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4由一个背靠背式的铁路功率调节器2(RPC)、两组不同参数的晶闸管控制高通滤波器3(TCHF)和晶闸管控制电抗器1(TCR)联合组成。RPC通过两个单相三绕组降压变压器安装在三相V/v结线牵引变压器二次侧的两供电臂之间,晶闸管控制高通滤波器安装在与电压相位超前的供电臂连接的两个单相三绕组降压变压器下,晶闸管控制电抗器(L3,L4)安装在与电压相位滞后的另一供电臂连接的两个单相三绕组降压变压器下。RPC中包含通过共用直流电容连接的两个变流器,两变流器通过输出电抗和单相三绕组降压变压器连接到三相V/v结线牵引变压器的两供电臂。两组不同参数的晶闸管控制高通滤波器分别由电抗器(L1)和电容器(C1)及电抗器(L2)和电容器(C2)串联组成。晶闸管控制高通滤波器和晶闸管控制电抗器中的晶闸管只起投切作用,相当于一个投切开关,采用晶闸管进行投切是为了保证投切迅速。
参见图2,图2为本发明实施例2的结构图。实施例2中仅用单相降压变压器取代实施例1中单相三绕组降压变压器。
两供电臂分别给高速铁路上行线和下行线的电力机车供电。当一供电臂有电力机车运行而另一臂没有电力机车运行时,只有一供电臂存在电流,另一臂没有电流。从三相侧电流IA、IB、IC看,存在较大的负序电流。根据电力机车的运行情况,通过晶闸管控制投入相应参数的一组高通滤波器和电抗器。晶闸管控制高通滤波器和晶闸管控制电抗器分别安装在电流超前和滞后的供电臂下,由于高通滤波器不但滤除部分高次谐波,对于基波频率它是呈容性的,能使这一供电臂电流超前;晶闸管控制电抗器能使其所在供电臂的电流更滞后。这样就使两供电臂的相位从补偿前的60度增大了,在RPC补偿负序的基础上进一步改善了负序补偿效果。对于电力机车负载产生的谐波,RPC能够发出相应的谐波去抵消电力机车负载产生的谐波,从而消除网侧中的谐波。同时,晶闸管控制高通滤波器能够滤除其所在供电臂的部分高次谐波,进一步改善了谐波补偿效果。因此,该***可以改善负序补偿和谐波抑制效果。在同样的负序补偿指标下,与单独的RPC相比电气化高速铁路负序与谐波综合补偿***中有源装置RPC容量明显降低。
下面结合图
进一步详细分析和说明其负序补偿原理和晶闸管控制高通滤波器及晶闸管控制电抗器的参数设计方法。以三相侧线电压
为基准。高速铁路电力机车为四象限PWM整流控制方式,具有高功率因数,低次谐波含量少的特点,功率因数接近于1。
补偿前,假设a相有电力机车负载,负载电流大小为I
L,b相没有电力机车。由于功率因数接近于1,a相电流相位与电压相位一致。由于负序电流主要为基波,因此分析负序电流时忽略谐波。故设
补偿前三相电流向量图如图
所示。
则三相电网侧电流IA、IB、IC分别为:
引入复数运算因子α,设α=ej120°,正序电流和负序电流的计算公式分别为:
定义 为三相电流不平衡度,根据式(1)-(3)可以算出:
可见,补偿前***存在较大的负序电流,且负序电流值和正序电流值相等。
当RPC工作时,RPC将b相有功电流转移到a相,两供电臂电流变化的幅值一致。设RPC工作后,a相和b相供电臂下电流大小分别为Ia和Ib。RPC是功率转移装置,在不考虑其开关损耗的情况下RPC不消耗功率。满足:
Ia+Ib=IL (4)
此时三相侧电流仍以
作为基准,则
三相电流向量图如图
所示。根据式(5)-(7)可以计算出,RPC补偿后的负序电流与正序电流的有效值分别为:
此时三相电流不平衡度为:
令b相供电臂有功电流与a相有功电流之比为n,则 则式(8)可化为:
从式(9)可以看出,当n=1,即 时,三相电流不平衡度取得最小值50%,说明经过RPC补偿后,***负序电流降低了,但***仍存在原来一半大小的负序电流。此时,RPC有功功率为电力机车有功功率的一半。
当通过晶闸管控制投入高通滤波器和电抗器中的一组后,由于高通滤波器呈容性,设高通滤波器投入后使a相供电臂电流相位较投入前超前θ1角度,电抗器投入后使b相电流相位较投入前滞后θ2角度,两供电臂的电流大小分别为Ia和Ib,机车负载电流仍为IL,根据有功电流的关系,有:
Iacosθ1+Ibcosθ2=IL (9)
令b相供电臂与a相供电臂的有功功率之比: 代入(9),可解得:
这时三相电流向量图如图2(c)所示。从图2(c)中可以看出,A、B相电流之间的夹角由原来的60°增大到60°+θ1+θ2,这样有利于消除负序。
由图可以得出:
此时计算三相电流不平衡度KI″为:
从式(12)可以看出,当θ1=θ2=30°,b相与a相有功电流之比n=1时,不平衡度KI″为0,***三相电流中不存在负序电流。可见,使用高通滤波器和电抗器可以在RPC补偿基础上进一步改善负序效果,使负序完全消除。
如果以三相电流不平衡度KI=50%为补偿目标,当θ1=θ2=15°时,则b相的有功电流仅为0.2865IL,表明RPC只转移了0.2865倍负载电流。而由单独的RPC补偿时,需要转移大小为0.5IL的有功电流才能将不平衡度降为50%,这样RPC容量就降低了42.69%。因此,使用高通滤波器和电抗器,在同样的负序补偿指标下能降低有源装置RPC的容量。
同时,RPC能对***谐波进行抑制,高通滤波器对高频谐波有抑制作用,因此与单独的RPC相比,电气化高速铁路负序与谐波综合补偿***可以改善a相供电臂的谐波补偿效果。
高通滤波器和电抗器的参数设计方法如下:
当a相供电臂有电力机车运行,b相供电臂没有电力机车运行时,a相通过晶闸管控制投入高通滤波器L1和C1,b相通过晶闸管控制投入电抗器L3。设高通滤波器中的电流为供电臂电压值为Uac,单相三绕组降压变压器两个降压绕组或降压变压器的变比均为Kt,则:
其中f为基波频率。
另设高通滤波器谐振在h(h>1)次谐波频率处,有:
从图2(c)可知:
由式(10)、(13)-(15)可求得:
根据式(16)可以得出晶闸管控制高通滤波器中其中一组电感L1和电容C1的参数值。
由式(10)、(17)和(18)可得:
根据式(19)可以求出晶闸管控制电抗器中其中一组电感L
3的参数。当电力机车位于b相供电臂时,由于负载电流仍为I
L,RPC仍转移相同大小的有功电流,则a、b相电流中的有功电流之比为
此时通过晶闸管控制投入高通滤波器L
2和C
2和电抗器L
4,同理,可以求出其参数:
通过式(20)和(21)可以求出晶闸管控制高通滤波器和晶闸管控制电抗器中另一组参数值。