专利名称：一种Vv接线牵引变电所异相与同相兼容综合补偿系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及电气化铁路牵引供电、电能质量综合补偿领域，特别涉及一种Vv接线 牵引变电所异相与同相兼容综合补偿系统。
背景技术：
近年来，由于电力牵引具有节能、节地、低碳、环保等优越性，作为现代化运输方式 的电气化铁路，在铁路建设和运营中占有越来越重要的地位。截至2011年底，全国铁路营 业里程已达9. 3万公里，其中电气化铁路约占二分之一，并承担铁路总运量的80%以上。根 据规划，2020年全国铁路营运里程将提高到12万公里以上，其中铁路网的电气化率将提高 至60%以上。
普速电气化铁路、高速铁路客运专线以及货运重载铁路等多种类型电气化铁路陆 续开通的同时，电气化铁路用电负荷迅速增加，其用电均是通过沿线的牵引变电所从IlOkV 或220kV公共电网取电，一般每隔40-50公里设置一座牵引变电所，通过牵引变电所内的牵 引变压器把IlOkV或220kV电能转换成27. 5kV或2X27. 5kV电能向铁路牵引网供电。牵 引变压器的接线方式有YNdll接线、Vv接线、Scott接线、Vx接线、十字交叉接线、阻抗匹配 平衡接线等形式，其中以Vv接线牵引变压器较为常见。
根据电气化铁路采用的电力机车的不同类型，其负荷特性不同，对外部电网的电 能质量影响也不同。基于晶闸管相控整流和直流牵引电机的交-直型电力机车，其功率因 数低，谐波含量高，因此牵引变电所设置并联电容补偿装置，兼顾滤除部分谐波，目前已不 再生产交-直型电力机车，但保有量大，因此将在相当一个时期内一直存在。高速铁路客运 专线采用的基于GTO、IGBT, IGCT等全控性器件的大功率交-直-交型动车组，其核心是多 组四象限PWM控制和多重化控制的牵引变流器，在实际运行中谐波含量小，功率因数接近 1，无需无功补偿。货运重载铁路有的采用交-直型货运电力机车进行多机牵引，也有的采 用大功率货运交-直-交型电力机车进行多机牵引。向交-直-交型电力机车或动车组供 电的牵引变电所内一般不再设置并联电容无功补偿装置。但是不论何种类型的电力机车或 动车组，均为单相用电负荷，其在二相公共电网中都将广生负序影响。尤其是交_直-交型 电力机车或动车组运行速度高，功率大，大编组运行的单列额定功率将达25MW，大于或接近 普速铁路I座牵引变电所的容量。这些大量开行的大功率单相负荷对三相电网造成严重的 负序问题愈发突出，目前除了牵引变电所的换相连接之外，尚未采取有效措施。
另外，对电力机车或动车组这种单相移动负荷而言，牵引变电所实质上采用的却 是三相变两相的异相供电模式，造成列车必须每隔20公里左右就必须经过一段无电区以 实现换相，称为过分相。在过分相时列车速度损失大，同时还易常造成拉弧、过电压、引起变 电所跳闸、列车坡停等事故，过分相成为整个电气化铁路牵引供电的瓶颈。
研究一种可靠的牵引变电所综合补偿系统，适用于我国电气化铁路中常见的Vv 接线牵引变电所，既可兼容现有的异相运行模式，有效解决大容量单相负荷所带来的负序 以及无功、谐波等电能质量问题，也可实现同相运行模式(三相-单相供电模式)，即在异相运行模式下解决负序以及无功、谐波等电能质量问题的基础上，可以方便地发展转换为同相运行模式，从而避免列车过分相，无疑是一种较理想的综合解决方案，具有较高的应用价值和经济效益，具有相当广阔的市场前景。发明内容
鉴于现有技术的以上缺点，本发明的目的是，提供一种Vv接线牵引变电所异相与同相兼容综合补偿系统，适用于我国电气化铁路中常见的Vv接线牵引变电所，可兼容现有的异相运行模式和新的同相运行模式，既能完备地解决负序以及无功、谐波等电能质量问题，又能在同相模式下解决一直困扰普速、高速、重载铁路的过分相问题。。
本发明的目的是通过如下的手段实现的。
一种Vv接线牵引变电所异相与同相兼容综合补偿系统，由Vv牵引变压器和附属补偿机构组成。在牵引变电器次边，超前(Tl-N)相、滞后(T2-N)相均向牵引负载供电；直流侧背靠背的第一静止无功发生器SVGl和第二静止无功发生器SVG2的交流侧分别连接Vv 牵引变压器的超前(Tl-N)相和滞后(T2-N)相。
由此，构成异相与同相结构兼容且易于由异相模式发展转换为同相模式的综合补偿系统，以产生与牵引负荷相反的负序潮流，并通过合理控制，兼顾无功补偿、谐波治理。
基于两端口 T-N背靠背SVG的牵引变电所异相与同相兼容供电综合补偿系统，其组成为在Vv牵引变压器二次侧二个端口之间加装由二个直流侧背靠背的SVG，以传递有功功率实现两臂负荷平衡并负责各自端口的无功补偿、谐波治理，在向牵引网供电时可以采用异相模式，即牵引变电所次边的二个供电臂电压相位不同，也可以采用同相模式，即次边的二个供电臂电压相位完全相同，取消牵引变电所出口处的电分相。在Vv牵引变压器二次侧二个端口分别接入固定电感器、固定电容器，在同等补偿能力下可降低背靠背SVG的容量，从而减少综合补偿系统的成本，这种方式利用了有源设备和无源设备，称为混合补 m\-ΖΧ ο
基于混合补偿实现的Vv接线牵引变电所异相与同相兼容综合补偿系统具体结构如图1(异相)、图2(同相)所示，其中Tl-N相为超前相，T2-N相为滞后相。第一静止无功发生器SVGl、电感FL并联在Vv牵引变压器的Tl-N相，第二静止无功发生器SVG2、电容FC并联在T2-N相，并将第一静止无功发生器SVGl和第二静止无功发生器SVG2的直流侧相连， 在异相运行模式下Tl-N相、T2-N相均向牵引负载供电(图1)，在同相运行模式下仅由Tl-N 相向牵引负载供电(图2)。基于全有源设备(SVG)实现的Vv接线牵引变电所异相与同相兼容综合补偿系统具体结构分别如图3、图4所示。
本发明的工作原理是
I) Vv牵引变电所采用Vv接线的牵引变压器，Vv牵引变压器由二台三绕组单相变压器组合而成，这二台单相变压器高压绕组V接， 次边绕组的中点均接于轨地。
2)当这种综合补偿系统工作于异相模式时，超前(Tl-N)相、滞后(T2-N)相上并接的电感FL、电容FC在原边电力系统产生固定负序潮流，其负序潮流在趋势上直接削减了超前(Tl-N)相、滞后(T2-N)相牵引负荷所产生的负序潮流，在设备容量的选择上根据固定电感FL、固定电容FC以及牵引负荷的无功功率。但仅凭固定电感FL、固定电容FC的补偿是不足以实时补偿两相时变牵引负载所产生的负序潮流，利用第一静止无功发生器SVGl和第二静止无功发生器SVG2各自产生的无功功率和直流侧背靠背SVG传输的一定量的有功 功率，在平衡超前(Tl-N)相、滞后(T2-N)相牵引负荷之同时，实现负序潮流的完备补偿，并 提高牵引变电所原有的功率因数。在没有牵引负荷的情况下，第一静止无功发生器SVGl和 第二静止无功发生器SVG2分别在超前(Tl-N)相、滞后(T2-N)相产生相应的无功来抵消固 定电感FL、固定电容FC的无功功率，其中，背靠背SVG可双向传输有功功率，背靠背SVG的 第一静止无功发生器SVGl和第二静止无功发生器SVG2在交流侧产生的无功既可以是容性 的，也可以是感性的，背靠背SVG的第一静止无功发生器SVGl和第二静止无功发生器SVG2 在交流侧产生与相关端口负荷谐波相反的谐波潮流，即可进行牵引负荷的谐波治理。
3)在第一静止无功发生器SVG1、电感FL、第二静止无功发生器SVG2、电容FC等补 偿装置容量足够的情况下，这种综合补偿系统也可用于同相供电模式。
4)由于可引入价廉的固定电感FL和固定电容FC的无源补偿部分，降低昂贵的背 靠背SVG有源部分的容量，因此，这种混合式补偿能使得整个综合补偿系统的成本得到有 效降低。
与现有技术相比，本发明技术的有益效果是
I)能兼顾异相、同相供电模式，具有较高的运行灵活性。其中同相供电模式不但解 决了负序以及无功、谐波等电能质量问题，也解决了电气化铁路电分相及其可能引发的过 电压、变电所跳闸等潜在的各种问题和事故，减小列车的速度损失，对电气化铁路本身的运 行和电力部门都是有益的，实现和谐发展。
2 )基于混合补偿原理,充分利用价廉的的固定电感器FL和固定电容器FC,有利于 减少昂贵的有源(SVG)设备容量，降低造价。
3 )补偿设备均接于牵弓I侧端口，便于充分利用主变容量和供电能力。
4)依靠两个直流侧背靠背SVG传输有功、并在各自的端口发出无功，与固定补偿 FL、FC的无功叠加后，能使各种负荷状态下的负序均得到完备补偿，还可进行谐波治理，实 际运行中损耗少，控制性能优异。
图1是本发明实施例在电气化铁路Vv牵引变电所基于有源设备(SVG)和无源设 备(FC、FL)混合补偿原理进行异相综合补偿的原理示意图。
图2是本发明实施例在电气化铁路Vv牵引变电所基于有源设备(SVG)和无源设 备(FC、FL)混合补偿原理进行同相综合补偿的原理示意图。
图3是本发明实施例在电气化铁路Vv牵引变电所基于有源设备(SVG)进行异相 综合补偿的原理示意图。
图4是本发明实施例在电气化铁路Vv牵引变电所基于有源设备(SVG)进行同相 综合补偿的原理示意图。
图5是本发明实施例1至实施例6中直流侧相连的第一静止无功发生器SVGl和 第二静止无功发生器SVG2 (背靠背SVG)的原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施对本发明作进一步描述。
图1示出，本发明的一种具体实施方式
，为一种电气化铁路Vv牵引变电所基于混 合补偿实现异相与同相兼容综合补偿系统的异相运行模式。其组成为在牵引变电所次 边，超前(Tl-N)相、滞后(T2-N)相均向牵引负载供电，电感FL连接在Vv牵引变压器的超 前(Tl-N)相，电容FC连接在滞后(T2-N)相，直流侧相连的第一静止无功发生器SVGl和第 二静止无功发生器SVG2交流侧分别连接在Vv牵引变压器的超前(Tl-N)相和滞后(T2-N) 相，产生与牵引负荷相反的负序潮流。通过合理控制，兼顾无功补偿、谐波治理。通过引入 无源设备，降低造价。
实施例2
图2示出本发明的一种具体实施方式
，为一种电气化铁路Vv牵引变电所基于混合 补偿实现异相与同相兼容综合补偿系统的同相运行模式。其组成为在牵引变电所次边， 仅由超前(Tl-N)相向牵引负载供电，电感FL连接在Vv牵引变压器的超前(Tl-N)相，电容 FC连接在滞后(T2-N)相，直流侧相连的第一静止无功发生器SVGl和第二静止无功发生器 SVG2交流侧分别连接在Vv牵引变压器的超前(Tl-N)相和滞后(T2-N)相，产生与牵引负荷 相反的负序潮流。通过合理控制，兼顾无功补偿、谐波治理。通过引入无源设备，降低造价。
实施例3
图3示出，本发明的一种具体实施方式
，为一种电气化铁路Vv牵引变电所基于全 有源设备(SVG)实现异相与同相兼容的综合补偿系统的异相运行模式。其组成为在牵 引变电所次边，超前(Tl-N)相、滞后(T2-N)相均向牵引负载供电，直流侧相连的第一静止 无功发生器SVGl和第二静止无功发生器SVG2交流侧分别连接在Vv牵引变压器的超前 (Tl-N)相和滞后(T2-N)相，产生与牵引负荷相反的负序潮流。通过合理控制，兼顾无功补 偿、谐波治理。
实施例4
图4示出，本发明的一种具体实施方式
，为一种电气化铁路Vv牵引变电所基于全 有源设备(SVG)实现异相与同相兼容的综合补偿系统的同相运行模式。其组成为在牵 引变电所次边，仅由超前(Tl-N)相向牵引负载供电，电感FL连接在Vv牵引变压器的超前 (Tl-N)相，电容FC连接在滞后(T2-N)相，直流侧相连的第一静止无功发生器SVGl和第二 静止无功发生器SVG2交流侧分别连接在Vv牵引变压器的超前(Tl-N)相和滞后(T2-N)相， 产生与牵引负荷相反的负序潮流。通过合理控制，兼顾无功补偿、谐波治理。
实施例1至例4中，第一静止无功发生器SVGl和第二静止无功发生器SVG2构成 背靠背形式，如图5示出，二者均由隔离变压器和大功率开关器件(例如集成门极换向晶闸 管IGCT或绝缘栅双极性晶体管IGBT)构成的单相四象限运行的变流器组成，变流器I和变 流器2的直流侧通过储能电容C相连接，变流器I和变流器2的交流侧分别经隔离变压器 Gl和隔离变压器G2接入Vv牵引变压器二次侧的超前(Tl-N)相和滞后(T2-N)相，上层控 制器M控制其运行。根据变流器的主电路结构，也可不通过隔离变压器而通过交流电抗器， 接入Vv牵引变压器的二次侧。
权利要求
1.ー种Vv接线牵引变电所异相与同相兼容综合补偿系统，由Vv牵引变压器和附属补偿机构组成，其特征在于在牵引变电器次边，超前(Tl-N)相、滞后(T2-N)相均向牵引负载供电；直流侧背靠背的第一静止无功发生器SVGl和第二静止无功发生器SVG2的交流侧分别连接Vv牵引变压器的超前(Tl-N)相和滞后(T2-N)相，构成异相与同相结构兼容且易于由异相模式发展转换为同相模式的综合补偿系统，以产生与牵引负荷相反的负序潮流，并通过合理控制，兼顾无功补偿、谐波治理。
2.如权利要求1所述的ー种Vv接线牵引变电所异相与同相兼容综合补偿系统，其特征在于可将固定电感FL和固定电容F分别并联在Vv牵引变压器的超前(Tl-N)相和滞后(T2-N)相，以减少第一静止无功发生器SVGl和第二静止无功发生器SVG2的容量。
3.如权利要求1所述的ー种Vv接线牵引变电所异相与同相兼容综合补偿系统，其特征在于所述第一静止无功发生器SVGl和第二静止无功发生器SVG2为大功率开关器件组成的单相变流器，通过直流储能电容C组成背靠背形式。
全文摘要
本发明公开了一种Vv接线牵引变电所异相与同相兼容综合补偿系统在牵引变电所次边，超前(T1-N)相、滞后(T2-N)相均向牵引负载供电；直流侧背靠背的第一静止无功发生器SVG1和第二静止无功发生器SVG2的交流侧分别连接Vv牵引变压器的超前(T1-N)相和滞后(T2-N)相，构成异相与同相结构兼容且易于由异相模式发展转换为同相模式的综合补偿系统，以产生与牵引负荷相反的负序潮流，并通过合理控制，兼顾无功补偿、谐波治理。该系统运用灵活，易于实现同相供电，以取消牵引变电所出口处的电分相，消除供电瓶颈。
文档编号H02J3/18GK103036242SQ20121058731
公开日2013年4月10日 申请日期2012年12月30日 优先权日2012年12月30日
发明者李群湛, 郭锴, 易东, 景德炎, 周福林, 解绍锋, 陈民武, 舒泽亮, 贺建闽, 张丽艳, 刘炜, 郭蕾, 马庆安, 李子晗, 余俊祥, 张丽, 高师湃 申请人:西南交通大学