專利名稱：一種重載鐵路長供電臂末端網(wǎng)壓提高方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及到一種電力輸送方式及裝置，尤其是指一種重載鐵路長供電臂末端網(wǎng) 壓提高方法及裝置，國際專利分類號為B61F05/02，主要用于重載軌道交通輸配電系統(tǒng)中。
背景技術：
隨著我國國民經濟的高速發(fā)展，對鐵路運輸能力不斷提出更高的要求，也使得電 氣化鐵道牽引負荷持續(xù)增長。不少線路，重負荷條件下牽引網(wǎng)電壓水平過低，影響列車的正 常牽引運行，限制了運量進一步增長。在牽引網(wǎng)中，并聯(lián)自耦變壓器形成AT供電方式，相對其他供電方式有電壓、功率 損失較少，供電距離更長的特點，因此我國重載線很多處采用了這種供電方式，如我國西煤 東運的大秦、神朔線。但是隨著運量的日益劇增，導致行車密度和單車功率增加，這使得長 供電臂的電壓損失大大增加，出現(xiàn)在長供電臂的末端已經低于機車運行最低電壓19KV而 引起的停車現(xiàn)象。通過對長供電臂末端電壓跌落的原因進行的分析，得出造成電壓損失主 要原因為無功功率電流在感抗上的電壓降造成。而這種電壓降在物理上可分為無功電流 在系統(tǒng)阻抗和變電站主變壓器阻抗上的電壓的損失，簡稱系統(tǒng)電壓損失，和無功電流在接 觸網(wǎng)電壓損失。目前，解決牽引網(wǎng)電壓水平過低的辦法有增大牽引變電所進線的系統(tǒng)短路容量和 更換大容量的牽引變壓器，但這并沒有從根本上解決電壓損失，而且涉及到與電力系統(tǒng)的 相互配合和主變壓器的更換，代價大。而考慮通過從牽引供電系統(tǒng)內部找到一種科學合理 的調壓策略，解決網(wǎng)壓過低的問題是一種投資小、見效快的方案，并可實現(xiàn)在調節(jié)電壓的同 時可兼顧補償功率因數(shù)和負序電流。因此目前提出對牽引變電所進行無功功率補償?shù)姆椒?越來越多，但其主要目的是提高功率因數(shù)至0. 9以上，以避免電力系統(tǒng)的罰款。典型的有在 變壓器的出線端安裝FC或者SVC的方式提高網(wǎng)壓。以下論文是與本方案相近的方案①《牽引供電臂末端電壓偏低的原因分析及解決方案》主要是針對接觸網(wǎng)的電壓 損失進行了分析，并提出“為了從根本上解決供電臂末端電壓偏低的問題，本人認為最根本 的辦法應該從接觸網(wǎng)結構和材料上下功夫”的方法。②《翼城AT牽引變電所動態(tài)無功補償?shù)奶接懪c實踐》針對重載電氣化鐵道AT供 電牽引變電所功率因數(shù)不達標的問題，提出了牽引變壓器出線端安裝磁閥式可控電抗器以 調節(jié)無功功率，達到提高功率因數(shù)的目的。③《大秦線延慶_下莊供電臂電壓偏低的解決方案》針對大秦電氣化鐵道運量增 加后，延慶-下莊供電臂電壓偏低的問題，提出了改造延慶-下莊接觸網(wǎng)設備、在延慶變電 所及下莊分區(qū)亭增設增壓變壓器和動態(tài)電容補償裝置的綜合改造方案，以提高延慶_下莊 供電臂電壓偏低的問題。其中動態(tài)電容補償裝置為多組電容器機械分組投切(MSC)。④《基于DSP的晶閘管控制牽引網(wǎng)自動調壓器設計》是變壓器調壓的一種，和主變 壓器分接頭無載調壓、有載調壓變壓器的原理一樣，不過是利用晶間管控制串聯(lián)變壓器型 (TCST)牽引網(wǎng)調壓器，以期達到更好的調壓效果。
為了提高供電臂末端網(wǎng)壓，上述的論文① ④進行了相關研究，其中論文①主要 是對接觸網(wǎng)阻抗、電抗導致的電壓將進行了分析，提出的是改造接觸網(wǎng)結構和材料的方法。 這種方法是通過減少接觸網(wǎng)的阻抗來減少接觸網(wǎng)的電壓損失，但這不能消除無功電流導致 的電壓損失，更沒有考慮變壓器和系統(tǒng)阻抗的電壓損失，而這卻是電壓損失的主要部分。論 文②是以補償功率因數(shù)為目標的無功補償，其補償裝置安裝在變壓器出線端，補償功率因 數(shù)的同時對網(wǎng)壓有改善，而且沒有對接觸網(wǎng)的電壓損失進行全面補償，所以對供電臂的末 端網(wǎng)壓的改善作用有限。同時其所用的補償裝置是磁閥式可控電抗器，其響應時間慢，在機 車突變時間對電壓的補償效果不明顯。論文③分析計算了大秦線延慶 下莊供電臂電壓偏 低的原因，提出了造成接觸網(wǎng)、增設增壓變壓器和在供電臂末端增設多組電容器機械分組 投切(MSC)裝置。這種方式主要考慮從供電設備上進行改造，雖然提出了在末端進行電容 補償?shù)姆桨?，但其采用機械分組投切電容器的方法，不能實時補償，電壓的補償效果差。論 文④分析了供電臂網(wǎng)壓低帶來的問題，提出了基于DSP的晶閘管控制牽引網(wǎng)自動調壓器的 方式，但其本質是通過調節(jié)變壓器的變比來調節(jié)其出線電壓，而沒有從電壓損失的本質上
慮 ο因此現(xiàn)有的供電臂末端網(wǎng)壓改善方法均沒有全面考慮電壓損失的補償，很有必要 對此加以改進。

發(fā)明內容
本專利發(fā)明所要解決的問題是針對現(xiàn)有重載鐵路長供電臂末端網(wǎng)壓AT供電方 式的電壓損失治理方法的不足，提出一種在重載鐵路AT供電系統(tǒng)中可以有效全面對造成 網(wǎng)壓損失的無功功率電流進行補償，提高供電臂末端網(wǎng)壓的方法及其裝置。本發(fā)明的目的是通過下述技術方案實現(xiàn)的一種重載鐵路AT供電系統(tǒng)中提高供 電臂末端網(wǎng)壓的方法是在主變壓器的的出線端設有直掛式TCR型SVC，同時在長供電臂的 末端的自耦變壓器端裝有降壓式多組TSC，對供電臂的末端采用將壓式分組TSC的方式進 行補償，從而改善末端網(wǎng)壓。這種方式既可以補償系統(tǒng)阻抗和變電站主變壓器阻抗上的電 壓損失也可以補償接觸網(wǎng)上的電壓損失，從而補償整個無功功率電力造成的電壓損失。根據(jù)上述方法所提出的重載鐵路AT供電系統(tǒng)中提高供電臂末端網(wǎng)壓裝置是一 種重載鐵路AT供電系統(tǒng)中提高供電臂末端網(wǎng)壓的裝置在重載鐵路AT供電系統(tǒng)的主變壓 器的出線端裝有由TCR支路和兩個電容支路組成的SVC裝置，且兩個電容支路完全相同，以 確保一套檢修時整個SVC可以降額補償以避免無補償導致的電壓跌落。同時在上行線裝有 降壓TSC組，分別設為3、5次濾波支路。其中上行線為重載爬坡線，下行線為下坡線，因此 在上行線補償可以減少流過AT的電流，濾波效果好。本發(fā)明的優(yōu)點在于1、提出了以在變壓器出線端和供電臂末端以TCR&FC和多組TSC相結合的重載鐵 路長供電臂網(wǎng)壓提高方法。2、基于直掛式TCR型SVC結構是目前電壓等級最高的直掛式SVC，其中最大的TCR 的補償容量為目前最大的單相單機補償容量，所以可以使得長供電臂網(wǎng)壓得到有效補償。3、在AT供電方式下，SCOTT牽引變壓器的T座和M座同時裝有該設備，對其進行 聯(lián)合控制，以負序電流為目標，在滿足供電臂網(wǎng)壓、功率因數(shù)為約束的優(yōu)化控制目標，使得
4該裝置在穩(wěn)定接觸網(wǎng)末端網(wǎng)壓的同時，確保了功率因數(shù)大于0.9，并盡量減少了變電所的負 序電流。


圖1、是AT供電方式下綜合補償示意圖；圖2、是本發(fā)明的55kV直掛式TCR型SVC主電路圖；圖3、是SCOTT電氣量向量圖；圖4、是本發(fā)明裝置中光電隔離型55KV直掛式TCR閥的結構示意圖；圖5、是本發(fā)明裝置中光電隔離型55KV直掛式TCR閥的結構示意后視圖；圖6、是本發(fā)明裝置中光電隔離型55KV直掛式TCR閥的結構示意側視圖。
具體實施例方式附圖給出了本發(fā)明的一個實施例，下面將結合附圖對本發(fā)明作進一步的描述。一種重載鐵路AT供電系統(tǒng)中提高供電臂末端網(wǎng)壓的方法，在重載鐵路AT供電系 統(tǒng)的SCOTT主變壓器的55kV (或通過自耦變壓器的中點限制電位，將其分解成兩套27. 5kV) 出線端裝入55kV直掛式TCR型SVC (或兩套27. 5kV直掛式TCR型SVC)，55kV直掛式TCR型 SVC的主電路如附圖2所示；同時在長供電臂的末端的自耦變壓器端裝有降壓式多組TSC， 對供電臂的末端采用將壓式分組TSC的方式進行補償，從而改善末端網(wǎng)壓。這種方式既可 以補償系統(tǒng)阻抗和變電站主變壓器阻抗上的電壓損失也可以補償接觸網(wǎng)上的電壓損失，從 而補償整個無功功率電力造成的電壓損失。實施例一一種重載鐵路AT供電系統(tǒng)中提高供電臂末端網(wǎng)壓裝置，在重載鐵路AT供電系統(tǒng) 中設有SCOTT變壓器1，SCOTT變壓器具有T座14和M座20兩個出線端，在SCOTT變壓器 的T座14和M座20出線端分別裝有一套由一個TCR支路15和FCl電容支路16、FC2電容 支路17組成的SVC裝置18和21，其中FCl電容支路16、FC2電容支路17完全相同，可以 確保一套檢修時整個SVC裝置可以降額補償。同時在上行線裝有降壓TSC組19，降壓TSC 組19分別設為3、5次濾波支路。其中上行線為重載爬坡線，下行線為下坡線，因此在上行 線補償可以減少流過AT的電流，濾波效果好。電路如圖1所示，其中KM為負荷開關，ATI、 AT2為變電所內的自耦變壓器，AT3、AT4為供電臂末端的自耦變壓器。整個裝置主要包括直掛式TCR可控硅堆和固定補償電容，其中直掛式TCR可控硅 堆可以是如附圖4-6所示的光電隔離型55KV直掛式TCR可控硅堆組合形成；所述的光電隔 離型55KV直掛式TCR可控硅堆是由42組元件84個6500V晶閘管組成的高壓可控硅堆體 結構，采用熱管加風冷散熱方式。其中整個可控硅堆體分為6個可控硅堆組，每個可控硅堆 組是7個6500V晶閘管組的串聯(lián)，然后由6個這樣的閥體串聯(lián)成型。每一個直掛式TCR可控硅堆結構如附圖4-6所示，通過附圖4_6可以看出直掛式 TCR可控硅堆主要包括晶閘管元件1、吸收電容3、均衡電阻4、散熱器8，以及散熱風機2，其 中，散熱風機2位于整個裝置的底部，風口對上，在散熱風機的上方通過帶絕緣子的支架9 支撐一個架框12，架框12內安裝著各種功率器件；所述的各種功率器件包括多組晶間管元 件1、吸收電容3、均衡電阻4，多組晶閘管元件1由連接母排11相互連接；在支架上還裝有用于控制的光電觸發(fā)板5、過壓保護板6、溫度檢測板7和脈沖分配板10 ；多組晶閘管元件 1分上下兩組排列，每一排為7個晶閘管元件，上下兩個為一晶閘管組，7個晶閘管組通過連 接母排11串聯(lián)在一起(見附圖4)。在晶閘管組的后面緊貼有散熱器8(見附圖6)，散熱器 8可以是熱管散熱器，或其它板式散熱器；吸收電容3和均衡電阻4安裝在散熱器8與晶閘 管組相對應的另一面，在吸收電容3和均衡電阻4下面的架框12上還排列有各種控制板 (見附圖5)，依次為脈沖分配板10光電觸發(fā)板5、、過壓保護板6和溫度檢測板7。本實施例的控制原理如下1、TSC 控制TSC由安裝在供電臂首端的TCR型SVC控制器根據(jù)供電臂的有功功率和TCR的電 流的大小通過GPRS進行遠程通訊控制其投切，以減少整個系統(tǒng)的空載損耗。因為當線路無 車或者車比較輕時，供電臂末端的TSC發(fā)出的電流要經過整個長供電臂線路，造成線路損 耗，而且TCR也因要補償?shù)暨@一部分容性電流需要發(fā)出相應大小的感性電流，增大TCR的運 行損耗。由于電力機車的有功功率和無功功率成正向關系，即有功功率增大，則無功功率也 增大，所以可根據(jù)供電臂的有功功率Pall來控制投入TSC。而根據(jù)TCR支路電流來判斷電容 補償是否過量，所以可檢測的TCR支路電流Ito和供電臂的有功功率對TSC進行切除①當Itcr > I1 ；切 5 次 TSC 支路。②當Ite > 12，5次TSC已經切除；切3次TSC支路。③當Pall > P1 ；投 3 次 TSC 支路。④當Pall > P2，投 5 次 TSC 支路。① ④中的I” 12、P1, P2根據(jù)實際經驗值決定，其目標是使得裝置的運行損耗最 小。本項目中取值分別為700A、600A、15MW、24MW。2、TCR 控制SCOTT兩個座的TCR型SVC的控制以一個控制器進行控制，建立了以負序電流最小 為目標，全所功率因數(shù)、各座電壓為約束的無功功率控制模型。SCOTT電氣量向量圖如圖3 所示。(1)負序電流如圖2所示，假設Jj ^jb 變壓器的原邊相電壓，用J」Jb L表示
原邊相電流；
變壓器T座、M座輸出電壓，用_^、iM表示各座電流；^^、 分
別為T座、M座的功率因數(shù)角。其中變壓器T座、M座的變比KT、KM為分別為和2。
結合⑴ (3)，假設“ =/if，則負序電流 > 為 由(4)式可知，由于實際兩座的電流有效值和功率因數(shù)不可能相等，因此負序電 流存在。

(2)電壓波動
為了保證機車的安全運行，需要確保每個供電臂的網(wǎng)壓在可控的范圍內波動。 假設變壓器的原邊、次邊電抗為XS、XTM，由2圖可知 變壓器的出線電壓J、If分別為
(11)
(12) (13)聯(lián)合(8) (13)可得

則有(14)、(15)可知各座電壓將為

(3)功率因數(shù)T座、M座的負載的有功、無功分別為PT、QT* PM、QM，而T座、M座補償?shù)臒o功為Q.Qm。由于變壓器漏電抗消耗的無功相對較少，只要補償?shù)臒o功滿足下式(18)即可滿足供電 部門的要求電力牽引負荷的功率因數(shù)要在0. 9以上的要求。 (4)控制模型為充分發(fā)揮補償系統(tǒng)的作用，以通過對無功功率的控制使得在滿足電壓質量和高 功率因數(shù)同時減少注入高壓側的負序電流，以全面改善其電能質量。根據(jù)上述分析可得到 如下的無功控制的數(shù)學模型。目標函數(shù)負序電流有效值j值最小，即
(I9)約束條件1)功率因數(shù)約束，即滿足式(18)。2)電壓波動約束，即式(16)和式(17)的有效值在某范圍內變化，式中Umax+、Um『分 別為允許電壓變化的正向最大值和負向最小值。本文根據(jù)實際取Umax+ = 5kV，Umax_ = -9kV。
LMAX≤△UT≤LMAX'(20)
LMAX≤△UM≤LMAX'(21) 其中，由采集的電壓、負載電流和TCR電流可計算出有功、無功、電壓，并用其表示 IT、L徹，因此式(18) 式(21)都可以用IT、L徹表示。
(22)
(23)
(24)
(25)綜合式(18) 式(25)構成了一個以Qt、Qffl為變量的多約束優(yōu)化問題。通過求解 Qt、Qffl可得到每個TCR的觸發(fā)角。本發(fā)明的優(yōu)點在于①AT供電方式的長供電臂下，55kV直掛式TCR型SVC和末端降壓TSC相結合的補 償方式對系統(tǒng)阻抗、變壓器阻抗、線路阻抗造成的壓降進行了全面補償。兩端分散補償可以 減少補償電流在長供電臂上的損耗。在供電臂首端設置55kV直掛式TCR型SVC，可以避免 斷開負荷開關時對TCR型SVC的操作，更不會已經負荷開關的跳閘引發(fā)的TCR型SVC過壓 等問題，減少了 TCR型SVC與其他問題的耦合。在末端設置小容量的TSC可以補償線路電 壓損失，雖然增加其容量其也可以補償系統(tǒng)、變壓器阻抗造成的電壓損失，單這樣補償電流 需要全部通過供電臂線路，這增重了牽引網(wǎng)負擔，導致要增大牽引網(wǎng)的線徑，同時造成了補償電流在線路的損耗。②通過TCR控制器檢測供電臂有功功率和閥組電流對供電臂末端的TSC進行投切 控制，可以使得補償系統(tǒng)的運行損耗降到最低。因為若不對遠方的TSC進行控制，則造成 TSC發(fā)出的容性電流在線路的損耗，而且增加TCR要補償這些容性電流的運行損耗。③55kV直掛式TCR型SVC中，F(xiàn)Cl和FC2設置為完全相同的兩套，若其中一套檢 修不影響另一套，因此若一套檢修整個TCR型SVC可以降額一半運行，不會因為TCR型SVC 不能運行造成的補償不當造成的線路停車現(xiàn)象。④以SCOTT兩個座的補償裝置建立了以負序電流最小為目標，功率因數(shù)和供電臂 網(wǎng)壓為約束的優(yōu)化控制策略，在提高供電臂網(wǎng)壓的同時兼顧了負序電流、功率因數(shù)、諧波濾 除等電能質量的治理，充分發(fā)揮了補償裝置的作用。術語解釋TCR =Thyristor Controlled Reactor (晶閘管控制電抗器)TSC =Thyristor Switched Capcitor (晶閘管控制電抗器)FC =Fixed Capcitor (固定電容補償)AT =Autotransformer (自耦變壓器)SCOTT Scott Connected Transformers (斯科特平衡變壓器)MSC =Mechanically Switched Capacitor (機械投切電容器)SVC =Static var compensator (靜止無功補償裝置)GPRS =General Packet Radio Service (通用分組無線業(yè)務)
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權利要求
一種重載鐵路長供電臂末端網(wǎng)壓提高方法，其特征在于在重載鐵路AT供電系統(tǒng)主變壓器的出線端裝入直掛式TCR型SVC，同時在長供電臂的末端的自耦變壓器端裝有降壓式多組TSC，對供電臂的末端采用降壓式分組TSC的方式進行補償，從而改善末端網(wǎng)壓。
2.如權利要求1所述的重載鐵路長供電臂末端網(wǎng)壓提高方法，其特征在于所述的主 變壓器為55kV SCOTT主變壓器；所述的直掛式TCR型SVC為55kV直掛式TCR型SVC。
3.如權利要求1所述的重載鐵路長供電臂末端網(wǎng)壓提高方法，其特征在于所述的 SCOTT主變壓器為通過自耦變壓器的中點限制電位，分解成兩套27. 5kVSC0TT主變壓器；所 述的直掛式TCR型SVC為兩套27. 5kV直掛式TCR型SVC。
4.如權利要求1所述的重載鐵路長供電臂末端網(wǎng)壓提高方法，其特征在于所述的TSC 由安裝在供電臂首端的TCR型SVC控制器根據(jù)供電臂的有功功率和TCR的電流的大小通過 GPRS進行遠程通訊控制其投切，并根據(jù)供電臂的有功功率Pall來控制投入TSC ；而根據(jù)TCR 支路電流判斷電容補償是否過量，根據(jù)檢測TCR支路的電流Ite和供電臂的有功功率對TSC 進行切除。
5.如權利要求1所述的重載鐵路AT供電系統(tǒng)中提高供電臂末端網(wǎng)壓的方法，其特征在 于所述的SCOTT兩個座的TCR型SVC以一個控制器進行控制，以負序電流最小為目標，全 所功率因數(shù)、各座電壓為約束的無功功率控制模型。
6.一種重載鐵路長供電臂末端網(wǎng)壓提高裝置，其特征在于在重載鐵路AT供電系統(tǒng)的 主變壓器的出線端裝有由TCR支路和兩個電容支路組成的SVC裝置，且兩個電容支路完全 相同，以確保一套檢修時整個SVC可以降額補償以避免無補償導致的電壓跌落；同時在上 行線裝有降壓TSC組，分別設為3、5次濾波支路；且上行線為重載爬坡線，下行線為下坡線。
7.如權利要求7所述的重載鐵路長供電臂末端網(wǎng)壓提高裝置，其特征在于所述的主 變壓器為SCOTT主變壓器；所述的SVC裝置包括直掛式TCR可控硅堆和固定補償電容，其中 直掛式TCR可控硅堆為光電隔離型55KV直掛式TCR可控硅堆組合形成。
8.如權利要求8所述的重載鐵路長供電臂末端網(wǎng)壓提高裝置，其特征在于所述的光 電隔離型55KV直掛式TCR可控硅堆是由42組元件84個6500V晶閘管組成的高壓可控硅 堆體結構，采用熱管加風冷散熱方式；其中整個可控硅堆體分為6個可控硅堆組，每個可控 硅堆組是7個6500V晶閘管組的串聯(lián)，然后由6個這樣的可控硅堆體串聯(lián)成型。
9.如權利要求9所述的重載鐵路長供電臂末端網(wǎng)壓提高裝置，其特征在于所述的直 掛式TCR可控硅堆主要包括晶閘管元件、吸收電容、均衡電阻、散熱器，以及散熱風機，其 中，散熱風機位于整個裝置的底部，風口對上，在散熱風機的上方通過帶絕緣子的支架支撐 一個架框，架框內安裝著各種功率器件；所述的各種功率器件包括多組晶閘管元件、吸收電 容、均衡電阻，多組晶間管元件由連接母排相互連接；在支架上還裝有用于控制的光電觸發(fā) 板、過壓保護板、溫度檢測板和脈沖分配板；多組晶間管元件分上下兩組排列，每一排為7 個晶閘管元件，上下兩個為一晶閘管組，7個晶閘管組通過連接母排串聯(lián)在一起；在晶閘管 組的后面緊貼有散熱器；吸收電容和均衡電阻安裝在散熱器與晶閘管組相對應的另一面， 在吸收電容和均衡電阻下面的架框上還排列有各種控制板，依次為脈沖分配板光電觸發(fā) 板、過壓保護板和溫度檢測板。全文摘要
一種重載鐵路長供電臂末端網(wǎng)壓提高方法及裝置，其特征在于在SCOTT主變壓器的出線端裝入直掛式TCR型SVC，同時在長供電臂的末端的自耦變壓器端裝有降壓式多組TSC，對供電臂的末端采用將壓式分組TSC的方式進行補償，從而改善末端網(wǎng)壓。在重載鐵路AT供電系統(tǒng)中設有SCOTT變壓器，SCOTT變壓器具有T座和M座出線端，在SCOTT變壓器的T座和M座出線端裝有一套由一個TCR支路和FC1、FC2兩個電容支路組成的SVC裝置，其中FC1、FC2完全相同，可以確保一套檢修時整個SVC可以降額補償；同時在上行線裝有降壓TSC組，分別設為3、5次濾波支路；其中上行線為重載爬坡線，下行線為下坡線。
文檔編號H02J3/01GK101882788SQ200910044339
公開日2010年11月10日 申請日期2009年9月14日 優(yōu)先權日2009年9月14日
發(fā)明者周方圓, 張定華, 張斌, 李軍, 楊磊, 王衛(wèi)安, 王小方, 胡前, 譚勝武, 鄧建華, 馬雅青, 黃燕艷 申請人:株洲變流技術國家工程研究中心有限公司