功率调节器与静止无功补偿器联合负序电流补偿系统

技术领域

本发明涉及一种电气化高速铁路负序电流补偿系统，特别涉及一种适用于电气化高速铁路的功率调节器与静止无功补偿器联合负序电流补偿系统。

背景技术

我国电气化铁路牵引变电站大多采用专用的牵引变压器将三相电力系统的电能传输给两个各自带负荷的单相牵引线路，由于机车自身的调节功能，牵引变电所两个供电臂的牵引负荷是相互独立、随机波动的，因为牵引负荷具有这种不对称性，所以牵引变压器高低压两侧的三相电流不平衡，并在系统侧母线上产生负序电流。牵引系统中的负序电流会在公共连接点处产生负序电压，并且通过公共连接点流向其他负荷。牵引系统中的负序电流会对发电机、异步电动机、反映负序分量的继电保护装置、电力系统主元件如变压器和输电线以及通信系统等产生严重的影响和干扰。

为抑制电气化铁路中的负序电流，当前普遍采用的措施是在牵引变电所实行换相连接，各个区段轮换接入电力系统的不同相。此方法简单，不需另外增加设备，成本低，易维护，但由于必须在电网中使用电分相，影响了机车的提速，降低了电网的可靠性。铁路功率调节器(RPC)是近几年出现的一种补偿装置，它通过共用直流侧电容的双H桥逆变器将轻载一侧的能量转移到重载侧，以实现两供电臂有功功率的平衡，从而达到抑制三相侧负序电流的目的。当一侧供电臂有机车负载，而另一侧空载时，为达到两供电臂有功功率平衡，必须使RPC的容量为机车负载功率的一半，以功率为8MVA的电力机车为例，此时RPC的容量最低为4MVA，大容量使RPC的造价偏高，且设计制造难度加大；同时由于V/V牵引变压器的固有特性决定了在两供电臂功率平衡且功率因数均为1时，三相侧负序电流与正序电流幅值之比仍有50％，单纯采用RPC结构在负序电流抑制上遇到瓶颈。

发明内容

为了解决电气化高速铁路系统中铁路功率控制器负序电流补偿存在的上述技术问题，本发明提供一种铁路功率调节器与静止无功补偿器联合负序电流补偿系统。本发明在满足铁道系统对三相电流不平衡度的要求的情况之下最大限度地降低RPC的容量。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：包括铁路功率调节器和静止无功补偿器，铁路功率调节器通过两个单相三绕组降压变压器安装在牵引变压器二次侧的两供电臂之间，静止无功补偿器由两组并联连接的晶闸管投切电容器和一组晶闸管控制电抗器组成，分别通过单相三绕组降压变压器并联接入两牵引供电臂，其中晶闸管投切电容器接于电压相位相对超前供电臂下的单相三绕组降压变压器，晶闸管控制电抗器接于电压相位相对滞后的供电臂下的单相三绕组降压变压器。

一种铁路功率调节器与静止无功补偿器联合负序电流补偿系统，包括铁路功率调节器和静止无功补偿器，铁路功率调节器通过两个单相降压变压器安装在牵引变压器二次侧的两供电臂之间，静止无功补偿器由两组并联连接的晶闸管投切电容器和一组晶闸管控制电抗器组成，分别通过单相降压变压器并联接入两牵引供电臂，其中晶闸管投切电容器接于电压相位相对超前供电臂下的单相降压变压器，晶闸管控制电抗器接于电压相位相对滞后的供电臂下的单相降压变压器。

本发明的技术效果在于：

(1)改善对牵引变压器原边三相电流负序分量的补偿效果。通过引入静止无功补偿器，适当改变两牵引供电臂中电流相位与幅值的大小，间接调节牵引变压器三相侧电流，降低其所含负序分量，从而达到改善三相电流不平衡度的目的。

(2)降低铁路功率调节器的容量。由于静止无功补偿器对两牵引供电臂中电流相位与幅值的调节作用，达到同样的不平衡度所需要的铁路功率调节器容量比单纯使用铁路功率调节器时要小，因此可以减小铁路功率调节器装置的容量，降低设备成本。

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构图。

图2为本发明实施例2的结构图。

图3是本发明的补偿原理图。

图4是本发明与单独使用铁路功率调节器的三相电流不平衡度与RPC容量的关系曲线。

具体实施方式

参见图1，图1为本发明实施例1的结构图。本发明包括铁路功率调节器1和静止无功补偿器2。铁路功率调节器1采用两个基于开关器件的单相H桥逆变器，通过共用直流侧电容形成“背靠背”结构，两个逆变器交流侧通过两个单相三绕组降压变压器分别并联接入牵引变压器二次侧两相供电臂。静止无功补偿器2由两组并联连接的晶闸管控制投切电容器4(TSC)和一组晶闸管控制电抗器3(TCR)组成，分别通过单相三绕组降压变压器并联接入两牵引供电臂。其中TSC接于电压相位超前的供电臂下的单相三绕组降压变压器，TCR接于电压相位滞后的供电臂下的单相三绕组降压变压器。单相三绕组降压变压器原边有一个绕组，副边有两个绕组，起隔离作用；单相降压变压器原副边各只有一个绕组。

参见图2，图2为本发明实施例2的结构图。本实施例中仅用单相降压变压器取代实施例1中的单相三绕组降压变压器。

两供电臂作为互相独立的供电单元向上下行机车供电，当只有上行线或下行线有机车时，三相侧电流中必然有一相为零，此时负序分量最大。RPC的作用是通过共用直流侧电容的双H桥逆变器将轻载一侧的能量转移到重载侧，以实现两供电臂有功功率的平衡。负荷有功功率的平衡会对三相电流的负序分量产生一定的抑制效果，但是依然无法消除。SVC就是为了达到这个目的而引入的。通过在电压相对超前的供电臂投入电容，在电压相对滞后的另一供电臂投入电感，进一步增大了两供电臂的相位差，使三相侧电流更趋近于幅值相等，相位互差120°的对称三相电流，从而减少甚至消除其负序分量。同时，由于SVC对负序的补偿作用，在达到相同的三相电流不平衡度的指标的情况下，综合补偿系统所需的RPC的容量比单纯使用RPC时要小，从而降低了RPC的容量需求。在RPC的转移容量少于标准容量时，针对电力机车位于不同供电臂时的情况，综合补偿系统需要在超前臂与滞后臂侧分别投入不同参数的电容电感值。电容电感的动态投入是由TSC与TCR的投切信号控制完成，TSC在电压峰值时刻动态投入与切除相应的电容，TCR通过调整晶闸管触发角从而改变其接入电感值。当电力机车位于其中一供电臂时，超前臂侧的TSC投入相应的其中一组电容器；在滞后臂所采用的TCR通过调节晶闸管的触发角来改变TCR的等效电纳值，从而动态调节接入电路的电感值。TSC与TCR的共同作用，使当机车位于不同供电臂时能达到相同的补偿效果。

下面结合附图3对综合补偿系统的原理作进一步的阐述。

以作为参考向量，假设机车负载在a供电臂，b供电臂空载。设两供电臂电流分别为机车负载电流为补偿前，${\stackrel{·}{I}}_a={\stackrel{·}{I}}_l,{\stackrel{·}{I}}_b=0.$令V/V变压器的电压变比为K，分别为三相电流正序、负序分量，a＝e^j120°为旋转因子，则三相侧电流可表示为：

$\left(\begin{array}{c}{\stackrel{·}{I}}_A=\frac{-{\stackrel{·}{I}}_a}{K}\\ {\stackrel{·}{I}}_B=-\frac{{\stackrel{·}{I}}_b}{K}\\ {\stackrel{·}{I}}_C=-({\stackrel{·}{I}}_A+{\stackrel{·}{I}}_B)=\frac{1}{K}({\stackrel{·}{I}}_a+{\stackrel{·}{I}}_b)\end{array}\right)---\left(1\right)$

根据电流正负序分量表示式：

$\left(\begin{array}{c}{\stackrel{·}{I}}_{A1}=\frac{1}{3}({\stackrel{·}{I}}_A+a{\stackrel{·}{I}}_B+a^2{\stackrel{·}{I}}_C)\\ {\stackrel{·}{I}}_{A2}=\frac{1}{3}({\stackrel{·}{I}}_A+a^2{\stackrel{·}{I}}_B+a{\stackrel{·}{I}}_C)\end{array}\right)---\left(2\right)$

可得：

$\left(\begin{array}{c}{\stackrel{·}{I}}_{A1}=\frac{1}{3K}(a^2-1){\stackrel{·}{I}}_a\\ {\stackrel{·}{I}}_{A2}=\frac{1}{3K}(a-1){\stackrel{·}{I}}_a\end{array}\right)$

定义$K_I=\frac{\left|{\stackrel{·}{I}}_{A2}\right|}{\left|{\stackrel{·}{I}}_{A1}\right|},$为三相电流不平衡度，即三相电流负序分量与正序分量之比，由以上分析可得，此时$K_I=\left|\frac{\frac{1}{3K}(a^2-1){\stackrel{·}{I}}_a}{\frac{1}{3K}(a-1){\stackrel{·}{I}}_a}\right|=1,$即三相电流负序分量与正序分量幅值相等。

当投入RPC装置之后，b供电臂向a供电臂提供部分有功，两供电臂共同承担负载的有功功率，因此有${\stackrel{·}{I}}_l={\stackrel{·}{I}}_a+{\stackrel{·}{I}}_b.$由于V/V变压器为60°结线形式，U_ac的相位超前于U_bc60°，电气化高速铁路机车负载功率因数往往较高，在此近似取为1，所以超前设RPC投入之后与的幅值比为n，则代入(1)(2)式可得：

$K_I=\frac{\sqrt{n^2-n+1}}{n+1}---\left(3\right)$

由上式可看出，当n＝1时，即RPC转移的有功功率为负载功率的一半时，ab两供电臂负荷完全平衡，此时$K_I=\frac{\sqrt{n^2-n+1}}{n+1}=50\%,$也就是说三相电流负序分量依然存在，且为正序分量的一半。

继续投入SVC装置，由于TSC与TCR等效的电容和电感的作用，两供电臂电流相进一步发生变化。假设TSC使a供电臂的电流超前的角度为α，TCR使b供电臂的电流滞后的角度为β，与的有功分量之比为n，则两供电臂电流关系可表示为：以此时的为参考相量，即则根据(1)(2)式可得：

由式(4)不难看出，当n＝1，α＝β＝30°时K_I＝0，三相电流的负序分量被完全补偿，因此RPC与SVC联合补偿系统能更好地改善对三相电流负序分量的补偿效果，取此时RPC转移的有功功率作为RPC的标准转移容量，用Cs表示。

下面结合附图2来说明系统中SVC装置的参数的设计。以机车负载只在a供电臂时的情况为例。设负载电流为I_la，仍然假设RPC投入之后I_a与I_b的有功分量之比为n，RPC转移的容量低于标准容量，即有n＞1，则

$\frac{I_a\cos \alpha }{I_b\cos \beta }=n---\left(5\right)$

忽略变流器中开关管的损耗，则有电流平衡关系：

I_la＝I_acosα+I_bcosβ                (6)

将(5)式代入(6)得：

$\left(\begin{array}{c}{I}_a=\frac{n{I}_{\mathrm{la}}}{(n+1)\cos \alpha }\\ I_b=\frac{I_{\mathrm{la}}}{(n+1)\cos \beta }\end{array}\right)---\left(7\right)$

设起隔离作用的单相三绕组降压变压器降压比及降压变压器的降压比均为K_t，根据TSC与TCR的作用可知：

$\left(\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{TSC}}=K_t{I}_a\cos \alpha \tan \alpha \\ I_{\mathrm{TCR}}=K_t{I}_b\cos \beta \tan \beta \end{array}\right)---\left(8\right)$

令ab供电臂相电压分别为U_ac、U_bc，TSC投切的电容值为C₁，设TCR的等效电感值为L_1equ，则

$\left(\begin{array}{c}{C}_1=\frac{K_t{I}_{\mathrm{TSC}}}{2\mathrm{\pi f}{U}_{\mathrm{ac}}}\\ L_{1\mathrm{equ}}=\frac{U_{\mathrm{bc}}}{2\mathrm{\pi f}{K}_t{I}_{\mathrm{TCR}}}=\frac{U_{\mathrm{ac}}}{2\mathrm{\pi f}{K}_t{I}_{\mathrm{TCR}}}\end{array}\right)---\left(9\right)$

其中f为基波频率。

联立(7)-(9)可得：

$\left(\begin{array}{c}{C}_1=\frac{n{I}_{\mathrm{la}}{K_t}^2\tan \alpha }{2\mathrm{\pi f}(n+1)U_{\mathrm{ac}}}\\ L_{1\mathrm{equ}}=\frac{U_{\mathrm{ac}}(n+1)}{2{\mathrm{\pi f}{K}_t}^2{I}_{\mathrm{la}}\tan \beta }\end{array}\right)---\left(10\right)$

当机车负载只在b供电臂时，RPC投入之后I_a与I_b的有功分量之比为此时TSC投入的电容为C₂，TCR的等效电感值为L_2equ，同理可求出：

$\left(\begin{array}{c}{C}_2=\frac{I_{\mathrm{la}}{K_t}^2\tan \alpha }{2\mathrm{\pi f}(n+1)U_{\mathrm{ac}}}\\ L_{2\mathrm{equ}}=\frac{U_{\mathrm{ac}}(n+1)}{2\mathrm{\pi f}{{\mathrm{nK}}_t}^2{I}_{\mathrm{la}}\tan \beta }\end{array}\right)---\left(11\right)$

通过(10)、(11)式可以求出电容器C₁和C₂的值，以及TCR投入的等效电抗值。L的取值应小于L_1equ和L_2equ中的较小值，即：

L＜min{L_1equ，L_2equ}                                    (12)

以使TCR有较大的调节空间。

附图4是使用Matlab绘制出的单独使用RPC与使用RPC与SVC联合系统时的三相电流不平衡度与RPC容量的关系曲线，其中取RPC的容量为C，横坐标代表RPC容量与标准容量之比，纵坐标代表三相电流不平衡度Ki，红线和蓝线分别代表单独使用RPC和联合系统在功率因数角α＝β＝15°时的曲线。从图中不难看出，当取三相电流不平衡度为50％作为补偿目标时单纯RPC的容量与标准容量相同，而联合系统所需RPC的容量只有标准容量的57.31％，比前者减少了42.69％，因此，对于相同的补偿目标，联合系统所需RPC容量较单纯RPC要小，从而达到相对降低RPC容量的目的。