[实用新型]一种差异化补偿的电气化铁路电能质量治理装置

说明书

技术领域

本实用新型属于电气化铁路供电、电力电子技术及电能质量治理领域，具体讲涉及一种差异化补偿的电气化铁路电能质量治理装置。

背景技术

电气化铁路负荷具有非线性、不对称性和波动性的特点。一方面，由于电气化铁路牵引供电系统都采用单相供电方式，电力机车为单相负荷，无论牵引变压器采取何种接线方式，都将向系统注入较大的负序电流；另一方面，由于电力机车采用电力电子变流器，因此会产生大量的谐波注入系统。此外，由于牵引变电所的负荷随供电臂内列车的数量和每一列车的运行状态随时波动，因此电气化铁路负荷还具有波动性。随着客运高速和货运重载铁路的发展，上述问题还会出现不同程度的新变化。例如，高次谐波和负序问题可能会因高速铁路和货运重载的牵引功率增大而变得更为突出。

针对上述电气化铁路的电能质量问题，国内外已经采取了各种补偿措施。其中，比较普遍的方法是在牵引站装设固定电容(Fixed Capacitor，FC)补偿设备。这类设备的共同特点是在无功补偿的同时对谐波电流进行治理。但是由于这类装置属于固定补偿方式，不能灵活调节，因此补偿装置在空载或轻载时将形成无功倒送，造成母线电压升高，对机车工作不利，而在重载时无功补偿又不足，无法实现动态补偿。随着电力电子技术和柔性输配电技术的发展，静止无功补偿器(Static Var Compensator，SVC)和静止同步补偿器(Static Synchronous Compensator，STATCOM)开始应用于电气化铁路的电能质量治理。目前用于电气化铁路补偿的SVC通常采用单相晶闸管控制电抗器(Thyristor Controlled Reactor，TCR)加FC安装于牵引侧的方式。这种方式能够以足够的速度跟随牵引负荷频繁的变化，主要补偿低次谐波和无功功率，对负序也有一定的抑制作用。但是这种方式的缺点是：TCR本身也产生谐波，不但影响了电网和负载，也影响其补偿性能，导致系统滤波要求增大，当完全补偿负序时，所需补偿装置的容量很大。针对电气化铁路的单相、非线性和波动特性，日本提出了基于自关断器件的大容量铁路功率调节器(Railway Static Power Conditioner，RPC)，利用背靠背的两个大容量变流器对有功、无功及谐波进行控制，使两供电臂的负荷时刻处于平衡状态，从而实现对负序和谐波的综合补偿，是一种综合性能较好的补偿方式。

由于电铁为高压大容量负荷，因此对RPC装置也具有大容量的需求，一般为几MVA到十几MVA之间。为了满足RPC装置大容量、输出波形质量要求高等特点，需要对RPC的变流器选择合适的拓扑结构。为实现上述目标，一方面，可采用电力电子器件串、并联的方式，另一方面也可采用级联、多电平变流技术和基于变压器的多重化技术等。日本的新——沼宫内牵引站采用的是基于IGCT构成的三电平H桥结构，交流侧采用了变压器串联的两重化技术降低输出电压谐波。新——八户牵引站采用的是基于IGBT构成的两电平H桥结构，交流侧采用变压器串联的四重化方式进行消谐。

上述采用级联、多电平和多重化的技术虽然能够提高装置的容量，但是并不能很好的解决装置多种补偿目标之间的协调问题。为了满足装置补偿谐波等频率相对较高的电能质量问题，通常需要提高所有功率器件的开关频率，这将极大的增加设备的开关损耗和成本，加重冷却系统的负担。事实上，较低的开关频率即可满足装置除谐波补偿功能以外的其他补偿需求，因此提高装置所有功率器件的开关频率是非常不经济的方案。

实用新型内容

针对基波无功、负序和谐波均采用同一变流器进行补偿并不能很好的解决装置多种补偿目标之间的协调问题，装置补偿谐波需要提高所有功率器件的开关频率，会极大的增加设备的开关损耗和成本，加重冷却系统的负担等问题。本实用新型提出了一种差异化补偿的电气化铁路电能质量治理装置，该装置可解决电铁牵引站存在的负序、无功、谐波等问题，并且能够克服现有技术的不足，该装置能够应用于包括单相和三相V/v接线、Yn/d11接线、平衡接线等牵引变压器。相对于已有的方案，本实用新型在装置的拓扑结构上做出了改进，基于差异化补偿的思想，采用低频模块对基波无功和负序、低次谐波进行补偿，高频模块对高频谐波分量补偿，低频模块的开关频率低，损耗小，可以选用电压等级和容量更大的开关器件，能提高单个低频模块的容量，相同补偿容量下可以减少低频模块数量，进而减少连接变压器的二次侧绕组数量，降低了工程实现难度和变压器的造价；由于高频模块的容量相对低频模块很小，可以采用高开关频率的开关器件，提高装置谐波补偿的能力和精度，同时具有减少装置开关损耗、降低装置成本、便于工业标准化生产的优点。