一种高速铁路中负序电流的混合补偿系统.pdf

本发明公开了一种高速铁路中负序电流的混合补偿系统，包括铁路功率调节器、两个单相三绕组降压变压器、m组参数相同的晶闸管投切电容器和一组晶闸管控制电抗器。铁路功率调节器通过连接电感与两个单相三绕组降压变压器的低压侧连接；两个单相三绕组降压变压器的高压侧与三相Vv牵引变压器二次侧的两单相供电臂连接；m组参数相同的晶闸管投切电容器安装在电压相位超前的供电臂连接的单相三绕组降压变压器的低压侧；一组晶闸管控制电抗器安装在电压相位滞后的供电臂连接的单相三绕组降压变压器的低压侧。该混合补偿系统能够有效地补偿负序电流，同时能够降低有源补偿装置的功率，减少成本，因此，在高速铁路负序补偿领域具有良好的发展前景。

权利要求书1.  一种高速铁路中负序电流的混合补偿系统，其特征在于：该混合补偿系统包括铁路功 率调节器、两个单相三绕组降压变压器、m组参数相同的晶闸管投切电容器和一组晶闸管控 制电抗器； 所述的铁路功率调节器由两个背靠背的变流器组成，两变流器直流侧共用一个电容，通 过连接电感(La、Lb)与两个单相三绕组降压变压器的低压侧连接； 所述的两个单相三绕组降压变压器高压侧各为一个绕组，分别与三相Vv牵引变压器二 次侧的两单相供电臂连接；低压侧为两个绕组，分别与铁路功率调节器、m组参数相同的晶 闸管投切电容器和一组晶闸管控制电抗器连接； 所述的m组参数相同的晶闸管投切电容器分别由m组参数相同的反并联晶闸管、电抗器 (L1、L2…Lm)和电容器(C1、C2…Cm)串联组成，安装在与电压相位超前的供电臂连接的单 相三绕组降压变压器的低压侧； 所述的一组晶闸管控制电抗器由一组反并联的晶闸管和电抗器(L0)串联组成，安装在与 电压相位滞后的供电臂连接的单相三绕组降压变压器的低压侧。

说明书一种高速铁路中负序电流的混合补偿系统
技术领域
本发明涉及一种负序电流补偿系统，特别涉及一种高速铁路中负序电流的混合补偿系统。
背景技术
高速铁路具有运输能力大、能耗少、环境影响小等特点，在世界范围内得到了广泛的重 视和应用。我国现运行的和谐号高铁，采用交直交型电力机车，采用四象限PWM整流方式， 机车的功率因数接近于1，低次谐波含量少。但是，由于高速铁路采用单相工频交流供电方 式，其不对称性导致三相电网电流中存在负序电流，负序电流会造成发电机振动、变压器出 力不足、网损大等问题，因此，需要采取有效的治理策略来抑制高速铁路中的负序电流。
目前，用于补偿负序电流的装置主要有静止无功补偿器(SVC)、静止无功同步补偿器 (STATCOM)以及铁路功率调节器(RPC)。其中，采用SVC时，有两种接入方式，一种是 将SVC接入三相电网侧，接入三相电网侧时所需的SVC容量大；另一种是将SVC接入单相 供电臂侧，接入单相供电臂侧时负序补偿效果不理想；采用STATCOM时，由于要将STATCOM 接入三相高压侧，而高压侧电压高达110KV或者220KV，STATCOM需要设计为串联多重化 结构，导致STATCOM结构复杂，造价高；而RPC在负序补偿方面处于技术领先地位，是 一种典型的补偿装置，RPC由两个背靠背的变流器组成，两变流器直流侧共用一个电容，但 是，由于RPC是有源装置，单独使用RPC补偿负序电流时，会造成RPC容量大、造价高的 问题。
发明内容
为了解决现有高速铁路中负序电流补偿系统存在的上述问题，本发明提供一种高速铁路 中负序电流的混合补偿系统。本发明能够有效地补偿负序电流以及降低有源装置的容量，降 低装置成本。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种高速铁路中负序电流的混合补偿系统， 包括铁路功率调节器、两个单相三绕组降压变压器、m组参数相同的晶闸管投切电容器和一 组晶闸管控制电抗器。
所述的铁路功率调节器由两个背靠背的变流器组成，两变流器直流侧共用一个电容，通 过连接电感(La、Lb)与两个单相三绕组降压变压器的低压侧连接。
所述的两个单相三绕组降压变压器高压侧各为一个绕组，分别与三相Vv牵引变压器二 次侧的两单相供电臂连接；低压侧为两个绕组，分别与铁路功率调节器、m组参数相同的晶 闸管投切电容器和一组晶闸管控制电抗器连接。
所述的m组参数相同的晶闸管投切电容器分别由m组参数相同的反并联晶闸管、电抗器 (L1、L2…Lm)和电容器(C1、C2…Cm)串联组成，安装在电压相位超前的供电臂连接的单相 三绕组降压变压器的低压侧。
所述的一组晶闸管控制电抗器由一组反并联的晶闸管和电抗器(L0)串联组成，安装在电 压相位滞后的供电臂连接的单相三绕组降压变压器的低压侧。
本发明的有益效果在于：
1)铁路功率调节器负责有功电流的转移和小部分无功电流的补偿；晶闸管投切电容器和 晶闸管控制电抗器负责大部分无功电流的补偿，能够改善负序电流补偿的效果，使得三相电 网电流对称。
2)晶闸管投切电容器和晶闸管控制电抗器的投入使用降低了铁路功率调节器的容量，减 少了有源补偿装置的成本。
附图说明
图1是本发明实施例1的结构图。
图2是负序电流补偿之前两相负载电流与三相电网电流相量图。
图3是负序电流补偿原理图。
图中，1、铁路功率调节器(RPC)；2、单相三绕组降压变压器；3、m组参数相同的晶闸 管投切电容器；4、一组晶闸管控制电抗器；5、本发明结构图。
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5的补偿对象为采用Vv牵引变压器 的高速铁路系统。本发明5由铁路功率调节器(RPC)1、两个单相三绕组降压变压器2、m组 参数相同的晶闸管投切电容器3和一组晶闸管控制电抗器4组成。RPC1通过连接电感(La、 Lb)与两个单相三绕组降压变压器2的低压侧连接；两个单相三绕组降压变压器2的高压侧分 别与三相Vv牵引变压器二次侧的两单相供电臂连接；m组参数相同的晶闸管投切电容器3 安装在电压相位超前的供电臂连接的单相三绕组降压变压器2的低压侧；一组晶闸管控制电 抗器4安装在电压相位滞后的供电臂连接的单相三绕组降压变压器2的低压侧。RPC1由两个 背靠背的变流器组成，两变流器直流侧共用一个电容；m组参数相同的晶闸管投切电容器3 分别由m组参数相同的反并联晶闸管、电抗器(L1、L2…Lm)和电容器(C1、C2…Cm)串联组 成；一组晶闸管控制电抗器4由一组反并联的晶闸管和电抗器(L0)串联组成。
参见图2，图2为负序电流补偿之前两相负载电流与三相电网电流相量图。假设a、b两 相都有负载，IaL、IbL分别为a、b两相负载电流的有效值，以IaL>IbL为例，由于高速铁路中 负载机车的功率因数接近于1(不考虑谐波)，因此，IaL、IbL的相位与负载电压相位相同；图 2中，为三相电网电压，以A相电压为基准，根据Vv牵引变压器的特性，可 以得出a、b两相负载电流为

假设Vv牵引变压器的变比为K，则补偿之前三相电网中的电流为

根据对称分量法，引入复数算子α＝ej120°，可以得出正序电流分量负序电流分量以 及零序电流分量分别为

式中，为a、b两单相供电臂电流，补偿之前结合(2)(3)式可以看 出三相电流不对称，存在负序电流。
参见图3，图3为负序电流补偿原理图。混合补偿系统在工作的时候，RPC1首先进行有 功电流的转移，将两相负载电流之差的一半从a相转移到b相，使得两相电流相等。此时A、 B、C三相电流为三相电流大小相等，但是相位不对称，a相需容性无功电流来 补偿与之间30°的相位差，而这部分容性无功电流由RPC1与m组参数相同的晶闸管投 切电容器3共同提供；b相则需感性无功电流来补偿与之间30°的相位差，而这部分感 性无功电流由RPC1与一组晶闸管控制电抗器4共同提供。
由图3可以得出有功电流转移之后的两单相供电臂电流为

式中，△I为RPC1转移的有功电流。
a、b两单相供电臂需要补偿的无功电流为

式中，为RPC1需要补偿的无功电流部分，为m组参数相同的晶闸 管投切电容器3、一组晶闸管控制电抗器4需要补偿的无功电流部分
负序补偿之后的a、b两单相供电臂电流为

式中，
结合图1与图3可以得到(电流以流入RPC1为正方向)
I . a = I . aL + I . ca I . b = I . bL + I . cb - - - ( 7 ) ]]>
I . ca = - Δ I . a + I . RPCqa + I . TSCa I . cb = Δ I . b + I . RPCqb + I . TCRb - - - ( 8 ) ]]>
式中，为a、b两单相供电臂的补偿电流。
图3中虚线表示单独使用RPC1时RPC1所需要补偿的总电流，可以看出，使用混合系 统补偿时，RPC1需要补偿的电流要比单独使用RPC1时的补偿电流小，即RPC1的容量减小 了；补偿之后的完全对称，抑制了负序电流。
对于m组参数相同的晶闸管投切电容器3的投切组数由无功分配原则确定。
假设a、b两相机车负载的有功功率为Pa、Pb(Pa>Pb)，RPC1转移的有功功率为
ΔP = P a - P b 2 - - - ( 9 ) ]]>
两单相供电臂需要补偿的无功功率为

式中，Qa为容性无功，由RPC1和m组参数相同的晶闸管投切电容器3共同提供，Qb为感 性无功，由RPC1和一组晶闸管控制电抗器4共同提供。
假设一组晶闸管投切电容器能够提供的容性无功功率为QTSC,则需要投切的电容器组数 为
m a = [ Q a Q TSC ] - - - ( 11 ) ]]>
式中，ma不大于m。
那么ma组晶闸管投切电容器补偿的总无功量为
QTSCa＝maQTSC    (12)
假设投入的ma组参数相同的晶闸管投切电容器补偿的总无功量占a相所需总无功量的比
例为η，则η为
η = m a Q TSC Q a - - - ( 13 ) ]]>
可以得出ma组晶闸管投切电容器补偿需要补偿的无功电流有效值为

那么RPC1在a相负载侧需要补偿的无功电流有效值为
I RPCa = ( 1 - η ) I aL + I bL 2 1 3 - - - ( 15 ) ]]>
假设一组晶闸管控制电抗器4提供的感性无功功率为QTCR，则b相供电臂侧的一组晶闸 管控制电抗器4可在0～QTCR的范围内进行无功补偿(这里装设的TCR的无功功率QTCR≥Qb)。
根据上述a相无功电流补偿分析可以得出b相RPC1、一组晶闸管控制电抗器4需要补 偿的无功电流有效值为

I RPCb = I RPCa = ( 1 - η ) I aL + I bL 2 1 3 - - - ( 17 ) ]]>