CN110752609B - 一种高速铁路多站协同不平衡补偿方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种高速铁路多站协同不平衡补偿方法，将轮流换相的一组牵引变电站作为一个整体进行不平衡补偿，每个牵引变电站包含用于不平衡补偿的补偿装置，每个补偿装置的供电端通向牵引电网；每个补偿装置通过从控制器进行控制，每个从控制器与主控制进行信息交换，从而实现多个站的协同补偿。本发明更适合应用于多站协同补偿的场合，能够在多站中任意一个站或者多个站出现负序不平衡时利用各个站的补偿装置协同工作来补偿负序不平衡，方法原理简单灵活，处理速度快，适合实际应用。
Description
技术领域
本发明属于高速铁路牵引供电技术领域，特别是涉及一种高速铁路多站协同不平衡补偿方法。
背景技术
高速铁路电力机车负载引起三相电流不平衡，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不平衡问题得到了广泛关注。
目前有关于高速铁路负序不平衡补偿方法的研究主要是针对单个牵引变电站。这些不平衡补偿方法在不同的应用场合可以有效的治理高速铁路不平衡，但是基于Steinmetz的不平衡补偿方法补偿速度较慢，而基于RPC的基于电力电子技术的不平衡补偿方法虽然速度可以满足不平衡的补偿要求，但是造价较高，因此，这些方法较难广泛使用。于是，有学者提出多个牵引变电站的不平衡电流做协同补偿，可以有效降低单个牵引变电站的补偿装置1/3的容量。但是，上述多站协同补偿方法是基于Steinmetz或者RPC的不平衡补偿原理，在做多站协同补偿时分析计算复杂难于实际应用。以基于RPC补偿原理的多站协同不平衡方式为例，RPC补偿原理是针对单站的不平衡问题提出的解决方法，其原理为利用两个背靠背的单相全桥电路以及共用的直流侧电容平衡牵引变压器两侧供电臂的有功功率，然后再分别对两个供电臂进行无功补偿，从而实现不平衡补偿。基于RPC补偿原理的多站协同补偿方式的具体的作用对象是三个牵引变电站的六个牵引供电臂；在进行多站协同补偿时，每个站每个牵引供电臂平衡多少有功功率，补偿多少无功功率需要较为复杂的计算和分析且控制也较为繁琐，由于协同控制对于实时性要求较高，因而在实际应用时效果并不理想。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种高速铁路多站协同不平衡补偿方法，基于负序电流注入的不平衡补偿原理更适合应用于多站协同补偿的场合，能够在多站中任意一个站或者多个站出现负序不平衡时利用各个站的补偿装置协同工作来补偿负序不平衡，方法原理简单灵活，处理速度快，适合实际应用。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种高速铁路多站协同不平衡补偿方法，将轮流换相的一组牵引变电站作为一个整体进行不平衡补偿，每个牵引变电站包含用于不平衡补偿的补偿装置，每个补偿装置的供电端通向牵引电网；每个补偿装置通过从控制器进行控制，每个从控制器与主控制进行信息交换，从而实现多个站的协同补偿，包括步骤：
S100,检测各个牵引变电站的牵引系统两侧供电臂的负荷电流；
S200,根据各个牵引变电站的负荷电流大小，计算总的负序电流；根据总的负序电流生成每个牵引变电站中补偿装置需要注入电网的补偿电流；
S300,利用每个牵引变电站的补偿装置将补偿电流从注入牵引电网，一组牵引变电站注入的电流一起抵消电网中的总的负序电流完成负序不平衡补偿。
进一步的是，为了尽可能的降低不平衡度，采用VV牵引变压器的牵引变电站每三个站作为一组进行轮流换相，通过轮流换相的方式将牵引变电站接入牵引电网，不同牵引变电站之间用中性段隔开；
每个牵引变电站检测到该站的负荷电流后通过从控制器上传到主控制器；用主控制器先计算总的负序电流，将需要进行补偿的不平衡电流的均分给三个牵引变电站的补偿装置，所得到的补偿电流再回传给从控制器来控制补偿装置将补偿电流从牵引变压器的二次侧注入电网进行不平衡补偿，从而降低单站补偿装置的补偿容量。
进一步的是，所述一组牵引变电站包括I号牵引变电站、Ⅱ号牵引变电站和Ⅲ号牵引变电站；在步骤S200中根据各个牵引变电站的负荷电流大小，计算总的负序电流，根据总的负序电流生成每个牵引变电站中补偿装置需要注入电网的补偿电流，包括步骤：
S210，分别根据I号牵引变电站、Ⅱ号牵引变电站和Ⅲ号牵引变电站的负荷电流经过计算后得到每个站分别在牵引电网中A相、B相和C相总的负序电流；
S220，根据A相、B相和C相总的负序电流计算每个站补偿装置相应相的补偿电流。
进一步的是，牵引电网的A相、B相和C相分别对应连接补偿装置的u、v和w相，分别根据I号牵引变电站、Ⅱ号牵引变电站和Ⅲ号牵引变电站的负荷电流经过计算后得到牵引电网中A相、B相和C相总的负序电流以及相应三个牵引变电站中u、v和w相的补偿电流，包括步骤：
S211，分别获取I号牵引变电站、Ⅱ号牵引变电站和Ⅲ号牵引变电站的负荷电流；
S212，由I号牵引变电站的负荷电流根据对称分量法计算获得I号牵引变电站的A相、B相和C相产生的负序电流；由Ⅱ号牵引变电站的负荷电流根据对称分量法计算获得Ⅱ号牵引变电站的A相、B相和C相产生的负序电流；由Ⅲ号牵引变电站的负荷电流根据对称分量法计算获得Ⅲ号牵引变电站的A相、B相和C相产生的负序电流；
S213，对三个牵引变电站的三相负序电流进行整合计算后，分别获得牵引电网中A相总的负序电流、B相总的负序电流和C相总的负序电流；
S221，根据A相总的负序电流进行平均分配,获取每个牵引变电站补偿装置u相需要注入的补偿电流；根据B相总的负序电流进行平均分配,获取每个牵引变电站补偿装置v相需要注入的补偿电流；根据C相总的负序电流进行平均分配,获取每个牵引变电站补偿装置w相需要注入的补偿电流。
进一步的是，每个牵引变电站的补偿装置包括三相变换器，所述三相变换器通过三相变压器接入牵引电网。
进一步的是，所述三相变换器包括6个IGBT和反并联的二极管构成的开关组、电容器组和电感，所述6个开关组中两两串联后再相互并联，串联支路的中点引出作为三相交流侧，并联节点引出作为直流侧，在所述直流侧设置电容器组，在所述交流侧的每根相线上通过电感输出。为配合本发明提出的不平衡补偿方法需要直接向电网注入一个三相电流，因此必须采用上述结构的三相变换器，才能够实现，其他现有变换器无法实现此功能，例如RPC结构的变化其便无法实现。
进一步的是，所述三相变压器采用Yy0连接。
进一步的是，所述从控制器采用DSP+FPGA的组合进行控制，所述主控制器采用DSP控制，所述主控制器和从控制器通过光纤连接进行通讯。
采用本技术方案的有益效果：
本发明应用于VV牵引供电系统的新的多站协同不平衡补偿方法以平衡系统负序电流，降低单站补偿装置的容量且适合实际应用为目标，通过主从控制器的配合，先让系统固有的负序电流之间相互抵消一部分后再利用三个站的补偿装置一起注入一个与剩余负序电流相反的三相电流来消除负序电流，完成不平衡补偿。更适合应用于多站协同补偿的场合，能够在多站中任意一个站或者多个站出现负序不平衡时利用各个站的补偿装置协同工作来补偿负序不平衡，方法原理简单灵活，处理速度快，适合实际应用。
本发明将采用轮流换相的三个牵引变电站作为一个整体的补偿对象，每个牵引变电站单独安装一个三相变换器通过一个三相变压器接入牵引网作为不平衡补偿装置。计算总的负序电流以后，将所需的补偿电流平均分配给三个站的补偿装置，通过它们向电网注入所需的三相补偿电流，来完成不平衡补偿。本发明采用的负序电流注入的方法其具体的作用对象为公共的三相电网，三相变换器从牵引变压器的二次侧直接将三相补偿电流注入电网，抵消掉电网中超标的不平衡电流，从而实现不平衡补偿。本发明提供的基于负序电流注入的高速铁路多站协同不平衡补偿方法使得多站协同负序不平衡补偿思路更为简单直接，补偿电流的表达形式更为简洁且意义更加明确，三相变换器的控制策略更为简单，且作为补偿装置的三相变换器相比RPC使用的电力电子器件数量更少，因此该方法更适合于实际使用。
本发明利用负序电流的大小与牵引变压器有关；当三相VV变压器二次侧的两供电臂有功功率相等时，在三相电流侧仍存在50％的负序电流。当VV牵引供电系统中存在负序不平衡问题时，三相变换器能快速响应。而三相VV变压器以其结构简单、容量利用率高的优点为中国高速铁路牵引供电系统采用，如京沪高速铁路。因此采用三相VV变压器的高速铁路供电系统的负序治理，能够有效利用负序电流实现不平衡补偿，能够适用于现有的运营铁路供电网中，适用性性能强。
附图说明
图1为本发明的一种高速铁路多站协同不平衡补偿方法流程示意图；
图2为本发明实施例中牵引供电系统的结构示意图；
图3为本发明实施例中补偿装置的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步阐述。
在本实施例中，参见图1所示，本发明提出了一种高速铁路多站协同不平衡补偿方法，将轮流换相的一组牵引变电站作为一个整体进行不平衡补偿，每个牵引变电站包含用于不平衡补偿的补偿装置，每个补偿装置的供电端通向牵引电网；每个补偿装置通过从控制器进行控制，每个从控制器与主控制进行信息交换，从而实现多个站的协同补偿，包括步骤：
S100,检测各个牵引变电站的牵引系统两侧供电臂的负荷电流；
S200,根据各个牵引变电站的负荷电流大小，计算总的负序电流；根据总的负序电流生成每个牵引变电站中补偿装置需要注入电网的补偿电流；
S300,利用每个牵引变电站的补偿装置将补偿电流从注入牵引电网，一组牵引变电站注入的电流一起抵消电网中的总的负序电流完成负序不平衡补偿。
作为上述实施例的优化方案，为了尽可能的降低不平衡度，采用VV牵引变压器的牵引变电站每三个站作为一组进行轮流换相，通过轮流换相的方式将牵引变电站接入牵引电网，不同牵引变电站之间用中性段隔开；
每个牵引变电站检测到该站的负荷电流后通过从控制器上传到主控制器；用主控制器先计算总的负序电流，将需要进行补偿的不平衡电流的均分给三个牵引变电站的补偿装置，所得到的补偿电流再回传给从控制器来控制补偿装置将补偿电流从牵引变压器的二次侧注入电网进行不平衡补偿，从而降低单站补偿装置的补偿容量。
作为上述实施例的优化方案，所述一组牵引变电站包括I号牵引变电站、Ⅱ号牵引变电站和Ⅲ号牵引变电站；在步骤S200中根据各个牵引变电站的负荷电流大小，计算总的负序电流，根据总的负序电流生成每个牵引变电站中补偿装置需要注入电网的补偿电流，包括步骤：
S210，分别根据I号牵引变电站、Ⅱ号牵引变电站和Ⅲ号牵引变电站的负荷电流经过计算后得到每个站分别在牵引电网中A相、B相和C相总的负序电流；
S220，根据A相、B相和C相总的负序电流计算每个站补偿装置相应相的补偿电流。
作为上述实施例的优化方案，牵引电网的A相、B相和C相分别对应连接补偿装置的u、v和w相，分别根据I号牵引变电站、Ⅱ号牵引变电站和Ⅲ号牵引变电站的负荷电流经过计算后得到牵引电网中A相、B相和C相总的负序电流以及相应三个牵引变电站中u、v和w相的补偿电流，包括步骤：
S211，分别获取I号牵引变电站、Ⅱ号牵引变电站和Ⅲ号牵引变电站的负荷电流；
S212，由I号牵引变电站的负荷电流根据对称分量法计算获得I号牵引变电站的A相、B相和C相产生的负序电流；由Ⅱ号牵引变电站的负荷电流根据对称分量法计算获得Ⅱ号牵引变电站的A相、B相和C相产生的负序电流；由Ⅲ号牵引变电站的负荷电流根据对称分量法计算获得Ⅲ号牵引变电站的A相、B相和C相产生的负序电流；
S213，对三个牵引变电站的三相负序电流进行整合计算后，分别获得牵引电网中A相总的负序电流、B相总的负序电流和C相总的负序电流；
S221，根据A相总的负序电流进行平均分配,获取每个牵引变电站补偿装置u相需要注入的补偿电流；根据B相总的负序电流进行平均分配,获取每个牵引变电站补偿装置v相需要注入的补偿电流；根据C相总的负序电流进行平均分配,获取每个牵引变电站补偿装置w相需要注入的补偿电流。
下面根据实例进行进一步计算分析，定义图2中的牵引变压器左侧供电臂为α相，右侧供电臂为β相供电臂。由于高速铁路机车一般为交直交电力机车，采取四象限脉宽调制(PWM)整流控制方式，功率因数接近1。以Ⅰ号站为例计算该站产生的负序电流。根据图2可知I号站的负载电流为：
那么根据对称分量法可以计算出I号站产生的负序电流为：
同理可以计算出Ⅱ号站的负序电流为：
Ⅲ号站的负序电流为：
那么A相总的负序电流为：
对应每个站补偿装置u相需要注入的补偿电流为：
B和C相总的负序电流以及相应的补偿电流可以参照A相计算。根据计算得到三相补偿参考电流以后，三相变换器按照参考电流将补偿电流注入电网，完成多站协同的不平衡补偿。
作为上述实施例的优化方案，每个牵引变电站的补偿装置包括三相变换器，所述三相变换器通过三相变压器接入牵引电网。
如图3所示，所述三相变换器包括6个IGBT和反并联的二极管构成的开关组、电容器组和电感，所述6个开关组中两两串联后再相互并联，串联支路的中点引出作为三相交流侧，并联节点引出作为直流侧，在所述直流侧设置电容器组，在所述交流侧的每根相线上通过电感输出。为配合本发明提出的不平衡补偿方法需要直接向电网注入一个三相电流，因此必须采用上述结构的三相变换器，才能够实现，其他现有变换器无法实现此功能，例如RPC结构的变化其便无法实现。
所述三相变压器采用Yy0连接。
所述从控制器采用DSP+FPGA的组合进行控制，所述主控制器采用DSP控制，所述主控制器和从控制器通过光纤连接进行通讯。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (5)
1.一种高速铁路多站协同不平衡补偿方法，其特征在于，将轮流换相的一组牵引变电站作为一个整体进行不平衡补偿，每个牵引变电站包含用于不平衡补偿的补偿装置，每个补偿装置的供电端通向牵引电网；每个补偿装置通过从控制器进行控制，每个从控制器与主控制进行信息交换，从而实现多个站的协同补偿，包括步骤：
S100,检测各个牵引变电站的牵引系统两侧供电臂的负荷电流；
S200,根据各个牵引变电站的负荷电流大小，计算总的负序电流；根据总的负序电流生成每个牵引变电站中补偿装置需要注入电网的补偿电流；
S300,利用每个牵引变电站的补偿装置将补偿电流从注入牵引电网，一组牵引变电站注入的电流一起抵消电网中的总的负序电流完成负序不平衡补偿；
采用VV牵引变压器的牵引变电站每三个站作为一组进行轮流换相，通过轮流换相的方式将牵引变电站接入牵引电网，不同牵引变电站之间用中性段隔开；
每个牵引变电站检测到该站的负荷电流后通过从控制器上传到主控制器；用主控制器先计算总的负序电流，将需要进行补偿的不平衡电流的均分给三个牵引变电站的补偿装置，所得到的补偿电流再回传给从控制器来控制补偿装置将补偿电流从牵引变压器的二次侧注入电网进行不平衡补偿，从而降低单站补偿装置的补偿容量；
一组牵引变电站包括I号牵引变电站、Ⅱ号牵引变电站和Ⅲ号牵引变电站；在步骤S200中，根据总的负序电流生成每个牵引变电站中补偿装置需要注入电网的补偿电流，牵引电网的A相、B相和C相分别对应连接补偿装置的u、v和w相，分别根据I号牵引变电站、Ⅱ号牵引变电站和Ⅲ号牵引变电站的负荷电流经过计算后得到牵引电网中A相、B相和C相总的负序电流以及相应三个牵引变电站中u、v和w相的补偿电流，包括步骤：
S210，分别根据I号牵引变电站、Ⅱ号牵引变电站和Ⅲ号牵引变电站的负荷电流经过计算后得到每个站分别在牵引电网中A相、B相和C相总的负序电流；
S211，分别获取I号牵引变电站、Ⅱ号牵引变电站和Ⅲ号牵引变电站的负荷电流；
S212，由I号牵引变电站的负荷电流根据对称分量法计算获得I号牵引变电站的A相、B相和C相产生的负序电流；由Ⅱ号牵引变电站的负荷电流根据对称分量法计算获得Ⅱ号牵引变电站的A相、B相和C相产生的负序电流；由Ⅲ号牵引变电站的负荷电流根据对称分量法计算获得Ⅲ号牵引变电站的A相、B相和C相产生的负序电流；
S213，对三个牵引变电站的三相负序电流进行整合计算后，分别获得牵引电网中A相总的负序电流、B相总的负序电流和C相总的负序电流；
S220，根据A相、B相和C相总的负序电流计算每个站补偿装置相应相的补偿电流；
S221，根据A相总的负序电流进行平均分配,获取每个牵引变电站补偿装置u相需要注入的补偿电流；根据B相总的负序电流进行平均分配,获取每个牵引变电站补偿装置v相需要注入的补偿电流；根据C相总的负序电流进行平均分配,获取每个牵引变电站补偿装置w相需要注入的补偿电流。
2.根据权利要求1所述的一种高速铁路多站协同不平衡补偿方法，其特征在于，每个牵引变电站的补偿装置包括三相变换器，所述三相变换器通过三相变压器接入牵引电网。
3.根据权利要求2所述的一种高速铁路多站协同不平衡补偿方法，其特征在于，所述三相变换器包括6个IGBT和反并联的二极管构成的开关组、电容器组和电感，6个所述开关组中两两串联后再相互并联，串联支路的中点引出作为三相交流侧，并联节点引出作为直流侧，在所述直流侧设置电容器组，在所述三相交流侧的每根相线上通过电感输出。
4.根据权利要求3所述的一种高速铁路多站协同不平衡补偿方法，其特征在于，所述三相变压器采用Yy0连接。
5.根据权利要求1所述的一种高速铁路多站协同不平衡补偿方法，其特征在于，所述从控制器采用DSP+FPGA的组合进行控制，所述主控制器采用DSP控制，所述主控制器和从控制器通过光纤连接进行通讯。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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