电磁混合式高速铁路多站点电能质量协同补偿装置及方法

技术领域

本发明属于电气化铁路电能质量分析和控制技术领域，尤其涉及一种电磁混合式高速铁 路多站点电能质量协同补偿装置及方法。

背景技术

电气化铁路以其载客量高、输送能力大、速度快和安全节能等优势，成为我国近几年来 重点发展的交通运输方式之一。从电气化铁路机车运行特性来看，可分为常规电气化铁路机 车和高速铁路机车两大类。其中，常规电气化铁路机车主要采用交-直型传动方式，我国在该 技术领域研究较为成熟，但是直流电机功率和体积成正比，无法适应高速重载运行，同时运 行时有干扰电流电波、有碳刷接触故障率高。相比常规电气化铁路机车，高速铁路机车采用 交-直-交型电力机车，该机车具有起动牵引力大、体积小、调压较易、无接触摩擦件故障率 低、电流电波小等优势，同时电车再生后制动时，可使交流电返回电网，节省能源。但无论 是常规电气化铁路还是高速铁路，其牵引供电方式绝大多数为三相-两相制式，即其原边取自 电力系统的110kV或220kV三相电压，次边向两上单相供电臂供电，其母线额定电压为 27.5kV。因此对于三相对称的电力系统来说，其铁路机车负荷具有非线性、不对称和波动性 等特点，在运行的过程中会产生极大的负序电流和一定量的高次谐波电流和无功功率，其中 以负序问题尤为突出。

目前常规电气化铁路对于负序不平衡问题的解决办法通常是采用轮流换相和采用平衡化 变压器的方式，这对于常规电气化铁路机车负荷功率不大的情况具有一定的抑制效果，但上 述方法并不能从根本上解决电气化铁路机车的负序问题。而对高速铁路来说，由于高速铁路 机车负荷功率很大，上述方法在高速铁路负序治理问题上存在较大局限性。要从根本上解决 电气化铁路负序不平衡问题，必须加装相应的负序补偿装置。

现阶段电力系统一般采用晶闸管控制电抗器(TCR)和固定电容器(FC)组成的TCR型静止 无功补偿装置(SVC)来抑制负序电流，但是这种方法对于高速铁路负序补偿存在以下缺陷：

1）动态响应性差，TCR型SVC装置的动态响应性不能满足高速铁路机车快速变化的负 载要求；

2）谐波含量大，TCR型SVC装置的谐波含量很大，可达到15%，且低次谐波含量较大， 对高铁路供电系统有较大冲击；

3）TCR型SVC装置占地面积大、噪音大、成本大、损耗大。

为了解决TCR型SVC装置存在的问题，基于磁阀式可控电抗器(MCR)的磁控型静止无 功补偿装置(MSVC)在上世纪90年代之后有了很大的发展，在MCR型MSVC装置中，MCR 在保持TCR优点的同时，克服了TCR在谐波、装置大小、损耗、噪音和可靠性等方面的缺 点。而多级磁阀式磁控电抗器(MSMCR)^[1]是在MCR基础上的最新研究发展成果，相比传统 的MCR，其在谐波控制和动态响应性方面有极大提升。值得特别提出的是，MSMCR还具有 对特定次数谐波进行优化的功能。

虽然MSMCR相比TCR，其谐波控制和动态响应性得到了较大提高，但由于其磁饱和的 工作特性，仍然无法做到极佳的动态响应性以适应高速铁路负荷的快速波动，并且无法完全 消除MSVC装置谐波，而且单一采用上述无功发生装置直接补偿负序电流的方法需要投入极 大的补偿容量。通过铁路功率调节器(RPC)来实现电气化铁路牵引供电系统综合电能质量控制 的概念最早是由日本学者提出的。RPC主要采用大功率电力电子器件来实现电气化铁路两侧 有功功率的双向传递和无功功率输出。该补偿装置响应性好、控制灵活、可拓展性强，同时 RPC可以通过平衡系统两侧有功功率有效的降低系统负序补偿所需的无功投入容量。但是由 于电力电子器件容量有限，制造工艺复杂，装置成本昂贵，如果高速铁路巨大的机车负荷如 果全部负序电流采用RPC来补偿的话，显然是不现实的。

文中涉及的参考文献：

[1]陈绪轩,田翠华,陈柏超,等.多级饱和磁阀式可控电抗器谐波分析数学模型[J].电工技术 学报,2011，26(3):57-64.

发明内容

针对现有技术的不足，本发明将基于MSMCR的大容量MSVC和小容量RPC结合，提 供了一种可以消除谐波、所需投入容量小、动态响应速度快、成本低的电磁混合式高速铁路 多站点电能质量协同补偿装置及方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种电磁混合式高速铁路多站点电能质量协同补偿装置，包括一台铁路功率调节器 （RPC）和三台磁控静止无功补偿装置（MSVC），所述的铁路功率调节器通过两台单相降压 变压器与V/V接线牵引变压器二次侧的两供电臂相连，用来快速平衡供电臂两侧有功功率并 发出适量无功功率，以实现快速降低牵引供电系统不平衡度的目的，同时铁路功率调节器还 肩负着消除系统高次谐波的任务；所述的磁控静止无功补偿装置由多级磁阀式磁控电抗器 （MSMCR）和滤波电路并联构成，三台磁控静止无功补偿装置分别安装在三相V/V接线牵 引变压器二次侧的三相相间，用于补偿无功功率和负序，而MSVC中滤波电路可以滤除系统 3次和5次谐波。

一种采用上述装置的多站点电能质量协同补偿方法，首先采用轮流换相方法给3N+i站 牵引变电站中的3N站安装上述电能质量协同补偿装置，N为不小于1的自然数，i＝0,1,2， 假设电力系统母线上三相相间负载有功功率分别为P_L.AB、P_L.BC、P_L.CA，且P_L.AB≤P_L.BC≤P_L.CA， 其中，P_L.AB、P_L.BC、P_L.CA分别为AB、BC、CA相间负载的有功功率，将P_L.AB、P_L.BC、P_L.CA网 络分解为一个平衡网络P_L.AB、P_L.AB、P_L.AB和一个不平衡网络P_L.CA-P_L.AB、P_L.BC-P_L.AB、0，上 述安装在牵引变电站的电能质量协同补偿装置仅需要对不平衡网络P_L.CA-P_L.AB、P_L.BC-P_L.AB、 0进行补偿，补偿方法如下：假设连接CA和BC相间的铁路功率调节器编号为3m+1，连接 CA和AB相间的铁路功率调节器编号为3m+2，而连接BC相和AB相间的铁路功率调节器 编号为3m+3，m＝0,1,2,...,N-1；

首先，电能质量协同补偿装置中的铁路功率调节器根据相间的具体负载情况进行补偿：

1）当P_L.BC-P_L.AB≤2NP_RPC，且其中，P_RPC为铁路功率调节器最大可传递的有功功率，编号为3m+1的铁路功率调节器的补偿方案为： $\left(\begin{array}{c}{S}_{\mathrm{bc}.r}^{3m+1}=-P_{\mathrm{RPC}}+{\mathrm{jP}}_{\mathrm{RPC}}/\sqrt{3}\\ S_{\mathrm{ca}.r}^{3m+1}=P_{\mathrm{RPC}}-{\mathrm{jP}}_{\mathrm{RPC}}/\sqrt{3}\end{array}\right),$编号为3m+2的铁路功率调节器的补偿方案为： $\left(\begin{array}{c}{S}_{\mathrm{ab}.r}^{3m+2}=-P_{\mathrm{RPC}}-{\mathrm{jP}}_{\mathrm{RPC}}/\sqrt{3}\\ S_{\mathrm{ca}.r}^{3m+2}=P_{\mathrm{RPC}}+{\mathrm{jP}}_{\mathrm{RPC}}/\sqrt{3}\end{array}\right),$编号为3m+3的铁路功率调节器的补偿方案为： $\left(\begin{array}{c}{S}_{\mathrm{ab}.r}^{3m+3}=-\frac{P_{L.\mathrm{BC}}-P_{L.\mathrm{AB}}}{2}-j{P}_{\mathrm{RPC}}/\sqrt{3}\\ S_{\mathrm{bc}.r}^{3m+3}=\frac{P_{L.\mathrm{BC}}-P_{L.\mathrm{AB}}}{2}+j{P}_{\mathrm{RPC}}/\sqrt{3}\end{array}\right),$其中，分别为编号为3m+1的铁路功率调节器 对BC和CA相间的补偿容量，分别为编号为3m+2的铁路功率调节器对AB和 CA相间的补偿容量，分别为编号为3m+3的铁路功率调节器对AB和BC相间 的补偿容量；

2）当P_L.BC-P_L.AB≤2NP_RPC，且时，其中， P_RPC为铁路功率调节器最大可传递的有功功率，编号为3m+1的铁路功率调节器的补偿方案 为：$\left(\begin{array}{c}{S}_{\mathrm{bc}.r}^{3m+1}=-P_{\mathrm{RPC}}+j\frac{P_{L.\mathrm{CA}}-P_{L.\mathrm{BC}}-3{\mathrm{NP}}_{\mathrm{RPC}}}{2\sqrt{3}N}\\ S_{\mathrm{ca}.r}^{3m+1}=P_{\mathrm{RPC}}-j\frac{P_{L.\mathrm{CA}}-P_{L.\mathrm{BC}}-3{\mathrm{NP}}_{\mathrm{RPC}}}{2\sqrt{3}N}\end{array}\right),$编号为3m+2的铁路功率调节器的补偿方案为： $\left(\begin{array}{c}{S}_{\mathrm{ab}.r}^{3m+2}=-P_{\mathrm{RPC}}-j\frac{P_{L.\mathrm{CA}}-P_{L.\mathrm{BC}}-3{\mathrm{NP}}_{\mathrm{RPC}}}{2\sqrt{3}N}\\ S_{\mathrm{ca}.r}^{3m+2}=P_{\mathrm{RPC}}+j\frac{P_{L.\mathrm{CA}}-P_{L.\mathrm{BC}}-3{\mathrm{NP}}_{\mathrm{RPC}}}{2\sqrt{3}N}\end{array}\right),$编号为3m+3的铁路功率调节器的补偿方案为： $\left(\begin{array}{c}{S}_{\mathrm{ab}.r}^{3m+3}=-\frac{P_{L.\mathrm{BC}}-P_{L.\mathrm{AB}}}{2}-j\frac{P_{L.\mathrm{CA}}-P_{L.\mathrm{BC}}-3{\mathrm{NP}}_{\mathrm{RPC}}}{2\sqrt{3}N}\\ S_{\mathrm{bc}.r}^{3m+3}=\frac{P_{L.\mathrm{BC}}-P_{L.\mathrm{AB}}}{2}+j\frac{P_{L.\mathrm{CA}}-P_{L.\mathrm{BC}}-3{\mathrm{NP}}_{\mathrm{RPC}}}{2\sqrt{3}N}\end{array}\right),$分别为编号为3m+1的铁路功率 调节器对BC和CA相间的补偿容量，分别为编号为3m+2的铁路功率调节器对 AB和CA相间的补偿容量，分别为编号为3m+3的铁路功率调节器对AB和BC 相间的补偿容量；

3）当且时，其中，P_RPC为铁路功率调 节器最大可传递的有功功率，编号为3m+1的铁路功率调节器的补偿方案为： $\left(\begin{array}{c}{S}_{\mathrm{bc}.r}^{3m+1}=-P_{\mathrm{RPC}}+j\frac{P_{L.\mathrm{CA}}-P_{L.\mathrm{AB}}-4{\mathrm{NP}}_{\mathrm{RPC}}}{2\sqrt{3}N}\\ S_{\mathrm{ca}.r}^{3m+1}=P_{\mathrm{RPC}}-j\frac{P_{L.\mathrm{CA}}-P_{L.\mathrm{AB}}-4{\mathrm{NP}}_{\mathrm{RPC}}}{2\sqrt{3}N}\end{array}\right),$编号为3m+2的铁路功率调节器的补偿方案为： $\left(\begin{array}{c}{S}_{\mathrm{ab}.r}^{3m+2}=-P_{\mathrm{RPC}}-j\frac{P_{L.\mathrm{CA}}-{2P}_{L.\mathrm{BC}}+P_{L.\mathrm{AB}}}{2\sqrt{3}N}\\ S_{\mathrm{ca}.r}^{3m+2}=P_{\mathrm{RPC}}-j\frac{P_{L.\mathrm{CA}}-{2P}_{L.\mathrm{BC}}+P_{L.\mathrm{AB}}}{2\sqrt{3}N}\end{array}\right),$编号为3m+3的铁路功率调节器的补偿方案为： $\left(\begin{array}{c}{S}_{\mathrm{ab}.r}^{3m+3}=-P_{\mathrm{RPC}}-j\frac{P_{L.\mathrm{CA}}-P_{L.\mathrm{AB}}-4{\mathrm{NP}}_{\mathrm{RPC}}}{2\sqrt{3}N}\\ S_{\mathrm{ca}.r}^{3m+3}=P_{\mathrm{RPC}}+j\frac{P_{L.\mathrm{CA}}-P_{L.\mathrm{AB}}-4{\mathrm{NP}}_{\mathrm{RPC}}}{2\sqrt{3}N}\end{array}\right),$其中，分别为编号为3m+1的铁路功率调 节器对BC和CA相间的补偿容量，分别为编号为3m+2的铁路功率调节器对AB 和CA相间的补偿容量，分别为编号为3m+3的铁路功率调节器对AB和BC相 间的补偿容量；

4）当且时，其中，P_RPC为铁路功率调节 器最大可传递的有功功率，编号为3m+1的铁路功率调节器的补偿方案为： $\left(\begin{array}{c}{S}_{\mathrm{bc}.r}^{3m+1}=-P_{\mathrm{RPC}}+j\frac{P_{\mathrm{RPC}}}{\sqrt{3}}\\ S_{\mathrm{ca}.r}^{3m+1}=P_{\mathrm{RPC}}-j\frac{P_{\mathrm{RPC}}}{\sqrt{3}}\end{array}\right),$编号为3m+2的铁路功率调节器的补偿方案为： $\left(\begin{array}{c}{S}_{\mathrm{ab}.r}^{3m+2}=-P_{\mathrm{RPC}}-j\frac{P_{\mathrm{RPC}}}{\sqrt{3}}\\ S_{\mathrm{ca}.r}^{3m+2}=P_{\mathrm{RPC}}+j\frac{P_{\mathrm{RPC}}}{\sqrt{3}}\end{array}\right),$编号为3m+3的铁路功率调节器的补偿方案为： $\left(\begin{array}{c}{S}_{\mathrm{ab}.r}^{3m+3}=-P_{\mathrm{RPC}}-j\frac{P_{\mathrm{RPC}}}{\sqrt{3}}\\ S_{\mathrm{bc}.r}^{3m+3}=P_{\mathrm{RPC}}+j\frac{P_{\mathrm{RPC}}}{\sqrt{3}}\end{array}\right),$其中，分别为编号为3m+1的铁路功率调节器对BC和 CA相间的补偿容量，分别为编号为3m+2的铁路功率调节器对AB和CA相间 的补偿容量，分别为编号为3m+3的铁路功率调节器对AB和BC相间的补偿容 量；

5）当P_L.CA-P_L.BC＞2NP_RPC且时，其中，P_RPC为 铁路功率调节器最大可传递的有功功率，编号为3m+1的铁路功率调节器的补偿方案为： $\left(\begin{array}{c}{S}_{\mathrm{bc}.r}^{3m+1}=-P_{\mathrm{RPC}}+j\frac{P_{\mathrm{RPC}}}{\sqrt{3}}\\ S_{\mathrm{ca}.r}^{3m+1}=P_{\mathrm{RPC}}-j\frac{P_{\mathrm{RPC}}}{\sqrt{3}}\end{array}\right),$编号为3m+2的铁路功率调节器的补偿方案为： $\left(\begin{array}{c}{S}_{\mathrm{ab}.r}^{3m+2}=-P_{\mathrm{RPC}}-j\frac{P_{\mathrm{RPC}}}{\sqrt{3}}\\ S_{\mathrm{ca}.r}^{3m+2}=P_{\mathrm{RPC}}+j\frac{P_{\mathrm{RPC}}}{\sqrt{3}}\end{array}\right),$编号为3m+3的铁路功率调节器的补偿方案为： $\left(\begin{array}{c}{S}_{\mathrm{ab}.r}^{3m+3}=-P_{\mathrm{RPC}}-j\frac{P_{\mathrm{RPC}}}{\sqrt{3}}\\ S_{\mathrm{bc}.r}^{3m+3}=P_{\mathrm{RPC}}+j\frac{P_{\mathrm{RPC}}}{\sqrt{3}}\end{array}\right),$其中，分别为编号为3m+1的铁路功率调节器对BC和CA 相间的补偿容量，分别为编号为3m+2的铁路功率调节器对AB和CA相间的补 偿容量，分别为编号为3m+3的铁路功率调节器对AB和BC相间的补偿容量；

6）当P_L.CA-P_L.BC＞2NP_RPC且时，其中，P_RPC为 铁路功率调节器最大可传递的有功功率，编号为3m+1的铁路功率调节器的补偿方案为： $\left(\begin{array}{c}{S}_{\mathrm{bc}.r}^{3m+1}=-P_{\mathrm{RPC}}+j\frac{P_{L.\mathrm{CA}}-P_{L.\mathrm{AB}}-4N{P}_{\mathrm{RPC}}}{2\sqrt{3}N}\\ S_{\mathrm{ca}.r}^{3m+1}=P_{\mathrm{RPC}}-j\frac{P_{L.\mathrm{BC}}-P_{L.\mathrm{AB}}-2N{P}_{\mathrm{RPC}}}{2\sqrt{3}N}\end{array}\right),$编号为3m+2的铁路功率调节器的补偿方案为： $\left(\begin{array}{c}{S}_{\mathrm{ab}.r}^{3m+2}=-P_{\mathrm{RPC}}-j\frac{P_{L.\mathrm{CA}}-P_{L.\mathrm{AB}}-4N{P}_{\mathrm{RPC}}}{2\sqrt{3}N}\\ S_{\mathrm{ca}.r}^{3m+2}=P_{\mathrm{RPC}}-j\frac{P_{L.\mathrm{BC}}-P_{L.\mathrm{AB}}-2N{P}_{\mathrm{RPC}}}{2\sqrt{3}N}\end{array}\right),$编号为3m+3的铁路功率调节器的补偿方案为： $\left(\begin{array}{c}{S}_{\mathrm{ab}.r}^{3m+3}=-P_{\mathrm{RPC}}-j\frac{P_{L.\mathrm{CA}}-P_{L.\mathrm{AB}}-4N{P}_{\mathrm{RPC}}}{2\sqrt{3}N}\\ S_{\mathrm{ba}.r}^{3m+3}=P_{\mathrm{RPC}}+j\frac{P_{L.\mathrm{CA}}-P_{L.\mathrm{AB}}-4N{P}_{\mathrm{RPC}}}{2\sqrt{3}N}\end{array}\right),$其中，分别为编号为3m+1的铁路功率调 节器对BC和CA相间的补偿容量，分别为编号为3m+2的铁路功率调节器对AB 和CA相间的补偿容量，分别为编号为3m+3的铁路功率调节器对AB和BC相 间的补偿容量；

7）当P_L.CA-P_L.BC≤2NP_RPC且时，其中，P_RPC为铁路功率调节器最大可传递的有功功率，编号为3m+1的铁路功率调节器的补偿方案为： $\left(\begin{array}{c}{S}_{\mathrm{bc}.r}^{3m+1}=-\frac{P_{L.\mathrm{CA}}-P_{L.\mathrm{BC}}}{2}+j\frac{\frac{P_{L.\mathrm{CA}}+P_{L.\mathrm{BC}}-2P_{L.\mathrm{AB}}}{2}-3N{P}_{\mathrm{RPC}}}{2\sqrt{3}N}\\ S_{\mathrm{ca}.r}^{3m+1}=\frac{P_{L.\mathrm{CA}}-P_{L.\mathrm{BC}}}{2}-j\frac{\frac{P_{L.\mathrm{CA}}+P_{L.\mathrm{BC}}-2P_{L.\mathrm{AB}}}{2}-3N{P}_{\mathrm{RPC}}}{2\sqrt{3}N}\end{array}\right),$编号为3m+2的铁路功率调节器的补 偿方案为：$\left(\begin{array}{c}{S}_{\mathrm{ab}.r}^{3m+2}=-P_{\mathrm{RPC}}+j\frac{\frac{P_{L.\mathrm{CA}}+P_{L.\mathrm{BC}}-2P_{L.\mathrm{AB}}}{2}-3N{P}_{\mathrm{RPC}}}{2\sqrt{3}N}\\ S_{\mathrm{ca}.r}^{3m+2}=P_{\mathrm{RPC}}-j\frac{\frac{P_{L.\mathrm{CA}}+P_{L.\mathrm{BC}}-2P_{L.\mathrm{AB}}}{2}-3N{P}_{\mathrm{RPC}}}{2\sqrt{3}N}\end{array}\right),$编号为3m+3的铁路功率调节器 的补偿方案为：$\left(\begin{array}{c}{S}_{\mathrm{ab}.r}^{3m+3}=-P_{\mathrm{RPC}}-j\frac{\frac{P_{L.\mathrm{CA}}+P_{L.\mathrm{BC}}-2P_{L.\mathrm{AB}}}{2}-3N{P}_{\mathrm{RPC}}}{2\sqrt{3}N}\\ S_{\mathrm{bc}.r}^{3m+3}=P_{\mathrm{RPC}}+j\frac{\frac{P_{L.\mathrm{CA}}+P_{L.\mathrm{BC}}-2P_{L.\mathrm{AB}}}{2}-3{\mathrm{NP}}_{\mathrm{RPC}}}{2\sqrt{3N}}\end{array}\right),$其中，分别为编 号为3m+1的铁路功率调节器对BC和CA相间的补偿容量，分别为编号为3m+2 的铁路功率调节器对AB和CA相间的补偿容量，分别为编号为3m+3的铁路功 率调节器对AB和BC相间的补偿容量；

8）当P_L.CA-P_L.BC≤2NP_RPC且时，其中，P_RPC为铁路功率调节器最大可传递的有功功率，编号为3m+1的铁路功率调节器的补偿方案为： $\left(\begin{array}{c}{S}_{\mathrm{bc}.r}^{3m+1}=-\frac{P_{L.\mathrm{CA}}-P_{L.\mathrm{BC}}}{2}+j\frac{P_{\mathrm{RPC}}}{\sqrt{3}}\\ S_{\mathrm{ca}.r}^{3m+1}=\frac{P_{L.\mathrm{CA}}-P_{L.\mathrm{BC}}}{2}-j\frac{P_{\mathrm{RPC}}}{\sqrt{3}}\end{array}\right),$编号为3m+2的铁路功率调节器的补偿方案为： $\left(\begin{array}{c}{S}_{\mathrm{ab}.r}^{3m+2}=-P_{\mathrm{RPC}}+j\frac{P_{\mathrm{RPC}}}{\sqrt{3}}\\ S_{\mathrm{ca}.r}^{3m+2}=P_{\mathrm{RPC}}-j\frac{P_{\mathrm{RPC}}}{\sqrt{3}}\end{array}\right),$编号为3m+3的铁路功率调节器的补偿方案为： $\left(\begin{array}{c}{S}_{\mathrm{ab}.r}^{3m+3}=-P_{\mathrm{RPC}}-j\frac{P_{\mathrm{RPC}}}{\sqrt{3}}\\ S_{\mathrm{bc}.r}^{3m+3}=P_{\mathrm{RPC}}+j\frac{P_{\mathrm{RPC}}}{\sqrt{3}}\end{array}\right),$其中，分别为编号为3m+1的铁路功率调节器对BC和 CA相间的补偿容量，分别为编号为3m+2的铁路功率调节器对AB和CA相间 的补偿容量，分别为编号为3m+3的铁路功率调节器对AB和BC相间的补偿容 量；

接着，电能质量协同补偿装置中的磁控静止无功补偿装置对剩余的负序电流和负荷无功 进行补偿，具体为，对上述1）、4）、5）、8）四种相间负载情况进行负序电流和负荷无功补 偿，具体推导过程和补偿方法为：

假设铁路功率调节器补偿后的电力系统公共母线上剩余的不平衡网络为：P′_L.CA、P′_L.BC、0， 其中，P′_L.CA、P′_L.BC、0分别为CA、BC、AB相间负载的有功功率。

根据C.P.Steimetz补偿原理，磁控静止无功补偿装置需向CA、BC、AB三相相间提供的 用于负序补偿的无功功率Q_S.CA、Q_S.BC、Q_S.AB分别为：这部分无功功率将均匀的分配到各牵引变电站的各相间的磁控静止无 功补偿装置上，则，具体的各相间的各磁控静止无功补偿装置提供的负序补偿无功功率分别 为：

此时各牵引变电站三相间MSVC装置投入无功和负序补偿容量为：其中，Q′_L.CA，Q′_L.BC，Q′_L.AB分别代表各站点自身负 荷的无功功率。

与现有技术相比，本发明具有以下特点和优异效果：

1、在本发明中，首先采用RPC对电力系统最大负荷侧的无功功率进行补偿，再利用MSVC 对剩余无功功率进行补偿，且采用多站点协同补偿的方式，充分利用了RPC的工作特性，且 有效的节省了MSVC的工作负担，这样既提高了整体装置的动态响应速度、降低了设备补偿 容量，同时又减少了整体装置的制造成本和运行可靠性；

2、在本发明方法中，采用MSVC中的滤波支路将3次谐波和5次谐波进行滤波；其他 高次谐波由RPC进行滤波，这样搭配可以有效利用本发明的电能质量协同补偿装置，具有很 好的滤波效果；

3、本发明可用于补偿电气化铁路牵引供电系统的电能质量，具体包括：负序补偿、无功 功率补偿和滤除谐波，在高速铁路负载极不平衡的场合具有很好的应用前景。

附图说明

图1为本发明多站电能质量协同补偿装置结构示意图；

图2为单个电能质量协同补偿装置及其安装结构示意图；

图3电磁混合式补偿方法相量图，其中，图3(a)为有功平衡和无功平衡向量图，图3 (b)为无功平衡负序结构图；

图4为采用了本发明的协同补偿系统结构图，其中，图4(a)为协同补偿系统整体结构 图，图4(b)为MSVC控制系统结构图，图4(c)为RPC控制系统结构图；

图5多级磁阀式磁控电抗器(MSMCR)的控制原理图；

图6为本发明装置中铁路功率调节器的结构拓扑图；

图7为本发明装置中铁路功率调节器的控制原理图。

具体实施方式

本发明以保证为牵引变电站供电母线符合国家电能质量标准为目标，通过在同一母线上 的多个牵引变电站上的混合式补偿装置相互协同，从而达到降低各站点补偿装置安装容量的 目的。为达到上述目的，本发明采用多级磁阀式磁控电抗器(MSMCR)作为磁控静止无功补偿 装置(MSVC)的基础装置，采用MSMCR，使整个MSVC系统可靠性提高，可以达到20年免 维护。本发明将大容量MSVC和小容量RPC结合，利用MSVC和RPC进行多站点协同补偿， 同一供电母线上，多站点一般不会同时达到最大负荷的情况，所以本发明提出的多站点电能 质量协同补偿方法能更进一步节省各站点负序补偿所需的设备补偿容量，同时在谐波抑制和 无功补偿方面具有很好的效果。并且，如果一个站点设备故障或检修，并不会影响整体的补 偿效果，极大的提高了系统的稳定性和可靠性。

下面将结合附图和具体实施对本发明方法做进一步说明。

本发明装置的结构示意图如图2所示，从图可以看出，本发明装置由一台铁路功率调节 器（RPC）和三台磁控静止无功补偿装置（MSVC）组成，铁路功率调节器由背靠背共直流 电压的两H桥逆变器和两降压变压器构成，其通过降压变压器与V/V接线牵引变压器二次侧 的两供电臂相连，用来快速平衡供电臂两侧有功功率并发出适量无功功率，以实现快速降低 牵引供电系统不平衡度的目的，同时铁路功率调节器还肩负着消除电力系统高次谐波的任务； 磁控静止无功补偿装置由多级磁阀式磁控电抗器（MSMCR）和滤波电路并联构成，三台磁 控静止无功补偿装置分别安装在三相V/V接线牵引变压器二次侧的三相相间，用于补偿无功 功率和负序，而MSVC中滤波电路可以滤除系统3次和5次谐波。

图5为多级磁阀式磁控电抗器（MSMCR）的控制原理图，MSMCR由晶闸管触发控制， 不同的触发角度对应于不同的容量。在高速铁路负序控制中，MSMCR的控制较为简单，其 控制部分由可编程逻辑控制器（PLC）完成。

本发明方法中是采用轮流换相方法给3N+i站牵引变电站中的3N站安装上述电能质量 协同补偿装置，N为不小于1的自然数，i＝0,1,2，图1为相邻三站牵引变电站上电能质量 协同补偿装置的安装示意图。在本具体实施中，首先，在电力系统为电气化铁路牵引变电站 供电的220kV供电母线上安装母线信号采集装置，本具体实施中的母线信号采集装置为电压 传感器和电流传感器，用来实时获取供电系统各相的电流和电压，根据所获取的电压和电流， 通过一功率计算模块计算得到供电母线各相间的实时有功功率、无功功率和功率因数等信息， 再根据实时有功功率、无功功率和功率因数等信息，通过中心控制器计算出供电母线实时的 电流不平衡度和电压不平衡度，并根据电流不平衡和电压不平衡度数值的不同、及其本发明 的提供的补偿方法来设计具体的补偿方案，即设计RPC的有功功率传递方向和大小、RPC装 置和MSVC的无功功率补偿容量，当各站点的控制中心接收到中心控制器发送的补偿方案后， 控制RPC和MSVC开始投入补偿，具体不平衡补偿相量图和补偿系统结构图见图3与图4。

图6为本发明铁路功率调节器的结构拓扑图，图7为图6中铁路功率调节器的控制原理 图，从图中可以看出，本发明装置中的RPC为单相全桥PWM控制电压型变流器，由两个电 压源型变流器(VSC1和VSC2)组成，电压源型变流器(VSC1和VSC2)是采用4个绝缘栅双极 型晶体管构成单相H型桥式电路，VSC1和VSC2一个工作在整流状态，一个工作在逆变状 态。图6中，VSC1中，绝缘栅双极型晶体管T₁、T₃共集电极，其发射极接在牵引线路的α侧； 绝缘栅双极型晶体管T₂、T₄共发射极，其发射极接在牵引线路的α侧；VSC2中，绝缘栅双 极型晶体管T₅、T₇共集电极，其发射极接在牵引线路的β侧，绝缘栅双极型晶体管T₆、T₈共 发射极，其发射极接在牵引线路的β侧。本发明中采用脉宽调制(PWM)的方法控制各开关器 件（T₁、T₂、T₃、T₄、T₅、T₆、T₇、T₈）的导通状态来控制VSC1和VSC2的工作状态。

要实现牵引线路两侧有功功率的传递，RPC的控制系统应具有两个控制功能：直流电压 恒定控制和交流电流和交流电压跟踪控制。要RPC中VSC正常工作，必须要有稳定的直流 电源，即直流电容两端电压的稳定。因此，在RPC的交流电流和交流电压跟踪控制功能中必 须再加上一个直流电压维持电流i_dc。本发明中RPC的控制原理图如图7所示，图中，直流电 压经比例积分调节器（PT）调节后与系统电压同步信号相乘得到交流电流指令，并分别与电 流参考量i_αref、i_βref进行叠加，得到RPC两侧VSC的实际参考电流i′_α、i′_β。直流电压的维持 功率一般由整流侧提供，即由工作在整流状态的VSC进行参考电流的叠加。参考电流由转移 电流加上直流电容维持电流，DSP根据参考电流控制信号产生相应的PWM脉冲来控制VSC， 从而实现要求的交流电流输出，即实现了有功功率转移和无功功率输出。

电流的参考信号由主控制单元PLC产生，PLC采集到两侧的电流后转换成模拟信号输入 到RPC的控制系统中的控制集成电路板中，该电路的核心为DSP，电路板由编程及硬件逻辑 完成直流电压维持电流的产生及叠加工作，进行电流滞环控制，发出所要求的PWM脉冲。

图5中，先对电压量进行正序的提取，在下面计算中只对负序电流进行计算，即在这个 一个前提下：负序电流补偿到0时，负序电压也等于0。然后，采用瞬时功率理论计算出所 需补偿的MSMCR的等效电纳。之后在PLC中完成相关计算，得到相应的触发角来控制 MSMCR的工作特性，完成负序补偿。

在本发明中，通过对电力系统母线和各牵引变电站的分级控制，有效的降低了控制系统 的复杂性和可靠性。并且实现了RPC装置的闭环控制，提高了补偿系统的精准度，更为有效 的降低了MSVC装置的负担。本发明中，谐波由MSVC装置和RPC装置综合治理，MSVC 装置主要负责滤除3次和5次谐波，其他高次谐波由RPC进行滤波，该方案不仅可以有效的 滤除系统谐波，同时充分考虑到RPC装置容量，电气化铁路少量的高次谐波并不影响RPC 装置的安装容量。本发明对各类型电气化铁路牵引供电系统的电能质量都具有很好的补偿效 果，特别是高速铁路负载极不平衡的场合具有很好的应用前景。