CN202178574U - 一种用于电气化铁路牵引侧的三相svc补偿装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于电气化铁路牵引侧的三相SVC补偿装置，该装置包括采用三角形接线方式连接的三相结构的静止无功补偿器；其中每相包括并联的晶闸管控制电抗器支路和固定电容支路；该装置用的供电臂包括供电臂a、b；静止无功补偿器SVC每相分别接于ac(供电臂a与钢轨c)、bc(供电臂b与钢轨c)和ab(供电臂a与供电臂b)之间，本实用新型可综合实现对电气化铁路负荷的供电臂电压支撑、功率因数控制、谐波抑制和负序补偿功能；不仅能够克服牵引侧单相SVC不能补偿负序电流的缺点，也可省略电网侧SVC的升压变压器，是一种集牵引侧SVC和电网侧SVC优点于一体的三相SVC补偿装置。

Description

一种用于电气化铁路牵引侧的三相SVC补偿装置

技术领域

本实用新型属于电气化铁路供电、电力电子技术及电能质量治理领域，具体讲涉及一种用于电气化铁路牵引侧的三相SVC补偿装置。

背景技术

随着电气化铁路的迅速发展，电气化铁路对电力系统电能质量的影响已经成为一个不容忽视的问题。一方面，由于我国电气化铁路牵引供电系统都采用单相供电方式，电力机车为单相负荷，无论牵引变压器采取何种接线方式，都将向电力系统注入较大的负序电流；另一方面，电力机车采用电力电子变流器，会产生谐波电流注入电力系统。此外，由于牵引变电所的负荷随供电臂内列车的数量和每一列车的运行状态随时波动，因此电气化铁路负荷还具有随机波动性。

伴随着客运高速和货运重载铁路的发展，上述问题还会出现不同程度的新变化：

(1)牵引负荷容量的逐渐增大，这将直接造成注入系统中的负序电流增大，进而使电力系统的三相电压不平衡问题加重。尤其是在我国许多地区，电气化铁路供电系统的短路容量将长期滞后于电气化铁路负荷的发展。因此，电气化铁路负序问题将成为今后我国电气化铁路电能质量中首要问题。

(2)直流驱动电力机车逐渐被交流驱动电力机车所取代。由电力机车产生的无功电流和低次谐波电流将大为减小，交流传动机车负荷侧功率因数很高，因此稳态和动态无功引起的电能质量问题也将显著减弱，三相电压波动将主要由单相电铁负荷的有功冲击引起。

针对上述电气化铁路的电能质量问题，国内外已经采取了各种补偿措施。其中，比较普遍的方法是在牵引站装设固定电容(Fixed Capacitor，FC)补偿设备。这类设备的共同特点是在无功补偿的同时对谐波电流进行治理。但是由于这类装置属于固定补偿方式，不能灵活调节，无法实现动态补偿，补偿装置在供电臂空载或轻载时将向系统倒送无功，造成母线电压升高，对机车工作不利，而在重载时无功补偿又不足。

随着电力电子技术和柔性输配电技术的发展，静止无功补偿器(Static Var Compensator，SVC)、静止同步补偿器(Static Synchronous Compensator，STATCOM)以及基于自关断器件的大容量铁路功率调节器(Railway Static Power Conditioner，RPC)开始应用于电气化铁路的电能质量治理。由于电气化铁路为高压大容量负荷，因此对电能质量装置也具有高压大容量的需求。对于基于自关断器件的STATCOM和RPC等治理装置，需要通过多电平、多重化、级联等技术提高装置的容量，装置设计复杂、造价高、控制难度大。相对STATCOM和RPC，基于晶闸管的静止无功补偿器SVC可以较容易的实现装置高压大容量的要求，且具有结构简单、控制方法成熟、工程造价低等优点，因此在电气化铁路电能质量治理中得到了广泛的应用。

目前用于电气化铁路补偿的SVC通常有两种方式：一种是在牵引侧的两个供电臂分别加装单相静止无功补偿器SVC，采用单相晶闸管控制电抗器(Thyristor Controlled Reactor，TCR)加固定电容FC构成的单相SVC直接安装在牵引侧，又称直挂式SVC；另一种是系统侧SVC，采用单相晶闸管控制电抗器TCR加FC构成的三相SVC安装在牵引变原边侧，如果装在电力系统变电站内，则可实现电力系统内的集中电能质量补偿。

牵引侧SVC直接装设在供电臂上，通过调节晶闸管触发角实现平滑调节TCR所产生的无功功率，使负载无功变化与TCR所产生的变化无功功率之和为常数，此常数感性无功功率与FC的容性无功功率相抵消，最终使电网的功率因数保持在较高的水平，同时使牵引网电压保持在要求的范围内。此外，通过FC支路滤除电力机车产生的谐波，使装置具有供电臂电压支撑、功率因数控制和谐波抑制的综合补偿效果，具有接入电压等级低、设计简单等优点。但是该种补偿方式由于无法实现供电臂之间的能量流通，所以不能实现负序补偿。电网侧SVC接于三相系统，其功率因数控制和谐波抑制原理与牵引侧SVC基本相同，还可进一步利用斯坦米兹(Steinmetz)原理实现对不平衡负荷的进行补偿，起到补偿电气化铁路负序电流的作用。但是，由于三相系统电压等级较高(110kV)以上，SVC需要通过升压变才能接入，这将增加SVC的占地面积和工程造价，也增加了SVC设计制造上的复杂性。

实用新型内容

针对上述电气化铁路负荷的负序、谐波和低功率因数等电能质量问题，本实用新型提出了一种用于电气化铁路牵引侧的三相SVC补偿装置，该装置采用三角形接线方式接入牵引变压器的低压侧，该装置各相均采用单相晶闸管控制电抗器TCR并联固定电容FC结构。根据电气化铁路负荷的补偿需求，装置的各相可采用不对称设计，可综合实现对电气化铁路负荷的供电臂电压支撑、功率因数控制、谐波抑制和负序补偿功能；不仅能够克服牵引侧单相SVC不能补偿负序电流的缺点，也可省略电网侧SVC的升压变压器，是一种集牵引侧SVC和电网侧SVC优点于一体的三相SVC补偿装置。

本实用新型的目的是采用下述技术方案实现的：

一种用于电气化铁路牵引侧的三相SVC补偿装置，所述装置包括静止无功补偿器SVC；其改进之处在于，所述静止无功补偿器SVC包括采用三角形接线方式连接的三相结构；其中每相包括并联的晶闸管控制电抗器TCR支路和固定电容FC支路；

所述装置用的供电臂包括供电臂a、b；所述供电臂a和钢轨c组成ac；所述供电臂b和钢轨c组成bc；所述供电臂a和供电臂b组成ab；

所述每相分别接于ac、bc和ab之间。

本实用新型提供的一种优选的技术方案是：所述静止无功补偿器SVC与牵引变压器的低压侧连接；所述负载电力机车连接在供电臂a与钢轨c之间。

本实用新型提供的第二优选的技术方案是：所述晶闸管控制电抗器TCR支路包括依次串联的电抗器与反并联的晶闸管阀；所述固定电容FC支路包括依次串联的电抗器和电容器。

本实用新型提供的第三优选的技术方案是：所述固定电容FC支路包括依次串联的电抗器、电容器和电阻。

本实用新型提供的第四优选的技术方案是：对所述固定电容FC支路和晶闸管控制电抗器TCR支路的参数进行不对称设计。

本实用新型提供的第五优选的技术方案是：所述牵引变压器包括Ynd11、V/v和平衡变压器。

与现有技术相比，本实用新型达到的有益效果是：

(1)本实用新型提供的用于电气化铁路牵引侧的三相SVC补偿装置，装置各相均采用单相晶闸管控制电抗器TCR并联固定电容FC结构，可综合解决电气化铁路负荷的谐波、负序和低功率因数问题；

(2)本实用新型提供的三相SVC补偿装置接于电气化铁路牵引变压器的低压侧，无需升压变压器，可减少装置占地面积，降低设计复杂度及造价；

(3)本实用新型提供的三相SVC补偿装置中的三相采用三角形接线方式，并且各相的参数进行不对称设计，可最大限度的减小装置的整体容量；

(4)本实用新型提供的三相SVC补偿装置将电气化铁路负荷的谐波、负序和低功率因数问题抑制在牵引侧，不仅减少谐波、无功导致的牵引变压器损耗，还可减少谐波、负序和无功在电力系统中传播所导致的高压供电线路和供电变压器等损耗。

附图说明

图1是依据本实用新型的用于电气化铁路牵引侧的三相SVC补偿装置主电路结构示意图，其中：1：电力机车；2：牵引变压器；3：三相静止无功补偿器SVC；4：晶闸管控制电抗器(TCR)；5：固定电容/滤波器(FC)；供电臂a；供电臂b；钢轨c；

图2是依据本实用新型具体实施例YNd11接线牵引变压器的牵引侧三相SVC补偿装置接线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型的具体实施方式作进一步的详细说明。

图1是依据本实用新型的用于电气化铁路牵引侧的三相SVC补偿装置主电路结构示意图，如图1所示，本实用新型提供的牵引侧三相SVC补偿装置3用于电气化铁路牵引侧，采用三角形接线方式，每相均采用晶闸管控制电抗器TCR支路4并联固定电容FC支路5的结构，该装置用的供电臂包括供电臂a、b；每相分别接于ac(供电臂a与钢轨c)、bc(供电臂b与钢轨c)以及ab(供电臂a和供电臂b)之间。

其中，晶闸管控制电抗器TCR支路4由电抗器与反并联晶闸管阀串联组成，晶闸管控制电抗器TCR正常工作时，反并联晶闸管分别在其承受正向电压期间从电压峰值到过零点的时间间隔内触发导通。

晶闸管控制电抗器TCR只能提供滞后功率因数的动态无功功率，为了能将动态范围扩展到超前功率因数区域，采用固定电容FC支路5与晶闸管控制电抗器TCR支路4并联，且使固定电容FC支路容量大于晶闸管控制电抗器TCR支路容量。固定电容FC支路5由两个电抗器与电容器串联组成，两个电抗器分别在电容器的两边，有时固定电容FC支路5也采用由电抗器、电容器和电阻串联的组成方式，固定电容FC支路5在工频下等效为容抗，而在特征频率表现出低阻抗，可以对晶闸管控制电抗器TCR支路4和负载电力机车1产生的谐波分量起滤波作用。实际中，可根据需要滤波的次数设计成多组固定电容FC支路5与晶闸管控制电抗器TCR支路4并联的结构。

牵引侧三相SVC补偿装置的补偿原理是：通过向供电臂a和供电臂b分别注入补偿电流和

与两供电臂上的机车电流和

分别叠加，叠加后的电流分别为和

使叠加后两供电臂上的电流

和

经牵引变压器2后注入系统中的三相电流

和

三相对称，并且与系统三相电压之间的夹角尽可能小，从而保证系统侧三相电流对称且功率因数满足要求。同时，通过固定电容FC支路5实现谐波补偿功能，保证系统侧谐波指标满足要求。

牵引侧三相SVC补偿装置对多种接线方式的牵引变压器2都适用，牵引变压器2可为YNd11、V/v或平衡变压器中的任一种。

静止无功补偿器SVC设计时的关键问题就是补偿容量的确定，根据“牵引变电所端口电气量一般变换关系”理论及如式(1)所示的综合补偿方程(参考文献：李群湛，《牵引变电所供电分析及综合补偿技术》，北京：中国铁道出版社，2006.1)，即可得到三相静止无功补偿器SVC补偿装置各相所需的补偿容量，进而再根据所需的补偿容量及谐波补偿需求，对固定电容FC支路5和晶闸管控制电抗器TCR支路4的参数进行设计。

其中，

$\mathrm{adj}\left(T\right)=\left[\begin{array}{ccc}\sin 2({\mathrm{\Ψ}}_T-{\mathrm{\Ψ}}_L)& \cos 2{\mathrm{\Ψ}}_L-{\cos 2\mathrm{\Ψ}}_T& {\sin 2\mathrm{\Ψ}}_L-{\sin 2\mathrm{\Ψ}}_T\\ \sin 2({\mathrm{\Ψ}}_K-{\mathrm{\Ψ}}_T)& \cos 2{\mathrm{\Ψ}}_T-\cos {2\mathrm{\Ψ}}_K& \sin 2{\mathrm{\Ψ}}_T-{\sin 2\mathrm{\Ψ}}_K\\ \sin 2({\mathrm{\Ψ}}_L-{\mathrm{\Ψ}}_K)& \cos 2{\mathrm{\Ψ}}_K-\cos {2\mathrm{\Ψ}}_L& \sin 2{\mathrm{\Ψ}}_K-\sin {2\mathrm{\Ψ}}_L\end{array}\right]$

det(T)＝sin2(Ψ_T-Ψ_L)+sin2(Ψ_L-Ψ_K)+sin2(Ψ_K-Ψ_T)；

式中：

S_K、S_L、S_T——SVC补偿装置的各相补偿容量，K、L、T分别表示SVC各相所接的电路端口号；

S_y——端口y的牵引负荷容量；

m——负荷数量，牵引变压器的接线多供出两相或两臂牵引负荷，但考虑到换相，一般m＝3；

K_C——无功补偿度，K_C＝1时表示负荷所发出的无功被全补偿；

K_N——负序补偿度，K_C＝1时表示负荷所发出的负序被全补偿；

Ψ_K、Ψ_L、Ψ_T、Ψ_y——端口K、L、T、y的电压相量滞后于参考相量的相角滞后为正，一般取牵引变压器原边A相正序电压，其取值与牵引变压器的接线方式有关。

下面以YNd11(其中，“Y”表示高压侧为星形接线；“N”代表中性点；“d”表示低压侧为三角形接线；“11”表示变压器低压侧的线电压

滞后高压侧线电压(或超前30°)))接线牵引变压器、典型牵引负荷为例，对牵引侧三相SVC补偿装置的实施方式进行说明。图2是依据本实用新型具体实施例YNd11接线牵引变压器的牵引侧三相SVC补偿装置接线图。

令SVC补偿装置三相所对应的端口分别为K＝4，L＝5，T＝6；负荷对应的端口数m＝3；并安排S₁和S₄同端口，Ψ₁＝Ψ₄＝ξ，S₂和S₅同端口，Ψ₂＝Ψ₅＝120°+ξ，滞后于Ψ₁；S₃和S₆同端口，Ψ₃＝Ψ₆＝-120°+ξ，超前于Ψ₁。令牵引端口为端口1和2，对应电力机车负荷容量分别为S_L1和S_L2，功率因数角分别为

和

端口3负荷为0，即S₃＝0，带入(1)式可得到V/v接线变压器的牵引侧三相SVC综合补偿模型为：

式中：

S_La、S_Lb——供电臂a和供电臂b所带牵引负荷的容量；

——供电臂a和供电臂b所带牵引负荷的功率因数角。

当SVC补偿装置对无功和负序进行完全补偿时，K_C＝1，K_N＝1，其综合补偿容量模型为：

选择的典型牵引负荷功率因数为0.9，即负荷功率因数角

典型运行方式下供电臂a和b两臂负载电流如表1所示。两臂不平衡最严重情况是方式一，重馈线取最大电流值，轻馈线电流为0。取两供电臂电压均为25kV，即Uab＝Ubc＝25kV，从而可根据表1计算得到两臂牵引负荷容量如表2所示。当装置对负序和无功进行完全补偿时，根据式(3)可计算得到各种运行方式下牵引侧三相SVC每相的补偿容量如表3所示，其中容量为正表示容性补偿，容量为负表示感性补偿。

表1典型运行方式下供电臂电流

表2典型运行方式下供电臂牵引负荷容量

表3典型运行方式下牵引侧三相SVC补偿容量计算

根据表3计算得到的SVC各相所需的最大感性补偿容量和最大容性补偿容量，即可得到SVC各支路所需的容量。考虑到滤波功能，假设装有可滤除3次、5次谐波的FC滤波支路，端口4的FC支路的总容量设计为19.7MVar、各次滤波支路容量均为9.85MVar，TCR支路容量为19.7MVar+1.18MVar＝20.88MVar。同理，可得到端口5的FC支路的容量为36.2MVar、各次滤波支路容量均为18.1MVar，TCR支路容量也为36.2MVar；端口6的FC支路的容量为2MVar、TCR支路容量为2MVar+21.75MVar＝23.75MVar。上述实施例说明，本实用新型所提出的牵引侧三相SVC补偿装置采用不对称参数设计，可最大限度的减小装置容量，减少不必要的容量浪费。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案而非对其保护范围的限制，尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：本领域技术人员阅读本申请后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，这些变更、修改或者等同替换，其均在其申请待批的权利要求范围之内。

Claims (6)

1.一种用于电气化铁路牵引侧的三相SVC补偿装置，所述装置包括静止无功补偿器(3)；其特征在于，所述静止无功补偿器(3)包括采用三角形接线方式连接的三相结构；其中每相包括并联的晶闸管控制电抗器支路(4)和固定电容支路(5)；

所述装置用的供电臂包括供电臂a、b；所述供电臂a和钢轨c组成ac；所述供电臂b和钢轨c组成bc；所述供电臂a和供电臂b组成ab；

所述每相分别接于ac、bc和ab之间。

2.如权利要求1所述的三相SVC补偿装置，其特征在于，所述静止无功补偿器(3)与牵引变压器(2)的低压侧连接；所述负载电力机车(1)连接在供电臂a与钢轨c之间。

3.如权利要求1所述的三相SVC补偿装置，其特征在于，所述晶闸管控制电抗器支路(4)包括依次串联的电抗器与反并联的晶闸管阀；所述固定电容支路(5)包括依次串联的电抗器和电容器。

4.如权利要求3所述的三相SVC补偿装置，其特征在于，所述固定电容支路(5)包括依次串联的电抗器、电容器和电阻。

5.如权利要求1所述的三相SVC补偿装置，其特征在于，对所述固定电容支路(5)和晶闸管控制电抗器支路(4)的参数进行不对称设计。

6.如权利要求2所述的三相SVC补偿装置，其特征在于，所述牵引变压器(2)包括Ynd11、V/v和平衡变压器。

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