基于过分相负荷线性调节的高速铁路不平衡补偿拓扑系统，它包括过分相供电拓扑结构与不平衡补偿拓扑结构两个部分。过分相供电拓扑包括：u,v,w三相上桥臂和下桥臂分别由n个多电平换流器模块(MMC)和一个缓冲电感构成，直流母线侧上桥臂和下桥臂分别由n个电容构成，n为大于1的正整数；第一多电平换流器模块(MMC1)的第二接口(a12)与第二多电平换流器模块(MMC2)的第一接口(a21)连接，n个多电平换流器模块(MMC)根据第一多电平换流器模块(MMC1)与第二多电平换流器模块(MMC2)的连接方式依次串联连接；第一电容模块(C1)的第一接口(b11)与第二电容模块(C2)的第一接口(b21)连接，n个电容模块(C)根据第一电容模块(C1)与第二电容模块(C2)的连接方式依次并联连接；三相多电平换流器模块(MMC)支路并联后，与电容模块(C)支路并联。不平衡补偿拓扑包括：该拓扑由磁控电抗器MCR与三次、五次谐波滤波支路并联组成，形成磁控静止无功补偿模块(MSVC)，且该拓扑共3个，分别安装于ab相、ac相与bc相之间。
第一多电平换流器模块(MMC1)由第一全控开关器件(S11)、第二全控开关器件(S12)以及第一电容(C11)构成；其中，所述第一全控开关器件(S11)与所述第二全控开关器件(S12)串联；所述第一电容(C11)与所述第一全控开关器件(S11)和所述第二全控开关器件(S12)的串联支路并联。
直流母线侧的上桥臂与下桥臂均含n个电容模块(C)，且这2n个电容模块(C)支撑并在其中心处设置中性点，中性点与钢轨相连，为零电位。
第一磁控静止无功补偿模块(MSVC1)由第一磁控电抗器(MCR1)、第一三次谐波滤波器(FC31)和第一五次谐波滤波器(FC51)构成；其中，所述第一三次谐波滤波器(FC31)与所述第一五次谐波滤波器(FC51)并联，再与所述第一磁控电抗器(MCR1)并联。
所述MMC的u,v,w相与中性点配合，可实现分相控制。当列车由α相经过中性段时，U相逆变器控制交流电流，从牵引供电臂吸收有功功率并传递至V相整流器,V相整流器按照移相的要求输出基波正弦电压和基波正弦电流，并为机车负载提供功率；当列车在中性段时，U相逆变器或W相逆变器控制交流电流，从牵引供电臂吸收有功功率并传递至V相整流器，V相整流器按照移相的要求输出基波正弦电压和基波正弦电流，并为机车负载提供功率；当列车由β相经过中性段时，W相逆变器控制交流电流，从牵引供电臂吸收有功功率并传递至V相整流器，V相整流器按照移相的要求输出基波正弦电压和基波正弦电流，并为机车负载提供功率；在列车由α相变流器向β相运行的三个过程中，当变流器工作时，公共直流母线电压保持稳定，各个子模块的直流电压也保持稳定，且从两侧牵引供电臂吸收的能量保持线性变化关系而能量总和保持一定，保证了机车在通过分相区时负荷线性变化而不发生突变且避免了机车速度的减少。
所述的三次、五次滤波支路在基波电压下显容性，与MCR并联形成了MSVC，利用Steinmetz补偿原理，通过分相控制无功容量。MSVC的反应速度较慢，无法响应突变的负荷，而过分相供电拓扑结构保证了负荷的线性变化，使得MSVC能实时跟踪响应牵引负荷的变化，完成负序电流的有效补偿。
在本实施方式中，上桥臂和下桥臂分别由n＝7个多电平换流器模块组成，多电平换流器模块选用FD800R45KL3-K_B5模块；不平衡补偿拓扑由n＝3个磁控静止无功补偿模块组成，磁控静止无功补偿模块选用BKCK-Y/35-25000模块。
在列车由α相向中性段运行时，三相交流电高压侧电流通过本发明的三相多电平换流器模块(MMC)的u相进行多电平整流控制，通过本发明的电容模块(C)进行支撑稳压作用，通过本发明的三相多电平换流器模块(MMC)的v相进行多电平整流控制；列车在中性段运行时，三相交流电高压侧电流根据两侧牵引网实际情况，通过本发明的三相多电平换流器模块(MMC)的w相或u相进行多电平整流控制，通过本发明的电容模块(C)进行支撑稳压作用，通过本发明的三相多电平换流器模块(MMC)的v相进行多电平整流控制；在列车由中性段向β相运行时，三相交流电高压侧电流通过本发明的三相多电平换流器模块(MMC)的w相进行多电平整流控制，通过本发明的电容模块(C)进行支撑稳压作用，通过本发明的三相多电平换流器模块(MMC)的v相进行多电平整流控制，最终使得列车从α相向β相运行的三个过程中，能不断电通过过分相区域。同时，机车负荷从两牵引供电臂吸收的能量保持线性变化关系而能量总和保持一定，保证了机车在通过分相区时负荷线性变化而不发生突变且避免了机车速度的减少。通过本发明的磁控静止无功补偿模块(MSVC)能实时响应线性变化的负荷，有效地对系统负序电流进行完全补偿。
尽管本文较多地使用了第一多电平换流器模块(MMC1)、第一全控开关器件(S11)、第二全控开关器件(S12)、第一电容(C11)构成、缓冲电感(L)以及电容模块(C)、第一磁控静止无功补偿模块(MSVC1)、第一磁控电抗器(MCR1)、第一三次谐波滤波器(FC31)、第一五次谐波滤波器(FC51)等术语，但并不排除使用其他术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便的描述本发明的本质，把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。
应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.基于过分相负荷线性调节的高速铁路不平衡补偿拓扑系统，其特征在于，所述不平衡补偿拓扑系统包括过分相供电拓扑结构与不平衡补偿拓扑结构两个部分；所述过分相供电拓扑结构为三相拓扑结构，每相拓扑结构包括上桥臂和下桥臂，u,v,w相上桥臂和下桥臂包括由n个多电平换流器模块(MMC)和一个缓冲电感，直流母线侧上桥臂和下桥臂包括n个电容模块，n为大于1的正整数；第一多电平换流器模块(MMC1)的第二接口(a12)与第二多电平换流器模块(MMC2)的第一接口(a21)连接，n个多电平换流器模块(MMC)根据第一多电平换流器模块(MMC1)与第二多电平换流器模块(MMC2)的连接方式依次串联连接；第一电容模块(C1)的第一接口(b11)与第二电容模块(C2)的第一接口(b21)连接，n个电容模块(C)根据第一电容模块(C1)与第二电容模块(C2)的连接方式依次并联连接；多电平换流器模块(MMC)支路并联后，与电容模块(C)支路并联；
所述不平衡补偿拓扑结构用于对系统负序电流进行实时有效补偿。
2.根据权利要求1所述基于过分相负荷线性调节的高速铁路不平衡补偿拓扑系统，其特征在于，所述不平衡补偿拓扑结构为单相拓扑结构，由磁控电抗器MCR与三次、五次谐波滤波支路并联组成，形成磁控静止无功补偿模块(MSVC)，所述磁控静止无功补偿模块(MSVC)为3个，分别安装于ab相、ac相与bc相之间。
3.根据权利要求1所述基于过分相负荷线性调节的高速铁路不平衡补偿拓扑系统，其特征在于，所述的第一多电平换流器模块(MMC1)由第一全控开关器件(S11)、第二全控开关器件(S12)以及第一电容(C11)构成；其中，所述第一全控开关器件(S11)与所述第二全控开关器件(S12)串联；所述第一电容(C11)与所述第一全控开关器件(S11)和所述第二全控开关器件(S12)的串联支路并联。
4.根据权利要求1所述基于过分相负荷线性调节的高速铁路不平衡补偿拓扑系统，其特征在于，所述直流母线侧上桥臂与下桥臂均含n个电容模块(C)，且这2n个电容模块(C)的两两电容模块(C)之间的中心处设置中性点，中性点与钢轨相连，为零电位。
5.根据权利要求2所述基于过分相负荷线性调节的高速铁路不平衡补偿拓扑系统，其特征在于，第一磁控静止无功补偿模块(MSVC1)由第一磁控电抗器(MCR1)、第一三次谐波滤波器(FC31)和第一五次谐波滤波器(FC51)构成；其中，所述第一三次谐波滤波器(FC31)与所述第一五次谐波滤波器(FC51)并联，再与所述第一磁控电抗器(MCR1)并联。
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CN111446866A (zh) * 2019-12-30 2020-07-24 中铁电气化局集团有限公司 基于平衡变压器和四端口mmc的贯通同相牵引供电系统
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