[發明專利]一種電氣化鐵道用直掛式大容量電能質量綜合治理裝置

有效

• 申請號: 201310449793.0
• 申請日: 2013-09-27
• 公開（公告）號: CN103560508A
• 公開（公告）日: 2014-02-05
• 發明（設計）人: 曹洋;仇樂兵;唐建宇;徐萬良;彭勃;林麗;周方圓;譚勝武;陳孟君;田華貴;黃超;李保國;劉永麗;呂順凱;張杰
• 申請（專利權）人: 株洲變流技術國家工程研究中心有限公司
• 主分類號: H02J3/00
• 分類號: H02J3/00;H02J3/01;H02J3/18
• 代理公司: 湖南兆弘專利事務所 43008
• 代理人: 趙洪;周長清

技術領域

本發明主要涉及到電氣化鐵路牽引供電系統領域，特指一種適用于電氣化鐵道的直掛式大容量電能質量綜合治理裝置。

背景技術

鑒于速度快、運量大、綜合效益突出等優勢，電氣化鐵路是鐵路發展的必然趨勢。電氣化鐵路的發展給交流牽引供電系統提出了更高的要求。由于機車負載的特殊性，牽引供電系統存在一系列的電能質量問題。電氣化鐵路牽引供電系統不同于一般三相電力系統。對于供電給牽引變電站的三相電力系統來說，牽引負荷具有非線性、不對稱及波動性等特點。因此，牽引負荷會給電力系統帶來諸多電能質量問題，如：諧波超標、負序過大、功率因數不達標、電壓波動及閃變等，牽引網電能質量的下降將導致保護誤動、系統諧振、機車出力減小甚至停運等故障。

為解決牽引供電系統在異相供電模式下的一系列電能質量問題，許多科研工作者進行了深入研究，已提出不少實現方案。用來解決諧波、無功、負序、電壓波動等電能質量問題的有效措施之一便是在牽引供電系統的牽引側裝設補償裝置。相比于無源補償，有源補償（或混合補償）裝置具有許多優點，是牽引供電系統補償技術的發展方向。然而在高壓大容量應用領域中，有源補償裝置通常采用工頻變壓器接入電網，笨重的工頻變壓器增加了補償裝置的成本、體積及損耗，并且會惡化裝置的動態響應特性及補償效果。隨著級聯型多電平技術的發展，高壓直掛式補償裝置引起了人們的廣泛關注。從理論上說，只要等效開關頻率足夠高，補償裝置就有可能實現對高次諧波的補償，但這種補償裝置成本過高，控制較復雜。鑒于實際控制系統的固有延時及裝置本身的惰性，用純有源裝置實現對富含高次諧波電流的負載（如：基于交流傳動的高速列車）進行諧波補償的難度非常大。

由上述分析可知，針對電氣化鐵路電能質量治理，目前所采用的治理策略還存在一定局限性，主要體現為：

1、補償裝置需采用變壓器接入牽引網，笨重的工頻變壓器增加了補償裝置的成本、體積及損耗，并且會惡化裝置的動態響應特性及補償效果。采用多重化變壓器時，各繞組間的電磁耦合會增加控制系統的設計難度。

2、基于晶閘管的補償裝置響應速度較慢，裝置本身會產生諧波電流。

3、直掛式補償裝置的設計不盡合理，實現模塊化設計的難度較大。功率模塊不具備旁路功能，裝置無法實現冗余運行。

4、基于純有源補償的治理策略經濟性不佳、治理效果有限。

發明內容

本發明要解決的技術問題就在于：針對現有技術存在的技術問題，本發明提供一種結構簡單、成本低廉、可靠性好、能解決多種電能質量問題的電氣化鐵道用直掛式大容量電能質量綜合治理裝置。

為解決上述技術問題，本發明采用以下技術方案：

一種電氣化鐵道用直掛式大容量電能質量綜合治理裝置，包括有源補償系統和無源補償系統，所述無源補償系統包含兩臺用來濾除高次諧波并提供部分容性無功功率的無源高通濾波器；所述有源補償系統由多個有源補償單元并聯而成。

作為本發明的進一步改進：

所述無源高通濾波器安裝于牽引網末端的分區所或開閉所，所述有源補償系統的兩個交流側分別接于牽引變壓器的兩個異相供電臂與地之間。

所述有源補償單元由兩個連接電抗、若干個具有高頻隔離環節的PET功率模塊級聯而成。

所述PET功率模塊包含左側AC/DC變流器、右側AC/DC變流器及諧振型雙向高頻隔離DC-DC變流器。

所述左側AC/DC變流器為單相半橋變流電路，所述單相半橋電路的交流側出口并聯一個雙向半導體旁路開關K1，所述左側AC/DC變流器的直流側由兩個電容C2串聯而成，每個電容C2均并聯一個電阻R1，在左側AC/DC變流器的正-負直流母線之間設置L1-C1諧振濾波支路；所述右側AC/DC變流器的結構與左側AC/DC變流器相同。

所述左側AC/DC變流器為單相全橋變流器、單相半橋二極管鉗位型AC-DC變流器或飛跨電容型多電平變流器；所述右側AC/DC變流器的結構與左側AC/DC變流器相同。

所述諧振型雙向高頻隔離DC-DC變流器包括半橋電路、Lr-Lm-Cr諧振電路、高頻變壓器，諧振型雙向高頻隔離DC-DC變流器在高頻變壓器一次側實現零電壓開關與小電流關斷，在高頻變壓器二次側實現零電流開關；所述Lr-Lm-Cr諧振電路包括電感元件Lr、Lm及電容元件Cr；所述諧振型雙向高頻隔離DC-DC變流器分別與左側AC/DC變流器、右側AC/DC變流器共用直流母線。

與現有技術相比，本發明的優點在于：