專利名稱：用于電氣化鐵道無功功率補償與電能質(zhì)量控制的補償裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于電氣化鐵道無功功率補償與電能質(zhì)量控制的補償裝置，尤其涉及一種對電氣化鐵道進行無功補償、對包括負序、諧波、電壓波動與閃變等電能質(zhì)量進行治理的綜合型補償裝置，屬于電氣化鐵道供電領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
對于供電系統(tǒng)，電氣化鐵路是典型的不平衡非線性沖擊負荷，它對電網(wǎng)的正常安全和經(jīng)濟運行有嚴重的不良影響。其一，電鐵負荷一般采用單相供電，對三相系統(tǒng)來說負荷具有強不對稱特性，產(chǎn)生非常大的基波負序電流(也包含諧波成份)，對電網(wǎng)三相供電系統(tǒng)對稱運行和旋轉(zhuǎn)電氣設(shè)備影響嚴重；對電鐵的牽引負荷也會帶來不良影響；其二，電力機車是大功率單相整流負荷，產(chǎn)生很大的諧波，使供電公網(wǎng)波形質(zhì)量發(fā)生嚴重畸變；其三，電鐵負荷具有大功率和沖擊性特點，引起電網(wǎng)供電系統(tǒng)電壓的嚴重偏移和波動，影響電網(wǎng)電能質(zhì)量和安全運行；其四，電鐵負荷功率因數(shù)偏低，且沖擊性大，使供電電壓偏移加大，無功補償困難，運行的經(jīng)濟性差。
傳統(tǒng)的牽引變電站采用固定電容補償，補償容量不能跟蹤負荷變化，經(jīng)常產(chǎn)生無功反送的情況，運行經(jīng)濟性差；而且由于電流諧波、負序分量的存在，電容器在牽引變電站運行的安全性得不到保證，不但運行損耗很大，而且影響電鐵設(shè)備的正常運行。
采用平衡變壓器或者其他特殊結(jié)構(gòu)的變壓器，可以一定程度的改善供電系統(tǒng)不平衡，但是還必須采用其他裝置來改善功率因數(shù)或者抑制諧波，而且這類特殊變壓器的價格都比較昂貴。
采用晶閘管控制電抗器(以下簡稱TCR)型靜止無功補償器(以下簡稱SVC)可以有效的改善供電系統(tǒng)的不平衡，減小負序電流，但TCR本身在運行過程中會產(chǎn)品大量的諧波，必須采用大容量的濾波器波除電鐵自身的諧波及TCR產(chǎn)生的諧波，設(shè)備的占地面積大；由于SVC只能輸出無功電流，需要很大容量才能補償牽引電網(wǎng)中的負序和無功電流，設(shè)備整體投資巨大；另外TCR中的電抗器損耗非常厲害，運行與維護成本極高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種用于電氣化鐵道無功功率補償與電能質(zhì)量控制的補償裝置，在為電鐵供電系統(tǒng)提供無功支持、提高電鐵負荷的功率因數(shù)的同時可以有效的抑制供電系統(tǒng)中的負序分量、電壓波動和閃變、諧波等電能質(zhì)量擾動，充分降低電鐵供電系統(tǒng)的能耗。在運行過程中該裝置還能根據(jù)電鐵的運行特性，通過合適的控制手段大大降低裝置本身的運行損耗。
本發(fā)明提出的用于電氣化鐵道無功功率補償與電能質(zhì)量控制的補償裝置，包括
(1)兩組無源濾波器，用于為電氣化鐵道電力機車提供無功功率，并濾除電力機車產(chǎn)生的諧波電流，無源濾波器并聯(lián)在電氣化鐵道的供電臂上；(2)兩組分別由一個或多個單相逆變器組成的逆變裝置，用于產(chǎn)生幅值、相位和頻率可控的電流；(3)兩組變壓器，用于將上述兩組逆變裝置產(chǎn)生的電流耦合到電氣化鐵道的供電臂上，變壓器的原邊并聯(lián)在電氣化鐵道的供電臂上，副邊與逆變裝置相連；(4)公共直流單元，分別與上述兩組逆變裝置的直流側(cè)相連，用于在上述兩組逆變裝置之間傳遞有功功率，并為兩組逆變裝置提供直流電壓。
上述補償裝置中的無源濾波器為二階高通無源濾波器。
上述補償裝置中，構(gòu)成逆變裝置的單相逆變器，可以為二電平、三電平或多電平結(jié)構(gòu)的單相電壓源型逆變器中的任意一種。
本發(fā)明提出的用于電氣化鐵道無功功率補償與電能質(zhì)量控制的補償裝置應(yīng)用基于全控型電力電子開關(guān)的電壓源型逆變器，在充分利用逆變器的各種先進性能的同時，又盡可能發(fā)揮無源濾波器配置簡單、成本低廉的優(yōu)點，使整套裝置的技術(shù)指標與經(jīng)濟性能達到最優(yōu)。該發(fā)明具有以下優(yōu)點(1)傳統(tǒng)的電鐵用無源濾波器通常根據(jù)諧波次數(shù)進行相應(yīng)的配置，而在本方案中可在各供電臂上各安裝一組無源濾波器，以通過7次和7次以上的諧波電流，大大簡化了固定式無源濾波器的設(shè)計。另外無源濾波器提供一部分無功功率補償，可降低逆變器的容量而使整個系統(tǒng)的造價降低。
(2)通常的無源濾波器由于受到諧波電流的影響，電容器的安全性降低、使用壽命縮短，設(shè)計不完善或者系統(tǒng)運行條件改變時，無源濾波器也容易出現(xiàn)諧振或者諧波電流放大的情況，而在本發(fā)明的方案中，能通過電流跟蹤控制，使得逆變裝置發(fā)出特定幅值和頻率的諧波電流，實現(xiàn)諧波抑制；由于利用變流器來補償3次及5次諧波電流，使無源濾波器的設(shè)計變得簡單，而且受諧振或諧波電流放大的威脅大大降低。
(3)通常的無源濾波器，當牽引供電系統(tǒng)輕載或空載時，會發(fā)生無功倒送系統(tǒng)的情況，在牽引變及供電線路中，造成了很大能源浪費，而本發(fā)明方案中，利用逆變器的無功補償容量進行動態(tài)實時的調(diào)節(jié)，不會出現(xiàn)無功倒送(或者倒送的無功功率容量非常小)，節(jié)約了牽引變電站的電能；(4)采用TCR或者其他基于電抗器的無功補償方案，會產(chǎn)生大量的諧波電流，因此補償裝置本身必須加一定的濾波器，整體濾波器容量偏大，而且電抗器的運行損耗極大。本發(fā)明的裝置采用脈寬調(diào)制(以下簡稱PWM)技術(shù)或者多重化的結(jié)構(gòu)，可使其輸出電流接近正弦波，從而不需要附加額外的濾波器。
(5)通過對大功率電力電子器件的開關(guān)控制，本發(fā)明的裝置不但可以實現(xiàn)無功的連續(xù)調(diào)節(jié)(吸收無功或者發(fā)出無功)，而且通過控制補償電流的幅值及其與負荷電壓之間的相角實現(xiàn)兩個供電臂之間的有功傳輸和平衡，從而有效的抑制由于兩供電臂負荷不均帶來的負序問題。和傳統(tǒng)的僅靠無功補償實現(xiàn)負序治理的方法比較，可以大大節(jié)省裝置的容量。
(6)在供電臂輕載情況下，可以閉鎖本發(fā)明裝置中的部分或全部的逆變器模塊，大大降低裝置的運行損耗。


圖1是本發(fā)明提出的補償裝置的結(jié)構(gòu)原理圖。
圖2是本發(fā)明補償裝置的一個實施例，其中的逆變裝置由三個逆變器構(gòu)成。
圖3是本發(fā)明補償裝置的控制算法原理圖。
具體實施例方式
本發(fā)明提出的用于電氣化鐵道無功功率補償與電能質(zhì)量控制的補償裝置，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括兩組無源濾波器，用于為電氣化鐵道電力機車提供無功功率，并濾除電力機車產(chǎn)生的諧波電流，無源濾波器并聯(lián)在電氣化鐵道的供電臂上；兩組分別由一個或多個單相逆變器組成的逆變裝置，用于產(chǎn)生幅值、相位和頻率可控的電流；兩組變壓器，用于將上述兩組逆變裝置產(chǎn)生的電流耦合到電氣化鐵道的供電臂上，變壓器的原邊并聯(lián)在電氣化鐵道的供電臂上，副邊和逆變裝置相連；公共直流單元，分別與上述兩組逆變裝置相連，用于在上述兩組逆變裝置之間傳遞有功功率，并為兩組逆變裝置提供直流電壓。
上述補償裝置中的無源濾波器，為二階高通無源濾波器，用于濾除特定次數(shù)以及以上次數(shù)的諧波。
上述補償裝置中，構(gòu)成逆變裝置的單相逆變器，可以為二電平、三電平或多電平結(jié)構(gòu)的單相電壓源型逆變器中的任意一種?？梢允敲抗╇姳鄹饕粋€單相逆變器，也可以根據(jù)需要在每個供電臂上采用多個單相逆變器并聯(lián)運行。如圖2所示，每個供電臂上有3個單相逆變器并聯(lián)運行。
本發(fā)明的補償裝置中，當逆變器不需要輸出電流時，逆變器可以工作在脈沖閉鎖狀態(tài)，以降低整個裝置的運行損耗。如果采用多個逆變器并聯(lián)的結(jié)構(gòu)，當其輸出的電流較小時可以閉鎖部分單相逆變器，充分利用其他模塊的容量從而降低裝置的損耗，提高裝置的運行效率。
以下進一步介紹本發(fā)明補償裝置的工作原理本發(fā)明提供一種基于靜止型補償裝置(以下簡稱SVG)的電鐵無功補償與電能質(zhì)量綜合控制裝置，其中，SVG是指基于電壓源型逆變器(以下簡稱VSC)構(gòu)成的一種并聯(lián)型補償裝置，又稱為靜止同步補償器(以下簡稱STATCOM)，它采用門極可關(guān)斷晶閘管(GTO)、絕緣柵雙極晶體管(IGBT)或集成門極換向晶閘管(IGCT)等大功率可關(guān)斷電力電子器件，組成全控型的VSC，可方便的實現(xiàn)電能的轉(zhuǎn)換和利用。本發(fā)明提供的綜合控制裝置包括(1)兩組無源濾波器，用于為電氣化鐵道電力機車提供無功功率，并濾除電力機車產(chǎn)生的某特定次諧波及以上次數(shù)的諧波電流，無源濾波器并聯(lián)在電氣化鐵道的供電臂上；(2)兩組分別由一個或多個單相逆變器組成的逆變裝置，用于產(chǎn)生幅值、相位和頻率可控的電流，來消除低次諧波電流、補償負序電流、抑制系統(tǒng)的電壓波動和閃變；(3)兩組變壓器，用于將上述兩組逆變裝置產(chǎn)生的電流耦合到電氣化鐵道的供電臂上，變壓器的原邊并聯(lián)在電氣化鐵道的供電臂上，副邊和逆變裝置相連；(4)公共直流單元，分別與上述兩組逆變裝置相連，用于在上述兩組逆變裝置之間傳遞有功功率，并為兩組逆變裝置提供直流電壓。
所述的無源濾波器的作用是提供容性無功功率補償以改善供電系統(tǒng)功率因數(shù)，并且同時能對某特定次諧波及以上的諧波電流呈現(xiàn)低阻抗狀態(tài)，起到濾除諧波的作用。
所述的由公共直流單元的單相逆變器組成的SVG，與傳統(tǒng)的用于電力系統(tǒng)的三相SVG裝置不同，是一組或多組并聯(lián)的二相型SVG裝置，每組兩個逆變器的交流輸出通過變壓器分別連接到同一牽引變壓器的兩條供電臂，逆變器的直流母線連接到一起，共用直流單元。該逆變器(1)提供有源濾波的功能，即控制逆變器輸出低次諧波補償電流，抵消相應(yīng)的負荷低次諧波電流，在電氣化鐵道的應(yīng)用場合中，負荷低次諧波電流常指3次和5次諧波電流；(2)對由于供電臂負載不平衡引起的負序電流進行補償，即控制逆變器輸出的基波電流的幅值和相位，在兩個供電臂間交換有功功率或者調(diào)節(jié)各橋臂的無功功率，從而降低公共連接點(PCC)的電壓不平衡度；(3)在負載波動的情況下，通過對逆變器輸出有功功率與無功功率的調(diào)整，盡可能抑制牽引站系統(tǒng)側(cè)的電流波動，改善由于負載劇烈變化引起的電壓波動與閃變等電能質(zhì)量問題；(4)在負荷較小不需要SVG補償或者只需要部分補償容量時可以閉鎖全部或部分逆變器，減小裝置的運行損耗，提高其效率。
針對電氣化鐵道負荷造成的負序、諧波以及沖擊負載引起的電壓波等電能質(zhì)量問題，可對傳統(tǒng)的SVG裝置進行優(yōu)化控制，發(fā)揮其有功、無功和諧波的綜合控制的優(yōu)勢，更好地滿足治理需求。本發(fā)明所提出的綜合補償與控制裝置原理接線如圖1所示。圖中虛線框內(nèi)即為兩相型SVG，適用于各種類型接線的電氣化鐵道牽引變電所的不對稱補償。
參照圖1所示，本發(fā)明提出的電鐵無功補償與電能質(zhì)量綜合控制裝置在供電臂側(cè)直接進行無功補償并對電能質(zhì)量進行控制，包括無源濾波器和共用直流單元的兩個單相逆變器，無濾濾波器可直接連接到供電臂，單相逆變器通過升壓變壓器連接到供電臂。
通過功率因數(shù)的控制使無功就地平衡，減少無功電流引起的損耗。無論供電臂是否帶載，無源濾波器補償部分無功，無功不足或多余部分利用SVG單相橋的無功雙相調(diào)節(jié)能力進行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)無功在供電臂側(cè)的就地平衡，這種方式下，牽引變壓器中無功電流的損耗很小。當系統(tǒng)輕載時，如果SVG采用逆變器并聯(lián)的方式(圖2)，可以讓部分或全部逆變器處于閉鎖運行方式，最大限度的降低裝置運行損耗。滿足功率因數(shù)控制要求時，SVG逆變器輸出電流參考值為Im1，It1。
利用公共直流單元的特點，可以在兩個供電臂間進行有功交換，根據(jù)檢測到的二相負荷的差別，使負荷小的供電臂一側(cè)的逆變器從牽引電網(wǎng)吸收兩臂負荷有功功率之差的一半，通過公共直流電容將這部分有功功率從負荷小的一側(cè)送入負荷大的供電臂一側(cè)，從而達到兩臂有功功率平衡的目的。在某些特殊情況下，比如兩臂負荷功率差較大的情況下，可以在逆變器容量允許范圍內(nèi)盡可能的交換有功，即使所交換的功率不到2臂負荷差的一半，對于電鐵負荷引起的不平衡也有很好的改善作用。在2供電臂間進行有功交換的同時，SVG還與相應(yīng)的供電臂之間進行無功功率流動，保證兩側(cè)的功率因數(shù)滿足要求。為使負載平衡在兩供電臂間交換有功無功時，SVG逆變器輸出電流參考值為Im2，It2。
當牽引變壓器采用阻抗匹配平衡變壓器或者其他一些特殊的平衡變壓器時(這類變壓器在二相負荷相等時，交流電網(wǎng)側(cè)三相負荷平衡)，如果兩供電臂有功無功平衡(兩臂的負荷電流大小相等且與各自的供電電壓之間的夾角相同)，系統(tǒng)側(cè)三相平衡，不再需要額外的補償。但是電鐵負荷的特殊性使得兩供電臂的平衡比較難以實現(xiàn)。另外當牽引變壓器采用其他形式，即使兩臂負載平衡時，系統(tǒng)側(cè)負序電流是正序電流的一半，還必須進行相應(yīng)的不平衡補償。通過對2側(cè)逆變器的無功功率控制，補償系統(tǒng)負序電流，此時，SVG逆變器輸出電流參考值為Im3，It3。
電壓源逆變器并聯(lián)接入系統(tǒng)時，是一種電流源型的補償裝置，不僅可以輸出基波電流，也可以輸出諧波電流，電力有源濾波器(APF，Active Power Filter)即是典型的應(yīng)用。在對電氣化鐵道進行諧波治理時，一方面為了降低逆變器與供電臂間耦合變壓器的成本，不宜讓逆變器對高次諧波進行補償，另一方面，采用可控硅整流供電的電氣化機車引起的諧波電流主要是3、5、7等低次諧波電流，尤其是3次和5次諧波電流。因此，檢測供電臂負荷諧波電流中的低次諧波電流和(例如3次和5次)并使逆變器輸出相應(yīng)的補償電流，可以有效的抑制諧波對供電系統(tǒng)的影響。進行諧波補償時，SVG逆變器輸出電流參考值為Im4，It4。
綜合考慮功率因數(shù)、不平衡、諧波治理等控制需求，SVG單相逆變器的補償電流參考值分別為Icmref＝Im1+Im2+Im3+mt4，Ictref＝It1+It2+It3+It4。采用電流動態(tài)跟蹤的控制算法，可以讓逆變器實際輸出電流跟蹤補償電流參考值，從而達到無功補償與電能質(zhì)量控制的綜合需求。圖3所示為本發(fā)明裝置的控制算法的原理示意圖。
權(quán)利要求
1.一種用于電氣化鐵道無功功率補償與電能質(zhì)量控制的補償裝置，其特征在于該補償裝置包括(1)兩組無源濾波器，用于為電氣化鐵道電力機車提供無功功率，并濾除電力機車產(chǎn)生的諧波電流，無源濾波器并聯(lián)在電氣化鐵道的供電臂上；(2)兩組分別由一個或多個單相逆變器組成的逆變裝置，用于產(chǎn)生幅值、相位和頻率可控的電流；(3)兩組變壓器，用于將上述兩組逆變裝置產(chǎn)生的電流耦合到電氣化鐵道的供電臂上，變壓器的原邊并聯(lián)在電氣化鐵道的供電臂上，副邊與所述的逆變裝置相連；(4)公共直流單元，分別與上述兩組逆變裝置相連，用于在上述兩組逆變裝置之間傳遞有功功率，并為兩組逆變裝置提供直流電壓。
2.如權(quán)利要求1所述的補償裝置，其特征在于其中所述的無源濾波器為二階高通無源濾波器。
3.如權(quán)利要求1所述的補償裝置，其特征在于構(gòu)成所述的逆變裝置的單相逆變器為二電平、三電平或多電平結(jié)構(gòu)的單相電壓源型逆變器中的任意一種。
4.如權(quán)利要求1所述的補償裝置，其特征在于當所述的逆變器不輸出電流時，逆變器工作在脈沖閉鎖狀態(tài)，以降低整個裝置的運行損耗，若采用多個逆變器并聯(lián)的結(jié)構(gòu)，當輸出的電流較小時可以閉鎖部分單相逆變器，充分利用其他模塊的容量，降低裝置的損耗，提高裝置的運行效率。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于電氣化鐵道無功功率補償與電能質(zhì)量控制的補償裝置，屬于電氣化鐵道供電領(lǐng)域。包括兩組無源濾波器，用于為電氣化鐵道電力機車提供無功功率，并濾除電力機車產(chǎn)生的諧波電流；兩組逆變裝置，用于產(chǎn)生幅值、相位和頻率可控的電流；兩組變壓器，用于將上述兩組逆變裝置產(chǎn)生的電流耦合到電氣化鐵道的供電臂上；公共直流單元，用于在上述兩組逆變裝置之間傳遞有功功率，并為兩組逆變裝置提供直流電壓。本發(fā)明裝置可以在對電鐵供電系統(tǒng)進行功率因數(shù)補償?shù)耐瑫r對不平衡、諧波、電壓波動與閃變等電能質(zhì)量問題進行控制，還盡可能發(fā)揮無源濾波器配置簡單、成本低廉的優(yōu)點，使整套裝置的技術(shù)指標與經(jīng)濟性能達到最優(yōu)。
文檔編號H02J3/18GK1897393SQ20061008939
公開日2007年1月17日 申請日期2006年6月23日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月23日
發(fā)明者張秀娟, 沈斐, 張春朋, 夏祖華 申請人:北京四方清能電氣電子有限公司