[发明专利]基于过分相负荷线性调节的高速铁路不平衡补偿拓扑系统

说明书

本发明提供了一种基于过分相负荷线性调节的高速铁路不平衡补偿拓扑系统，包括过分相供电拓扑结构与不平衡补偿拓扑结构两个部分。过分相供电拓扑结构为三相拓扑结构，每相拓扑结构分为上桥臂和下桥臂两部分。不平衡补偿拓扑结构为单相结构，由磁控电抗器MCR与三次、五次谐波滤波支路并联组成，形成磁控静止无功补偿模块(MSVC)。与现有技术相比，本发明可以根据两侧牵引网实际情况双向取流，能保持从两侧牵引供电臂吸收的能量线性变化关系而能量总和维持一定，使列车不断电通过分相区且实时跟踪响应牵引负荷的变化，完成负序电流的有效补偿，具有无需变压器接入的优点。

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，涉及一种基于过分相负荷线性调节的高速铁路不平衡补偿拓扑系统。

背景技术

在我国目前的电网模式中，有更高一级电网时，往往不再使低一级电网结环运行，因此当采用110kV或220kV给牵引变进行供电时，多采用单侧供电或放射状供电方式。采用这种供电方式时，相邻供电臂之间电压差很大，不同电压相位的供电臂不能直接连接，因此两相供电臂之间有一个隔离区段，每隔20-30km需要通过隔离环节进行电气隔离，在牵引供电系统中一般被称为电分相区。电分相区是一段无电区，它的长度从几百米到一公里不等，列车通过电分相区时，将失去动力供应，将通过惯性滑行通过，因此会给列车速度带来损失，制约列车的高速运行。供电臂的末端设置有分区所，在牵引变电所故障情况下，闭合分区所的开关，由相邻牵引变电所实行越区供电。有一些牵引供电系统的分区所两端电压相位是不相同的(如单相结线牵引变电所)，这时候分区所实际上也是一个电分相区。

由于中国现行的牵引网供电模式以及相应的牵引变电站轮换相序连接方式，决定了牵引网上必然存在电分相环节(也称为中性段)。在现有的自动过电分相技术中，无论是地面开关自动切换方案还是车上自动控制断电方案，当机车通过电分相中性段时，都必然要经历一个从有电到无电再到有电的过程，此时受电弓不能带电流从供电臂进入中性段，或带电流从中性段进入供电臂。如果发生这种情况，会造成接触网严重拉弧放电，在牵引供电系统中出现过电压冲击，造成牵引变电所跳闸、承力索断线、分相绝缘器烧坏等严重后果，这种故障现象叫做列车闯分相。电分相环节及自动过分相问题一直严重制约着高速、重载列车的安全可靠运行，为了消除过分相过程中的过电压和过电流的问题，还需要加装复杂的自动过分相装置。

此外，高速铁路电力机车负载引起三相电流不平衡，会产生负序电流。负序电流给发电机带来附加损耗，引起转子发热、附加振动等，严重影响电力系统的安全稳定运行。机车谐波给电力设备带来额外功率损耗，引起继电保护装置误动或拒动，降低了电力系统的可靠性。因此，高速铁路供电系统的负序和谐波电能质量问题得到了广泛关注。

为解决过分相时的过电压、过电流问题，有学者提出在中性段真空断路器上并联电阻以加快过电压和过电流的衰减，但是无法降低过电压和过电流的幅值；有学者提出用晶闸管串联阀组代替真空断路器，可以将供电死区时间降低至30ms；这些方法都没有消除机车在通过电分相环节时的供电死区，因而也无法根本消除由于断电-复电操作所带来的过电压和过电流的问题。有学者提出一种不断电过分相方案，两牵引供电臂电压通过变压器降至500V，分别接至多个单相背靠背变流器的一个交流端口，所有变流器的另一交流端口则全部并联，经变压器升至27.5kV后接入中性段。该方案虽能够实现机车不断电过分相，但缺点是该方案要求机车在进入中性段之前必须减载至惰行状态，因此尽管机车在通过电分相时始终带电，但牵引力和速度仍然有所损失；有学者提出基于两相式MMC不断电过分相装置，该方案虽然利用变频移相技术，能够实现机车无断电、满功率通过电分相，但是由于其单相取流，一方面可能会使得一侧牵引变压器容量不足而过载，另一方面可能会加重负序不平衡使不平衡度超标，导致了应用的局限性。