[发明专利]电磁混合式高速铁路多站点电能质量协同补偿装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于电气化铁路电能质量分析和控制技术领域，尤其涉及一种电磁混合式高速铁路多站点电能质量协同补偿装置及方法。

背景技术

电气化铁路以其载客量高、输送能力大、速度快和安全节能等优势，成为我国近几年来重点发展的交通运输方式之一。从电气化铁路机车运行特性来看，可分为常规电气化铁路机车和高速铁路机车两大类。其中，常规电气化铁路机车主要采用交-直型传动方式，我国在该技术领域研究较为成熟，但是直流电机功率和体积成正比，无法适应高速重载运行，同时运行时有干扰电流电波、有碳刷接触故障率高。相比常规电气化铁路机车，高速铁路机车采用交-直-交型电力机车，该机车具有起动牵引力大、体积小、调压较易、无接触摩擦件故障率低、电流电波小等优势，同时电车再生后制动时，可使交流电返回电网，节省能源。但无论是常规电气化铁路还是高速铁路，其牵引供电方式绝大多数为三相-两相制式，即其原边取自电力系统的110kV或220kV三相电压，次边向两上单相供电臂供电，其母线额定电压为27.5kV。因此对于三相对称的电力系统来说，其铁路机车负荷具有非线性、不对称和波动性等特点，在运行的过程中会产生极大的负序电流和一定量的高次谐波电流和无功功率，其中以负序问题尤为突出。

目前常规电气化铁路对于负序不平衡问题的解决办法通常是采用轮流换相和采用平衡化变压器的方式，这对于常规电气化铁路机车负荷功率不大的情况具有一定的抑制效果，但上述方法并不能从根本上解决电气化铁路机车的负序问题。而对高速铁路来说，由于高速铁路机车负荷功率很大，上述方法在高速铁路负序治理问题上存在较大局限性。要从根本上解决电气化铁路负序不平衡问题，必须加装相应的负序补偿装置。

现阶段电力系统一般采用晶闸管控制电抗器(TCR)和固定电容器(FC)组成的TCR型静止无功补偿装置(SVC)来抑制负序电流，但是这种方法对于高速铁路负序补偿存在以下缺陷：

1）动态响应性差，TCR型SVC装置的动态响应性不能满足高速铁路机车快速变化的负载要求；

2）谐波含量大，TCR型SVC装置的谐波含量很大，可达到15%，且低次谐波含量较大，对高铁路供电系统有较大冲击；

3）TCR型SVC装置占地面积大、噪音大、成本大、损耗大。

为了解决TCR型SVC装置存在的问题，基于磁阀式可控电抗器(MCR)的磁控型静止无功补偿装置(MSVC)在上世纪90年代之后有了很大的发展，在MCR型MSVC装置中，MCR在保持TCR优点的同时，克服了TCR在谐波、装置大小、损耗、噪音和可靠性等方面的缺点。而多级磁阀式磁控电抗器(MSMCR)^[1]是在MCR基础上的最新研究发展成果，相比传统的MCR，其在谐波控制和动态响应性方面有极大提升。值得特别提出的是，MSMCR还具有对特定次数谐波进行优化的功能。

虽然MSMCR相比TCR，其谐波控制和动态响应性得到了较大提高，但由于其磁饱和的工作特性，仍然无法做到极佳的动态响应性以适应高速铁路负荷的快速波动，并且无法完全消除MSVC装置谐波，而且单一采用上述无功发生装置直接补偿负序电流的方法需要投入极大的补偿容量。通过铁路功率调节器(RPC)来实现电气化铁路牵引供电系统综合电能质量控制的概念最早是由日本学者提出的。RPC主要采用大功率电力电子器件来实现电气化铁路两侧有功功率的双向传递和无功功率输出。该补偿装置响应性好、控制灵活、可拓展性强，同时RPC可以通过平衡系统两侧有功功率有效的降低系统负序补偿所需的无功投入容量。但是由于电力电子器件容量有限，制造工艺复杂，装置成本昂贵，如果高速铁路巨大的机车负荷如果全部负序电流采用RPC来补偿的话，显然是不现实的。

文中涉及的参考文献：

[1]陈绪轩,田翠华,陈柏超,等.多级饱和磁阀式可控电抗器谐波分析数学模型[J].电工技术学报,2011，26(3):57-64.

发明内容

针对现有技术的不足，本发明将基于MSMCR的大容量MSVC和小容量RPC结合，提供了一种可以消除谐波、所需投入容量小、动态响应速度快、成本低的电磁混合式高速铁路多站点电能质量协同补偿装置及方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：