本發(fā)明屬于牽引供電系統(tǒng)與電力輸配電技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種適于高速電氣化鐵路的同相牽引供電技術(shù)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

包括中國在內(nèi)的世界大多數(shù)國家的鐵路牽引供電系統(tǒng)，均采用工頻單相單邊供電制式，并且為緩解單相牽引負(fù)荷對外部電力系統(tǒng)帶來的不平衡影響，相鄰的牽引變電站采取相序輪換方式接入外部電力系統(tǒng)。由于在各牽引變電站構(gòu)成的“電分相”兩側(cè)供電臂的電壓相位不同，該制式也被稱之為異相牽引供電方式。異相牽引供電使得電力機(jī)車在通過“電分相”過程中必然存在著“斷電-復(fù)電”的操作過程，可能造成機(jī)車主、輔供電系統(tǒng)出現(xiàn)暫態(tài)過電壓、激磁涌流等事故；同時，電力機(jī)車每次通過間隔幾十千米的每個“電分相”須采取“減速-惰性滑動-再加速”的過程，顯著影響了電力機(jī)車的旅行時間(對于高速鐵路而言更為敏感，京滬高鐵因過分相損失的旅行時間近半小時)，嚴(yán)重制約著高速、重載列車的快速、安全可靠運(yùn)行。

針對上述問題，同相牽引供電系統(tǒng)避免相序輪換接入方式，通過將各牽引變壓器輸出供電臂的電壓相序采取完全一致的方式從外部電力系統(tǒng)取電，逐步將牽引網(wǎng)全線貫通，作為解決方案。同相牽引供電系統(tǒng)較好地解決了電力機(jī)車的過分相問題，尤其對高速鐵路而言更具吸引力。但在這種新的牽引供電制式下，缺乏了輪換相序的負(fù)序抵消作用后，相同供電臂區(qū)間的牽引負(fù)荷注入外部電力系統(tǒng)的負(fù)序分量會成倍增加，不但顯著劣化了牽引變電站的電能質(zhì)量指標(biāo)，造成罰款乃至負(fù)序分量繼電保護(hù)動作等，還嚴(yán)重降低了常規(guī)牽引變壓器的容量利用率。故同相牽引供電系統(tǒng)必須在牽引變電站內(nèi)配合安裝大容量無源或有源補(bǔ)償裝置解決對外部電力系統(tǒng)的負(fù)序注入問題，而大容量的同相供電有源補(bǔ)償裝置工程造價高昂，加之涉及的一次線路和裝置的改造、繼電保護(hù)方式的改變花費(fèi)不菲，因此如何降低同相供電補(bǔ)償裝置的容量和成本已成為同相供電系統(tǒng)發(fā)展應(yīng)用的關(guān)鍵。

為了在相同牽引負(fù)荷條件下，現(xiàn)有同相供電系統(tǒng)多采用(等效)三相-兩相平衡牽引變壓器接線方式，其優(yōu)勢是所需的同相供電有源補(bǔ)償裝置容量最小。如專利1(申請?zhí)?00710049655.8)采用有源補(bǔ)償裝置配合YN/vd接線型牽引變壓器構(gòu)成同相供電制式；專利2(201010122634.6)、專利3(申請?zhí)?01010123860.6)、專利4(申請?zhí)?01310227591.1) 則類似，基本采用有源補(bǔ)償裝置配合包括SCOTT、阻抗匹配接平衡變壓器以及YN/vd接線等在內(nèi)的三相-兩相平衡牽引變壓器構(gòu)成的同相供電制式。專利5(申請?zhí)?01210583674.X)提出的單相三相組合式同相供電裝置，主牽引變壓器采用一臺單相變壓器，補(bǔ)償變壓器采用一臺YN/d11接線的變壓器，共同配合有源補(bǔ)償裝置構(gòu)成了同相牽引供電制式。專利1-5提出的同相供電技術(shù)方案的共同特征，是所采用的牽引變壓器不同接線類型，均確保其有源補(bǔ)償裝置的兩側(cè)端口電壓相量在相量平面構(gòu)成相互垂直關(guān)系，符合三相-兩相平衡牽引變壓器的特征。具備該特征的牽引變壓器在同相供電制式下實(shí)現(xiàn)負(fù)序分量補(bǔ)償所需的有源補(bǔ)償裝置容量最少(以采用同相供電制式的高速電氣化鐵路為例，其牽引負(fù)荷為PWM整流方式的高速電力機(jī)車，功率因數(shù)近似為1；假定使用三相-兩相平衡牽引變壓器的牽引變電站所屬區(qū)間的牽引負(fù)荷額定容量標(biāo)幺值為1，則完全補(bǔ)償該變電站負(fù)序分量所需有源補(bǔ)償裝置的容量標(biāo)幺值為1)。

然而專利1、5的缺點(diǎn)是YN/vd和YN/d11接線型牽引變壓器制造復(fù)雜，且變壓器容量利用率都很低。如單相三相組合式同相供電裝置中的YN/d11變壓器容量利用率僅有50％，單相三相變壓器綜合容量利用率僅66.67％(組合式同相供電系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)性研究，碩士學(xué)位論文,西南交通大學(xué),2015.5)；而專利2、3、4采用的SCOTT接線變壓器通過負(fù)序完全補(bǔ)償后，容量利用率相對較高，為92.8％，但此類同相供電系統(tǒng)主牽引變壓器需要中間抽頭，并不適于對既有異相牽引供電線路進(jìn)行同相供電制式改造。原因在于為提高牽引變壓器容量利用率，尤其是高速電氣化鐵路已普遍采用單相變壓器或V/v接線變壓器，其主牽引變壓器均不具備中間抽頭，采用專利2-4中SCOTT同相供電系統(tǒng)，不得不更換牽引主變壓器，工程耗費(fèi)巨大。此外，由于無源補(bǔ)償裝置較之有源補(bǔ)償裝置成本優(yōu)勢明顯，同相供電系統(tǒng)中若采用無源補(bǔ)償裝置單獨(dú)或配合有源補(bǔ)償裝置共同進(jìn)行負(fù)序分量補(bǔ)償，可顯著降低同相供電工程造價。而專利2-4存在的另一缺點(diǎn)在于，對以SCOTT接線為代表的三相-兩相平衡接線變壓器實(shí)現(xiàn)負(fù)序分量補(bǔ)償，采用的無源補(bǔ)償裝置容量過高(假定使用三相-兩相平衡牽引變壓器的牽引變電站所屬區(qū)間的牽引負(fù)荷額定容量標(biāo)幺值為1，則完全補(bǔ)償該變電站負(fù)序分量所需無源補(bǔ)償裝置的容量標(biāo)幺值為2)，失去了利用無源和有源混合補(bǔ)償以降低整體造價的可能性。

另一類同相供電系統(tǒng)采用非平衡牽引變壓器接線形式，如專利6(申請?zhí)?00710050303.4)直接采用YN/d11接線型牽引變壓器配合有源補(bǔ)償裝置構(gòu)成同相供電制式，專利7(申請?zhí)?01310308559.6)、專利8(申請?zhí)?01210587314.7)和專利9(申請?zhí)?01310308513.4)均采用V/v接線牽引變壓器配合有源補(bǔ)償裝置構(gòu)成同相供電制式，其中專利9是兩臺補(bǔ)償變壓器及對應(yīng)有源補(bǔ)償裝置共同與牽引主變壓器共同構(gòu)成兩套V/v接線組合。專利6-9牽引變壓器容量利用率相對較高，如專利6中YNd11和V/v接線變壓器經(jīng)過負(fù)序完全補(bǔ)償后容量利用率分別可達(dá)到100％和87％。專利6適于將既有普速鐵路線較多使用YN/d11接線變壓器直接改造為同相供電制式，專利7-9則適于將既有高速鐵路線普遍使用單相變壓器和V/v接線變壓器直接改造為同相供電制式。同時，采用非平衡牽引變壓器實(shí)現(xiàn)同相供電制式，適于利用無源和有源混合補(bǔ)償以降低整體造價(假定使用三相-兩相平衡牽引變壓器的牽引變電站所屬區(qū)間的牽引負(fù)荷額定容量標(biāo)幺值為1，則完全補(bǔ)償該變電站負(fù)序分量所需無源補(bǔ)償裝置的容量標(biāo)幺值為1.16，僅為三相-兩相平衡牽引變壓器所需無源補(bǔ)償裝置容量的58％)。

采用以專利6-9為代表的非平衡牽引變壓器實(shí)現(xiàn)同相牽引供電制式的缺點(diǎn)在于，與之配合的有源補(bǔ)償裝置兩側(cè)端口電壓相量并不構(gòu)成相互垂直關(guān)系，在同相供電制式下實(shí)現(xiàn)負(fù)序分量補(bǔ)償所需的有源補(bǔ)償裝置容量較大(以采用同相供電制式的高速電氣化鐵路為例，假定使用非平衡牽引變壓器的牽引變電站所屬區(qū)間的牽引負(fù)荷額定容量標(biāo)幺值為1，則完全補(bǔ)償該變電站負(fù)序分量所需有源補(bǔ)償裝置的容量標(biāo)幺值為1.16)；由于有源補(bǔ)償裝置單位容量的成本相對最高，因此采用該同相供電方案的整體造價較高。

綜上，同相供電制式盡管在中國國內(nèi)已有試驗(yàn)線路，但能否推廣仍面臨較大挑戰(zhàn)，在變壓器和補(bǔ)償裝置的容量利用率、既有線改造復(fù)雜度等方面的問題較為突出，難以做到整體最優(yōu)，整體投資居高不下。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，提出一種既適于高速鐵路新線設(shè)計，也適于高速鐵路既有線改造的同相供電系統(tǒng)，該供電系統(tǒng)具有實(shí)現(xiàn)同相供電所需的有源補(bǔ)償裝置和無源補(bǔ)償裝置容量均為最低，同時牽引變壓器和補(bǔ)償變壓器容量利用率維持較高的水平的優(yōu)勢。該供電系統(tǒng)主牽引變壓器與同相供電裝置在接線、設(shè)計容量上均相互獨(dú)立，適合按照電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行靈活負(fù)序補(bǔ)償，有利于降低補(bǔ)償變壓器、有源和無源補(bǔ)償裝置的容量，從而進(jìn)一步降低同相供電裝置的整體投資。

本發(fā)明提出的一種適用于高速電氣化鐵路同相牽引供電系統(tǒng)，技術(shù)方案如下：

一種適用于高速電氣化鐵路同相牽引供電系統(tǒng)，其特征在于，包括主牽引變壓器、備用牽引變壓器和采用有源補(bǔ)償配置方式的同相補(bǔ)償器；所述同相補(bǔ)償器由補(bǔ)償變壓器、“背靠背”變流器和匹配變壓器構(gòu)成；主牽引變壓器、備用牽引變壓器、同相補(bǔ)償器中的補(bǔ)償變壓器和匹配變壓器均為單相變壓器結(jié)構(gòu)；“背靠背”變流器由直流側(cè)電容共用的兩組相同的電壓源變流器組成，兩組電壓源變流器的交流側(cè)分別通過連接電抗各自構(gòu)成兩個交流輸出端(11、12，21、22)；

所述各器件的連接關(guān)系為：主牽引變壓器與備用牽引變壓器的原邊繞組第一端口P₁₁、P₂₁分別均接入外部電力系統(tǒng)中的第一相，第二端口P₁₀、P₂₀分別均接入外部電力系統(tǒng)中的第二相；補(bǔ)償變壓器的原邊繞組第一端口P_c0接入外部電力系統(tǒng)中的第二相，第二端口P_c1接入外部電力系統(tǒng)中的第三相；主牽引變壓器與備用牽引變壓器的副邊繞組第一端口S₁₁、S₂₁分別接入牽引母線，第二端口S₁₀、S₂₀分別接大地；補(bǔ)償變壓器的副邊繞組第一端口S_c0接入大地，第二端口S_c1與匹配變壓器的原邊繞組第一端口P_m0相連接，匹配變壓器的原邊繞組第二端口P_m1接入牽引母線；“背靠背”變流器其中一側(cè)變流器的兩個交流端口11、12分別接入補(bǔ)償變壓器副邊繞組的第一、第二端口S_c0、S_c1，另一側(cè)變流器的兩個交流端口21、22分別接入匹配變壓器副邊繞組的第一、第二端口S_m0、S_m1；牽引母線接入牽引供電臂，鋼軌接大地。

本發(fā)明提出的第二種適用于高速電氣化鐵路同相牽引供電系統(tǒng)，其特征在于，包括主牽引變壓器、備用牽引變壓器和采用有源補(bǔ)償配置方式的同相補(bǔ)償器；所述同相補(bǔ)償器由補(bǔ)償變壓器、“背靠背”變流器和匹配變壓器構(gòu)成；同相補(bǔ)償器中的補(bǔ)償變壓器和匹配變壓器均為單相變壓器結(jié)構(gòu)，主牽引變壓器和備用牽引變壓器均為副邊繞組帶有中心抽頭的單相變壓器結(jié)構(gòu)；“背靠背”變流器由直流側(cè)電容共用的兩組相同的電壓源變流器組成，兩組電壓源變流器的交流側(cè)分別通過連接電抗各自構(gòu)成兩個交流輸出端(11、12，21、22)；

所述各器件的連接關(guān)系為：主牽引變壓器與備用牽引變壓器的原邊繞組第一端口P₁₁、P₂₁分別均接入外部電力系統(tǒng)中的第一相，第二端口P₁₀、P₂₀分別均接入外部電力系統(tǒng)中的第二相；補(bǔ)償變壓器的原邊繞組第一端口P_c0接入外部電力系統(tǒng)中的第二相，第二端口P_c1接入外部電力系統(tǒng)中的第三相；主牽引變壓器與備用牽引變壓器的副邊繞組第一端口S₁₁、S₂₁分別接入牽引母線的正母線，第二端口S₁₀、S₂₀分別接入牽引母線的負(fù)母線，中心抽頭端口分別接大地；補(bǔ)償變壓器的副邊繞組第一端口S_c0接入牽引母線的負(fù)母線，第二端口S_c1與匹配變壓器的原邊繞組第一端口P_m0相連接，匹配變壓器的原邊繞組第二端口P_m1接入牽引母線的正母線；“背靠背”變流器其中一側(cè)變流器的兩個交流端口11、12分別接入補(bǔ)償變壓器副邊繞組的第一、第二端口S_c0、S_c1，另一側(cè)變流器的兩個交流端口21、22分別接入匹配變壓器副邊繞組的第一、第二端口S_m0、S_m1；牽引母線的正母線接入接觸線，牽引母線的負(fù)母線接入負(fù)饋線，鋼軌接大地。

對于上述第一或第二種供電系統(tǒng)，所述主牽引變壓器與備用牽引變壓器，其副邊繞組電壓等級相同且均由牽引母線額定電壓相同；所述補(bǔ)償變壓器，其副邊繞組電壓等級為主牽引變壓器或備用牽引變壓器副邊繞組電壓等級的1/2；所述主牽引變壓器、備用牽引變壓器與補(bǔ)償變壓器，其原邊繞組電壓等級不同且分別由外部電力系統(tǒng)電壓等級決定；所述匹配變壓器，其原邊繞組電壓等級為主牽引變壓器或備用牽引變壓器副邊繞組電壓等級的其副邊繞組電壓等級與補(bǔ)償變壓器的副邊繞組電壓等級相同。

對于上述第一或第二種供電系統(tǒng)，采用負(fù)序分量補(bǔ)償度k表示CPC對負(fù)序分量的補(bǔ)償程度，即引起與所述同相補(bǔ)償器實(shí)際補(bǔ)償?shù)呢?fù)序分量大小相當(dāng)?shù)呢?fù)荷容量S_C占引起總負(fù)序分量的牽引負(fù)荷容量S_L的比例，k為實(shí)數(shù)且k∈[0，1]，其數(shù)學(xué)式表示為：

式中S_C表示的這部分牽引負(fù)荷容量所產(chǎn)生的負(fù)序分量與同相補(bǔ)償器補(bǔ)償?shù)呢?fù)序分量大小相當(dāng)，MV·A；

對所述采用有源補(bǔ)償配置方式的同相補(bǔ)償器，當(dāng)同相補(bǔ)償器負(fù)序分量補(bǔ)償度為k，主牽引變壓器的計算容量標(biāo)幺值為對采用有源補(bǔ)償配置方式的同相補(bǔ)償器，其中補(bǔ)償變壓器的計算容量標(biāo)幺值為匹配變壓器的計算容量標(biāo)幺值與“背靠背”變流器其中任一側(cè)變流器的計算容量標(biāo)幺值相同，均為k/2，所述標(biāo)幺值均以額定的牽引負(fù)荷計算容量S_L，MV·A為基值容量。

本發(fā)明提出的第三種適用于高速電氣化鐵路同相牽引供電系統(tǒng)，其特征在于，包括主牽引變壓器、備用牽引變壓器和采用有源和無源混合補(bǔ)償配置方式的同相補(bǔ)償器；所述同相補(bǔ)償器由補(bǔ)償變壓器、“背靠背”變流器、匹配變壓器、固定電容器支路和固定電抗器支路構(gòu)成；主牽引變壓器、備用牽引變壓器、匹配變壓器均為單相變壓器結(jié)構(gòu)，補(bǔ)償變壓器為副邊繞組帶有中心抽頭的單相變壓器結(jié)構(gòu)；固定電容器支路由投切開關(guān)、電容器組以及限流電抗器串聯(lián)構(gòu)成，固定電抗器支路由投切開關(guān)和電抗器串聯(lián)構(gòu)成；“背靠背”變流器由直流側(cè)電容共用的兩組相同的電壓源變流器組成，兩組電壓源變流器的交流側(cè)分別通過連接電抗各自構(gòu)成兩個交流輸出端(11、12，21、22)；

所述各器件的連接關(guān)系為：主牽引變壓器與備用牽引變壓器的原邊繞組第一端口P₁₁、P₂₁分別均接入外部電力系統(tǒng)中的第一相，第二端口P₁₀、P₂₀分別均接入外部電力系統(tǒng)中的第二相；補(bǔ)償變壓器的原邊繞組第一端口P_c0接入外部電力系統(tǒng)中的第二相，第二端口P_c1接入外部電力系統(tǒng)中的第三相；主牽引變壓器與備用牽引變壓器的副邊繞組第一端口S₁₁、S₂₁分別均接入牽引母線，第二端口S₁₀、S₂₀分別接大地；補(bǔ)償變壓器的副邊繞組第一端口S_c0接入大地，中心抽頭端口S_c1與匹配變壓器的原邊繞組第一端口P_m0相連接，匹配變壓器的原邊繞組第二端口P_m1接入牽引母線；“背靠背”變流器其中一側(cè)變流器的兩個交流端口11、12分別接入補(bǔ)償變壓器副邊繞組的第一端口S_c0和中心抽頭端口S_c1，另一側(cè)變流器的兩個交流端口21、22分別接入匹配變壓器副邊繞組的第一、第二端口S_m0、S_m1；當(dāng)接入的外部電力系統(tǒng)為正相序，即第一相超前第二相約120°，且第二相超前第三相約120°，固定電抗器支路一端接入補(bǔ)償變壓器副邊繞組第二端口S_c2，另一端接入匹配變壓器原邊繞組第二端口P_m1；固定電容器支路一端接入補(bǔ)償變壓器副邊繞組第二端口S_c2，另一端接入補(bǔ)償變壓器副邊繞組第一端口S_c0；當(dāng)接入的外部電力系統(tǒng)為逆相序，即第一相滯后第二相120°，且第二相滯后第三相約120°，固定電容器支路一端接入補(bǔ)償變壓器副邊繞組第二端口S_c2，另一端接入匹配變壓器原邊繞組第二端口P_m1；固定電抗器支路一端接入補(bǔ)償變壓器副邊繞組第二端口S_c2，另一端接入補(bǔ)償變壓器副邊繞組第一端口S_c0；；牽引母線接入牽引供電臂，鋼軌接大地。

本發(fā)明提出的第四種適用于高速電氣化鐵路同相牽引供電系統(tǒng)，其特征在于，包括主牽引變壓器、備用牽引變壓器和采用有源和無源混合補(bǔ)償配置方式的同相補(bǔ)償器；所述同相補(bǔ)償器由補(bǔ)償變壓器、“背靠背”變流器、匹配變壓器、固定電容器支路和固定電抗器支路構(gòu)成；主牽引變壓器、備用牽引變壓器、補(bǔ)償變壓器均為副邊繞組帶有中心抽頭的單相變壓器結(jié)構(gòu)，匹配變壓器為單相變壓器結(jié)構(gòu)；固定電容器支路由投切開關(guān)、電容器組以及限流電抗器串聯(lián)構(gòu)成，固定電抗器支路由投切開關(guān)和電抗器串聯(lián)構(gòu)成；“背靠背”變流器由直流側(cè)電容共用的兩組相同的電壓源變流器組成，兩組電壓源變流器的交流側(cè)分別通過連接電抗各自構(gòu)成兩個交流輸出端(11、12，21、22)；

所述各器件的連接關(guān)系為：主牽引變壓器與備用牽引變壓器的原邊繞組第一端口P₁₁、P₂₁分別均接入外部電力系統(tǒng)中的第一相，第二端口P₁₀、P₂₀分別均接入外部電力系統(tǒng)中的第二相；補(bǔ)償變壓器的原邊繞組第一端口P_c0接入外部電力系統(tǒng)中的第二相，第二端口P_c1接入外部電力系統(tǒng)中的第三相；主牽引變壓器與備用牽引變壓器的副邊繞組第一端口S₁₁、S₂₁分別均接入牽引母線的正母線，第二端口S₁₀、S₂₀分別均接入牽引母線的負(fù)母線，中心抽頭端口均接大地；補(bǔ)償變壓器的副邊繞組第一端口S_c0接入牽引母線的負(fù)母線，中心抽頭端口S_c1與匹配變壓器的原邊繞組第一端口P_m0相連接，匹配變壓器的原邊繞組第二端口P_m1接入牽引母線的正母線；“背靠背”變流器其中一側(cè)變流器的兩個交流端口11、12分別接入補(bǔ)償變壓器副邊繞組的第一端口S_c0和中心抽頭端口S_c1，另一側(cè)變流器的兩個交流端口21、22分別接入匹配變壓器副邊繞組的第一、第二端口S_m0、S_m1；當(dāng)接入的外部電力系統(tǒng)為正相序，即第一相超前第二相約120°，且第二相超前第三相約120°，固定電抗器支路一端接入補(bǔ)償變壓器副邊繞組第二端口S_c2，另一端接入匹配變壓器原邊繞組第二端口P_m1；固定電容器支路一端接入補(bǔ)償變壓器副邊繞組第二端口S_c2，另一端接入補(bǔ)償變壓器副邊繞組第一端口S_c0；當(dāng)接入的外部電力系統(tǒng)為逆相序，即第一相滯后第二相120°，且第二相滯后第三相約120°，固定電容器支路一端接入補(bǔ)償變壓器副邊繞組第二端口S_c2，另一端接入匹配變壓器原邊繞組第二端口P_m1；固定電抗器支路一端接入補(bǔ)償變壓器副邊繞組第二端口S_c2，另一端接入補(bǔ)償變壓器副邊繞組第一端口S_c0；牽引母線的正母線接入接觸線，牽引母線的負(fù)母線接入負(fù)饋線，鋼軌接大地。

對于上述四種供電系統(tǒng)中的任意一種，所述備用牽引變壓器原邊繞組接入外部電力系統(tǒng)相序始終與主牽引變壓器相同。

對于上述第三或第四種供電系統(tǒng)，其特征在于，所述主牽引變壓器、備用牽引變壓器以及補(bǔ)償變壓器，其副邊繞組電壓等級相同且均由牽引母線額定電壓決定，其原邊繞組電壓等級不同且分別由外部電力系統(tǒng)電壓等級決定；所述補(bǔ)償變壓器，其副邊繞組中心抽頭端口S_c1與副邊繞組第一端口S_c0和第二端口S_c2之間電壓等級相同；所述匹配變壓器的原邊繞組電壓等級為主牽引變壓器或備用牽引變壓器副邊繞組電壓等級的其副邊繞組電壓等級與補(bǔ)償變壓器的副邊繞組電壓等級相同。

對于上述第三或第四種供電系統(tǒng)，其特征在于，采用負(fù)序分量補(bǔ)償度k表示CPC對負(fù)序分量的補(bǔ)償程度，即引起與所述同相補(bǔ)償器實(shí)際補(bǔ)償?shù)呢?fù)序分量大小相當(dāng)?shù)呢?fù)荷容量S_C占引起總負(fù)序分量的牽引負(fù)荷容量S_L的比例，k為實(shí)數(shù)且k∈[0，1]，其數(shù)學(xué)式表示為：

式中S_C表示的這部分牽引負(fù)荷容量所產(chǎn)生的負(fù)序分量與同相補(bǔ)償器補(bǔ)償?shù)呢?fù)序分量大小相當(dāng)，MV·A；

對所述采用有源和無源混合補(bǔ)償配置方式的同相補(bǔ)償器，當(dāng)同相補(bǔ)償器CPC負(fù)序分量補(bǔ)償度為k，其有源部分和無源部分各承擔(dān)k/2的負(fù)序分量補(bǔ)償度；主牽引變壓器的計算容量標(biāo)幺值為補(bǔ)償變壓器的原邊繞組計算容量標(biāo)幺值為其副邊繞組第一和中心抽頭端口(S_c0、S_c1)之間的計算容量標(biāo)幺值為其副邊繞組中心抽頭和第二端口(S_c1、S_c2)之間的計算容量標(biāo)幺值為匹配變壓器的計算容量標(biāo)幺值與“背靠背”變流器其中任一側(cè)變流器的計算容量標(biāo)幺值相同，均為k/4；固定電容器支路在額定電壓條件下的容性功率計算容量標(biāo)幺值為其中限流電抗器的計算容量通常不超過容性無功功率計算容量的1/10；固定電抗器支路在額定電壓條件下的感性無功功率計算容量標(biāo)幺值為所述標(biāo)幺值均以額定的牽引負(fù)荷計算容量S_L，MV·A為基值容量。

本發(fā)明的特點(diǎn)及有益效果：

(1)本發(fā)明既適用于高速鐵路同相牽引供電系統(tǒng)的新線設(shè)計，也適用于高速鐵路既有線的同相供電改造，特別適用于既有高速電氣化鐵路線廣泛采用單相牽引變壓器的牽引變電站的同相供電制式改造，不需要對既有的單相牽引變壓器的任何改造，且補(bǔ)償變壓器接線結(jié)構(gòu)簡單。

(2)本發(fā)明的同相補(bǔ)償器CPC的有源補(bǔ)償部分針對負(fù)序分量的補(bǔ)償特性符合三相- 兩相平衡變壓器的特征，兩端電壓相量相互垂直，負(fù)序分量補(bǔ)償可實(shí)現(xiàn)最小容量設(shè)計；而無源補(bǔ)償部分針對負(fù)序分量的補(bǔ)償特性符合常規(guī)V/v變壓器特征，無源補(bǔ)償端口相位差為60°或120°，負(fù)序分量可實(shí)現(xiàn)最小容量設(shè)計。

(3)本發(fā)明同相補(bǔ)償器CPC適于采用有源和無源混合補(bǔ)償配置，在實(shí)現(xiàn)相同的負(fù)序分量補(bǔ)償度k時，有源補(bǔ)償容量可降低為僅有源補(bǔ)償配置容量時的1/2，因此可顯著降低同相補(bǔ)償器的工程造價；

(4)本發(fā)明中同相供電可保持主牽引變壓器及補(bǔ)償變壓器較高的容量利用率，當(dāng)實(shí)現(xiàn)負(fù)序分量完全補(bǔ)償時，牽引變壓器及補(bǔ)償變壓器的總體容量利用率達(dá)到87％；當(dāng)三相電壓不平衡度ε符合電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，對應(yīng)CPC的負(fù)序分量補(bǔ)償度為k時，牽引變壓器及補(bǔ)償變壓器的總體容量利用率更高。例如當(dāng)k＝0.5時，總體容量利用率可達(dá)到95％以上。

(5)本發(fā)明除了適于直接供電的牽引變電所和牽引網(wǎng)外，也用于AT供電的牽引變電所及其牽引網(wǎng)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明適于高速電氣化鐵路的直接供電制式且采用有源補(bǔ)償配置的同相供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明適于高速電氣化鐵路的AT供電制式且采用有源補(bǔ)償配置的同相供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是本發(fā)明適于高速電氣化鐵路的直接供電制式且采用有源和無源混合補(bǔ)償配置的同相供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是本發(fā)明適于高速電氣化鐵路的AT供電制式且采用有源和無源混合補(bǔ)償配置的同相供電系統(tǒng)示意圖。

圖5是本發(fā)明主牽引變壓器T_T1和補(bǔ)償變壓器T_C的計算容量標(biāo)幺值與其同相補(bǔ)償器CPC的負(fù)序補(bǔ)償度k的關(guān)系圖。

圖6是本發(fā)明同相補(bǔ)償器CPC中“背靠背”變流器結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明提出的一種適于高速電氣化鐵路的同相牽引供電系統(tǒng)詳細(xì)說明如下：

本發(fā)明提出的一種適用于高速電氣化鐵路的同相供電系統(tǒng)，當(dāng)該系統(tǒng)為直接供電制式且采用有源補(bǔ)償配置方式時，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，包括主牽引變壓器T_T1、備用牽引變壓器T_T2和同相補(bǔ)償器CPC；同相補(bǔ)償器CPC為有源補(bǔ)償配置方式，由補(bǔ)償變壓器T_C、“背靠背”變流器和匹配變壓器T_m構(gòu)成；主牽引變壓器T_T1、備用牽引變壓器T_T2、同相補(bǔ)償器CPC中的補(bǔ)償變壓器T_C、匹配變壓器T_m均為單相變壓器結(jié)構(gòu)；各器件的連接關(guān)系為：主牽引變壓器T_T1與備用牽引變壓器T_T2的原邊繞組一端口P₁₁和P₂₁分別經(jīng)斷路器CB1、CB3均接入外部電力系統(tǒng)中的第一相為A相、另一端口P₁₀和P₂₀分別經(jīng)斷路器CB1、CB3均接入外部電力系統(tǒng)中的第二相為B相；補(bǔ)償變壓器T_C的原邊繞組一端口P_c0經(jīng)斷路器CB6接入外部電力系統(tǒng)中的第二相為B相、另一端口P_c1經(jīng)斷路器CB6接入外部電力系統(tǒng)中的第三相為C相；主牽引變壓器T_T1與備用牽引變壓器T_T2的副邊繞組一端口S₁₁和S₂₁分別經(jīng)斷路器CB2、CB4接入牽引母線T-bus，副邊繞組另一端口S₁₀與S₂₀分別接大地；補(bǔ)償變壓器T_C的副邊繞組一端口S_c0接入大地，另一端口S_c1與匹配變壓器T_m的原邊繞組一端口P_m0相連接，匹配變壓器T_m的原邊繞組另一端口P_m1經(jīng)斷路器CB7接入牽引母線T-bus；“背靠背”變流器其中一側(cè)變流器的兩個交流端口11、12分別接入補(bǔ)償變壓器T_C副邊繞組的兩個端口S_c0和S_c1，另一側(cè)變流器的兩個交流端口21、22分別接入匹配變壓器T_m副邊繞組的兩個端口S_m0和S_m1；牽引母線T-bus經(jīng)斷路器CB5接入牽引供電臂T，鋼軌G接大地。

當(dāng)主牽引變壓器T_T1故障或按計劃檢修時，備用牽引變壓器T_T2投入運(yùn)行。正常運(yùn)行時，主牽引變壓器T_T1和同相補(bǔ)償器CPC投入工作，備用牽引變壓器T_T2不工作；主牽引變壓器T_T1退出時，備用牽引變壓器T_T2投入工作，CPC也投入工作；同相補(bǔ)償器CPC退出運(yùn)行時，牽引變壓器T_T1可以短時單獨(dú)工作，備用牽引變壓器T_T2也可以替代主牽引變壓器T_T1工作。

在直接供電制式下，主牽引變壓器T_T1與備用牽引變壓器T_T2的副邊繞組電壓等級由牽引母線額定電壓決定，典型額定值為27.5kV；補(bǔ)償變壓器T_C的副邊繞組電壓等級為主牽引變壓器T_T1或備用牽引變壓器T_T2副邊繞組電壓等級的1/2，對應(yīng)典型額定值為13.8kV；主牽引變壓器T_T1、備用牽引變壓器T_T2與補(bǔ)償變壓器T_C的原邊繞組電壓等級由外部電力系統(tǒng)電壓等級決定，典型額定值為110kV、220kV、500kV等；匹配變壓器T_m的原邊繞組電壓等級為主牽引變壓器T_T1或備用牽引變壓器T_T2副邊繞組電壓等級的典型額定值為23.8kV，匹配變壓器T_m的副邊繞組電壓等級與補(bǔ)償變壓器T_C的副邊繞組電壓等級相同，對應(yīng)典型額定值為13.8kV；

同相補(bǔ)償器CPC中的“背靠背”變流器由直流側(cè)電容共用的兩組相同的電壓源變流器1和2組成，見圖6。電壓源變流器1與電壓源變流器2通常采用基于全控型大功率電力電子器件(如絕緣門極雙極性晶體管IGBT或集成門極換向晶閘管IGCT)的電壓源多電平變流器組合而成，兩變流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、功率容量及交流端口輸出電壓等級均相同。電壓源變流器1和2的交流側(cè)分別通過連接電抗L1和L2各自構(gòu)成兩個交流輸出端，分別為11、12和21、22。

本發(fā)明均以額定的牽引負(fù)荷計算容量S_L，MV·A為基值容量，設(shè)定實(shí)現(xiàn)同相供電的牽引變電站對應(yīng)牽引負(fù)荷S_L計算容量的標(biāo)幺值為1.0，并將采用“交流-直流-交流”高速機(jī)車的牽引負(fù)荷功率因數(shù)近似為1.0。

以實(shí)現(xiàn)牽引變電站負(fù)序分量完全補(bǔ)償為目標(biāo)，主牽引變壓器T_T1的計算容量標(biāo)幺值為對采用有源補(bǔ)償配置方式的同相補(bǔ)償器CPC，其中補(bǔ)償變壓器T_C的計算容量標(biāo)幺值為匹配變壓器T_m的計算容量標(biāo)幺值與“背靠背”變流器其中一側(cè)變流器的計算容量標(biāo)幺值相同，均為1/2；當(dāng)負(fù)序分量被完全補(bǔ)償時，由牽引負(fù)荷引起的外部電力系統(tǒng)三相電壓不平衡度為零。

以實(shí)現(xiàn)牽引變電站與外部電力系統(tǒng)公共連接點(diǎn)的三相電壓不平衡度ε符合電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)為補(bǔ)償目標(biāo)(各國電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)并不相同，依照中國國標(biāo)GB/T 15543-1995，電力系統(tǒng)公共連接點(diǎn)正常三相電壓不平衡度ε允許值為2％，短時不得超過4％)，根據(jù)GB/T 15543-1995，三相電壓不平衡度ε的近似計算公式為：

(1)式中S_K表示牽引變電站外部電力系統(tǒng)的三相短路容量，MV·A；S_L為同相供電的牽引負(fù)荷計算容量，MV·A。

以公共連接點(diǎn)的三相電壓不平衡度ε符合電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)為目標(biāo)，同相補(bǔ)償器CPC的計算容量只需去補(bǔ)償引起ε超出標(biāo)準(zhǔn)的那部分牽引負(fù)荷造成的負(fù)序分量即可，避免了實(shí)現(xiàn)完全負(fù)序分量補(bǔ)償要求更大的同相補(bǔ)償器CPC設(shè)計容量；或者對于確定設(shè)計容量的同相補(bǔ)償器CPC，當(dāng)牽引負(fù)荷計算容量引起的負(fù)序分量超出其負(fù)序分量補(bǔ)償能力，只能補(bǔ)償部分牽引負(fù)荷引起的負(fù)序分量時，均采用負(fù)序分量補(bǔ)償度k表示CPC對負(fù)序分量的補(bǔ)償程度，即引起與所述同相補(bǔ)償器實(shí)際補(bǔ)償?shù)呢?fù)序分量大小相當(dāng)?shù)呢?fù)荷容量S_C占引起總負(fù)序分量的牽引負(fù)荷容量S_L的比例，k為實(shí)數(shù)且k∈[0，1]，其數(shù)學(xué)式表示為：

式(2)中S_C表示的這部分牽引負(fù)荷容量所產(chǎn)生的負(fù)序分量與同相補(bǔ)償器補(bǔ)償?shù)呢?fù)序分量大小相當(dāng)，MV·A；

對采用有源補(bǔ)償配置方式的同相補(bǔ)償器，當(dāng)同相補(bǔ)償器CPC負(fù)序分量補(bǔ)償度為k，主牽引變壓器T_T1的計算容量標(biāo)幺值S_TT1為：

對采用有源補(bǔ)償配置方式的同相補(bǔ)償器CPC，其中補(bǔ)償變壓器T_C的計算容量標(biāo)幺值S_Tc為：

對采用有源補(bǔ)償配置方式的同相補(bǔ)償器，匹配變壓器T_m的計算容量標(biāo)幺值與“背靠背”變流器其中一側(cè)變流器的計算容量標(biāo)幺值S_Tm相同，均為：

S_Tm＝k/2； (5)

根據(jù)式(3)和(4)，主牽引變壓器T_T1和補(bǔ)償變壓器T_C的計算容量標(biāo)幺值與k的關(guān)系見圖5，其中橫坐標(biāo)為k，縱坐標(biāo)為主牽引變壓器T_T1和補(bǔ)償變壓器T_C的計算容量標(biāo)幺值。當(dāng)k＝0時，表示沒有同相補(bǔ)償器CPC參與負(fù)序分量補(bǔ)償，當(dāng)k＝1時，表示CPC實(shí)現(xiàn)了對負(fù)序分量的完全補(bǔ)償。

據(jù)此設(shè)計本發(fā)明如圖1所示實(shí)施例，在高速電氣化鐵路某牽引變電站采用同相供電制式，牽引負(fù)荷計算容量為80MV·A，接入外部電力系統(tǒng)短路容量為2000MV·A，允許該牽引變電站引起的三相電壓不平衡度最大不超過2％，牽引供電臂電壓為27.5kV，則同相補(bǔ)償器CPC負(fù)序分量補(bǔ)償度按照(1)、(2)式可得：

計算得k＝0.5，則主牽引變壓器T_T1的計算容量為可選擇額定容量為63MV·A的標(biāo)準(zhǔn)等級的單相主牽引變壓器；對采用有源補(bǔ)償配置方式的同相補(bǔ)償器CPC，其中補(bǔ)償變壓器T_C的計算容量為可選擇額定容量為25MV·A的標(biāo)準(zhǔn)等級的單相牽引變壓器；匹配變壓器T_m的計算容量標(biāo)幺值與“背靠背”變流器其中一側(cè)變流器的計算容量相同，均為80MV·A×0.5/2＝20MV·A。備用牽引變壓器T_T2容量主要應(yīng)根據(jù)主牽引變壓器T_T1和同相補(bǔ)償器CPC的故障情況和檢修要求確定，同時考慮對應(yīng)的三相電壓不平衡度的影響，一般選擇與主牽引變壓器T_T1相同容量或增減一個容量等級的牽引變壓器，本實(shí)施例中選擇額定容量為63MV·A標(biāo)準(zhǔn)等級的單相牽引變壓器為備用牽引變壓器T_T2。

根據(jù)主牽引變壓器T_T1、備用牽引變壓器T_T2和補(bǔ)償變壓器T_C原邊繞組接入外部電力系統(tǒng)的第一相、第二相和第三相，共計有6種可能的對應(yīng)方式，均列入表1，備用牽引變壓器T_T2原邊繞組接入外部電力系統(tǒng)相序始終與主牽引變壓器T_T1相同；以如圖1所示的實(shí)施例為例，主牽引變壓器T_T1和備用牽引變壓器T_T2的原邊繞組分別經(jīng)斷路器接入外部電力系統(tǒng)第一相和第二相分別為A相和B相，副邊繞組對應(yīng)第二相的端口接入大地，故牽引供電臂(或牽引母線)對鋼軌電壓可表示為V_ab，表示與外部電力系統(tǒng)線電壓V_AB相序相同，對應(yīng)補(bǔ)償變壓器的原邊繞組端口P_C0接入第二相，端口P_C1接入的第三相為C相(其他5種以此類推，此處不再贅述)。

表1

表1中，前三行對應(yīng)的相序稱之為正相序，即第一相超前第二相約120°，且第二相超前第三相約120°；后三行對應(yīng)的相序稱之為逆相序，即第一相滯后第二相120°，且第二相滯后第三相約120°。

本發(fā)明提出的一種用于高速電氣化鐵路同相供電系統(tǒng)，當(dāng)該系統(tǒng)用于AT(自耦變壓器)供電制式且采用有源補(bǔ)償配置方式時的，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖2，其中，主牽引變壓器T_T1、備用牽引變壓器T_T2、同相補(bǔ)償器CPC中補(bǔ)償變壓器T_C對應(yīng)的原邊繞組端口接入外部電力系統(tǒng)相序關(guān)系連接方式與圖1相同，同樣依據(jù)表1關(guān)系；牽引母線T-Bus兩母線之間電壓為2×27.5kV，F(xiàn)、T分別是AT供電制式的負(fù)饋線和接觸線；在AT供電制式的同相供變電構(gòu)造中，主牽引變壓器T_T1、備用牽引變壓器T_T2的副邊繞組中點(diǎn)均抽出接入大地，電壓均為2×27.5kV，而當(dāng)主牽引變壓器T_T1、備用牽引變壓器T_T2的副邊繞組中點(diǎn)不抽出時，則為一種55kV的AT供電制式，圖2中，T為接觸線，G為鋼軌，CB1、CB2、CB3、CB4、CB5、CB6、CB7為斷路器。與圖1所示供電系統(tǒng)不同的是，圖2所示供電系統(tǒng)的主牽引變壓器T_T1的副邊繞組端口S₁₁經(jīng)CB2接入T-Bus正母線，S₁₀經(jīng)CB2接入T-Bus負(fù)母線；備用牽引變壓器T_T2的副邊繞組端口S₂₁經(jīng)CB4接入T-Bus正母線，S₂₀經(jīng)CB4接入T-Bus負(fù)母線；同相補(bǔ)償器CPC中匹配變壓器T_m原邊繞組端口P_m1經(jīng)過CB7接入T-Bus正母線，補(bǔ)償變壓器T_C副邊繞組端口S_c0接入T-Bus負(fù)母線；T-bus正母線經(jīng)CB5與牽引供電臂T相連，T-Bus負(fù)母線經(jīng)CB5與負(fù)饋線F相連。

在AT供電制式下，主牽引變壓器T_T1與備用牽引變壓器T_T2的副邊繞組電壓等級相同且均由牽引母線T-bus額定電壓決定，典型額定值為2×27.5kV；補(bǔ)償變壓器T_C的副邊繞組電壓等級為主牽引變壓器T_T1或備用牽引變壓器T_T2副邊繞組電壓等級的1/2，對應(yīng)典型額定值為27.5kV；主牽引變壓器T_T1、備用牽引變壓器T_T2與補(bǔ)償變壓器T_C的原邊繞組電壓等級由外部電力系統(tǒng)電壓等級決定，典型額定值為110kV、220kV、500kV等；匹配變壓器T_m的原邊繞組電壓等級為主牽引變壓器T_T1與備用牽引變壓器T_T2副邊繞組電壓等級的典型額定值為47.6kV，匹配變壓器T_m的副邊繞組電壓等級與T_C的副邊繞組電壓等級相同，對應(yīng)典型額定值為27.5kV。

所述用于高速電氣化鐵路的AT供電制式且采用有源補(bǔ)償配置方式的同相供電系統(tǒng)負(fù)序分量補(bǔ)償?shù)挠嬎闩c圖1所示供電系統(tǒng)相同，此處不再贅述。

本發(fā)明提出的一種適用于高速電氣化鐵路同相供電系統(tǒng)，當(dāng)該系統(tǒng)用于直接供電制式且采用有源和無源混合補(bǔ)償配置方式時，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖3，包括主牽引變壓器T_T1、備用牽引變壓器T_T2和同相補(bǔ)償器CPC；同相補(bǔ)償器CPC采用有源和無源混合補(bǔ)償配置方式，由補(bǔ)償變壓器T_C、“背靠背”變流器、匹配變壓器T_m、固定電容器支路和固定電抗器支路構(gòu)成；主牽引變壓器T_T1、備用牽引變壓器T_T2、匹配變壓器T_m均為單相變壓器結(jié)構(gòu)，同相補(bǔ)償器CPC中的補(bǔ)償變壓器T_C為副邊繞組帶有中心抽頭的單相變壓器結(jié)構(gòu)；固定電容器支路由投切開關(guān)K_C、電容器組FC以及限流電抗器Lc串聯(lián)構(gòu)成，固定電抗器支路由投切開關(guān)K_L和電抗器FL串聯(lián)構(gòu)成；

各器件的連接關(guān)系為：主牽引變壓器T_T1與備用牽引變壓器T_T2的原邊繞組一端口P₁₁和P₂₁分別經(jīng)斷路器CB1、CB3均接入外部電力系統(tǒng)中的第一相為A相、另一端口P₁₀和P₂₀分別經(jīng)斷路器CB1、CB3均接入外部電力系統(tǒng)中的第二相為B相；補(bǔ)償變壓器T_C的原邊繞組一端口P_c0經(jīng)斷路器CB6接入外部電力系統(tǒng)中的第二相為B相、另一端口P_c1經(jīng)斷路器CB6接入外部電力系統(tǒng)中的第三相為C相；主牽引變壓器T_T1與備用牽引變壓器T_T2的副邊繞組一端口S₁₁和S₂₁分別經(jīng)斷路器CB2、CB4接入牽引母線T-bus，副邊繞組另一端口S₁₀與S₂₀分別接大地；補(bǔ)償變壓器T_C的副邊繞組一端口S_c0接入大地，中心抽頭端口S_c1與匹配變壓器T_m的原邊繞組一端口P_m0相連接，匹配變壓器T_m的原邊繞組另一端口P_m1經(jīng)斷路器CB7接入牽引母線T-bus；“背靠背”變流器其中一側(cè)變流器的兩個交流端口11、12分別接入補(bǔ)償變壓器T_C副邊繞組的端口S_c0和中心抽頭端口S_c1，另一側(cè)變流器的兩個交流端口21、22分別接入匹配變壓器T_m副邊繞組的兩個端口S_m0、S_m1；固定電抗器支路一端接入補(bǔ)償變壓器T_C副邊繞組一端口S_c2，另一端接入匹配變壓器T_m原邊繞組端口P_m1；固定電容器支路一端接入補(bǔ)償變壓器T_C副邊繞組一端口S_c2，另一端接入補(bǔ)償變壓器T_C副邊繞組一端口S_c0；牽引母線T-bus經(jīng)斷路器CB5接入牽引供電臂T，鋼軌G接大地。

根據(jù)主牽引變壓器T_T1、備用牽引變壓器T_T2和補(bǔ)償變壓器T_C原邊繞組接入的外部電力系統(tǒng)的第一相、第二相和第三相，共有6種可能的對應(yīng)方式，均列入表2(其中“牽引母線電壓”一列中各變量的含義同表1，此處不再贅述)，包括與之對應(yīng)的固定電容器支路和固定電抗器支路的安裝端口位置，備用牽引變壓器T_T2原邊繞組接入外部電力系統(tǒng)相序始終與主牽引變壓器T_T1相同。

表2

表2中，前三行對應(yīng)的相序稱之為正相序，即第一相超前第二相約120°，且第二相超前第三相約120°，對應(yīng)固定電抗器支路一端接入補(bǔ)償變壓器副邊繞組第二端口S_c2，另一端接入匹配變壓器原邊繞組第二端口P_m1；固定電容器支路一端接入補(bǔ)償變壓器副邊繞組第二端口S_c2，另一端接入補(bǔ)償變壓器副邊繞組第一端口S_c0。后三行對應(yīng)的相序稱之為逆相序，即第一相滯后第二相120°，且第二相滯后第三相約120°，固定電容器支路一端接入補(bǔ)償變壓器副邊繞組第二端口S_c2，另一端接入匹配變壓器原邊繞組第二端口P_m1；固定電抗器支路一端接入補(bǔ)償變壓器副邊繞組第二端口S_c2，另一端接入補(bǔ)償變壓器副邊繞組第一端口S_c0。

如圖3，在直接供電制式下，主牽引變壓器T_T1、備用牽引變壓器T_T2的副邊繞組以及補(bǔ)償變壓器T_C的副邊繞組(端口S_c0與S_c2之間)電壓等級相同且均由牽引母線額定電壓決定，典型額定值為27.5kV；主牽引變壓器T_T1、備用牽引變壓器T_T2與補(bǔ)償變壓器T_C的原邊繞組電壓等級由外部電力系統(tǒng)電壓等級決定，典型額定值為110kV、220kV、500kV等；所述補(bǔ)償變壓器，其副邊繞組中心抽頭端口S_c1與副邊繞組第一端口S_c0和第二端口S_c2之間電壓等級相同，典型值均為13.8kV；匹配變壓器T_m的原邊繞組電壓等級為主牽引變壓器T_T1或備用牽引變壓器T_T2副邊繞組電壓等級的典型額定值為23.8kV，匹配變壓器T_m的副邊繞組電壓等級與補(bǔ)償變壓器T_C的副邊繞組電壓等級相同；

該供電系統(tǒng)同相補(bǔ)償器CPC中的“背靠背”變流器的實(shí)現(xiàn)方式與圖1所示的供電系統(tǒng)相同，詳見圖6，此處不再贅述。

仍設(shè)定實(shí)現(xiàn)同相供電的牽引變電站對應(yīng)牽引負(fù)荷計算容量的標(biāo)幺值為1.0，且采用“交流-直流-交流”高速機(jī)車的牽引負(fù)荷功率因數(shù)近似為1.0。

以實(shí)現(xiàn)牽引變電站負(fù)序分量完全補(bǔ)償為目標(biāo)，主牽引變壓器T_T1的計算容量標(biāo)幺值為對采用有源和無源混合補(bǔ)償配置方式的同相補(bǔ)償器CPC，其中補(bǔ)償變壓器T_C的原邊繞組計算容量標(biāo)幺值為其中副邊繞組端口S_c0與S_c1之間的計算容量標(biāo)幺值為端口S_c1與S_c2之間的計算容量標(biāo)幺值為匹配變壓器T_m的計算容量標(biāo)幺值與“背靠背”變流器其中一側(cè)變流器的計算容量標(biāo)幺值相同，均為1/4；固定電容器支路在額定電壓條件下的容性功率計算容量標(biāo)幺值為其中限流電抗Lc的計算容量通常不超過容性功率計算容量的1/10；固定電抗器支路在額定電壓條件下的感性功率計算容量標(biāo)幺值為當(dāng)負(fù)序分量被完全補(bǔ)償時，由牽引負(fù)荷引起的外部電力系統(tǒng)三相電壓不平衡度為零。

對采用有源和無源混合補(bǔ)償配置方式的同相補(bǔ)償器CPC，以實(shí)現(xiàn)外部電力系統(tǒng)三相電壓不平衡度ε滿足電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)為補(bǔ)償目標(biāo)，當(dāng)同相補(bǔ)償器CPC負(fù)序分量補(bǔ)償度為k，其有源部分和無源部分各承擔(dān)k/2的負(fù)序分量補(bǔ)償度；主牽引變壓器T_T1的計算容量標(biāo)幺值為對采用有源補(bǔ)償配置方式的同相補(bǔ)償器CPC，補(bǔ)償變壓器T_C其原邊繞組計算容量標(biāo)幺值為其中副邊繞組端口S_c0與S_c1之間的計算容量標(biāo)幺值為端口S_c1與S_c2之間的計算容量標(biāo)幺值為匹配變壓器T_m的計算容量標(biāo)幺值與“背靠背”變流器其中一側(cè)變流器的計算容量標(biāo)幺值相同，均為k/4；固定電容器支路在額定電壓條件下的容性功率計算容量標(biāo)幺值為其中限流電抗器Lc的計算容量通常不超過容性功率計算容量的1/10；固定電抗器支路在額定電壓條件下的感性功率計算容量標(biāo)幺值為主牽引變壓器T_T1和補(bǔ)償變壓器T_c的計算容量標(biāo)幺值與k的關(guān)系見圖5，其中橫坐標(biāo)為k，縱坐標(biāo)為T_T1和T_C的計算容量標(biāo)幺值。當(dāng)k＝0時，表示沒有同相補(bǔ)償器CPC參與負(fù)序分量補(bǔ)償，當(dāng)k＝1時，表示同相補(bǔ)償器CPC實(shí)現(xiàn)了對負(fù)序分量的完全補(bǔ)償。

所述固定電容器支路和固定電抗器支路分別可由n組固定電容器子支路、n組固定電抗器子支路并聯(lián)構(gòu)成(n通常為1到10之間的自然數(shù))，每個固定電容器子支路均由投切開關(guān)K_C、電容器組FC以及限流電抗器Lc串聯(lián)構(gòu)成，每個固定電抗器子支路均由投切開關(guān)K_L和電抗器FL串聯(lián)構(gòu)成。

據(jù)此設(shè)計本發(fā)明如圖3所示實(shí)施例，在高速電氣化鐵路某牽引變電站采用同相供電制式，牽引負(fù)荷計算容量為80MV·A，接入外部電力系統(tǒng)短路容量為2000MV·A，允許該牽引變電站引起的三相電壓不平衡度最大不超過2％，牽引供電臂電壓為27.5kV，則如(1)、(2)式計算可得k＝0.5。

則主牽引變壓器T_T1的計算容量為可選擇額定容量為63MV·A的標(biāo)準(zhǔn)等級的單相主牽引變壓器；對采用有源補(bǔ)償配置方式的同相補(bǔ)償器CPC，其中補(bǔ)償變壓器T_C的原邊繞組計算容量為其中副邊繞組端口S_c0與S_c1之間的計算容量為端口S_c1與S_c2之間的計算容量標(biāo)幺值為可選擇額定容量為25MV·A的標(biāo)準(zhǔn)等級的帶有中心抽頭的單相牽引變壓器，但中心抽頭兩側(cè)繞組容量不等，分別為18.5MV·A和6.5MV·A；匹配變壓器T_m的計算容量標(biāo)幺值與“背靠背”變流器其中一側(cè)變流器的計算容量相同，均為80MV·A×0.5/4＝10MV·A；固定電容器支路的電容器組C與固定電抗器支路的電抗器L，在對應(yīng)端口為額定電壓27.5kV條件下計算容量相同，均為

如圖3的具體實(shí)施例中，采用有源和無源混合補(bǔ)償配置方式的同相補(bǔ)償器中，補(bǔ)償變壓器Tc對應(yīng)的原邊繞組端口接入外部電力系統(tǒng)相序關(guān)系見表1；其中，由固定電容器支路和固定電抗器支路的配置方式與主牽引變壓器T_T1的原邊繞組接入外部電力系統(tǒng)方式的關(guān)系，如表1所示。

本發(fā)明提出的一種用于高速電氣化鐵路同相供電系統(tǒng)，當(dāng)該系統(tǒng)用于AT(自耦變壓器)供電制式且采用有源和無源混合補(bǔ)償配置方式時，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖4，包括主牽引變壓器、備用牽引變壓器和采用有源和無源混合補(bǔ)償配置方式的同相補(bǔ)償器；所述同相補(bǔ)償器由補(bǔ)償變壓器、“背靠背”變流器、匹配變壓器、固定電容器支路和固定電抗器支路構(gòu)成；主牽引變壓器、備用牽引變壓器、補(bǔ)償變壓器均為副邊繞組帶有中心抽頭的單相變壓器結(jié)構(gòu)，匹配變壓器為單相變壓器結(jié)構(gòu)；固定電容器支路由投切開關(guān)、電容器組以及限流電抗器串聯(lián)構(gòu)成，固定電抗器支路由投切開關(guān)和電抗器串聯(lián)構(gòu)成；“背靠背”變流器由直流側(cè)電容共用的兩組相同的電壓源變流器組成，兩組電壓源變流器的交流側(cè)分別通過連接電抗各自構(gòu)成兩個交流輸出端(11、12，21、22)；

其中，主牽引變壓器T_T1、備用牽引變壓器T_T2以及采用有源和無源混合補(bǔ)償配置的同相補(bǔ)償器CPC中補(bǔ)償變壓器T_C對應(yīng)的原邊繞組端口接入外部電力系統(tǒng)相序關(guān)系連接方式與圖3相同，同樣依據(jù)表2對應(yīng)關(guān)系；牽引母線T-Bus電壓為2×27.5kV，F(xiàn)、T分別是AT供電制式的負(fù)饋線和接觸線；在AT供電制式的同相供變電構(gòu)造中，主牽引變壓器T_T1、備用牽引變壓器T_T2的副邊繞組中點(diǎn)均抽出接入大地，電壓均為2×27.5kV，而當(dāng)主牽引變壓器T_T1、備用牽引變壓器T_T2的副邊繞組中點(diǎn)不抽出時，則為一種55kV的AT供電制式。與圖3所示供電系統(tǒng)不同的是，圖4所示供電系統(tǒng)的主牽引變壓器T_T1的副邊繞組端口S₁₁經(jīng)CB2接入T-Bus 正母線，S₁₀經(jīng)CB2接入T-Bus負(fù)母線；備用牽引變壓器T_T2的副邊繞組端口S₂₁經(jīng)CB4接入T-Bus正母線，S₂₀經(jīng)CB4接入T-Bus負(fù)母線；同相補(bǔ)償器CPC中匹配變壓器T_m原邊繞組端口P_m1經(jīng)過CB7接入T-Bus正母線，補(bǔ)償變壓器T_C副邊繞組端口S_c0接入T-Bus負(fù)母線；T-bus正母線經(jīng)CB5與接觸線T相連，T-Bus負(fù)母線經(jīng)CB5與負(fù)饋線F相連。

在AT供電制式下，主牽引變壓器T_T1、備用牽引變壓器T_T2以及補(bǔ)償變壓器T_C的副邊繞組(端口Sc0與Sc2間)的電壓等級相同且由牽引母線T-bus額定電壓決定，典型額定值為2×27.5kV；主牽引變壓器T_T1、備用牽引變壓器T_T2與補(bǔ)償變壓器T_C的原邊繞組電壓等級由外部電力系統(tǒng)電壓等級決定，典型額定值為110kV、220kV、500kV等；補(bǔ)償變壓器，其副邊繞組中心抽頭端口S_c1與副邊繞組第一端口S_c0和第二端口S_c2之間電壓等級相同，典型值均為27.5kV；匹配變壓器T_m的原邊繞組電壓等級為主牽引變壓器T_T1與備用牽引變壓器T_T2副邊繞組電壓等級的典型額定值為47.6kV，匹配變壓器T_m的副邊繞組電壓等級與補(bǔ)償變壓器Tc副邊繞組(端口S_c0與S_c1間)的電壓等級相同，對應(yīng)典型額定值為27.5kV。

該供電系統(tǒng)同相補(bǔ)償器CPC中的“背靠背”變流器的實(shí)現(xiàn)方式與圖1所示的供電系統(tǒng)相同，詳見圖6；同時該供電系統(tǒng)負(fù)序分量補(bǔ)償?shù)挠嬎闩c圖3所示供電系統(tǒng)相同，此處均不再贅述。

本發(fā)明的工作原理是：

本發(fā)明利用主牽引變壓器T_T1和備用牽引變壓器T_T2分別與補(bǔ)償變壓器T_C構(gòu)成V/v接線結(jié)構(gòu)，牽引變壓器與補(bǔ)償變壓器接入外部電力系統(tǒng)相同相對應(yīng)的副邊繞組端口相互連接，構(gòu)成V/v接線結(jié)構(gòu)變壓器的兩組副邊繞組另一側(cè)的兩個端口構(gòu)成開口端；將同相補(bǔ)償器CPC中的“背靠背”變流器的一側(cè)接入補(bǔ)償變壓器T_C副邊繞組，另一側(cè)接入V/v接線結(jié)構(gòu)中兩副邊繞組構(gòu)成的開口端，并選擇補(bǔ)償變壓器T_C的帶有或不帶有中心抽頭的副邊繞組電壓等級，使得同相補(bǔ)償器CPC兩側(cè)電壓相位相互垂直，構(gòu)成一種對于同相補(bǔ)償器CPC的有源補(bǔ)償部分是三相-兩相平衡牽引變壓器，對于同相補(bǔ)償器CPC的無源補(bǔ)償部分是常規(guī)V/v變壓器的變壓器結(jié)構(gòu)。

根據(jù)外部電力系統(tǒng)短路容量，電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)允許的三相電壓不平衡度以及牽引負(fù)荷計算容量等參數(shù)，代入(1)、(2)式計算得到同相補(bǔ)償器CPC能夠?qū)崿F(xiàn)的負(fù)序分量補(bǔ)償度k值，并依據(jù)k值得到主牽引變壓器T_T1、備用牽引變壓器T_T2以及同相補(bǔ)償器CPC各部分對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)容量，外部電力系統(tǒng)通過主牽引變壓器T_T1和同相補(bǔ)償器CPC共同給牽引網(wǎng)的牽引負(fù)荷供電。高速電氣化鐵路牽引負(fù)荷功率因數(shù)近似為1，記同相補(bǔ)償器CPC實(shí)時測量牽引負(fù)荷有功功率容量標(biāo)幺值為p，p為實(shí)數(shù)且p∈[0,1]，則：

當(dāng)同相補(bǔ)償器CPC采用有源補(bǔ)償配置方式，其中CPC“背靠背”變流器中電壓源變流器1和電壓源變流器2的計算容量標(biāo)幺值均為k/2。正常運(yùn)行時，其“背靠背”變流器中電壓源變流器1、2實(shí)際使用視在容量標(biāo)幺值均為p/2；當(dāng)p≤k時，由電壓源變流器1向電壓源變流器2轉(zhuǎn)移容量標(biāo)幺值為p/4的有功功率，同時電壓源變流器1通過交流端口提供功率容量標(biāo)幺值為的容性無功功率，電壓源變流器2通過交流端口提供功率容量標(biāo)幺值為的感性無功功率；當(dāng)p>k時，由電壓源變流器1向電壓源變流器2轉(zhuǎn)移容量標(biāo)幺值為k/4的有功功率，同時電壓源變流器1通過交流端口提供功率容量標(biāo)幺值為的容性無功功率，電壓源變流器2通過交流端口提供功率容量標(biāo)幺值為的感性無功功率；

當(dāng)同相補(bǔ)償器CPC采用有源和無源混合補(bǔ)償配置方案，其中CPC“背靠背”變流器中電壓源變流器1和電壓源變流器2的計算容量標(biāo)幺值均為k/4，固定電容器支路和固定電抗器支路在額定電壓條件下的計算容量標(biāo)幺值均為以每個支路的子支路數(shù)n＝2為例，每個子支路計算容量標(biāo)幺值均為

正常運(yùn)行時，當(dāng)p≤k/4，由電壓源變流器1向電壓源變流器2轉(zhuǎn)移容量標(biāo)幺值為p/4的有功功率，同時電壓源變流器1通過交流端口提供功率容量標(biāo)幺值為的容性無功功率，電壓源變流器2通過交流端口提供功率容量標(biāo)幺值為的感性無功功率；

當(dāng)k/4<p≤k/2，分別投入固定電容器子支路1和固定電抗器子支路1，由電壓源變流器1向電壓源變流器2轉(zhuǎn)移容量標(biāo)幺值為(p-k/4)/4的有功功率，同時電壓源變流器1通過交流端口提供功率容量標(biāo)幺值為的容性無功功率，電壓源變流器2通過交流端口提供功率容量標(biāo)幺值為的感性無功功率；

當(dāng)k/2<p≤k，分別投入固定電容器子支路1、2和固定電抗器子支路1、2，由電壓源變流器1向電壓源變流器2轉(zhuǎn)移容量標(biāo)幺值為(p-k/2)/4的有功功率，同時電壓源變流器1通過交流端口提供功率容量標(biāo)幺值為的容性無功功率，電壓源變流器2通過交流端口提供功率容量標(biāo)幺值為的感性無功功率；

當(dāng)p>k，分別投入固定電容器子支路1、2和固定電抗器子支路1、2，由電壓源變流器1向電壓源變流器2轉(zhuǎn)移容量標(biāo)幺值為k/8的有功功率，同時電壓源變流器1通過交流端口提供功率容量標(biāo)幺值為的容性無功功率，電壓源變流器2通過交流端口提供功率容量標(biāo)幺值為的感性無功功率。