基于多功能平衡变压器的混合型铁路电能质量控制系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电气化铁道电能领域，特别涉及一种基于多功能平衡变压器的混合型 铁路电能质量控制系统。
【背景技术】
[0002] 传统的供电系统通常为三相对称系统，而电气化铁道牵引供电系统为两相系统。 故在将三相电变为两相电的核心环节-牵引变电所，因两相牵引负荷不平衡，大量负序电 流注入公共电网，对三相电力系统的对称运行和旋转电气设备带来了严重威胁。另外，虽然 新型交流电力机车已在我国部分电气化铁路中投入了使用（到2020年计划占通车总里程 的13%)，但由于历史所形成的原因，多数电气化铁路上依然大量运行着AC-DC型电力机车 (约占通车总里程的85%)，考虑到成本因素，在资源富集地区的货运专线上这一现象尤为 普遍。AC-DC型电力机车所采用的相控型传动系统在牵引网中产生大量奇数次谐波和无功， 奇数次谐波渗透至公共电力系统将严重影响电力系统的安全稳定运行；另外，如不对牵引 网的无功进行补偿，将导致三相电力系统的公共接入端（PCC)功率因数可能低到满足不了 要求，同时牵引变电所供电区段的末端电压将会大幅降低，从而严重影响铁路的运力，也将 增加铁路运营商所缴纳的电费成本。加上机车负荷具有随机性和冲击性，使得上述电能质 量问题也具有随机性和冲击性，从而大大增加了对其进行治理的难度。
[0003] 平衡牵引变压器是一种在电气化铁道电力系统中广泛使用的特种变压器，因其可 在无需其他补偿设备的前提下最大限度地削弱负序电流，并完全抑制零序电流，被广泛应 用在电能质量较差或者区位重要的牵引变电站中。在工程实践中发现，采用平衡牵引变压 器能获得较为理想的负序抑制效果（注：国家标准以PCC点负序电压的95%概率大值是否 大于2%对负序分量进行考核）。但该系统并不具备补偿无功和抑制谐波的功能。
[0004] 为弥补其不足，近20年来，学者及工程师们提出了多种基于IGBT或IGCT等全控 型功率器件的有源拓扑结构。其中，具有代表性的结构为铁路功率调节器（下文称RPC)和 有源电能质量补偿器（下文称APQC)，两者均能有效应对电铁供电系统中的主要电能质量 问题。但是，由于两系统直接与27. 5kV牵引馈线相连，使得RPC需要在主变之外加装两台 大容量单相多绕组降压变压器;APQC则需要一台结构复杂的Scott变压器作为其有源系统 的接口。这些大容量辅助特种变压器不仅增加了系统的成本和占地空间，同时也在一定程 度上降低了系统的可靠性。工程中它们已成为增加成本和降低系统集成度的主要因素（约 占总成本的40% )。由于上述两系统结构复杂，补偿容量大，初始投资成本高，使得多数铁 路建设项目对其望而却步，现仅在国外少数牵引变电所投入了实际应用。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术存在的上述技术问题，本发明的目的是提供一种结构简单、安装简 便、占地空间小、成本低、补偿容量小的基于多功能平衡变压器的混合型铁路电能质量控制 系统。
[0006] 为实现上述目的，本发明的一种基于多功能平衡变压器的混合型铁路电能质量控 制系统，包括多功能平衡变压器、无源LC滤波支路、变流器和直流电容，所述多功能平衡变 压器的一次侧与电网相连，二次侧的两相端口与牵引馈线相连为机车供电，二次侧的三相 端口与无源LC滤波支路相连；所述无源LC滤波支路的另一端与变流器交流侧出线端口相 连，所述变流器直流出线端口与直流电容相连。
[0007]所述多功能平衡变压器二次侧的两相端口出线电压为27. 5kV，为机车供电；二次 侧三相出线端口电压可调，能与其他功补系统相连对牵引变电所的电能质量进行综合治 理，同时也能为牵引变电所提供电能。
[0008] 所述所述无源LC滤波支路采用单滤波支路仅针对某一次谐波进行滤波，或采用 多条滤波支路并联针对多个主要次谐波进行滤波；滤波支路用于无功补偿和滤除变流器开 关尚频谐波。
[0009] 所述变流器既可采用基于全控型器件的三相全桥两电平拓扑，也可采用基于中点 钳位和H桥级联的多电平拓扑结构。有源部分可进一步提高无源滤波支路的滤波性能，抑 制因负荷波动所引起的三相滤波效果不一致，以及阻尼系统的串、并联谐振。
[0010] 本发明的有益效果在于：
[0011] ⑴由于MPBT二次侧三相出线处的绕组具有匝比可调的特点，在设计时选取恰当 匝比，可使有源系统能直接与主变压器相连，省去了大容量特种辅助变压器。因此，该拓扑 结构显著提高了整个系统的集成度，大幅降低了成本、占地空间和安装难度。
[0012] (2)采用有、无源系统相结合的混合补偿方案。考虑到MPBT的漏抗，无源滤波器 (简称为PPF)采用最小阻抗原理设计，用来滤除主要次谐波，并对无功进行补偿。有源部分 可进一步提高系统的滤波效果，降低其受负荷波动的影响和发生谐振的风险。因此本系统 在获得较好补偿效果的同时，有利于提高PPF的可靠性，降低变流器的容量。
[0013] (3)充分利用MPBT自身所固有的负序和零序电流抑制能力，在相同负荷条件下， 与非平衡变压器（如：Y/A变压器，V/v变压器等）相比，MPBT-次侧具有更低的负序 电压、电流95 %概率大值（注：国家标准以PCC点负序电压含有率（负序电压/正序电 压X100%)的95%概率大值是否大于2%对负序分量进行考核）。工程实践发现，采用平 衡变压器能获得较为理想的负序抑制效果。
【附图说明】
[0014] 图1是本发明系统的整体电路结构框图；
[0015] 图2是本发明的谐波域等效电路结构图；
[0016] 图3是本发明的控制系统结构图。
【具体实施方式】
[0017] 下面通过实例结合附图对本发明作进一步详细说明。
[0018] 如图1所示，本系统包括多功能平衡变压器1、无源LC滤波支路2、变流器3和直 流电容4。多功能平衡变压器1的一次侧与110kV或220kV高压电网相连，二次侧的两相端 口与牵引馈线相连为机车供电，二次侧的三相端口U、V和W与无源滤波支路2相连，无源滤 波支路2的另一端与变流器3交流侧出线端口u、￥和《相连，变流器3直流出线端口与直 流侧电容4相连。
[0019] 多功能平衡变压器1的一次侧与110kV或220kV高压电网相连，一方面将将三相 高压电降至两互相垂直的27. 5kV单相电，为机车供电；另一方面，通过适当调整UV和VW绕 组的匝数可将U、V、W抽头处电压降至一适当值，为无源LC滤波支路2和变流器3和直流电 容4所组成的混合功补滤波系统提供合适的三相电压，以满足有源功率器件的使用条件， 提尚系统的可靠性。
[0020] 无源LC滤波支路2采用谐波频率下最小阻抗原理设计而成，它可以采用只针对某 次谐波的单支路方案，也可以采用针对多个主要次谐波的多支路并联方案。如图2所示，在 不考虑变流器3的作用下（即变流器3的A等效受控电源Uahp、Ubhp和U_= 0)，为满足变 压器谐波磁动势为0的要求，无源LC滤波支路2的A等效谐波ZFh阻抗应满足：
【主权项】
1. 一种基于多功能平衡变压器的混合型铁路电能质量控制系统，其特征在于，包括多 功能平衡变压器、无源LC滤波支路、变流器和直流电容，所述多功能平衡变压器的一次侧 与电网相连，二次侧的两相端口与牵引馈线相连为机车供电，二次侧的S相端口与无源LC 滤波支路相连；所述无源LC滤波支路的另一端与变流器交流侧出线端口相连，所述变流器 直流出线端口与直流电容相连。
2. 如权利要求1所述的基于多功能平衡变压器的混合型铁路电能质量控制系统，其特 征在于，所述多功能平衡变压器二次侧的两相端口出线电压为27. 5kV ;二次侧S相出线端 口电压可调，调整至与变流器相匹配的电压等级，可省去大容量辅助降压变压器，实现主、 辅变压器的融合，大幅提高系统的集成度和性价比。
3. 如权利要求1所述的基于多功能平衡变压器的混合型铁路电能质量控制系统，其特 征在于，所述无源LC滤波支路采用单滤波支路仅针对某一次谐波进行滤波，或采用多条滤 波支路并联针对多个主要次谐波进行滤波；滤波支路用于无功补偿和滤除变流器开关高频 谐波。
4. 如权利要求1所述的基于多功能平衡变压器的混合型铁路电能质量控制系统，其特 征在于，所述变流器采用基于全控型器件的=相全桥两电平拓扑或采用基于中点错位和H 桥级联的多电平拓扑结构。
【专利摘要】本发明公开了一种基于多功能平衡变压器的混合型铁路电能质量控制系统，其特征在于，包括多功能平衡变压器、无源LC滤波支路、变流器和直流电容，所述多功能平衡变压器的一次侧与电网相连，二次侧的两相端口与牵引馈线相连为机车供电，二次侧的三相端口与无源LC滤波支路相连；所述无源LC滤波支路的另一端与变流器交流侧出线端口相连，所述变流器直流出线端口与直流电容相连。本发明无需大容量辅助降压变压器，从而提高了整个系统的集成度，大幅降低了成本、占地空间和安装难度；采用有、无源混合补偿方案使得该系统在获得较好补偿效果的同时，有利于提高PPF的可靠性，降低变流器的容量；采用平衡变压器能获得较为理想的负序抑制效果。
【IPC分类】H02J3-18, H02J3-01, H02J3-26
【公开号】CN104617583
【申请号】CN201510078705
【发明人】张志文, 胡斯佳, 罗隆福, 李勇
【申请人】湖南大学
【公开日】2015年5月13日
【申请日】2015年2月13日