CN106532734B - 适于高速电气化铁路的同相牵引供电*** - Google Patents
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Abstract
本发明提出的适于高速电气化铁路的同相牵引供电***，属于牵引供电与电力输配电技术领域，包括相互独立的牵引变压器和同相补偿器，牵引变压器和同相补偿器中的补偿变压器和匹配变压器均为单相结构。牵引变压器原边绕组与补偿变压器的原边绕组构成V,v接法；匹配变压器的原边绕组一端与补偿变压器的副边绕组一端相连，其原边绕组另一端接入牵引母线正极；补偿变压器副边绕组另一端接入大地或牵引母线负极，“背靠背”变流器的一侧交流端口接入补偿变压器副边绕组，另一侧接入匹配变压器副边绕组；混合补偿配置的同相补偿器还包括固定电容器支路和固定电抗器支路；本发明可实现有源和无源补偿装置容量均为最低配置，同时保持变压器的较高容量利用率。
Description
技术领域
本发明属于牵引供电***与电力输配电技术领域，特别涉及一种适于高速电气化铁路的同相牵引供电技术***。
背景技术
包括中国在内的世界大多数国家的铁路牵引供电***，均采用工频单相单边供电制式，并且为缓解单相牵引负荷对外部电力***带来的不平衡影响，相邻的牵引变电站采取相序轮换方式接入外部电力***。由于在各牵引变电站构成的“电分相”两侧供电臂的电压相位不同，该制式也被称之为异相牵引供电方式。异相牵引供电使得电力机车在通过“电分相”过程中必然存在着“断电-复电”的操作过程，可能造成机车主、辅供电***出现暂态过电压、激磁涌流等事故；同时，电力机车每次通过间隔几十千米的每个“电分相”须采取“减速-惰性滑动-再加速”的过程，显著影响了电力机车的旅行时间(对于高速铁路而言更为敏感，京沪高铁因过分相损失的旅行时间近半小时)，严重制约着高速、重载列车的快速、安全可靠运行。
针对上述问题，同相牵引供电***避免相序轮换接入方式，通过将各牵引变压器输出供电臂的电压相序采取完全一致的方式从外部电力***取电，逐步将牵引网全线贯通，作为解决方案。同相牵引供电***较好地解决了电力机车的过分相问题，尤其对高速铁路而言更具吸引力。但在这种新的牵引供电制式下，缺乏了轮换相序的负序抵消作用后，相同供电臂区间的牵引负荷注入外部电力***的负序分量会成倍增加，不但显著劣化了牵引变电站的电能质量指标，造成罚款乃至负序分量继电保护动作等，还严重降低了常规牵引变压器的容量利用率。故同相牵引供电***必须在牵引变电站内配合安装大容量无源或有源补偿装置解决对外部电力***的负序注入问题，而大容量的同相供电有源补偿装置工程造价高昂，加之涉及的一次线路和装置的改造、继电保护方式的改变花费不菲，因此如何降低同相供电补偿装置的容量和成本已成为同相供电***发展应用的关键。
为了在相同牵引负荷条件下，现有同相供电***多采用(等效)三相-两相平衡牵引变压器接线方式，其优势是所需的同相供电有源补偿装置容量最小。如专利1(申请号200710049655.8)采用有源补偿装置配合YN/vd接线型牵引变压器构成同相供电制式；专利2(201010122634.6)、专利3(申请号201010123860.6)、专利4(申请号201310227591.1) 则类似，基本采用有源补偿装置配合包括SCOTT、阻抗匹配接平衡变压器以及YN/vd接线等在内的三相-两相平衡牵引变压器构成的同相供电制式。专利5(申请号201210583674.X)提出的单相三相组合式同相供电装置，主牵引变压器采用一台单相变压器，补偿变压器采用一台YN/d11接线的变压器，共同配合有源补偿装置构成了同相牵引供电制式。专利1-5提出的同相供电技术方案的共同特征，是所采用的牵引变压器不同接线类型，均确保其有源补偿装置的两侧端口电压相量在相量平面构成相互垂直关系，符合三相-两相平衡牵引变压器的特征。具备该特征的牵引变压器在同相供电制式下实现负序分量补偿所需的有源补偿装置容量最少(以采用同相供电制式的高速电气化铁路为例，其牵引负荷为PWM整流方式的高速电力机车，功率因数近似为1；假定使用三相-两相平衡牵引变压器的牵引变电站所属区间的牵引负荷额定容量标幺值为1，则完全补偿该变电站负序分量所需有源补偿装置的容量标幺值为1)。
然而专利1、5的缺点是YN/vd和YN/d11接线型牵引变压器制造复杂，且变压器容量利用率都很低。如单相三相组合式同相供电装置中的YN/d11变压器容量利用率仅有50％，单相三相变压器综合容量利用率仅66.67％(组合式同相供电***技术经济性研究，硕士学位论文,西南交通大学,2015.5)；而专利2、3、4采用的SCOTT接线变压器通过负序完全补偿后，容量利用率相对较高，为92.8％，但此类同相供电***主牵引变压器需要中间抽头，并不适于对既有异相牵引供电线路进行同相供电制式改造。原因在于为提高牵引变压器容量利用率，尤其是高速电气化铁路已普遍采用单相变压器或V/v接线变压器，其主牵引变压器均不具备中间抽头，采用专利2-4中SCOTT同相供电***，不得不更换牵引主变压器，工程耗费巨大。此外，由于无源补偿装置较之有源补偿装置成本优势明显，同相供电***中若采用无源补偿装置单独或配合有源补偿装置共同进行负序分量补偿，可显著降低同相供电工程造价。而专利2-4存在的另一缺点在于，对以SCOTT接线为代表的三相-两相平衡接线变压器实现负序分量补偿，采用的无源补偿装置容量过高(假定使用三相-两相平衡牵引变压器的牵引变电站所属区间的牵引负荷额定容量标幺值为1，则完全补偿该变电站负序分量所需无源补偿装置的容量标幺值为2)，失去了利用无源和有源混合补偿以降低整体造价的可能性。
另一类同相供电***采用非平衡牵引变压器接线形式，如专利6(申请号200710050303.4)直接采用YN/d11接线型牵引变压器配合有源补偿装置构成同相供电制式，专利7(申请号201310308559.6)、专利8(申请号201210587314.7)和专利9(申请号201310308513.4)均采用V/v接线牵引变压器配合有源补偿装置构成同相供电制式，其中专利9是两台补偿变压器及对应有源补偿装置共同与牵引主变压器共同构成两套V/v接线组合。专利6-9牵引变压器容量利用率相对较高，如专利6中YNd11和V/v接线变压器经过负序完全补偿后容量利用率分别可达到100％和87％。专利6适于将既有普速铁路线较多使用YN/d11接线变压器直接改造为同相供电制式，专利7-9则适于将既有高速铁路线普遍使用单相变压器和V/v接线变压器直接改造为同相供电制式。同时，采用非平衡牵引变压器实现同相供电制式，适于利用无源和有源混合补偿以降低整体造价(假定使用三相-两相平衡牵引变压器的牵引变电站所属区间的牵引负荷额定容量标幺值为1，则完全补偿该变电站负序分量所需无源补偿装置的容量标幺值为1.16，仅为三相-两相平衡牵引变压器所需无源补偿装置容量的58％)。
采用以专利6-9为代表的非平衡牵引变压器实现同相牵引供电制式的缺点在于，与之配合的有源补偿装置两侧端口电压相量并不构成相互垂直关系，在同相供电制式下实现负序分量补偿所需的有源补偿装置容量较大(以采用同相供电制式的高速电气化铁路为例，假定使用非平衡牵引变压器的牵引变电站所属区间的牵引负荷额定容量标幺值为1，则完全补偿该变电站负序分量所需有源补偿装置的容量标幺值为1.16)；由于有源补偿装置单位容量的成本相对最高，因此采用该同相供电方案的整体造价较高。
综上，同相供电制式尽管在中国国内已有试验线路，但能否推广仍面临较大挑战，在变压器和补偿装置的容量利用率、既有线改造复杂度等方面的问题较为突出，难以做到整体最优，整体投资居高不下。
发明内容
本发明的目的是为克服现有技术的不足之处，提出一种既适于高速铁路新线设计，也适于高速铁路既有线改造的同相供电***，该供电***具有实现同相供电所需的有源补偿装置和无源补偿装置容量均为最低，同时牵引变压器和补偿变压器容量利用率维持较高的水平的优势。该供电***主牵引变压器与同相供电装置在接线、设计容量上均相互独立，适合按照电能质量标准进行灵活负序补偿，有利于降低补偿变压器、有源和无源补偿装置的容量，从而进一步降低同相供电装置的整体投资。
本发明提出的一种适用于高速电气化铁路同相牵引供电***，技术方案如下：
一种适用于高速电气化铁路同相牵引供电***，其特征在于，包括主牵引变压器、备用牵引变压器和采用有源补偿配置方式的同相补偿器；所述同相补偿器由补偿变压器、“背靠背”变流器和匹配变压器构成；主牵引变压器、备用牵引变压器、同相补偿器中的补偿变压器和匹配变压器均为单相变压器结构；“背靠背”变流器由直流侧电容共用的两组相同的电压源变流器组成，两组电压源变流器的交流侧分别通过连接电抗各自构成两个交流输出端(11、12，21、22)；
所述各器件的连接关系为：主牵引变压器与备用牵引变压器的原边绕组第一端口P11、P21分别均接入外部电力***中的第一相，第二端口P10、P20分别均接入外部电力***中的第二相；补偿变压器的原边绕组第一端口Pc0接入外部电力***中的第二相，第二端口Pc1接入外部电力***中的第三相；主牵引变压器与备用牵引变压器的副边绕组第一端口S11、S21分别接入牵引母线，第二端口S10、S20分别接大地；补偿变压器的副边绕组第一端口Sc0接入大地，第二端口Sc1与匹配变压器的原边绕组第一端口Pm0相连接，匹配变压器的原边绕组第二端口Pm1接入牵引母线；“背靠背”变流器其中一侧变流器的两个交流端口11、12分别接入补偿变压器副边绕组的第一、第二端口Sc0、Sc1，另一侧变流器的两个交流端口21、22分别接入匹配变压器副边绕组的第一、第二端口Sm0、Sm1；牵引母线接入牵引供电臂，钢轨接大地。
本发明提出的第二种适用于高速电气化铁路同相牵引供电***，其特征在于，包括主牵引变压器、备用牵引变压器和采用有源补偿配置方式的同相补偿器；所述同相补偿器由补偿变压器、“背靠背”变流器和匹配变压器构成；同相补偿器中的补偿变压器和匹配变压器均为单相变压器结构，主牵引变压器和备用牵引变压器均为副边绕组带有中心抽头的单相变压器结构；“背靠背”变流器由直流侧电容共用的两组相同的电压源变流器组成，两组电压源变流器的交流侧分别通过连接电抗各自构成两个交流输出端(11、12，21、22)；
所述各器件的连接关系为：主牵引变压器与备用牵引变压器的原边绕组第一端口P11、P21分别均接入外部电力***中的第一相，第二端口P10、P20分别均接入外部电力***中的第二相；补偿变压器的原边绕组第一端口Pc0接入外部电力***中的第二相，第二端口Pc1接入外部电力***中的第三相；主牵引变压器与备用牵引变压器的副边绕组第一端口S11、S21分别接入牵引母线的正母线，第二端口S10、S20分别接入牵引母线的负母线，中心抽头端口分别接大地；补偿变压器的副边绕组第一端口Sc0接入牵引母线的负母线，第二端口Sc1与匹配变压器的原边绕组第一端口Pm0相连接，匹配变压器的原边绕组第二端口Pm1接入牵引母线的正母线；“背靠背”变流器其中一侧变流器的两个交流端口11、12分别接入补偿变压器副边绕组的第一、第二端口Sc0、Sc1，另一侧变流器的两个交流端口21、22分别接入匹配变压器副边绕组的第一、第二端口Sm0、Sm1；牵引母线的正母线接入接触线，牵引母线的负母线接入负馈线，钢轨接大地。
对于上述第一或第二种供电***，所述主牵引变压器与备用牵引变压器，其副边绕组电压等级相同且均由牵引母线额定电压相同；所述补偿变压器，其副边绕组电压等级为主牵引变压器或备用牵引变压器副边绕组电压等级的1/2；所述主牵引变压器、备用牵引变压器与补偿变压器，其原边绕组电压等级不同且分别由外部电力***电压等级决定；所述匹配变压器，其原边绕组电压等级为主牵引变压器或备用牵引变压器副边绕组电压等级的其副边绕组电压等级与补偿变压器的副边绕组电压等级相同。
对于上述第一或第二种供电***，采用负序分量补偿度k表示CPC对负序分量的补偿程度，即引起与所述同相补偿器实际补偿的负序分量大小相当的负荷容量SC占引起总负序分量的牵引负荷容量SL的比例，k为实数且k∈[0，1]，其数学式表示为：
式中SC表示的这部分牵引负荷容量所产生的负序分量与同相补偿器补偿的负序分量大小相当，MV·A；
对所述采用有源补偿配置方式的同相补偿器，当同相补偿器负序分量补偿度为k，主牵引变压器的计算容量标幺值为对采用有源补偿配置方式的同相补偿器，其中补偿变压器的计算容量标幺值为匹配变压器的计算容量标幺值与“背靠背”变流器其中任一侧变流器的计算容量标幺值相同，均为k/2，所述标幺值均以额定的牵引负荷计算容量SL，MV·A为基值容量。
本发明提出的第三种适用于高速电气化铁路同相牵引供电***，其特征在于，包括主牵引变压器、备用牵引变压器和采用有源和无源混合补偿配置方式的同相补偿器；所述同相补偿器由补偿变压器、“背靠背”变流器、匹配变压器、固定电容器支路和固定电抗器支路构成；主牵引变压器、备用牵引变压器、匹配变压器均为单相变压器结构，补偿变压器为副边绕组带有中心抽头的单相变压器结构；固定电容器支路由投切开关、电容器组以及限流电抗器串联构成，固定电抗器支路由投切开关和电抗器串联构成；“背靠背”变流器由直流侧电容共用的两组相同的电压源变流器组成，两组电压源变流器的交流侧分别通过连接电抗各自构成两个交流输出端(11、12，21、22)；
所述各器件的连接关系为：主牵引变压器与备用牵引变压器的原边绕组第一端口P11、P21分别均接入外部电力***中的第一相，第二端口P10、P20分别均接入外部电力***中的第二相；补偿变压器的原边绕组第一端口Pc0接入外部电力***中的第二相，第二端口Pc1接入外部电力***中的第三相；主牵引变压器与备用牵引变压器的副边绕组第一端口S11、S21分别均接入牵引母线，第二端口S10、S20分别接大地；补偿变压器的副边绕组第一端口Sc0接入大地，中心抽头端口Sc1与匹配变压器的原边绕组第一端口Pm0相连接，匹配变压器的原边绕组第二端口Pm1接入牵引母线；“背靠背”变流器其中一侧变流器的两个交流端口11、12分别接入补偿变压器副边绕组的第一端口Sc0和中心抽头端口Sc1，另一侧变流器的两个交流端口21、22分别接入匹配变压器副边绕组的第一、第二端口Sm0、Sm1；当接入的外部电力***为正相序，即第一相超前第二相约120°，且第二相超前第三相约120°，固定电抗器支路一端接入补偿变压器副边绕组第二端口Sc2，另一端接入匹配变压器原边绕组第二端口Pm1；固定电容器支路一端接入补偿变压器副边绕组第二端口Sc2，另一端接入补偿变压器副边绕组第一端口Sc0；当接入的外部电力***为逆相序，即第一相滞后第二相120°，且第二相滞后第三相约120°，固定电容器支路一端接入补偿变压器副边绕组第二端口Sc2，另一端接入匹配变压器原边绕组第二端口Pm1；固定电抗器支路一端接入补偿变压器副边绕组第二端口Sc2，另一端接入补偿变压器副边绕组第一端口Sc0；；牵引母线接入牵引供电臂，钢轨接大地。
本发明提出的第四种适用于高速电气化铁路同相牵引供电***，其特征在于，包括主牵引变压器、备用牵引变压器和采用有源和无源混合补偿配置方式的同相补偿器；所述同相补偿器由补偿变压器、“背靠背”变流器、匹配变压器、固定电容器支路和固定电抗器支路构成；主牵引变压器、备用牵引变压器、补偿变压器均为副边绕组带有中心抽头的单相变压器结构，匹配变压器为单相变压器结构；固定电容器支路由投切开关、电容器组以及限流电抗器串联构成，固定电抗器支路由投切开关和电抗器串联构成；“背靠背”变流器由直流侧电容共用的两组相同的电压源变流器组成，两组电压源变流器的交流侧分别通过连接电抗各自构成两个交流输出端(11、12，21、22)；
所述各器件的连接关系为：主牵引变压器与备用牵引变压器的原边绕组第一端口P11、P21分别均接入外部电力***中的第一相，第二端口P10、P20分别均接入外部电力***中的第二相；补偿变压器的原边绕组第一端口Pc0接入外部电力***中的第二相，第二端口Pc1接入外部电力***中的第三相；主牵引变压器与备用牵引变压器的副边绕组第一端口S11、S21分别均接入牵引母线的正母线，第二端口S10、S20分别均接入牵引母线的负母线，中心抽头端口均接大地；补偿变压器的副边绕组第一端口Sc0接入牵引母线的负母线，中心抽头端口Sc1与匹配变压器的原边绕组第一端口Pm0相连接，匹配变压器的原边绕组第二端口Pm1接入牵引母线的正母线；“背靠背”变流器其中一侧变流器的两个交流端口11、12分别接入补偿变压器副边绕组的第一端口Sc0和中心抽头端口Sc1，另一侧变流器的两个交流端口21、22分别接入匹配变压器副边绕组的第一、第二端口Sm0、Sm1；当接入的外部电力***为正相序，即第一相超前第二相约120°，且第二相超前第三相约120°，固定电抗器支路一端接入补偿变压器副边绕组第二端口Sc2，另一端接入匹配变压器原边绕组第二端口Pm1；固定电容器支路一端接入补偿变压器副边绕组第二端口Sc2，另一端接入补偿变压器副边绕组第一端口Sc0；当接入的外部电力***为逆相序，即第一相滞后第二相120°，且第二相滞后第三相约120°，固定电容器支路一端接入补偿变压器副边绕组第二端口Sc2，另一端接入匹配变压器原边绕组第二端口Pm1；固定电抗器支路一端接入补偿变压器副边绕组第二端口Sc2，另一端接入补偿变压器副边绕组第一端口Sc0；牵引母线的正母线接入接触线，牵引母线的负母线接入负馈线，钢轨接大地。
对于上述四种供电***中的任意一种，所述备用牵引变压器原边绕组接入外部电力***相序始终与主牵引变压器相同。
对于上述第三或第四种供电***，其特征在于，所述主牵引变压器、备用牵引变压器以及补偿变压器，其副边绕组电压等级相同且均由牵引母线额定电压决定，其原边绕组电压等级不同且分别由外部电力***电压等级决定；所述补偿变压器，其副边绕组中心抽头端口Sc1与副边绕组第一端口Sc0和第二端口Sc2之间电压等级相同；所述匹配变压器的原边绕组电压等级为主牵引变压器或备用牵引变压器副边绕组电压等级的其副边绕组电压等级与补偿变压器的副边绕组电压等级相同。
对于上述第三或第四种供电***，其特征在于，采用负序分量补偿度k表示CPC对负序分量的补偿程度，即引起与所述同相补偿器实际补偿的负序分量大小相当的负荷容量SC占引起总负序分量的牵引负荷容量SL的比例，k为实数且k∈[0，1]，其数学式表示为：
式中SC表示的这部分牵引负荷容量所产生的负序分量与同相补偿器补偿的负序分量大小相当，MV·A；
对所述采用有源和无源混合补偿配置方式的同相补偿器，当同相补偿器CPC负序分量补偿度为k，其有源部分和无源部分各承担k/2的负序分量补偿度；主牵引变压器的计算容量标幺值为补偿变压器的原边绕组计算容量标幺值为其副边绕组第一和中心抽头端口(Sc0、Sc1)之间的计算容量标幺值为其副边绕组中心抽头和第二端口(Sc1、Sc2)之间的计算容量标幺值为匹配变压器的计算容量标幺值与“背靠背”变流器其中任一侧变流器的计算容量标幺值相同，均为k/4；固定电容器支路在额定电压条件下的容性功率计算容量标幺值为其中限流电抗器的计算容量通常不超过容性无功功率计算容量的1/10；固定电抗器支路在额定电压条件下的感性无功功率计算容量标幺值为所述标幺值均以额定的牵引负荷计算容量SL，MV·A为基值容量。
本发明的特点及有益效果：
(1)本发明既适用于高速铁路同相牵引供电***的新线设计，也适用于高速铁路既有线的同相供电改造，特别适用于既有高速电气化铁路线广泛采用单相牵引变压器的牵引变电站的同相供电制式改造，不需要对既有的单相牵引变压器的任何改造，且补偿变压器接线结构简单。
(2)本发明的同相补偿器CPC的有源补偿部分针对负序分量的补偿特性符合三相-两相平衡变压器的特征，两端电压相量相互垂直，负序分量补偿可实现最小容量设计；而无源补偿部分针对负序分量的补偿特性符合常规V/v变压器特征，无源补偿端口相位差为60°或120°，负序分量可实现最小容量设计。
(3)本发明同相补偿器CPC适于采用有源和无源混合补偿配置，在实现相同的负序分量补偿度k时，有源补偿容量可降低为仅有源补偿配置容量时的1/2，因此可显著降低同相补偿器的工程造价；
(4)本发明中同相供电可保持主牵引变压器及补偿变压器较高的容量利用率，当实现负序分量完全补偿时，牵引变压器及补偿变压器的总体容量利用率达到87％；当三相电压不平衡度ε符合电能质量标准，对应CPC的负序分量补偿度为k时，牵引变压器及补偿变压器的总体容量利用率更高。例如当k＝0.5时，总体容量利用率可达到95％以上。
(5)本发明除了适于直接供电的牵引变电所和牵引网外，也用于AT供电的牵引变电所及其牵引网。
附图说明
图1是本发明适于高速电气化铁路的直接供电制式且采用有源补偿配置的同相供电***结构示意图。
图2是本发明适于高速电气化铁路的AT供电制式且采用有源补偿配置的同相供电***结构示意图。
图3是本发明适于高速电气化铁路的直接供电制式且采用有源和无源混合补偿配置的同相供电***结构示意图。
图4是本发明适于高速电气化铁路的AT供电制式且采用有源和无源混合补偿配置的同相供电***示意图。
图5是本发明主牵引变压器TT1和补偿变压器TC的计算容量标幺值与其同相补偿器CPC的负序补偿度k的关系图。
图6是本发明同相补偿器CPC中“背靠背”变流器结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明提出的一种适于高速电气化铁路的同相牵引供电***详细说明如下：
本发明提出的一种适用于高速电气化铁路的同相供电***，当该***为直接供电制式且采用有源补偿配置方式时，其结构示意图如图1所示，包括主牵引变压器TT1、备用牵引变压器TT2和同相补偿器CPC；同相补偿器CPC为有源补偿配置方式，由补偿变压器TC、“背靠背”变流器和匹配变压器Tm构成；主牵引变压器TT1、备用牵引变压器TT2、同相补偿器CPC中的补偿变压器TC、匹配变压器Tm均为单相变压器结构；各器件的连接关系为：主牵引变压器TT1与备用牵引变压器TT2的原边绕组一端口P11和P21分别经断路器CB1、CB3均接入外部电力***中的第一相为A相、另一端口P10和P20分别经断路器CB1、CB3均接入外部电力***中的第二相为B相；补偿变压器TC的原边绕组一端口Pc0经断路器CB6接入外部电力***中的第二相为B相、另一端口Pc1经断路器CB6接入外部电力***中的第三相为C相；主牵引变压器TT1与备用牵引变压器TT2的副边绕组一端口S11和S21分别经断路器CB2、CB4接入牵引母线T-bus，副边绕组另一端口S10与S20分别接大地；补偿变压器TC的副边绕组一端口Sc0接入大地，另一端口Sc1与匹配变压器Tm的原边绕组一端口Pm0相连接，匹配变压器Tm的原边绕组另一端口Pm1经断路器CB7接入牵引母线T-bus；“背靠背”变流器其中一侧变流器的两个交流端口11、12分别接入补偿变压器TC副边绕组的两个端口Sc0和Sc1，另一侧变流器的两个交流端口21、22分别接入匹配变压器Tm副边绕组的两个端口Sm0和Sm1；牵引母线T-bus经断路器CB5接入牵引供电臂T，钢轨G接大地。
当主牵引变压器TT1故障或按计划检修时，备用牵引变压器TT2投入运行。正常运行时，主牵引变压器TT1和同相补偿器CPC投入工作，备用牵引变压器TT2不工作；主牵引变压器TT1退出时，备用牵引变压器TT2投入工作，CPC也投入工作；同相补偿器CPC退出运行时，牵引变压器TT1可以短时单独工作，备用牵引变压器TT2也可以替代主牵引变压器TT1工作。
在直接供电制式下，主牵引变压器TT1与备用牵引变压器TT2的副边绕组电压等级由牵引母线额定电压决定，典型额定值为27.5kV；补偿变压器TC的副边绕组电压等级为主牵引变压器TT1或备用牵引变压器TT2副边绕组电压等级的1/2，对应典型额定值为13.8kV；主牵引变压器TT1、备用牵引变压器TT2与补偿变压器TC的原边绕组电压等级由外部电力***电压等级决定，典型额定值为110kV、220kV、500kV等；匹配变压器Tm的原边绕组电压等级为主牵引变压器TT1或备用牵引变压器TT2副边绕组电压等级的典型额定值为23.8kV，匹配变压器Tm的副边绕组电压等级与补偿变压器TC的副边绕组电压等级相同，对应典型额定值为13.8kV；
同相补偿器CPC中的“背靠背”变流器由直流侧电容共用的两组相同的电压源变流器1和2组成，见图6。电压源变流器1与电压源变流器2通常采用基于全控型大功率电力电子器件(如绝缘门极双极性晶体管IGBT或集成门极换向晶闸管IGCT)的电压源多电平变流器组合而成，两变流器的拓扑结构、功率容量及交流端口输出电压等级均相同。电压源变流器1和2的交流侧分别通过连接电抗L1和L2各自构成两个交流输出端，分别为11、12和21、22。
本发明均以额定的牵引负荷计算容量SL，MV·A为基值容量，设定实现同相供电的牵引变电站对应牵引负荷SL计算容量的标幺值为1.0，并将采用“交流-直流-交流”高速机车的牵引负荷功率因数近似为1.0。
以实现牵引变电站负序分量完全补偿为目标，主牵引变压器TT1的计算容量标幺值为对采用有源补偿配置方式的同相补偿器CPC，其中补偿变压器TC的计算容量标幺值为匹配变压器Tm的计算容量标幺值与“背靠背”变流器其中一侧变流器的计算容量标幺值相同，均为1/2；当负序分量被完全补偿时，由牵引负荷引起的外部电力***三相电压不平衡度为零。
以实现牵引变电站与外部电力***公共连接点的三相电压不平衡度ε符合电能质量标准为补偿目标(各国电能质量标准并不相同，依照中国国标GB/T 15543-1995，电力***公共连接点正常三相电压不平衡度ε允许值为2％，短时不得超过4％)，根据GB/T 15543-1995，三相电压不平衡度ε的近似计算公式为：
(1)式中SK表示牵引变电站外部电力***的三相短路容量，MV·A；SL为同相供电的牵引负荷计算容量，MV·A。
以公共连接点的三相电压不平衡度ε符合电能质量标准为目标，同相补偿器CPC的计算容量只需去补偿引起ε超出标准的那部分牵引负荷造成的负序分量即可，避免了实现完全负序分量补偿要求更大的同相补偿器CPC设计容量；或者对于确定设计容量的同相补偿器CPC，当牵引负荷计算容量引起的负序分量超出其负序分量补偿能力，只能补偿部分牵引负荷引起的负序分量时，均采用负序分量补偿度k表示CPC对负序分量的补偿程度，即引起与所述同相补偿器实际补偿的负序分量大小相当的负荷容量SC占引起总负序分量的牵引负荷容量SL的比例，k为实数且k∈[0，1]，其数学式表示为：
式(2)中SC表示的这部分牵引负荷容量所产生的负序分量与同相补偿器补偿的负序分量大小相当，MV·A；
对采用有源补偿配置方式的同相补偿器，当同相补偿器CPC负序分量补偿度为k，主牵引变压器TT1的计算容量标幺值STT1为：
对采用有源补偿配置方式的同相补偿器CPC，其中补偿变压器TC的计算容量标幺值STc为：
对采用有源补偿配置方式的同相补偿器，匹配变压器Tm的计算容量标幺值与“背靠背”变流器其中一侧变流器的计算容量标幺值STm相同，均为：
STm＝k/2； (5)
根据式(3)和(4)，主牵引变压器TT1和补偿变压器TC的计算容量标幺值与k的关系见图5，其中横坐标为k，纵坐标为主牵引变压器TT1和补偿变压器TC的计算容量标幺值。当k＝0时，表示没有同相补偿器CPC参与负序分量补偿，当k＝1时，表示CPC实现了对负序分量的完全补偿。
据此设计本发明如图1所示实施例，在高速电气化铁路某牵引变电站采用同相供电制式，牵引负荷计算容量为80MV·A，接入外部电力***短路容量为2000MV·A，允许该牵引变电站引起的三相电压不平衡度最大不超过2％，牵引供电臂电压为27.5kV，则同相补偿器CPC负序分量补偿度按照(1)、(2)式可得：
计算得k＝0.5，则主牵引变压器TT1的计算容量为可选择额定容量为63MV·A的标准等级的单相主牵引变压器；对采用有源补偿配置方式的同相补偿器CPC，其中补偿变压器TC的计算容量为可选择额定容量为25MV·A的标准等级的单相牵引变压器；匹配变压器Tm的计算容量标幺值与“背靠背”变流器其中一侧变流器的计算容量相同，均为80MV·A×0.5/2＝20MV·A。备用牵引变压器TT2容量主要应根据主牵引变压器TT1和同相补偿器CPC的故障情况和检修要求确定，同时考虑对应的三相电压不平衡度的影响，一般选择与主牵引变压器TT1相同容量或增减一个容量等级的牵引变压器，本实施例中选择额定容量为63MV·A标准等级的单相牵引变压器为备用牵引变压器TT2。
根据主牵引变压器TT1、备用牵引变压器TT2和补偿变压器TC原边绕组接入外部电力***的第一相、第二相和第三相，共计有6种可能的对应方式，均列入表1，备用牵引变压器TT2原边绕组接入外部电力***相序始终与主牵引变压器TT1相同；以如图1所示的实施例为例，主牵引变压器TT1和备用牵引变压器TT2的原边绕组分别经断路器接入外部电力***第一相和第二相分别为A相和B相，副边绕组对应第二相的端口接入大地，故牵引供电臂(或牵引母线)对钢轨电压可表示为Vab，表示与外部电力***线电压VAB相序相同，对应补偿变压器的原边绕组端口PC0接入第二相，端口PC1接入的第三相为C相(其他5种以此类推，此处不再赘述)。
表1
表1中，前三行对应的相序称之为正相序，即第一相超前第二相约120°，且第二相超前第三相约120°；后三行对应的相序称之为逆相序，即第一相滞后第二相120°，且第二相滞后第三相约120°。
本发明提出的一种用于高速电气化铁路同相供电***，当该***用于AT(自耦变压器)供电制式且采用有源补偿配置方式时的，其结构示意图见图2，其中，主牵引变压器TT1、备用牵引变压器TT2、同相补偿器CPC中补偿变压器TC对应的原边绕组端口接入外部电力***相序关系连接方式与图1相同，同样依据表1关系；牵引母线T-Bus两母线之间电压为2×27.5kV，F、T分别是AT供电制式的负馈线和接触线；在AT供电制式的同相供变电构造中，主牵引变压器TT1、备用牵引变压器TT2的副边绕组中点均抽出接入大地，电压均为2×27.5kV，而当主牵引变压器TT1、备用牵引变压器TT2的副边绕组中点不抽出时，则为一种55kV的AT供电制式，图2中，T为接触线，G为钢轨，CB1、CB2、CB3、CB4、CB5、CB6、CB7为断路器。与图1所示供电***不同的是，图2所示供电***的主牵引变压器TT1的副边绕组端口S11经CB2接入T-Bus正母线，S10经CB2接入T-Bus负母线；备用牵引变压器TT2的副边绕组端口S21经CB4接入T-Bus正母线，S20经CB4接入T-Bus负母线；同相补偿器CPC中匹配变压器Tm原边绕组端口Pm1经过CB7接入T-Bus正母线，补偿变压器TC副边绕组端口Sc0接入T-Bus负母线；T-bus正母线经CB5与牵引供电臂T相连，T-Bus负母线经CB5与负馈线F相连。
在AT供电制式下，主牵引变压器TT1与备用牵引变压器TT2的副边绕组电压等级相同且均由牵引母线T-bus额定电压决定，典型额定值为2×27.5kV；补偿变压器TC的副边绕组电压等级为主牵引变压器TT1或备用牵引变压器TT2副边绕组电压等级的1/2，对应典型额定值为27.5kV；主牵引变压器TT1、备用牵引变压器TT2与补偿变压器TC的原边绕组电压等级由外部电力***电压等级决定，典型额定值为110kV、220kV、500kV等；匹配变压器Tm的原边绕组电压等级为主牵引变压器TT1与备用牵引变压器TT2副边绕组电压等级的典型额定值为47.6kV，匹配变压器Tm的副边绕组电压等级与TC的副边绕组电压等级相同，对应典型额定值为27.5kV。
所述用于高速电气化铁路的AT供电制式且采用有源补偿配置方式的同相供电***负序分量补偿的计算与图1所示供电***相同，此处不再赘述。
本发明提出的一种适用于高速电气化铁路同相供电***，当该***用于直接供电制式且采用有源和无源混合补偿配置方式时，其结构示意图见图3，包括主牵引变压器TT1、备用牵引变压器TT2和同相补偿器CPC；同相补偿器CPC采用有源和无源混合补偿配置方式，由补偿变压器TC、“背靠背”变流器、匹配变压器Tm、固定电容器支路和固定电抗器支路构成；主牵引变压器TT1、备用牵引变压器TT2、匹配变压器Tm均为单相变压器结构，同相补偿器CPC中的补偿变压器TC为副边绕组带有中心抽头的单相变压器结构；固定电容器支路由投切开关KC、电容器组FC以及限流电抗器Lc串联构成，固定电抗器支路由投切开关KL和电抗器FL串联构成；
各器件的连接关系为：主牵引变压器TT1与备用牵引变压器TT2的原边绕组一端口P11和P21分别经断路器CB1、CB3均接入外部电力***中的第一相为A相、另一端口P10和P20分别经断路器CB1、CB3均接入外部电力***中的第二相为B相；补偿变压器TC的原边绕组一端口Pc0经断路器CB6接入外部电力***中的第二相为B相、另一端口Pc1经断路器CB6接入外部电力***中的第三相为C相；主牵引变压器TT1与备用牵引变压器TT2的副边绕组一端口S11和S21分别经断路器CB2、CB4接入牵引母线T-bus，副边绕组另一端口S10与S20分别接大地；补偿变压器TC的副边绕组一端口Sc0接入大地，中心抽头端口Sc1与匹配变压器Tm的原边绕组一端口Pm0相连接，匹配变压器Tm的原边绕组另一端口Pm1经断路器CB7接入牵引母线T-bus；“背靠背”变流器其中一侧变流器的两个交流端口11、12分别接入补偿变压器TC副边绕组的端口Sc0和中心抽头端口Sc1，另一侧变流器的两个交流端口21、22分别接入匹配变压器Tm副边绕组的两个端口Sm0、Sm1；固定电抗器支路一端接入补偿变压器TC副边绕组一端口Sc2，另一端接入匹配变压器Tm原边绕组端口Pm1；固定电容器支路一端接入补偿变压器TC副边绕组一端口Sc2，另一端接入补偿变压器TC副边绕组一端口Sc0；牵引母线T-bus经断路器CB5接入牵引供电臂T，钢轨G接大地。
根据主牵引变压器TT1、备用牵引变压器TT2和补偿变压器TC原边绕组接入的外部电力***的第一相、第二相和第三相，共有6种可能的对应方式，均列入表2(其中“牵引母线电压”一列中各变量的含义同表1，此处不再赘述)，包括与之对应的固定电容器支路和固定电抗器支路的安装端口位置，备用牵引变压器TT2原边绕组接入外部电力***相序始终与主牵引变压器TT1相同。
表2
表2中，前三行对应的相序称之为正相序，即第一相超前第二相约120°，且第二相超前第三相约120°，对应固定电抗器支路一端接入补偿变压器副边绕组第二端口Sc2，另一端接入匹配变压器原边绕组第二端口Pm1；固定电容器支路一端接入补偿变压器副边绕组第二端口Sc2，另一端接入补偿变压器副边绕组第一端口Sc0。后三行对应的相序称之为逆相序，即第一相滞后第二相120°，且第二相滞后第三相约120°，固定电容器支路一端接入补偿变压器副边绕组第二端口Sc2，另一端接入匹配变压器原边绕组第二端口Pm1；固定电抗器支路一端接入补偿变压器副边绕组第二端口Sc2，另一端接入补偿变压器副边绕组第一端口Sc0。
如图3，在直接供电制式下，主牵引变压器TT1、备用牵引变压器TT2的副边绕组以及补偿变压器TC的副边绕组(端口Sc0与Sc2之间)电压等级相同且均由牵引母线额定电压决定，典型额定值为27.5kV；主牵引变压器TT1、备用牵引变压器TT2与补偿变压器TC的原边绕组电压等级由外部电力***电压等级决定，典型额定值为110kV、220kV、500kV等；所述补偿变压器，其副边绕组中心抽头端口Sc1与副边绕组第一端口Sc0和第二端口Sc2之间电压等级相同，典型值均为13.8kV；匹配变压器Tm的原边绕组电压等级为主牵引变压器TT1或备用牵引变压器TT2副边绕组电压等级的典型额定值为23.8kV，匹配变压器Tm的副边绕组电压等级与补偿变压器TC的副边绕组电压等级相同；
该供电***同相补偿器CPC中的“背靠背”变流器的实现方式与图1所示的供电***相同，详见图6，此处不再赘述。
仍设定实现同相供电的牵引变电站对应牵引负荷计算容量的标幺值为1.0，且采用“交流-直流-交流”高速机车的牵引负荷功率因数近似为1.0。
以实现牵引变电站负序分量完全补偿为目标，主牵引变压器TT1的计算容量标幺值为对采用有源和无源混合补偿配置方式的同相补偿器CPC，其中补偿变压器TC的原边绕组计算容量标幺值为其中副边绕组端口Sc0与Sc1之间的计算容量标幺值为端口Sc1与Sc2之间的计算容量标幺值为匹配变压器Tm的计算容量标幺值与“背靠背”变流器其中一侧变流器的计算容量标幺值相同，均为1/4；固定电容器支路在额定电压条件下的容性功率计算容量标幺值为其中限流电抗Lc的计算容量通常不超过容性功率计算容量的1/10；固定电抗器支路在额定电压条件下的感性功率计算容量标幺值为当负序分量被完全补偿时，由牵引负荷引起的外部电力***三相电压不平衡度为零。
对采用有源和无源混合补偿配置方式的同相补偿器CPC，以实现外部电力***三相电压不平衡度ε满足电能质量标准为补偿目标，当同相补偿器CPC负序分量补偿度为k，其有源部分和无源部分各承担k/2的负序分量补偿度；主牵引变压器TT1的计算容量标幺值为对采用有源补偿配置方式的同相补偿器CPC，补偿变压器TC其原边绕组计算容量标幺值为其中副边绕组端口Sc0与Sc1之间的计算容量标幺值为端口Sc1与Sc2之间的计算容量标幺值为匹配变压器Tm的计算容量标幺值与“背靠背”变流器其中一侧变流器的计算容量标幺值相同，均为k/4；固定电容器支路在额定电压条件下的容性功率计算容量标幺值为其中限流电抗器Lc的计算容量通常不超过容性功率计算容量的1/10；固定电抗器支路在额定电压条件下的感性功率计算容量标幺值为主牵引变压器TT1和补偿变压器Tc的计算容量标幺值与k的关系见图5，其中横坐标为k，纵坐标为TT1和TC的计算容量标幺值。当k＝0时，表示没有同相补偿器CPC参与负序分量补偿，当k＝1时，表示同相补偿器CPC实现了对负序分量的完全补偿。
所述固定电容器支路和固定电抗器支路分别可由n组固定电容器子支路、n组固定电抗器子支路并联构成(n通常为1到10之间的自然数)，每个固定电容器子支路均由投切开关KC、电容器组FC以及限流电抗器Lc串联构成，每个固定电抗器子支路均由投切开关KL和电抗器FL串联构成。
据此设计本发明如图3所示实施例，在高速电气化铁路某牵引变电站采用同相供电制式，牵引负荷计算容量为80MV·A，接入外部电力***短路容量为2000MV·A，允许该牵引变电站引起的三相电压不平衡度最大不超过2％，牵引供电臂电压为27.5kV，则如(1)、(2)式计算可得k＝0.5。
则主牵引变压器TT1的计算容量为可选择额定容量为63MV·A的标准等级的单相主牵引变压器；对采用有源补偿配置方式的同相补偿器CPC，其中补偿变压器TC的原边绕组计算容量为其中副边绕组端口Sc0与Sc1之间的计算容量为端口Sc1与Sc2之间的计算容量标幺值为可选择额定容量为25MV·A的标准等级的带有中心抽头的单相牵引变压器，但中心抽头两侧绕组容量不等，分别为18.5MV·A和6.5MV·A；匹配变压器Tm的计算容量标幺值与“背靠背”变流器其中一侧变流器的计算容量相同，均为80MV·A×0.5/4＝10MV·A；固定电容器支路的电容器组C与固定电抗器支路的电抗器L，在对应端口为额定电压27.5kV条件下计算容量相同，均为
如图3的具体实施例中，采用有源和无源混合补偿配置方式的同相补偿器中，补偿变压器Tc对应的原边绕组端口接入外部电力***相序关系见表1；其中，由固定电容器支路和固定电抗器支路的配置方式与主牵引变压器TT1的原边绕组接入外部电力***方式的关系，如表1所示。
本发明提出的一种用于高速电气化铁路同相供电***，当该***用于AT(自耦变压器)供电制式且采用有源和无源混合补偿配置方式时，其结构示意图见图4，包括主牵引变压器、备用牵引变压器和采用有源和无源混合补偿配置方式的同相补偿器；所述同相补偿器由补偿变压器、“背靠背”变流器、匹配变压器、固定电容器支路和固定电抗器支路构成；主牵引变压器、备用牵引变压器、补偿变压器均为副边绕组带有中心抽头的单相变压器结构，匹配变压器为单相变压器结构；固定电容器支路由投切开关、电容器组以及限流电抗器串联构成，固定电抗器支路由投切开关和电抗器串联构成；“背靠背”变流器由直流侧电容共用的两组相同的电压源变流器组成，两组电压源变流器的交流侧分别通过连接电抗各自构成两个交流输出端(11、12，21、22)；
其中，主牵引变压器TT1、备用牵引变压器TT2以及采用有源和无源混合补偿配置的同相补偿器CPC中补偿变压器TC对应的原边绕组端口接入外部电力***相序关系连接方式与图3相同，同样依据表2对应关系；牵引母线T-Bus电压为2×27.5kV，F、T分别是AT供电制式的负馈线和接触线；在AT供电制式的同相供变电构造中，主牵引变压器TT1、备用牵引变压器TT2的副边绕组中点均抽出接入大地，电压均为2×27.5kV，而当主牵引变压器TT1、备用牵引变压器TT2的副边绕组中点不抽出时，则为一种55kV的AT供电制式。与图3所示供电***不同的是，图4所示供电***的主牵引变压器TT1的副边绕组端口S11经CB2接入T-Bus 正母线，S10经CB2接入T-Bus负母线；备用牵引变压器TT2的副边绕组端口S21经CB4接入T-Bus正母线，S20经CB4接入T-Bus负母线；同相补偿器CPC中匹配变压器Tm原边绕组端口Pm1经过CB7接入T-Bus正母线，补偿变压器TC副边绕组端口Sc0接入T-Bus负母线；T-bus正母线经CB5与接触线T相连，T-Bus负母线经CB5与负馈线F相连。
在AT供电制式下，主牵引变压器TT1、备用牵引变压器TT2以及补偿变压器TC的副边绕组(端口Sc0与Sc2间)的电压等级相同且由牵引母线T-bus额定电压决定，典型额定值为2×27.5kV；主牵引变压器TT1、备用牵引变压器TT2与补偿变压器TC的原边绕组电压等级由外部电力***电压等级决定，典型额定值为110kV、220kV、500kV等；补偿变压器，其副边绕组中心抽头端口Sc1与副边绕组第一端口Sc0和第二端口Sc2之间电压等级相同，典型值均为27.5kV；匹配变压器Tm的原边绕组电压等级为主牵引变压器TT1与备用牵引变压器TT2副边绕组电压等级的典型额定值为47.6kV，匹配变压器Tm的副边绕组电压等级与补偿变压器Tc副边绕组(端口Sc0与Sc1间)的电压等级相同，对应典型额定值为27.5kV。
该供电***同相补偿器CPC中的“背靠背”变流器的实现方式与图1所示的供电***相同，详见图6；同时该供电***负序分量补偿的计算与图3所示供电***相同，此处均不再赘述。
本发明的工作原理是：
本发明利用主牵引变压器TT1和备用牵引变压器TT2分别与补偿变压器TC构成V/v接线结构，牵引变压器与补偿变压器接入外部电力***相同相对应的副边绕组端口相互连接，构成V/v接线结构变压器的两组副边绕组另一侧的两个端口构成开口端；将同相补偿器CPC中的“背靠背”变流器的一侧接入补偿变压器TC副边绕组，另一侧接入V/v接线结构中两副边绕组构成的开口端，并选择补偿变压器TC的带有或不带有中心抽头的副边绕组电压等级，使得同相补偿器CPC两侧电压相位相互垂直，构成一种对于同相补偿器CPC的有源补偿部分是三相-两相平衡牵引变压器，对于同相补偿器CPC的无源补偿部分是常规V/v变压器的变压器结构。
根据外部电力***短路容量，电能质量标准允许的三相电压不平衡度以及牵引负荷计算容量等参数，代入(1)、(2)式计算得到同相补偿器CPC能够实现的负序分量补偿度k值，并依据k值得到主牵引变压器TT1、备用牵引变压器TT2以及同相补偿器CPC各部分对应的标准容量，外部电力***通过主牵引变压器TT1和同相补偿器CPC共同给牵引网的牵引负荷供电。高速电气化铁路牵引负荷功率因数近似为1，记同相补偿器CPC实时测量牵引负荷有功功率容量标幺值为p，p为实数且p∈[0,1]，则：
当同相补偿器CPC采用有源补偿配置方式，其中CPC“背靠背”变流器中电压源变流器1和电压源变流器2的计算容量标幺值均为k/2。正常运行时，其“背靠背”变流器中电压源变流器1、2实际使用视在容量标幺值均为p/2；当p≤k时，由电压源变流器1向电压源变流器2转移容量标幺值为p/4的有功功率，同时电压源变流器1通过交流端口提供功率容量标幺值为的容性无功功率，电压源变流器2通过交流端口提供功率容量标幺值为的感性无功功率；当p>k时，由电压源变流器1向电压源变流器2转移容量标幺值为k/4的有功功率，同时电压源变流器1通过交流端口提供功率容量标幺值为的容性无功功率，电压源变流器2通过交流端口提供功率容量标幺值为的感性无功功率；
当同相补偿器CPC采用有源和无源混合补偿配置方案，其中CPC“背靠背”变流器中电压源变流器1和电压源变流器2的计算容量标幺值均为k/4，固定电容器支路和固定电抗器支路在额定电压条件下的计算容量标幺值均为以每个支路的子支路数n＝2为例，每个子支路计算容量标幺值均为
正常运行时，当p≤k/4，由电压源变流器1向电压源变流器2转移容量标幺值为p/4的有功功率，同时电压源变流器1通过交流端口提供功率容量标幺值为的容性无功功率，电压源变流器2通过交流端口提供功率容量标幺值为的感性无功功率；
当k/4<p≤k/2，分别投入固定电容器子支路1和固定电抗器子支路1，由电压源变流器1向电压源变流器2转移容量标幺值为(p-k/4)/4的有功功率，同时电压源变流器1通过交流端口提供功率容量标幺值为的容性无功功率，电压源变流器2通过交流端口提供功率容量标幺值为的感性无功功率；
当k/2<p≤k，分别投入固定电容器子支路1、2和固定电抗器子支路1、2，由电压源变流器1向电压源变流器2转移容量标幺值为(p-k/2)/4的有功功率，同时电压源变流器1通过交流端口提供功率容量标幺值为的容性无功功率，电压源变流器2通过交流端口提供功率容量标幺值为的感性无功功率；
当p>k，分别投入固定电容器子支路1、2和固定电抗器子支路1、2，由电压源变流器1向电压源变流器2转移容量标幺值为k/8的有功功率，同时电压源变流器1通过交流端口提供功率容量标幺值为的容性无功功率，电压源变流器2通过交流端口提供功率容量标幺值为的感性无功功率。
Claims (10)
1.一种适用于高速电气化铁路同相牵引供电***，其特征在于，包括主牵引变压器、备用牵引变压器和采用有源补偿配置方式的同相补偿器；所述同相补偿器由补偿变压器、“背靠背”变流器和匹配变压器构成；主牵引变压器、备用牵引变压器、同相补偿器中的补偿变压器和匹配变压器均为单相变压器结构；“背靠背”变流器由直流侧电容共用的两组相同的电压源变流器组成，两组电压源变流器的交流侧分别通过连接电抗各自构成两个交流输出端(11、12，21、22)；
所述各器件的连接关系为：主牵引变压器与备用牵引变压器的原边绕组第一端口(P11、P21)分别均接入外部电力***中的第一相，第二端口(P10、P20)分别均接入外部电力***中的第二相；补偿变压器的原边绕组第一端口(Pc0)接入外部电力***中的第二相，第二端口(Pc1)接入外部电力***中的第三相；主牵引变压器与备用牵引变压器的副边绕组第一端口(S11、S21)分别接入牵引母线，第二端口(S10、S20)分别接大地；补偿变压器的副边绕组第一端口(Sc0)接入大地，第二端口(Sc1)与匹配变压器的原边绕组第一端口(Pm0)相连接，匹配变压器的原边绕组第二端口(Pm1)接入牵引母线；“背靠背”变流器其中一侧变流器的两个交流端口(11、12)分别接入补偿变压器副边绕组的第一、第二端口(Sc0、Sc1)，另一侧变流器的两个交流端口(21、22)分别接入匹配变压器副边绕组的第一、第二端口(Sm0、Sm1)；牵引母线接入牵引供电臂，钢轨接大地；
所述补偿变压器，其副边绕组电压等级为主牵引变压器或备用牵引变压器副边绕组电压等级的1/2。
2.一种适用于高速电气化铁路同相牵引供电***，其特征在于，包括主牵引变压器、备用牵引变压器和采用有源补偿配置方式的同相补偿器；所述同相补偿器由补偿变压器、“背靠背”变流器和匹配变压器构成；同相补偿器中的补偿变压器和匹配变压器均为单相变压器结构，主牵引变压器和备用牵引变压器均为副边绕组带有中心抽头的单相变压器结构；“背靠背”变流器由直流侧电容共用的两组相同的电压源变流器组成，两组电压源变流器的交流侧分别通过连接电抗各自构成两个交流输出端(11、12，21、22)；
所述各器件的连接关系为：主牵引变压器与备用牵引变压器的原边绕组第一端口(P11、P21)分别均接入外部电力***中的第一相，第二端口(P10、P20)分别均接入外部电力***中的第二相；补偿变压器的原边绕组第一端口(Pc0)接入外部电力***中的第二相，第二端口(Pc1)接入外部电力***中的第三相；主牵引变压器与备用牵引变压器的副边绕组第一端口(S11、S21)分别接入牵引母线的正母线，第二端口(S10、S20)分别接入牵引母线的负母线，中心抽头端口分别接大地；补偿变压器的副边绕组第一端口(Sc0)接入牵引母线的负母线，第二端口(Sc1)与匹配变压器的原边绕组第一端口(Pm0)相连接，匹配变压器的原边绕组第二端口(Pm1)接入牵引母线的正母线；“背靠背”变流器其中一侧变流器的两个交流端口(11、12)分别接入补偿变压器副边绕组的第一、第二端口(Sc0、Sc1)，另一侧变流器的两个交流端口(21、22)分别接入匹配变压器副边绕组的第一、第二端口(Sm0、Sm1)；牵引母线的正母线接入接触线(T)，牵引母线的负母线接入负馈线(F)，钢轨接大地；
所述补偿变压器，其副边绕组电压等级为主牵引变压器或备用牵引变压器副边绕组电压等级的1/2。
3.根据权利要求1或2所述的一种适用于高速电气化铁路同相牵引供电***，其特征在于，所述主牵引变压器与备用牵引变压器，其副边绕组电压等级相同且均由牵引母线额定电压相同；所述主牵引变压器、备用牵引变压器与补偿变压器，其原边绕组电压等级不同且分别由外部电力***电压等级决定；所述匹配变压器，其原边绕组电压等级为主牵引变压器或备用牵引变压器副边绕组电压等级的其副边绕组电压等级与补偿变压器的副边绕组电压等级相同。
4.根据权利要求1或2所述的适用于高速电气化铁路同相牵引供电***，其特征在于，采用负序分量补偿度k表示CPC对负序分量的补偿程度，即引起与所述同相补偿器实际补偿的负序分量大小相当的负荷容量SC占引起总负序分量的牵引负荷容量SL的比例，k为实数且k∈[0，1]，其数学式表示为：
式中SC表示的这部分牵引负荷容量所产生的负序分量与同相补偿器补偿的负序分量大小相当，MV·A；
对所述采用有源补偿配置方式的同相补偿器，当同相补偿器负序分量补偿度为k，主牵引变压器的计算容量标幺值为对采用有源补偿配置方式的同相补偿器，其中补偿变压器的计算容量标幺值为匹配变压器的计算容量标幺值与“背靠背”变流器其中任一侧变流器的计算容量标幺值相同，均为k/2，所述标幺值均以额定的牵引负荷计算容量SL，MV·A为基值容量。
5.一种适用于高速电气化铁路同相牵引供电***，其特征在于，包括主牵引变压器、备用牵引变压器和采用有源和无源混合补偿配置方式的同相补偿器；所述同相补偿器由补偿变压器、“背靠背”变流器、匹配变压器、固定电容器支路和固定电抗器支路构成；主牵引变压器、备用牵引变压器、匹配变压器均为单相变压器结构，补偿变压器为副边绕组带有中心抽头的单相变压器结构；固定电容器支路由投切开关、电容器组以及限流电抗器串联构成，固定电抗器支路由投切开关和电抗器串联构成；“背靠背”变流器由直流侧电容共用的两组相同的电压源变流器组成，两组电压源变流器的交流侧分别通过连接电抗各自构成两个交流输出端(11、12，21、22)；
所述各器件的连接关系为：主牵引变压器与备用牵引变压器的原边绕组第一端口(P11、P21)分别均接入外部电力***中的第一相，第二端口(P10、P20)分别均接入外部电力***中的第二相；补偿变压器的原边绕组第一端口(Pc0)接入外部电力***中的第二相，第二端口(Pc1)接入外部电力***中的第三相；主牵引变压器与备用牵引变压器的副边绕组第一端口(S11、S21)分别均接入牵引母线，第二端口(S10、S20)分别接大地；补偿变压器的副边绕组第一端口(Sc0)接入大地，中心抽头端口(Sc1)与匹配变压器的原边绕组第一端口(Pm0)相连接，匹配变压器的原边绕组第二端口(Pm1)接入牵引母线；“背靠背”变流器其中一侧变流器的两个交流端口(11、12)分别接入补偿变压器副边绕组的第一端口(Sc0)和中心抽头端口(Sc1)，另一侧变流器的两个交流端口(21、22)分别接入匹配变压器副边绕组的第一、第二端口(Sm0、Sm1)；当接入的外部电力***为正相序，即第一相超前第二相约120°，且第二相超前第三相约120°，固定电抗器支路一端接入补偿变压器副边绕组第二端口(Sc2)，另一端接入匹配变压器原边绕组第二端口(Pm1)；固定电容器支路一端接入补偿变压器副边绕组第二端口(Sc2)，另一端接入补偿变压器副边绕组第一端口(Sc0)；当接入的外部电力***为逆相序，即第一相滞后第二相120°，且第二相滞后第三相约120°，固定电容器支路一端接入补偿变压器副边绕组第二端口(Sc2)，另一端接入匹配变压器原边绕组第二端口(Pm1)；固定电抗器支路一端接入补偿变压器副边绕组第二端口(Sc2)，另一端接入补偿变压器副边绕组第一端口(Sc0)；牵引母线接入牵引供电臂，钢轨接大地。
6.一种适用于高速电气化铁路同相牵引供电***，其特征在于，包括主牵引变压器、备用牵引变压器和采用有源和无源混合补偿配置方式的同相补偿器；所述同相补偿器由补偿变压器、“背靠背”变流器、匹配变压器、固定电容器支路和固定电抗器支路构成；主牵引变压器、备用牵引变压器、补偿变压器均为副边绕组带有中心抽头的单相变压器结构，匹配变压器为单相变压器结构；固定电容器支路由投切开关、电容器组以及限流电抗器串联构成，固定电抗器支路由投切开关和电抗器串联构成；“背靠背”变流器由直流侧电容共用的两组相同的电压源变流器组成，两组电压源变流器的交流侧分别通过连接电抗各自构成两个交流输出端(11、12，21、22)；
所述各器件的连接关系为：主牵引变压器与备用牵引变压器的原边绕组第一端口(P11、P21)分别均接入外部电力***中的第一相，第二端口(P10、P20)分别均接入外部电力***中的第二相；补偿变压器的原边绕组第一端口(Pc0)接入外部电力***中的第二相，第二端口(Pc1)接入外部电力***中的第三相；主牵引变压器与备用牵引变压器的副边绕组第一端口(S11、S21)分别均接入牵引母线的正母线，第二端口(S10、S20)分别均接入牵引母线的负母线，中心抽头端口均接大地；补偿变压器的副边绕组第一端口(Sc0)接入牵引母线的负母线，中心抽头端口(Sc1)与匹配变压器的原边绕组第一端口(Pm0)相连接，匹配变压器的原边绕组第二端口(Pm1)接入牵引母线的正母线；“背靠背”变流器其中一侧变流器的两个交流端口(11、12)分别接入补偿变压器副边绕组的第一端口(Sc0)和中心抽头端口(Sc1)，另一侧变流器的两个交流端口(21、22)分别接入匹配变压器副边绕组的第一、第二端口(Sm0、Sm1)；当接入的外部电力***为正相序，即第一相超前第二相约120°，且第二相超前第三相约120°，固定电抗器支路一端接入补偿变压器副边绕组第二端口(Sc2)，另一端接入匹配变压器原边绕组第二端口(Pm1)；固定电容器支路一端接入补偿变压器副边绕组第二端口(Sc2)，另一端接入补偿变压器副边绕组第一端口(Sc0)；当接入的外部电力***为逆相序，即第一相滞后第二相120°，且第二相滞后第三相约120°，固定电容器支路一端接入补偿变压器副边绕组第二端口(Sc2)，另一端接入匹配变压器原边绕组第二端口(Pm1)；固定电抗器支路一端接入补偿变压器副边绕组第二端口(Sc2)，另一端接入补偿变压器副边绕组第一端口(Sc0)；牵引母线的正母线接入接触线(T)，牵引母线的负母线接入负馈线(F)，钢轨接大地。
7.根据权利要求1、2、5或6中任意一项所述的适用于高速电气化铁路同相牵引供电***，其特征在于，所述备用牵引变压器原边绕组接入外部电力***相序始终与主牵引变压器相同。
8.根据权利要求5或6所述的适用于高速电气化铁路同相牵引供电***，其特征在于，所述主牵引变压器、备用牵引变压器以及补偿变压器，其副边绕组电压等级相同且均由牵引母线额定电压决定，其原边绕组电压等级不同且分别由外部电力***电压等级决定；所述补偿变压器，其副边绕组中心抽头端口(Sc1)与副边绕组第一端口(Sc0)和第二端口(Sc2)之间电压等级相同；所述匹配变压器的原边绕组电压等级为主牵引变压器或备用牵引变压器副边绕组电压等级的其副边绕组电压等级与补偿变压器的副边绕组电压等级相同。
9.根据权利要求5或6所述的适用于高速电气化铁路同相牵引供电***，其特征在于，采用负序分量补偿度k表示CPC对负序分量的补偿程度，即引起与所述同相补偿器实际补偿的负序分量大小相当的负荷容量SC占引起总负序分量的牵引负荷容量SL的比例，k为实数且k∈[0，1]，其数学式表示为：
式中SC表示的这部分牵引负荷容量所产生的负序分量与同相补偿器补偿的负序分量大小相当，MV·A；
对所述采用有源和无源混合补偿配置方式的同相补偿器，当同相补偿器CPC负序分量补偿度为k，其有源部分和无源部分各承担k/2的负序分量补偿度；主牵引变压器的计算容量标幺值为补偿变压器的原边绕组计算容量标幺值为其副边绕组第一和中心抽头端口(Sc0、Sc1)之间的计算容量标幺值为其副边绕组中心抽头和第二端口(Sc1、Sc2)之间的计算容量标幺值为匹配变压器的计算容量标幺值与“背靠背”变流器其中任一侧变流器的计算容量标幺值相同，均为k/4；固定电容器支路在额定电压条件下的容性功率计算容量标幺值为其中限流电抗器的计算容量通常不超过容性无功功率计算容量的1/10；固定电抗器支路在额定电压条件下的感性无功功率计算容量标幺值为所述标幺值均以额定的牵引负荷计算容量SL，MV·A为基值容量。
10.根据权利要求5或6所述的适用于高速电气化铁路同相牵引供电***，其特征在于，所述固定电容器支路和固定电抗器支路分别由若干组固定电容器子支路、若干组固定电抗器子支路并联构成，每个固定电容器子支路均由投切开关、电容器组以及限流电抗器串联构成，每个固定电抗器子支路均由投切开关和电抗器串联构成。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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