CN110504698A - 一种电气化铁路同相供电综合补偿装置及其综合补偿方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电气化铁路同相供电综合补偿装置及其补偿方法，涉及电气化铁路同相供电技术领域。拓扑结构之一，原边与三相高压母线HB的A、B、C三相相连的Vv接线变压器、无功补偿单元SVG1与Vv接线变压器的bc端口相连，无功补偿单元SVG2与Vv接线变压器的ac端口相连；拓扑结构之二，无功补偿单元SVG1与Vv接线变压器的bc端口相连，无功补偿单元SVG2与Vv接线变压器的ac端口相连，无功补偿单元SVG3与Vv接线变压器的ab端口相连；所述测控系统MCS包含电压互感器VT和电流互感器CT和控制器CD，控制器CD的输入端分别与电压互感器VT、电流互感器CT、控制器CD的测量信号输出端相连。

Description

一种电气化铁路同相供电综合补偿装置及其综合补偿方法
技术领域
本发明涉及交流电气化铁路牵引供电技术领域。
背景技术
中国高速铁路的飞速发展，进一步体现了中国现有交流电气化铁路工频单相供电制式的优越性。单相工频制式供电要求在分相分区处设置电分相，为降低牵引负荷对电力系统不平衡的影响，通常采用轮换相序、分相分区供电的方案。实践和理论表明电分相是牵引供电系统中最薄弱的环节，列车在通过电分相时可能会产生操作过电压、列车掉分相等问题，为提高运输质量、保证运行可靠性、减少列车掉分相、提高列车再生制动能量利用率等问题，宜尽量减少电分相数量。
既有过分相技术主要分为地面自动过分相技术及车载自动过分相技术，但是实际运营中发生多次过电压现象，给电气化铁路铁路的安全运营带了严重影响和隐患，并且供电断点仍然存在。消除电分相不良影响的根本措施是减少或取消电分相。西南交通大学教授首次提出了同相供电概念，并带领科研团队进行了大量卓有成效的研究，形成了完整的同相供电系统理论及工程化技术。采用同相供电技术可取消变电所出口处的电分相，采用新型双边供电技术取消分区所处电分相，实现全线无分相贯通供电，可消除电分相带来的不良影响。其中，双边供电一直以来被苏联广泛采用，双边供电存在穿越功率(均衡电流)、保护配合、电能计费等问题，这些问题可利用较低的成本在技术上解决，但困难在于电力部门是否接受。
相较于组合式同相供电技术采用基于有源有功潮流实现负序和无功的综合补偿，本发明基于有源无功潮流实现负序和无功的综合补偿，不改变系统既有有功潮流，实现同相供电，同时兼顾补偿三相高压母线处牵引负荷可能带来的谐波电流问题。
发明内容
本发明目的是提供一种电气化铁路同相供电综合补偿装置，它有效解决交流电气化铁路对公共连接点处三相电压不平衡的影响，同时不带来新的电能质量问题。
本发明的另一个目的是提供一种电气化铁路同相供电综合补偿方法，它有效解决交流电气化铁路对公共连接点处三相电压不平衡的影响，同时不带来新的电能质量问题。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种电气化铁路同相供电综合补偿装置，包括与电网变电站连接的三相高压母线HB以及原边与三相高压母线HB连接的单相牵引变压器TT、负序补偿装置NCD和测控系统MCS构成的同相供电牵引变电所CSS；所述单相牵引变压器TT的次边一侧端口串接电流互感器CT后接入接触网OCS，另一侧端口并接电压互感器VT后接地；所述负序补偿装置NCD包括由原边与三相高压母线HB的A、B、C三相相连的Vv接线变压器和无功补偿单元构成的两种拓扑结构；拓扑结构之一，描述为二端口补偿模式，包括原边与三相高压母线HB的A、B、C三相相连的Vv接线变压器，Vv接线变压器次边的bc端口与无功补偿单元SVG1相连，Vv接线变压器次边的ac端口与无功补偿单元SVG2相连；拓扑结构之二，描述为三端口补偿模式，包括原边与三相高压母线HB的A、B、C三相相连的Vv接线变压器，Vv接线变压器次边的bc端口与无功补偿单元SVG1相连，Vv接线变压器次边的ac端口与无功补偿单元SVG2相连，Vv接线变压器次边的ab端口与无功补偿单元SVG3相连；所述测控系统MCS包括电压互感器VT、电流互感器CT和控制器CD，控制器CD的输入端分别与电压互感器VT、电流互感器CT的测量信号输出端相连，若为二端口补偿模式，控制器CD的输出端分别与无功补偿单元SVG1、无功补偿单元SVG2的控制端相连接，若为三端口补偿模式，控制器CD的输出端分别与无功补偿单元SVG1、无功补偿单元SVG2、无功补偿单元SVG3的控制端相连接。
所述单相牵引变压器TT的原边绕组与三相高压母线HB中的任意两相相连，负序补偿装置NCD根据单相牵引变压器TT原边与三相高压母线HB相连的相序形成与之匹配的拓扑结构；若牵引网供电方式为直供方式或者带回流线的直供方式，所述单相牵引变压器TT次边绕组的一个端子接地，另一个端子接至接触线，若牵引网供电方式为AT供电方式，所述单相牵引变压器TT次边绕组的一个端子接至接触线，另一个端子接至负馈线。
所述Vv接线变压器为三相Vv接线变压器或者由两台单相变压器组合替代。
本发明的另一个目的是通过以下技术方案来实现的：一种电气化铁路同相供电综合补偿方法，具体步骤为：
(1)通过计算机仿真技术，确定牵引变电所负荷过程，再根据牵引变电所负荷过程，比选负序补偿装置NCD的拓扑结构，确定最终拓扑结构的形式；
(2)以三相高压母线对应的公共连接点处的负序允许量Sε作为其负序功率允许值；
(3)控制器CD通过电压互感器VT和电流互感器CT测量得到的电压和电流计算出负荷SL，判断负荷SL的负序功率与三相高压母线负序允许功率Sε的关系：若此时不需要对负序进行补偿；若此时需要对负序进行治理；
(4)若负序补偿装置NCD投入工作，控制器CD控制相对应无功补偿单元发出无功功率，实现对负序的治理。
所述负序补偿装置NCD只补偿负荷基波有功电流分量产生的负序电流，记为二端口补偿模式综合补偿方法一；通过控制无功补偿单元SVG1发出的无功Q1和无功补偿单元SVG2发出的无功Q2的大小及类型，以实现负序与无功的综合补偿；若补偿后三相高压母线处的功率因数不变，则无功补偿单元SVG1和无功补偿单元SVG2的大小分别为：当馈线负荷处于牵引工况时，Q1和Q2分别为容性和感性；当馈线负荷处于再生工况时，Q1和Q2分别为感性和容性。
所述负序补偿装置NCD同时补偿负荷有功电流分量和无功电流分量产生的负序电流，记为二端口补偿模式综合补偿方法二；通过控制无功补偿单元SVG1发出的无功Q1和无功补偿单元SVG2发出的无功Q2的大小及类型，实现负序与无功的综合补偿；则无功补偿单元SVG1发出的无功Q1和无功补偿单元SVG2发出的无功Q2的大小分别为：其中，|·|表示绝对值，此时需校验三相高压母线处的功率因数是否满足要求；当馈线负荷处于牵引工况时，Q1和Q2分别为容性和感性；当馈线负荷处于再生工况时，Q1和Q2分别为感性和容性。
所述负序补偿装置NCD采用三端口补偿模式时，通过控制器CD控制无功补偿单元SVG1、无功补偿单元SVG2和无功补偿单元SVG3发出无功功率进行无功和负序的综合补偿，记为三端口补偿模式综合补偿方法；通过控制无功补偿单元SVG1发出的无功Q1和无功补偿单元SVG2发出的无功Q2以及无功补偿单元SVG3发出的无功Q3的大小及类型，实现负序与无功的综合补偿；其中一种情形，若补偿后不改变三相高压母线处的功率因数，则无功补偿单元SVG1、无功补偿单元SVG2和无功补偿单元SVG3的大小分别为：当馈线负荷处于牵引工况时，Q1、Q2和Q3分别为容性、感性、容性；当馈线负荷处于再生工况时，Q1、Q2和Q3分别为感性、容性、感性。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
一、该技术方案适用于各种功率因数机车情形下的负序治理；
二、该技术方案能够实现负序和无功的综合补偿；
三、该技术方案中Vv接线变压器充当匹配变的作用，与既有在牵引变压器端口进行补偿相比，可以降低牵引变压器的容量，具有免缴容量电费的技术优势；
四、该技术方案Vv接线变压器容量利用高，降低匹配变的安装容量；
五、本发明结果简单，技术可靠，性能优越，便于实施。
附图说明
图1是本发明实施例中二端口补偿模式结构示意图
图2是本发明实施例中二端口补偿模式测控系统与无功补偿单元、牵引负荷信号采集之间的关系结构示意图。
图3是本发明实施例中三端口补偿模式结构示意图
图4是本发明实施例中三端口补偿模式测控系统与无功补偿单元、牵引负荷信号采集之间的关系结构示意图。
图5是本发明实施例中电气化铁路同相供电综合补偿方法流程示意图。
具体实施方式
为了更好理解本发明的创造思想，在此说明本发明的工作原理：以三相高压母线为负序达标考核点，通过连接于Vv接线变压器的SVG无功补偿单元发出无功，补偿馈线负荷产生的负序电流(功率)，补偿后达到国标要求，其中无功补偿单元不改变系统的原有有功潮流。下面结合附图和实施方式对本发明进一步描述。
实施例一
如图1所示，本发明实施例提供了拓扑结构之一：二端口补偿模式的电气化铁路同相供电综合补偿装置的示意图，包括与电网变电站连接的三相高压母线HB以及原边与三相高压母线HB连接的单相牵引变压器TT、负序补偿装置NCD和测控系统MCS构成的同相供电牵引变电所CSS；所述单相牵引变压器TT的次边一侧端口串接电流互感器CT后接入接触网OCS，另一侧端口并接电压互感器VT后接地，通过接触网OCS向机车LC供电；所述二端口补偿模式，包括原边与三相高压线HB的A、B、C三相相连的Vv接线变压器，Vv接线变压器的bc端口与无功补偿单元SVG1相连，Vv接线变压器的ac端口与无功补偿单元SVG2相连；图1中◆表示单相牵引变压器TT绕组的同名端，·、*分别表示Vv接线变压器绕组的同名端。
如图2所示，所述测控系统MCS包含电压互感器VT和电流互感器CT和控制器CD，控制器CD的输入端分别与电压互感器VT、电流互感器CT的测量信号输出端相连，控控制器CD的输出端分别与无功补偿单元SVG1、无功补偿单元SVG2的控制端相连接。
实施例二
如图3所示，本发明实施例提供了拓扑结构之二：三端口补偿模式的电气化铁路同相供电综合补偿装置示意图，包括与电网变电站连接的三相高压母线HB以及原边与三相高压母线HB连接的单相牵引变压器TT、负序补偿装置NCD和测控系统MCS构成的同相供电牵引变电所CSS；所述单相牵引变压器TT的次边一侧端口串接电流互感器CT后接入接触网OCS，另一侧端口并接电压互感器VT后接地，通过接触网OCS向机车LC供电；所述三端口补偿模式，包括原边与三相高压线HB的A、B、C三相相连的Vv接线变压器，Vv接线变压器的bc端口与无功补偿单元SVG1相连，Vv接线变压器的ac端口与无功补偿单元SVG2相连，Vv接线变压器的ab端口与无功补偿单元SVG3相连；图3中◆表示单相牵引变压器TT绕组的同名端，·、*分别表示Vv接线变压器绕组的同名端。
如图4所示，所述测控系统MCS包括电压互感器VT、电流互感器CT和控制器CD，控制器CD的输入端分别与电压互感器VT、电流互感器CT的测量信号输出端相连；控制器CD的输出端分别与无功补偿单元SVG1、无功补偿单元SVG2、无功补偿单元SVG3的控制端相连接。
实施例三
如图5所示，本发明实施例提供了一种电气化铁路同相供电综合补偿方法流程示意图，本实施例以二端口补偿模式为例，一种电气化铁路同相供电综合补偿方法的具体步骤为：
(1)通过计算机仿真技术，确定牵引变电所负荷过程，再根据牵引变电所负荷过程，比选负序补偿装置NCD的拓扑结构，确定最终拓扑结构的形式；
(2)以三相高压母线对应的公共连接点处的负序允许量Sε作为其负序功率允许值；
(3)控制器CD通过电压互感器VT和电流互感器CT测量得到的电压和电流计算出负荷SL，判断负荷SL的负序功率与三相高压母线负序允许功率Sε的关系：若此时不需要对负序进行补偿；若此时需要对负序进行治理；
(4)若负序补偿装置NCD投入工作，控制器CD控制相对应无功补偿单元发出无功功率，实现对负序的治理。若补偿后三相高压母线处的功率因数不变，则无功补偿单元SVG1和无功补偿单元SVG2的大小分别为：当馈线负荷处于牵引工况时，Q1和Q2分别为容性和感性；当馈线负荷处于再生工况时，Q1和Q2分别为感性和容性。

Claims (7)

1.一种电气化铁路同相供电综合补偿装置，包括与电网变电站连接的三相高压母线HB以及原边与三相高压母线HB连接的单相牵引变压器TT、负序补偿装置NCD和测控系统MCS构成的同相供电牵引变电所CSS；所述单相牵引变压器TT的次边一侧端口串接电流互感器CT后接入接触网OCS，另一侧端口并接电压互感器VT后接地；其特征在于：所述负序补偿装置NCD包括由原边与三相高压母线HB的A、B、C三相相连的Vv接线变压器和无功补偿单元构成的两种拓扑结构；拓扑结构之一，描述为二端口补偿模式，包括原边与三相高压母线HB的A、B、C三相相连的Vv接线变压器，Vv接线变压器次边的bc端口与无功补偿单元SVG1相连，Vv接线变压器次边的ac端口与无功补偿单元SVG2相连；拓扑结构之二，描述为三端口补偿模式，包括原边与三相高压母线HB的A、B、C三相相连的Vv接线变压器，Vv接线变压器次边的bc端口与无功补偿单元SVG1相连，Vv接线变压器次边的ac端口与无功补偿单元SVG2相连，Vv接线变压器次边的ab端口与无功补偿单元SVG3相连；所述测控系统MCS包括电压互感器VT、电流互感器CT和控制器CD，控制器CD的输入端分别与电压互感器VT、电流互感器CT的测量信号输出端相连，若为二端口补偿模式，控制器CD的输出端分别与无功补偿单元SVG1、无功补偿单元SVG2的控制端相连接，若为三端口补偿模式，控制器CD的输出端分别与无功补偿单元SVG1、无功补偿单元SVG2、无功补偿单元SVG3的控制端相连接。
2.根据权利要求1所述的一种电气化铁路同相供电综合补偿装置，其特征在于：所述单相牵引变压器TT的原边绕组与三相高压母线HB中的任意两相相连，负序补偿装置NCD根据单相牵引变压器TT原边与三相高压母线HB相连的相序形成与之匹配的拓扑结构；若牵引网供电方式为直供方式或者带回流线的直供方式，所述单相牵引变压器TT次边绕组的一个端子接地，另一个端子接至接触线，若牵引网供电方式为AT供电方式，所述单相牵引变压器TT次边绕组的一个端子接至接触线，另一个端子接至负馈线。
3.根据权利要求1所述的一种电气化铁路同相供电综合补偿装置，其特征在于：所述Vv接线变压器为三相Vv接线变压器或者由两台单相变压器组合替代。
4.一种电气化铁路同相供电综合补偿方法，具体步骤为：
(1)通过计算机仿真技术，确定牵引变电所负荷过程，再根据牵引变电所负荷过程，比选负序补偿装置NCD的拓扑结构，确定最终拓扑结构的形式；
(2)以三相高压母线对应的公共连接点处的负序允许量Sε作为其负序功率允许值；
(3)控制器CD通过电压互感器VT和电流互感器CT测量得到的电压和电流计算出负荷SL，判断负荷SL的负序功率与三相高压母线负序允许功率Sε的关系：若此时不需要对负序进行补偿；若此时需要对负序进行治理；
(4)若负序补偿装置NCD投入工作，控制器CD控制相对应无功补偿单元发出无功功率，实现对负序的治理。
5.根据权利要求4所述的一种电气化铁路同相供电综合补偿方法，其特征在于：所述负序补偿装置NCD只补偿负荷基波有功电流分量产生的负序电流，记为二端口补偿模式综合补偿方法一；通过控制无功补偿单元SVG1发出的无功Q1和无功补偿单元SVG2发出的无功Q2的大小及类型，以实现负序与无功的综合补偿；若补偿后三相高压母线处的功率因数不变，则无功补偿单元SVG1和无功补偿单元SVG2的大小分别为：当馈线负荷处于牵引工况时，Q1和Q2分别为容性和感性；当馈线负荷处于再生工况时，Q1和Q2分别为感性和容性。
6.根据权利要求4所述的一种电气化铁路同相供电综合补偿方法，其特征在于：所述负序补偿装置NCD同时补偿负荷有功电流分量和无功电流分量产生的负序电流，记为二端口补偿模式综合补偿方法二；通过控制无功补偿单元SVG1发出的无功Q1和无功补偿单元SVG2发出的无功Q2的大小及类型，实现负序与无功的综合补偿；则无功补偿单元SVG1发出的无功Q1和无功补偿单元SVG2发出的无功Q2的大小分别为：其中，|·|表示绝对值，此时需校验三相高压母线处的功率因数是否满足要求；当馈线负荷处于牵引工况时，Q1和Q2分别为容性和感性；当馈线负荷处于再生工况时，Q1和Q2分别为感性和容性。
7.根据权利要求4所述的一种电气化铁路同相供电综合补偿方法，其特征在于：所述负序补偿装置NCD采用三端口补偿模式时，通过控制器CD控制无功补偿单元SVG1、无功补偿单元SVG2和无功补偿单元SVG3发出无功功率进行无功和负序的综合补偿，记为三端口补偿模式综合补偿方法；通过控制无功补偿单元SVG1发出的无功Q1和无功补偿单元SVG2发出的无功Q2以及无功补偿单元SVG3发出的无功Q3的大小及类型，实现负序与无功的综合补偿；其中一种情形，若补偿后不改变三相高压母线处的功率因数，则无功补偿单元SVG1、无功补偿单元SVG2和无功补偿单元SVG3的大小分别为： 当馈线负荷处于牵引工况时，Q1、Q2和Q3分别为容性、感性、容性；当馈线负荷处于再生工况时，Q1、Q2和Q3分别为感性、容性、感性。
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