本發明專利技術提供一種高速鐵路電能質量及牽引網電壓綜合補償系統，該綜合補償系統包括安裝在牽引變電所牽引側的單相背靠背STATCOM補償裝置及安裝在分區所的晶閘管投切高通濾波器；單相背靠背STATCOM補償裝置用于負序補償、2-11次范圍內的低次諧波濾波、功率因數及牽引網母線電壓控制；晶閘管投切高通濾波器用于吸收11次以上的高次諧波，穩定牽引網末端電壓。該系統的單相背靠背STATCOM裝置，實時檢測牽引變電所的功率因數，動態無級調節無功輸出，維持系統功率因數在0.9以上；分區所設置晶閘管投切的高通濾波器，用于吸收11次以上的諧波電流，改善牽引網電壓。整個系統具有占地面積小、運行損耗小、工程造價低、可靠性高、技術實現簡單、綜合效益突出等優點。
【技術實現步驟摘要】
—種高速鐵路電能質量及牽引網電壓綜合補償系統
本專利技術涉及一種高速鐵路牽引供電、電力電子技術及電能質量治理領域的系統，具體涉及一種高速鐵路電能質量及牽引網電壓綜合補償系統。
技術介紹
高速鐵路以其運行速度快、運量大、節能環保、安全舒適、綜合效益突出等優勢，受到世界各國的重視，發展十分迅速。目前，我國高速鐵路營業里程已超過I萬公里，居世界第一位。根據規劃，到2020年，將建成時速200公里及以上的高速客運專線1.6萬公里。高速鐵路全部采用電力牽引方式，為其供電的絕大多數牽引變電所接入220kV輸電網，給電網帶來嚴重的電能質量問題。相對于以運行直流機車為主的普通電氣化鐵路，高速鐵路對電網電能質量的影響具有如下新的特點:一是負序問題更為突出，高速電氣化鐵路機車運行速度高，機車的牽引功率隨著速度的增加成指數增長，16輛編組在350公里時速下列車總裝機容量可達29500kVA，再加上采用V/V牽引供電方式，向電網注入大量的負序電流，同時機車采用再生制動，向電網回饋功率，引起供電母線電壓不平衡和電壓波動；二是諧波問題更為復雜，交-直-交機車采用PWM控制方式，大大減小了低次諧波含量，但由于機車基波電流大大增加，其注入電網的低次諧波的絕對值還是很可觀。此外，機車網側諧波電流頻譜加寬，最高可達幾kHz，高次諧波電流豐富，根據現有電能質量國家標準，高速鐵路牽引變電所會同時出現3?25次諧波范圍內所有奇次諧波電流同時超標的現象。上述問題將會給電網、其他用戶及高速鐵路自身的供電安全和可靠性帶來很大影響，同時也給電能質量的治理帶來新的挑戰。高速電氣化鐵路機車對供電可靠性的要求比普通電氣化鐵路更高，高速動車組的額定運行電壓范圍為25kV至29kV，當電壓下降到22.5kV至25kV范圍時，牽引力降至額定功率的90%，其他電壓范圍內，牽引力將下降到O;此外，高速鐵路對供電臂的越區供電能力要求高，要求在事故情況下能夠實現越區供電，允許全部列車在減速條件下通過故障供電臂。為了保證運輸能力和動車組的安全，牽引網供電電壓水平必須保證在合理的范圍。根據研究，由于高速鐵路牽引網負荷電流大，牽引網等效阻抗引起的電壓降約占綜合壓降的67%，補償牽引網引起的電壓降對于改善動車組運行環境、保障機車運行安全、提高運力具有重要現實意義。針對上述高速鐵路的諧波、負序、牽引網電壓問題，國內外已經采取了各種補償措施，包括固定并聯電容補償裝置(Fixed Capacitor, FC)、靜止無功補償器(Static VarCompensator, SVC)和靜止同步補償器(Static Synchronous Compensator, STATCOM)。安裝在牽引變壓器高壓側的三相SVC裝置可用來補償負序及低次諧波電流，安裝在牽引變壓器低壓側或分區所的單相SVC裝置可用以補償功率因數、低次諧波及牽引網電壓，但由于SVC裝置本身也產生諧波，不但影響了電網和負載，也影響其補償性能，導致系統濾波要求及損耗增大。STATCOM裝置采用了脈沖寬度調制(PWM)控制、瞬時電流檢測技術和多重化結構，由于工作在電壓源變流器模式，其橋式變流電路直流側儲能元件的容量遠比所能提供的諧波和基波容量要小，而對于SVC裝置，其所需儲能元件的容量至少要等于其所需提供的諧波和無功容量，因此STATCOM裝置中儲能元件的體積和成本比同容量的SVC大大減小，且補償性能和響應速度均優于SVC。STATCOM裝置在牽引變壓器三相側安裝時，能夠較好的補償負序及低次諧波電流，當采用平衡牽引變壓器供電時，在牽引側安裝兩個單相STATCOM裝置直流側相連構成背靠背STATCOM裝置(日本學者稱之為鐵路功率調節器RPC，RailwayStatic Power Conditioner),利用該裝置能對兩供電臂的有功、無功及諧波進行控制,使兩供電臂的負荷時刻處于平衡狀態，從而實現對負序、無功的綜合補償，一定程度上補償3、5、7次等低次諧波電流，穩定牽引網電壓，是一種綜合性能較好的補償方式。受限于裝置的開關頻率，RPC裝置只能有限補償低次諧波電流，對于高次諧波則不能補償。由于高速鐵路牽引負荷中諧波電流頻譜較寬，采用FC或SVC裝置進行諧波治理時需設置多個LC無源濾波支路，基波容性無功電流不可避免地要流經濾波器的各支路，由于高速動車組在各種工況下功率因數較高，多余的容性無功是不必要的，卻使裝置的容量、損耗增加，整個裝置增設晶閘管相控電抗器支路將導致裝置體積龐大和產生額外的諧波電流源。此外，從目前高速鐵路的運行圖可知，各高鐵線路每天的有效運行時間一般為早6點至晚上24點，其他時段為停運時間，該時段內并不需要補償裝置發揮作用，而FC或SVC是一種持續運行裝置，不僅增加了設備損耗，還進一步使牽引變電所的平均功率因數降低，增加了運行成本。STATCOM在動態、實時和快速地實現連續補償負序及無功，穩定牽引母線電壓的同時，還能實現有源濾波功能，適合于高速鐵路牽引負荷的快速無功、負序及諧波的補償；由于應用于高速鐵路電能質量治理的STATCOM裝置電壓等級高、補償容量大，受制于開關器件損耗、裝置散熱等因素，其大功率開關器件的開關頻率不能太高，實際應用中主要用于2?11次諧波電流的治理，而對于高次諧波則無法有效補償。因此，提供一種能補償高速鐵路電能質量和牽引網電壓的綜合補償系統具有重要意義。
技術實現思路
為了克服上述現有技術的缺陷，本專利技術提出一種能補償高速鐵路電能質量和牽引網電壓的綜合補償系統，即在牽引變電所牽引側設置單相背靠背STATCOM裝置，補償負序和2?11次諧波電流，通過實時檢測牽引變電所的功率因數，動態無級調節無功輸出，維持系統功率因數在0.9以上；在相關分區所設置晶閘管投切的高通濾波器，用于吸收11次以上的諧波電流，同時改善牽引網電壓，整個系統具有占地面積小、運行損耗小、工程造價低、可靠性高、技術實現簡單、綜合效益突出等優點。為了實現上述專利技術目的，本專利技術采取如下技術方案:一種高速鐵路電能質量及牽引網電壓綜合補償系統，所述高速鐵路的供電系統包括相連的電力系統、牽引變壓器、牽引母線和牽引網；所述牽引網包括接觸線、鋼軌、正饋線和自耦變壓器；所述牽引母線一和牽引母線二分別通過牽引變壓器一和牽引變壓器二與所述電力系統連接；所述牽引母線一和牽引母線二分別通過饋線一和饋線二連接所述牽引網；所述接觸線與鋼軌之間、鋼軌與正饋線之間分別通過自耦變壓器連接；其改進之處在于:所述綜合補償系統包括安裝在所述牽引變電所牽引側的單相背靠背STATCOM補償裝置及安裝在所述分區所的晶閘管投切高通濾波器；所述單相背靠背STATCOM補償裝置用于負序補償、2-11次范圍內的低次諧波濾波、功率因數及母線電壓控制；所述晶閘管投切高通濾波器用于吸收11次以上的高次諧波，穩定牽引網末端電壓。進一步的，所述晶閘管投切高通濾波器包括相連的投切開關和高通濾波器，所述投切開關包括兩個反并聯晶閘管，所述高通濾波器包括串聯的電容器C和電抗器L，所述電抗器L與電阻器R并聯；所述晶閘管投切高通濾波器裝置于分區所的接觸線與中線之間及正饋線與中線之間分別安裝，兩個所述分區所共設置4套晶閘管投切高通濾波器。進一步的，所述單相背靠背STATCOM裝置包括分別與所述牽引本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種高速鐵路電能質量及牽引網電壓綜合補償系統，所述高速鐵路的供電系統包括相連的電力系統、牽引變壓器、牽引母線和牽引網；所述牽引網包括接觸線、鋼軌、正饋線和自耦變壓器；所述牽引母線一和牽引母線二分別通過牽引變壓器一和牽引變壓器二與所述電力系統連接；所述牽引母線一和牽引母線二分別通過饋線一和饋線二連接所述牽引網；所述接觸線與鋼軌之間、鋼軌與正饋線之間分別通過自耦變壓器連接；其特征在于：所述綜合補償系統包括安裝在所述牽引變電所牽引側的單相背靠背STATCOM補償裝置及安裝在所述分區所的晶閘管投切高通濾波器；所述單相背靠背STATCOM補償裝置用于負序補償、2?11次范圍內的低次諧波濾波、功率因數及母線電壓控制；所述晶閘管投切高通濾波器用于吸收11次以上的高次諧波，穩定牽引網末端電壓。
【技術特征摘要】
1.一種高速鐵路電能質量及牽引網電壓綜合補償系統，所述高速鐵路的供電系統包括相連的電力系統、牽引變壓器、牽引母線和牽引網；所述牽引網包括接觸線、鋼軌、正饋線和自耦變壓器；所述牽引母線一和牽引母線二分別通過牽引變壓器一和牽引變壓器二與所述電力系統連接；所述牽引母線一和牽引母線二分別通過饋線一和饋線二連接所述牽引網；所述接觸線與鋼軌之間、鋼軌與正饋線之間分別通過自耦變壓器連接；其特征在于:所述綜合補償系統包括安裝在所述牽引變電所牽引側的單相背靠背STATCOM補償裝置及安裝在所述分區所的晶閘管投切高通濾波器； 所述單相背靠背STATC0M補償裝置用于負序補償、2-11次范圍內的低次諧波濾波、功率因數及母線電壓控制； 所述晶閘管投切高通濾波器用于吸收11次以上的高次諧波，穩定牽引網末端電壓。2.如權利要求1所述的一種高速鐵路電能質量及牽引網電壓綜合補償系統，其特征在于:所述晶閘管投切高通濾波器包括相連的投切開關和高通濾波器，所述投切開關包括兩個反并聯晶閘管，所述高通濾波器包括串聯的電容器C和電抗器L，所述電抗器L與電阻器R并聯； 所述晶閘管投切高通濾波器裝置于分區所的接觸線與中線之間及正饋線與中線之間分別安裝，兩個所述分區所共設置4套晶閘管投切高通濾波器。3.如權利要求1所述的一種高速鐵路電能質量及牽引網電壓綜合補償系統，其特征在于:所述單相背靠背STATCOM裝置包括分別與所述牽引母線一和牽引母線二連接的隔離變壓器一和隔離變壓器二，所述隔離變壓器一和隔離變壓器二分別連接變流器一和變流器二，所述變流器一和變流器二通過直流電容相連，形成背靠背對稱結構，所述變流器一和變流器二分別與控制器相連。4.如權利要求3所述的一種高速鐵路電能質量及牽引網電壓綜合補償系統，其特征在于:所述隔離變壓器一為單相多繞組變壓器，所述單相多繞組變壓器的次邊繞組與并聯的多個單相電壓源變流器連接； 所述隔離變壓器二為單相雙繞組變壓器，用于實現多個單相電壓源變流器級聯輸出電壓與牽引母線二的電壓匹配，并使變流器二與牽引母線二實現電氣隔離。5.如權利要求3所述...
【專利技術屬性】
技術研發人員：喬光堯，周勝軍，王同勛，荊平，溫慧，談萌，
申請(專利權)人：國家電網公司，國網智能電網研究院，
類型：發明
國別省市：北京;11
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