CN210608555U

CN210608555U - 一种基于负序注入的高速铁路不平衡优化补偿装置

Info

Publication number: CN210608555U
Application number: CN201921614337.6U
Authority: CN
Inventors: 彭莉雯; 肖非然; 袁佳歆
Original assignee: Wuhan University WHU; Shenzhen Research Institute of Wuhan University
Current assignee: Wuhan University WHU; Shenzhen Research Institute of Wuhan University
Priority date: 2019-09-25
Filing date: 2019-09-25
Publication date: 2020-05-22
Anticipated expiration: 2029-09-25

Abstract

本实用新型涉及电气化铁路质量技术领域，具体涉及一种基于负序注入的高速铁路不平衡优化补偿装置，包括三相级联H桥变换器和高速铁路牵引供电系统；高速铁路牵引供电系统包括V/V接线牵引变压器、第一、第二牵引供电臂、钢轨；V/V接线牵引变压器的高压侧连接至电力系统，V/V接线牵引变压器的低压侧分别连接第一、第二牵引供电臂和钢轨，三相级联H桥变换器分别连接第一、第二牵引供电臂和钢轨。该优化补偿装置，与高速铁路负序治理中常见的其他拓扑结构相比，控制简单、无需变压器接入、拓扑结构更为精简、所需补偿容量和安装容量较小、造价较低，在电气化铁路负序不平衡补偿的领域中具有可观的市场前景。

Description

一种基于负序注入的高速铁路不平衡优化补偿装置

技术领域

本实用新型属于电气化铁路质量技术领域，尤其涉及一种基于负序注入的高速铁路不平衡优化补偿装置。

背景技术

高速铁路电力机车负载为大功率单相负荷，会产生负序电流造成电网电压不平衡。负序电流会对电力系统产生一系列的危害如发电机转子温升增大，产生附加振动；在输电线中造成能量损失，降低线路输送能力；变压器产生能量损失，在铁心磁路中造成附加发热；造成继电保护和自动装置的负序参量启动元件频繁误动作等。因此，高速铁路供电系统的负序问题是高速铁路最为突出的一个电能质量问题。

负序电流的大小与牵引变压器有关。牵引变压器的结构类型有多种，如斯科特变压器，三相VV变压器和阻抗匹配平衡变压器等。其中斯科特变压器和阻抗匹配平衡变压器为平衡变压器，三相VV变压器为不平衡变压器。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。而三相VV变压器以其结构简单、容量利用率高的优点为高速铁路牵引供电系统采用。因此采用三相VV变压器的高速铁路供电系统的负序优化补偿的装置值得深入研究。

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。但是这种补偿方式采用电容补偿的形式，当系统中接入电容负载时，虽然电容负载本身不产生电力谐波，但电容负载会使得电力系统中存在的谐波放大，如果电容负载和电力系统中的感性负载振荡频率与系统固有频率相近，则会造成电力系统谐波无限放大，导致停电事故发生；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。此外，对于电能质量问题中的负序不平衡问题，规定的三相电压不平衡度的允许值：A、正常运行时，负序电压不平衡度不超过2％，短时不超过4％；B、接于PCC的每个用户引起的三相电压不平衡度允许值一般为1.3％，短时不超过2.6％。根据PCC的负荷状况及邻近发电机、继电保护装置安全运行要求，其允许值可做适当波动，但是必须满足A中的要求。因此，在实际进行负序补偿时是允许一定的负序电流存在的，但是目前的负序不平衡补偿方法都是按照将负序电流完全消除的情况来考虑，造成了补偿装置安装容量偏高，造价较为昂贵的问题。

实用新型内容

本实用新型的目的，是提供一种能够在系统中出现负序不平衡时利用三相级联H桥变换器注入一个优化的不平衡补偿电流，在满足国标的要求下尽可能的降低补偿装置所需的安装容量，降低造价的装置。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是，一种基于负序注入的高速铁路不平衡优化补偿装置，包括三相级联H桥变换器和高速铁路牵引供电系统；高速铁路牵引供电系统包括V/V接线牵引变压器、第一、第二牵引供电臂和钢轨；三相级联H桥变换器包括u、v、w三相以及第一、第二、第三输出电感，u、v、w三相的每一相包括N个相同的子模块，N为大于1的正整数；子模块为一个二端口网络，每一相的子模块之间串联连接，首端子模块与输出电感相连，末端的子模块与其他两相末端的子模块相连；V/V接线牵引变压器的高压侧连接至电力系统，V/V接线牵引变压器的低压侧分别连接第一、第二牵引供电臂和钢轨；第一、第二、第三输出电感分别连接第一牵引供电臂、钢轨和第二牵引供电臂。

在上述的基于负序注入的高速铁路不平衡优化补偿装置中，子模块采用四个IGBT和反并联的四个二极管构成的全桥电路以及一个超级电容器；或者采用两个IGBT和反并联的两个二极管构成的半桥电路以及一个超级电容器。

在上述的基于负序注入的高速铁路不平衡优化补偿装置中，三相级联H桥变换器的每一相连接一个DSP控制器，选定任意一相的DSP控制器作为主控制器，其他两个DSP控制器作为从控制器。

本实用新型的有益效果，当VV牵引供电系统中存在负序不平衡问题时，三相级联H桥变换器能快速响应。本实用新型提供的一种基于负序注入的高速铁路不平衡优化补偿装置使得负序不平衡优化补偿思路更为简单直接，补偿电流表达式更为简洁且意义更明确；此外还具有简化控制、无需变压器接入、精简拓扑结构的优点，能大幅减少补偿装置的容量从而降低造价并节省安装空间，在电气化铁路负序不平衡补偿的领域中具有可观的市场前景。

附图说明

图1是本实用新型实施例的基于负序注入的高速铁路不平衡优化补偿装置结构示意图；

其中1-电力系统220kV输电网，2-VV牵引变压器，3-第一牵引供电臂，4-第一牵引供电臂，5-三相级联H桥主拓扑，6-三相级联H桥子模块，7-DSP控制器，8-钢轨；

图2为本实用新型实施例的负序电流相量图；

图3为本实用新型实施例的补偿电流相量图；

图4为本实用新型实施例的工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的实施方式进行详细描述。

本实施例是通过以下技术方案来实现的，一种基于负序注入的高速铁路不平衡优化补偿装置，无需变压器直接安装牵引变电所的VV牵引变压器的低压侧，包括三相级联H桥变换器和高速铁路牵引供电系统；高速铁路牵引供电系统包括V/V接线牵引变压器、第一、第二牵引供电臂、钢轨；V/V接线牵引变压器的高压侧连接至电力系统220kV输电网，V/V接线牵引变压器的低压侧分别连接第一、第二牵引供电臂和钢轨，三相级联H桥变换器引出3个接线端，分别直接连接到VV牵引变压器的低压侧，具体而言连接到第一、第二牵引供电臂和钢轨，无需通过降压变压器。

而且，三相级联H桥变换器由u、v、w三相以及第一、第二、第三输出电感构成。u、v、w三相的每一相包括N个相同的子模块。子模块为一个二端口网络，每一相的子模块之间串联连接，首端子模块与输出电感相连，末端的子模块和其他两相相连。子模块由四个IGBT和反并联的四个二极管构成的全桥电路以及一个超级电容器构成；或者由两个IGBT和反并联的两个二极管构成的半桥电路以及一个超级电容器构成。三相级联H桥变换器每一相单独由一个DSP控制，选定任意一个为主控制器，其他两个作为从控制器。

本实施例的装置具有对高速铁路不平衡进行优化补偿功能。

具体实施时，如图1所示，一种基于负序注入的高速铁路不平衡优化补偿装置，包括三相级联H桥变换器5和高速铁路牵引供电系统；高速铁路牵引供电系统包括V/V接线牵引变压器的2、第一牵引供电臂3、第二牵引供电臂4、钢轨8；V/V接线牵引变压器2的高压侧连接至电力系统220kV输电网1，V/V接线牵引变压器2的低压侧分别连接第一牵引供电臂3、第二牵引供电臂4和钢轨8，三相级联H桥变换器5引出3个接线端，分别直接连接到VV牵引变压器2的低压侧，具体而言连接到第一牵引供电臂3、第二牵引供电臂4和钢轨8，无需通过降压变压器。

本实施例三相级联H桥变换器5由u、v、w三相以及第一、第二、第在输出电感构成，u、v、w三相每一相包括N个相同的子模块6，N为大于1的正整数。子模块6为一个二端口网络，每个桥臂的子模块之间串联连接，首端子模块与输出电感相连和末端的子模块和其他两相相连。

优化补偿装置为三相结构，每一相均包含N个子模块，每相第一子模块的上接口引出作为交流输出端子，三个交流输出端子各通过第一输出电感、第三输出电感、第二输出电感直接与VV牵引变压器的二次侧a，b，c连接，即与第一牵引供电臂、第二牵引供电臂和钢轨连接；第一子模块的下接口与第二子模块的上接口连接，其他子模块根据第一子模块与第二子模块的连接方式依次串联连接，最后一个子模块的下接口与另外两相的最后一个子模块的下接口连接在一起构成星型连接。

子模块6由四个IGBT和反并联的四个二极管构成的全桥电路以及一个超级电容器构成；或者由两个IGBT和反并联的两个二极管构成的半桥电路以及一个超级电容器构成。

三相级联H桥变换器每一相单独由一个DSP控制，选定任意一个为主控制器，其他两个作为从控制器。

如图3所示，本实施例的工作流程为：首先检测牵引臂负荷电流，分解出正负序分量，如图2所示为负序电流相量示意图；计算优化补偿电流，如图3所示，再利用补偿装置注入实现平衡优化补偿。

本实施例的补偿装置，与高速铁路负序治理中常见的其他拓扑结构相比，控制简单、无需变压器接入、拓扑结构更为精简、所需补偿容量和安装容量较小、造价较低，在电气化铁路负序不平衡补偿的领域中具有可观的市场前景。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

虽然以上结合附图描述了本实用新型的具体实施方式，但是本领域普通技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变形或修改，而不背离本实用新型的原理和实质。本实用新型的范围仅由所附权利要求书限定。

Claims

1.一种基于负序注入的高速铁路不平衡优化补偿装置，其特征是，包括三相级联H桥变换器和高速铁路牵引供电系统；高速铁路牵引供电系统包括V/V接线牵引变压器、第一、第二牵引供电臂和钢轨；三相级联H桥变换器包括u、v、w三相以及第一、第二、第三输出电感，u、v、w三相的每一相包括N个相同的子模块，N为大于1的正整数；子模块为一个二端口网络，每一相的子模块之间串联连接，首端子模块与输出电感相连，末端的子模块与其他两相末端的子模块相连；V/V接线牵引变压器的高压侧连接至电力系统，V/V接线牵引变压器的低压侧分别连接第一、第二牵引供电臂和钢轨；第一、第二、第三输出电感分别连接第一牵引供电臂、钢轨和第二牵引供电臂。

2.如权利要求1所述的基于负序注入的高速铁路不平衡优化补偿装置，其特征是，子模块采用四个IGBT和反并联的四个二极管构成的全桥电路以及一个超级电容器；或者采用两个IGBT和反并联的两个二极管构成的半桥电路以及一个超级电容器。

3.如权利要求1所述的基于负序注入的高速铁路不平衡优化补偿装置，其特征是，三相级联H桥变换器的每一相连接一个DSP控制器，选定任意一相的DSP控制器作为主控制器，其他两个DSP控制器作为从控制器。