CN111600316B - 一种同相供电综合补偿装置的构造及其补偿方法 - Google Patents

一种同相供电综合补偿装置的构造及其补偿方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种同相供电综合补偿装置的构造及其补偿方法，涉及电气化铁路供电技术领域。牵引‑补偿变压器原边与三相高压母线HB相连，牵引‑补偿变压器次边，第一大功率开关器件SVG1的输入、输出端分别与第一补偿端口的a1端子和c端子相连，第二大功率开关器件SVG2的输入、输出端分别与第二补偿端口的c端子和b′端子相连，第三大功率开关器件SVG3的输入、输出端分别与第三补偿端口的a1端子和b1端子相连，牵引网与牵引端口ab相连；所述综合补偿测控***包括电压互感器、电流互感器以及控制器，其中控制器的信号输入端分别与电压互感器和电流互感器的信号输出端相连，控制器的信号输出端与综合补偿设备的控制端相连。

Description

一种同相供电综合补偿装置的构造及其补偿方法
技术领域
本发明涉及交流电气化铁路牵引供电技术领域，特别涉及一种电气化铁路的同相供电牵引变电所无功、负序综合补偿技术。
背景技术
我国电气化铁路普遍采用单相工频交流制，牵引负荷本质上作为一种单相电力负荷，具有单相不对称性，在三相电力***中产生了以负序为主的电能质量问题。因此电气化铁路往往采用牵引变压器换相联接、分区供电的方案，在分相、分区供电处设置电分相。理论和实践表明，电分相是牵引供电***中最薄弱的环节，因此电分相成为了制约电气化铁路牵引供电***以及高速铁路发展的瓶颈。此外采用大功率全控型器件IGBT、IGCT等开发出的交直交型电力机车已广泛应用于高速和重载铁路，其谐波含量低、功率因数近似于1，牵引功率相比交直型电力机车有了很大提升，因此大功率单相牵引负荷对三相电力***产生的三相不平衡问题将更加突出。
为了彻底取消电分相，同时解决电气化铁路所产生的以负序为主的电能质量问题，贯通同相供电***的概念应运而生。通过在牵引变电所内采用单相牵引变压器以及在分区所处实施双边供电，取消牵引变电所出口处以及两相邻供电分区之间的电分相，并结合同相补偿装置，对牵引负荷所产生的负序等电能质量问题进行综合治理，最终实现全线贯通同相供电。
发明内容
本发明的目的是提供一种同相供电综合补偿装置的构造，它能有效地解决牵引供电与补偿设备共用一台变压器的技术问题。
本发明的另一个目的是提供一种同相供电综合补偿装置的综合补偿方法，它能有效地解决降低补偿设备的容量，同时实现对电气化铁路牵引负荷所产生的无功和负序进行实时的综合补偿的技术问题。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种同相供电综合补偿装置的构造，包括电气化铁路同相供电牵引变电所CSS内的牵引-补偿变压器TCT，牵引-补偿变压器TCT的原边共有两组绕组，记为第一原边绕组AB和第二原边绕组BC，且分别引出A、B、C三端子与三相高压母线HB相连，牵引-补偿变压器TCT的次边共有三组绕组，记为第一次边绕组ab、第二次边绕组a1b1和第三次边绕组b′c；第一次边绕组ab为牵引端口，第二次边绕组a1b1中的b1端子与第三次边绕组b′c中的b′端子相连接；所述第二次边绕组a1b1和第三次边绕组b′c分别构成第一补偿端口的a1端子和c端子，第二补偿端口的c端子和b′端子以及第三补偿端口的a1端子和b1端子；综合补偿设备CCE中的第一大功率开关器件SVG1的输入端、输出端分别与第一补偿端口的a1端子和c端子相连，第二大功率开关器件SVG2的输入端、输出端分别与第二补偿端口的c端子和b′端子相连，第三大功率开关器件SVG3的输入端、输出端分别与第三补偿端口的a1端子和b1端子相连；电压互感器VT、电流互感器CT和控制器CD构成综合补偿测控***MCS，其中，电压互感器VT的原边并接于第一次边绕组ab之间，电流互感器CT的原边串接于第一次边绕组ab的a端子与牵引母线OCS之间，控制器CD的信号输入端分别与电压互感器VT、电流互感器CT的测量信号输出端相连，控制器CD的信号输出端与综合补偿设备CCE的控制端相连。
所述牵引-补偿变压器TCT的第一原边绕组AB的匝数n与第二原边绕组BC的匝数m之间的关系为：n＝m；所述第二次边绕组a1b1的匝数n′与第三次边绕组b′c的匝数m′之间的关系为：n′＝m′；其中n、m、n′以及m′的取值均为大于1的正整数。
若牵引网供电方式为直接供电方式或带回流线的直接供电方式，则所述牵引-补偿变压器TCT的第一次边绕组ab的a端子接至牵引母线OCS，b端子与钢轨R和大地相连接；若牵引网供电方式为AT供电方式，则所述牵引-补偿变压器TCT的第一次边绕组ab的a端子接至牵引母线OCS，b端子与负馈线F相连接。
本发明的另一个目的是通过以下技术方案来实现的：一种同相供电综合补偿装置的综合补偿方法，包括上述的同相供电综合补偿装置的构造，其具体步骤为：
步骤一、以三相高压母线HB的负序允许量Sε和功率因数值μ为补偿目标；
步骤二、通过综合补偿测控***MCS的控制器CD对电压互感器VT和电流互感器CT测量得到的电压和电流值进行计算，得出牵引负荷功率SL和功率因数
Figure GDA0003502912730000021
的值，并以此判断牵引负荷负序功率
Figure GDA0003502912730000022
与负序允许量Sε的关系，以及功率因数
Figure GDA0003502912730000023
与目标功率因数值μ的关系，判断方式如下：
(1)当
Figure GDA0003502912730000024
时，若
Figure GDA0003502912730000025
投入综合补偿设备CCE对负序和无功进行综合补偿；若
Figure GDA0003502912730000026
则综合补偿设备CCE仅对负序进行补偿；
(2)当
Figure GDA0003502912730000027
时，若
Figure GDA0003502912730000028
投入综合补偿设备CCE仅对无功进行补偿；若
Figure GDA0003502912730000029
则综合补偿设备CCE处于待机状态。
所述综合补偿设备CCE对负序和无功进行综合补偿时功率开关器件的工作时序为：当
Figure GDA00035029127300000210
时，投入第一大功率开关器件SVG1、第二大功率开关器件SVG2以及第三大功率开关器件SVG3，此为三端口补偿模式；当
Figure GDA00035029127300000211
时，若
Figure GDA00035029127300000212
则仅投入第三大功率开关器件SVG3，此时简化为单端口补偿模式；若
Figure GDA00035029127300000213
则第一大功率开关器件SVG1、第二大功率开关器件SVG2以及第三大功率开关器件SVG3均处于待机状态。
所述补偿模式的具体方案如下：
(1)当
Figure GDA00035029127300000214
时，若
Figure GDA00035029127300000215
则第一大功率开关器件SVG1、第二大功率开关器件SVG2以及第三大功率开关器件SVG3所发出的无功功率Q1、Q2和Q3的大小分别为：
Figure GDA00035029127300000216
Figure GDA00035029127300000217
其中K为无功补偿系数，取值范围为0＜K≤1，并由补偿后的功率因数
Figure GDA00035029127300000218
所决定，
Figure GDA00035029127300000219
当牵引负荷处于牵引工况时，Q1为感性/容性、Q2为容性/感性、Q3为容性，当牵引负荷处于再生制动工况时，Q1为容性/感性、Q2为感性/容性、Q3为感性，本模式为三端口补偿模式；
(2)当
Figure GDA0003502912730000031
时，若
Figure GDA0003502912730000032
则第一大功率开关器件SVG1、第二大功率开关器件SVG2以及第三大功率开关器件SVG3所发出的无功功率Q1、Q2和Q3的大小分别为：
Figure GDA0003502912730000033
当牵引负荷处于牵引工况时，Q1、Q2和Q3分别为感性、容性和容性，当牵引负荷处于再生制动工况时，Q1、Q2和Q3分别为容性、感性和感性，本模式为三端口补偿模式；
(3)当
Figure GDA0003502912730000034
时，若
Figure GDA0003502912730000035
则此时第一大功率开关器件SVG1和第二大功率开关器件SVG2处于待机状态，第三大功率开关器件SVG3所发出的无功功率Q3的大小为：
Figure GDA0003502912730000036
其中K为无功补偿系数，取值范围为0＜K≤1，并由补偿后的功率因数
Figure GDA0003502912730000037
所决定，
Figure GDA0003502912730000038
当牵引负荷处于牵引工况时，Q3为容性，当牵引负荷处于再生制动工况时，Q3为感性，本模式为单端口补偿模式；
(4)当
Figure GDA0003502912730000039
时，若
Figure GDA00035029127300000310
则此时第一大功率开关器件SVG1、第二大功率开关器件SVG2以及第三大功率开关器件SVG3均处于待机状态，牵引负荷产生的负序和无功均满足补偿目标。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
一、本发明所述牵引-补偿变压器，同时拥有牵引端口与补偿端口，实现了牵引变压器与补偿变压器的共箱制造，功能集成度高，有效地减小了设备占地面积，且牵引端口本质上为单相变，具有较高的容量利用率，可有效降低设备的安装容量，同时取消牵引变电所出口处的电分相，实施同相供电，有利于列车再生制动能量得到更高程度的利用，减少电力用电，提高能量利用率；
二、本发明可以实现对三相电力***无功和负序的综合补偿，有效地解决了电气化铁路对三相电力***所产生的以负序为主的电能质量问题；
三、本发明所述同相供电综合补偿装置，本质上通过控制无功潮流的方式实现综合补偿，而不改变***的有功潮流，且不传输正序的有功功率，具有免缴容量电费的优势；
四、本发明适用于各种交直型以及交直交型电力机车的无功和负序综合治理，且综合补偿装置的工况可逆，当牵引负荷处于再生制动工况时，依然可以向电网馈送满足标准的电能。
附图说明
图1是本发明实施例一所述的综合补偿装置拓扑结构示意图。
图2是本发明实施例一所述的适用于AT供电方式的综合补偿装置拓扑结构示意图。
图3是本发明实施例二所述的一种牵引-补偿变压器的拓扑结构示意图。
图4是本发明实施例三所述的综合补偿方法流程示意图。
具体实施方式
为了更好理解本发明的创造思想，在此简要说明本发明的工作原理：以三相高压母线的负序允许量Sε和功率因数值μ为补偿目标，通过控制连接于牵引-补偿变压器次边补偿端口的SVG发出相应性质的无功功率，对电气化铁路所产生的无功和负序进行综合补偿，使得补偿后的无功和负序满足补偿目标的要求，其中SVG只改变***的无功潮流，不改变***的有功潮流。下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步描述。
实施例一
如图1所示，本发明实施例提供了一种同相供电综合补偿装置的构造，包括牵引-补偿变压器TCT、综合补偿设备CCE以及综合补偿测控***MCS，牵引-补偿变压器TCT的原边端子分别与三相高压母线HB相连，牵引-补偿变压器TCT的次边，其第一次边绕组ab为牵引端口，第二次边绕组a1b1和第三次边绕组b′c分别构成第一补偿端口的a1端子和c端子，第二补偿端口的c端子和b′端子以及第三补偿端口的a1端子和b1端子；综合补偿设备CCE中的第一大功率开关器件SVG1的输入端、输出端分别与第一补偿端口的a1端子和c端子相连，第二大功率开关器件SVG2的输入端、输出端分别与第二补偿端口的c端子和b′端子相连，第三大功率开关器件SVG3的输入端、输出端分别与第三补偿端口的a1端子和b1端子相连；牵引-补偿变压器TCT的第一次边绕组ab与牵引网相连接，其中电压互感器VT的原边并接于第一次边绕组ab之间，电流互感器CT的原边串接于第一次边绕组ab的a端子与牵引母线OCS之间，若牵引网供电方式为直接供电方式或为带回流线的直接供电方式，则牵引-补偿变压器TCT的第一次边绕组ab，其a端子接至牵引母线OCS，b端子与钢轨R和大地相连接，其中LC为运行在线路上的某一电力机车；若牵引网供电方式为AT供电方式，则如图2所示，牵引-补偿变压器TCT的第一次边绕组ab，其a端子接至牵引母线OCS，b端子与负馈线F相连接，其中AT(1)、AT(2)、AT(3)...AT(i)分别表示AT供电方式所设置的各AT站，LC为运行在线路上的某一电力机车。
在本实施例中，如图1、图2所示，综合补偿测控***MCS包括电压互感器VT、电流互感器CT和控制器CD，控制器CD的信号输入端分别与电压互感器VT、电流互感器CT的测量信号输出端相连，控制器CD的信号输出端分别与综合补偿设备CCE的第一大功率开关器件SVG1、第二大功率开关器件SVG2以及第三大功率开关器件SVG3的控制端相连。
实施例二
如图3所示，本发明实施例提供一种牵引-补偿变压器的拓扑结构，所述牵引-补偿变压器TCT，原边共有两组绕组，分别为第一原边绕组AB和第二原边绕组BC；次边共有三组绕组，分别为第一次边绕组ab、第二次边绕组a1b1和第三次边绕组b′c，其中第二次边绕组a1b1的b1端子，与第三次边绕组b′c的b′端子相连接；所述牵引-补偿变压器TCT原边共引出A、B、C三端子，次边共引出a、b、a1、b1、b′、c六端子,分别构成第一补偿端口的a1端子和c端子、第二补偿端口的c端子和b′端子、第三补偿端口的a1端子和b1端子，以及牵引端口即第一次边绕组ab；图3中所示*、·分别表示变压器绕组的同名端。
在本实施例中，所述第一原边绕组AB的匝数n与第二原边绕组BC的匝数m之间的关系为：n＝m；所述第二次边绕组a1b1的匝数n′与第三次边绕组b′c的匝数m′之间的关系为：n′＝m′，其中n、m、n′以及m′的取值均为大于1的正整数；所述第一次边绕组ab、第二次边绕组a1b1、第三次边绕组b′c，均为独立绕组，电压等级相互独立。
实施例三
如图4所示，本发明实施例提供了一种同相供电综合补偿装置的综合补偿方法流程示意图，以综合补偿设备CCE为三端口补偿模式时的情况为例，一种同相供电综合补偿装置的综合补偿方法，包括上述的同相供电综合补偿装置的构造，其具体步骤为：
步骤一、以三相高压母线HB负序允许量Sε和功率因数值μ为补偿目标；
步骤二、通过综合补偿测控***MCS的控制器CD对电压互感器VT和电流互感器CT测量得到的电压和电流值进行计算，得出牵引负荷功率SL和功率因数
Figure GDA0003502912730000051
的值，并以此判断牵引负荷负序功率
Figure GDA0003502912730000052
与负序允许量Sε的关系，以及功率因数
Figure GDA0003502912730000053
与目标功率因数值μ的关系；
(1)当
Figure GDA0003502912730000054
时，若
Figure GDA0003502912730000055
则同时对负序和无功进行综合补偿，此时第一大功率开关器件SVG1、第二大功率开关器件SVG2以及第三大功率开关器件SVG3所发出的无功功率Q1、Q2和Q3的大小分别为：
Figure GDA0003502912730000056
Figure GDA0003502912730000057
其中K为无功补偿系数，取值范围为0＜K≤1，并由补偿后的功率因数
Figure GDA0003502912730000058
所决定，
Figure GDA0003502912730000059
当牵引负荷处于牵引工况时，Q1为感性/容性、Q2为容性/感性、Q3为容性，当牵引负荷处于再生制动工况时，Q1为容性/感性、Q2为感性/容性、Q3为感性，本模式为三端口补偿模式；
(2)当
Figure GDA00035029127300000510
时，若
Figure GDA00035029127300000511
则仅对负序进行补偿，而不改变***无功，此时第一大功率开关器件SVG1、第二大功率开关器件SVG2以及第三大功率开关器件SVG3所发出的无功功率Q1、Q2和Q3的大小分别为：
Figure GDA00035029127300000512
Figure GDA00035029127300000513
当牵引负荷处于牵引工况时，Q1、Q2和Q3分别为感性、容性和容性，当牵引负荷处于再生制动工况时，Q1、Q2和Q3分别为容性、感性和感性，本模式为三端口补偿模式；
(3)当
Figure GDA00035029127300000514
时，若
Figure GDA00035029127300000515
则仅投入第三大功率开关器件SVG3，本模式为单端口补偿模式，此时第一大功率开关器件SVG1和第二大功率开关器件SVG2处于待机状态；
(4)当
Figure GDA00035029127300000516
时，若
Figure GDA00035029127300000517
则此时第一大功率开关器件SVG1、第二大功率开关器件SVG2以及第三大功率开关器件SVG3均处于待机状态，牵引负荷产生的负序和无功均满足补偿目标，不需要另行补偿。

Claims (6)

1.一种同相供电综合补偿装置的构造，包括电气化铁路同相供电牵引变电所CSS内的牵引-补偿变压器TCT，牵引-补偿变压器TCT的原边共有两组绕组，记为第一原边绕组AB和第二原边绕组BC，且分别引出A、B、C三端子与三相高压母线HB相连，牵引-补偿变压器TCT的次边共有三组绕组，记为第一次边绕组ab、第二次边绕组a1b1和第三次边绕组b′c，其特征在于：第一次边绕组ab为牵引端口，第二次边绕组a1b1中的b1端子与第三次边绕组b′c中的b′端子相连接；所述第二次边绕组a1b1和第三次边绕组b′c分别构成第一补偿端口的a1端子和c端子，第二补偿端口的c端子和b′端子以及第三补偿端口的a1端子和b1端子；综合补偿设备CCE中的第一大功率开关器件SVG1的输入端、输出端分别与第一补偿端口的a1端子和c端子相连，第二大功率开关器件SVG2的输入端、输出端分别与第二补偿端口的c端子和b′端子相连，第三大功率开关器件SVG3的输入端、输出端分别与第三补偿端口的a1端子和b1端子相连；电压互感器VT、电流互感器CT和控制器CD构成综合补偿测控***MCS，其中，电压互感器VT的原边并接于第一次边绕组ab之间，电流互感器CT的原边串接于第一次边绕组ab的a端子与牵引母线OCS之间，控制器CD的信号输入端分别与电压互感器VT、电流互感器CT的测量信号输出端相连，控制器CD的信号输出端与综合补偿设备CCE的控制端相连。
2.根据权利要求1所述的一种同相供电综合补偿装置的构造，其特征在于：所述牵引-补偿变压器TCT的第一原边绕组AB的匝数n与第二原边绕组BC的匝数m之间的关系为：n＝m；所述第二次边绕组a1b1的匝数n′与第三次边绕组b′c的匝数m′之间的关系为：n′＝m′；其中n、m、n′以及m′的取值均为大于1的正整数。
3.根据权利要求1所述的一种同相供电综合补偿装置的构造，其特征在于：若牵引网供电方式为直接供电方式或带回流线的直接供电方式，则所述牵引-补偿变压器TCT的第一次边绕组ab的a端子接至牵引母线OCS，b端子与钢轨R和大地相连接；若牵引网供电方式为AT供电方式，则所述牵引-补偿变压器TCT的第一次边绕组ab的a端子接至牵引母线OCS，b端子与负馈线F相连接。
4.一种同相供电综合补偿装置的综合补偿方法，包括权利要求1所述的一种同相供电综合补偿装置的构造，其具体步骤为：
步骤一、以三相高压母线HB的负序允许量Sε和功率因数值μ为补偿目标；
步骤二、通过综合补偿测控***MCS的控制器CD对电压互感器VT和电流互感器CT测量得到的电压和电流值进行计算，得出牵引负荷功率SL和功率因数
Figure FDA0003502912720000011
的值，并以此判断牵引负荷负序功率
Figure FDA0003502912720000012
与负序允许量Sε的关系，以及功率因数
Figure FDA0003502912720000013
与目标功率因数值μ的关系，判断方式如下：
(1)当
Figure FDA0003502912720000014
时，若
Figure FDA0003502912720000015
投入综合补偿设备CCE对负序和无功进行综合补偿；若
Figure FDA0003502912720000016
则综合补偿设备CCE仅对负序进行补偿；
(2)当
Figure FDA0003502912720000017
时，若
Figure FDA0003502912720000018
投入综合补偿设备CCE仅对无功进行补偿；若
Figure FDA0003502912720000019
则综合补偿设备CCE处于待机状态。
5.根据权利要求4所述的一种同相供电综合补偿装置的综合补偿方法，其特征在于：所述综合补偿设备CCE对负序和无功进行综合补偿时功率开关器件的工作时序为：当
Figure FDA0003502912720000021
时，投入第一大功率开关器件SVG1、第二大功率开关器件SVG2以及第三大功率开关器件SVG3，此为三端口补偿模式；当
Figure FDA0003502912720000022
时，若
Figure FDA0003502912720000023
则仅投入第三大功率开关器件SVG3，此时简化为单端口补偿模式；若
Figure FDA0003502912720000024
则第一大功率开关器件SVG1、第二大功率开关器件SVG2以及第三大功率开关器件SVG3均处于待机状态。
6.根据权利要求5所述的一种同相供电综合补偿装置的综合补偿方法，其特征在于：所述补偿模式的具体方案如下：
(1)当
Figure FDA0003502912720000025
时，若
Figure FDA0003502912720000026
则第一大功率开关器件SVG1、第二大功率开关器件SVG2以及第三大功率开关器件SVG3所发出的无功功率Q1、Q2和Q3的大小分别为：
Figure FDA0003502912720000027
Figure FDA0003502912720000028
其中K为无功补偿系数，取值范围为0＜K≤1，并由补偿后的功率因数
Figure FDA0003502912720000029
所决定，
Figure FDA00035029127200000210
当牵引负荷处于牵引工况时，Q1为感性/容性、Q2为容性/感性、Q3为容性，当牵引负荷处于再生制动工况时，Q1为容性/感性、Q2为感性/容性、Q3为感性，本模式为三端口补偿模式；
(2)当
Figure FDA00035029127200000211
时，若
Figure FDA00035029127200000212
则第一大功率开关器件SVG1、第二大功率开关器件SVG2以及第三大功率开关器件SVG3所发出的无功功率Q1、Q2和Q3的大小分别为：
Figure FDA00035029127200000213
当牵引负荷处于牵引工况时，Q1、Q2和Q3分别为感性、容性和容性，当牵引负荷处于再生制动工况时，Q1、Q2和Q3分别为容性、感性和感性，本模式为三端口补偿模式；
(3)当
Figure FDA00035029127200000214
时，若
Figure FDA00035029127200000215
则此时第一大功率开关器件SVG1和第二大功率开关器件SVG2处于待机状态，第三大功率开关器件SVG3所发出的无功功率Q3的大小为：
Figure FDA00035029127200000216
其中K为无功补偿系数，取值范围为0＜K≤1，并由补偿后的功率因数
Figure FDA00035029127200000217
所决定，
Figure FDA00035029127200000218
当牵引负荷处于牵引工况时，Q3为容性，当牵引负荷处于再生制动工况时，Q3为感性，本模式为单端口补偿模式；
(4)当
Figure FDA00035029127200000219
时，若
Figure FDA00035029127200000220
则此时第一大功率开关器件SVG1、第二大功率开关器件SVG2以及第三大功率开关器件SVG3均处于待机状态，牵引负荷产生的负序和无功均满足补偿目标。
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