CN204633333U - 一种牵引供电网限流型电能质量综合治理装置 - Google Patents

Abstract

一种牵引供电网限流型电能质量综合治理装置，包括统一电能质量控制器、第一输入断路器QF1、第二输入断路器QF2、旁路断路器QF3、输出断路器QF4和串联变压器Ta2；第一输入断路器QF1和第二输入断路器QF2的输入端分别接至牵引变电所的馈线与回流线；第一输入断路器QF1和第二输入断路器QF2的输出端分别接至统一电能质量控制器的A1和A2输入端，旁路断路器QF3接至牵引变电所的馈线和牵引电网接触线之间；统一电能质量控制器的输出端U1和U2分别接至串联变压器Ta2的副边侧a和x，串联变压器Ta2的原边侧A和X分别接入第一输入断路器QF1的输出端和输出断路器QF4的输入端。本实用新型可以实现对短路故障电流进行限制，保障了牵引供电网的电能质量与供电安全。

Description

一种牵引供电网限流型电能质量综合治理装置

技术领域

本实用新型主要涉及到牵引供电网领域，特指一种牵引供电网限流型电能质量综合治理装置。

背景技术

电气化铁路对国民经济发展和社会进步具有重要意义。然而，电力机车负荷的非线性、不对称、冲击性等特点，引发了电力系统谐波、负序电流以及电压波动和闪变等电能质量问题，降低了电力系统的供电质量，影响电力系统的安全和经济运行。另一方面，随着电力系统规模不断增大，结构也日益复杂，导致电力系统短路容量增加，一旦发生短路将危及电气设备及人身安全，严重时还会破坏整个系统的正常运行，发展并应用有效的短路限流技术是解决短路容量增大问题的关键。

目前，有从业者提出了许多种牵引供电网电能质量治理装置，其拓扑结构和功能原理各有不同，但是仍旧存在以下不足：

1、牵引供电网电能质量治理装置功能比较单一，一般多为无功补偿与电流谐波治理等功能。

2、现有装置多采用并联连接形式接入牵引电网，无法实现电压跌落与突升的动态补偿。

3、现有装置无具备短路限流功能。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本实用新型提供一种可实现对短路故障电流进行限制、保障牵引供电网的电能质量与供电安全的牵引供电网限流型电能质量综合治理装置。

为解决上述技术问题，本实用新型采用以下技术方案：

一种牵引供电网限流型电能质量综合治理装置，包括统一电能质量控制器、第一输入断路器QF1、第二输入断路器QF2、旁路断路器QF3、输出断路器QF4和串联变压器Ta2；所述第一输入断路器QF1和第二输入断路器QF2的输入端分别接至牵引变电所的馈线与回流线；所述第一输入断路器QF1和第二输入断路器QF2的输出端分别接至统一电能质量控制器的A1和A2输入端，所述旁路断路器QF3接至牵引变电所的馈线和牵引电网接触线之间；所述统一电能质量控制器的输出端U1和U2分别接至串联变压器Ta2的副边侧a和x，所述串联变压器Ta2的原边侧A和X分别接入第一输入断路器QF1的输出端和输出断路器QF4的输入端。

作为本实用新型的进一步改进：所述统一电能质量控制器包括输入隔离开关QS1、预充电单元、整流单元、逆变单元、输出接触器KM2、续流单元、滤波单元、电流互感器CTa和电压互感器PTa；所述预充电单元包括充电电阻R1和旁路接触器KM1；所述整流单元包括单相降压式多绕组变压器Ta1、连接电抗器L1～Ln、电流传感器BC1～BCn、功率单元UA1～UAn，采用PWM整流控制实现每个功率单元的直流电压的稳压控制；所述逆变单元包括功率单元UU1～UUn采用级联连接方式，用来实现高压连续可调电压输出，所述续流单元包括三组反并联晶闸管TSR阀组和续流电抗器L2a，用来实现变流器IGBT脉冲封锁限流后的负载电流续流功能；所述滤波单元包括滤波电抗器L1a和滤波电容器Ca，用于滤除统一电能质量控制器逆变输出电压中的高次谐波。

作为本实用新型的进一步改进：所述逆变单元中每个功率单元的直流侧与整流单元中对应的功率单元直流侧采用背靠背连接，共用直流电源；

作为本实用新型的进一步改进：，所述功率单元采用4个IGBT电力电子开关器件与4个反并联二极管所组成H桥结构。

作为本实用新型的进一步改进：所述统一电能质量控制器采用分布式控制方式，由上位机通过RS485通讯方式来控制整流侧和逆变侧控制系统。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于：

1、本实用新型的牵引供电网限流型电能质量综合治理装置，适用于牵引网供电的限流型电能质量综合治理装置，可实现牵引电网短路限流、谐波治理、无功补偿、动态电压恢复等电能质量综合治理功能，保障了牵引电网的供电质量与供电安全。

2、本实用新型的牵引供电网限流型电能质量综合治理装置，采用串并联混合型连接方式接入牵引电网与机车负载之间，既可以实现对供电网电压跌落补偿、电流谐波治理、无功补偿等功能，在牵引电网短路故障工况下可以实现对短路故障电流进行限制，保障了牵引供电网的电能质量与供电安全。

3、本实用新型的牵引供电网限流型电能质量综合治理装置，兼具UPQC与短路故障限流两大功能，全面覆盖了牵引电网短路故障工况与非短路故障工况下的装置使用范围，极大提高了装置的使用率与性价比。

4、本实用新型的牵引供电网限流型电能质量综合治理装置，变流器中逆变功率单元采用级联连接，使用载波移相和双极倍频技术极大提高了等效开关频率，输出电压谐波含量低；控制系统采用分布式方式，即可以实现整流单元的稳压控制，又可以实现逆变单元的电压补偿控制和TSR续流控制。

5、本实用新型的牵引供电网限流型电能质量综合治理装置，具有机械开关旁路工作模式，使得装置在未启动投入前或者需检修维护退出后，保障牵引电网供电的不间断。

附图说明

图1是本实用新型在具体应用实例中的结构原理示意图。

图2是本实用新型在具体应用实例中统一电能质量控制器的拓扑结构示意图。

图3是本实用新型在具体应用实例中功率单元的拓扑结构示意图。

图4是本实用新型在具体应用实例中统一电能质量控制器控制系统的原理示意图。

图5是本实用新型在具体应用实例中短路故障限流与电压补偿协调控制流程示意图。

图6是是本实用新型在具体应用实例中采用机械开关旁路的工作模式示意图。

图例说明：

1、统一电能质量控制器；2、电力机车。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本实用新型做进一步详细说明。

本实用新型的牵引供电网限流型电能质量综合治理装置，采用串并联混合型连接方式接入牵引电网与电力机车2的负载之间，既可以实现对供电网电压跌落补偿、电流谐波治理、无功补偿等功能，在牵引电网短路故障工况下可以实现对短路故障电流进行限制，进而保障了牵引供电网的电能质量与供电安全。

如图1所示，本实用新型的牵引供电网限流型电能质量综合治理装置，包括统一电能质量控制器1（FCL-UPQC变流器）、第一输入断路器QF1、第二输入断路器QF2、旁路断路器QF3、输出断路器QF4和串联变压器Ta2，其中第一输入断路器QF1和第二输入断路器QF2的输入端分别接至牵引变电所的馈线与回流线，第一输入断路器QF1和第二输入断路器QF的输出端分别接至统一电能质量控制器1的A1和A2输入端，旁路断路器QF3接至牵引变电所的馈线和牵引电网接触线之间；统一电能质量控制器1的输出端U1和U2分别接至串联变压器Ta2的副边侧a和x，串联变压器Ta2的原边侧A和X分别接入第一输入断路器QF1的输出端和输出断路器QF4的输入端。

统一电能质量控制器1采用FCL-UPQC变流器，UPQC为Unified Power Quality Controller，FCL为Fault Current Limiter、故障限流器。UPQC以两个变换器组成背靠背系统，分别以串联和并联的形式接入电网，其直流侧的储能作为两侧有源电力滤波器所公用的。串联侧和并联侧变换器根据控制的方法不同而具备有不同的功能，一般地控制串联侧变换器补偿电网电压谐波与不平衡、抑制电网电压波动和闪变、阻隔谐波、阻尼振荡；并联侧变换器起到补偿负载电流谐波和不平衡、补偿负载无功、稳定直流侧电压、短时不间断电源的作用。UPQC有两类应用场合：一类是应用于配电系统和工业电力系统之间的通用补偿器，要求的容量较大。另一类是用于对电力系统电能质量要求高的电力用户，相对容量较小。不管那种场合，UPQC可以有效的满足电力用户的电能质量要求。

如图2所示，本实施例中统一电能质量控制器1包括输入隔离开关QS1、预充电单元、整流单元、逆变单元、输出接触器KM2、续流单元、滤波单元、电流互感器CTa和电压互感器PTa。其中，预充电单元包括充电电阻R1和旁路接触器KM1；整流单元由单相降压式多绕组变压器Ta1、连接电抗器L1～Ln、电流传感器BC1～BCn、功率单元UA1～UAn所组成，采用PWM整流控制实现每个功率单元的直流电压的稳压控制；逆变单元由功率单元UU1～UUn采用级联连接方式组成，实现高压连续可调电压输出，其中逆变单元中每个功率单元的直流侧与整流单元中对应的功率单元直流侧采用背靠背连接，共用直流电源；续流单元由三组反并联晶闸管TSR阀组和续流电抗器L2a所组成，可以实现变流器IGBT脉冲封锁限流后的负载电流续流功能；滤波单元由滤波电抗器L1a和滤波电容器Ca所组成，滤除统一电能质量控制器1逆变输出电压中的高次谐波。

如图3所示，本实施例中，统一电能质量控制器1中的功率单元采用4个IGBT电力电子开关器件与4个反并联二极管所组成H桥结构，其中4个IGBT电力电子器件分别为VT1、VT2、VT3、VT4，4个反并联二极管分别为VD1、VD2、VD3、VD4，直流侧储能电容C、直流均压电阻R与H桥并联，功率单元的交流侧端口为T1和T2，直流侧端口为T+和T-。

如图4所示，本实施例中统一电能质量控制器1的控制系统采用分布式控制方式，由上位机通过RS485通讯方式来控制整流侧和逆变侧控制系统，其中整流侧控制系统由主控制板1GMPU、模拟量采集板DAI1、数字入出板DDX1所组成，采用高速光纤通信，可以实现整流侧变流器的模拟量采集、数字开关量输入与输出控制、变流器脉冲触发等功能；逆变侧控制系统由主控制板2GMPU、TSR控制器、模拟量采集板DAI2、数字入出板DDX2所组成，采用高速光纤通信，可以实现逆变侧变流器的模拟量采集、数字开关量输入与输出控制、变流器脉冲触发、TSR续流阀组触发等功能。

如图5所示，本实施例中统一电能质量控制器1采用短路故障限流与UPQC功能的协调控制，在运行过程中，实时检测接触网电压和电流值，从而判断有否有短路故障发生，如果检测并判别出无短路故障时，装置运行于UPQC工况；如果检测出有短路故障时，装置将立即封锁逆变脉冲，同时发出TSR阀组导通使能指令，在判断逆变器电压处于峰值时触发TSR阀组，最后等待上级开关继保装置保护动作完成。

本实用新型在未启动或者需检修维护退出时，为保障机车负载的不间断供电，如图6所示，统一电能质量控制器1处于机械开关旁路工作模式，在此工作模式中，统一电能质量控制器1中功率单元均封锁脉冲，限流阀组TSR封锁脉冲，输入断路器QF1和QF2、输出断路器QF4处于分闸状态，旁路断路器QF3处于合闸状态，牵引供电所通过QF3向直接向机车负载供电。

以上仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本实用新型思路下的技术方案均属于本实用新型的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理前提下的若干改进和润饰，应视为本实用新型的保护范围。

Claims (5)

1.一种牵引供电网限流型电能质量综合治理装置，其特征在于，包括统一电能质量控制器、第一输入断路器QF1、第二输入断路器QF2、旁路断路器QF3、输出断路器QF4和串联变压器Ta2；所述第一输入断路器QF1和第二输入断路器QF2的输入端分别接至牵引变电所的馈线与回流线；所述第一输入断路器QF1和第二输入断路器QF2的输出端分别接至统一电能质量控制器的A1和A2输入端，所述旁路断路器QF3接至牵引变电所的馈线和牵引电网接触线之间；所述统一电能质量控制器的输出端U1和U2分别接至串联变压器Ta2的副边侧a和x，所述串联变压器Ta2的原边侧A和X分别接入第一输入断路器QF1的输出端和输出断路器QF4的输入端。

2.根据权利要求1所述的牵引供电网限流型电能质量综合治理装置，其特征在于，所述统一电能质量控制器包括输入隔离开关QS1、预充电单元、整流单元、逆变单元、输出接触器KM2、续流单元、滤波单元、电流互感器CTa和电压互感器PTa；所述预充电单元包括充电电阻R1和旁路接触器KM1；所述整流单元包括单相降压式多绕组变压器Ta1、连接电抗器L1～Ln、电流传感器BC1～BCn、功率单元UA1～UAn，采用PWM整流控制实现每个功率单元的直流电压的稳压控制；所述逆变单元包括功率单元UU1～UUn采用级联连接方式，用来实现高压连续可调电压输出，所述续流单元包括三组反并联晶闸管TSR阀组和续流电抗器L2a，用来实现变流器IGBT脉冲封锁限流后的负载电流续流功能；所述滤波单元包括滤波电抗器L1a和滤波电容器Ca，用于滤除统一电能质量控制器逆变输出电压中的高次谐波。

3.根据权利要求2所述的牵引供电网限流型电能质量综合治理装置，其特征在于，所述逆变单元中每个功率单元的直流侧与整流单元中对应的功率单元直流侧采用背靠背连接，共用直流电源。

4.根据权利要求3所述的牵引供电网限流型电能质量综合治理装置，其特征在于，所述功率单元采用4个IGBT电力电子开关器件与4个反并联二极管所组成H桥结构。

5.根据权利要求1～4中任意一项所述的牵引供电网限流型电能质量综合治理装置，其特征在于，所述统一电能质量控制器采用分布式控制方式，由上位机通过RS485通讯方式来控制整流侧和逆变侧控制系统。