[发明专利]一种电气化铁路电能质量调节器

说明书

技术领域：

本发明涉及电气化铁路供电、电力电子技术及电能质量治理领域，具体涉及一种电气化铁路电能质量调节器。

背景技术：

电气化铁路负荷具有非线性、不对称性和波动性的特点。一方面，由于电气化铁路牵引供电系统都采用单相供电方式，电力机车为单相负荷，无论牵引变压器采取何种接线方式，都将向系统注入较大的负序电流；另一方面，由于电力机车采用电力电子变流器，因此会产生大量的谐波注入系统。此外，由于牵引变电所的负荷随供电臂内列车的数量和每一列车的运行状态随时波动，因此电气化铁路负荷还具有波动性。随着我国客运高速和货运重载铁路的发展，上述问题还会出现不同程度的新变化。例如，高次谐波和负序问题可能会因高速铁路和货运重载的牵引功率增大而变得更为突出。

针对上述电气化铁路的电能质量问题，现已采取了各种补偿措施。其中，比较普遍的方法是在牵引站装设固定电容(Fixed Capacitor，FC)补偿设备。这类设备的共同特点是在无功补偿的同时对谐波电流进行治理。但是由于这类装置属于固定补偿方式，不能灵活调节，无法实现动态补偿，补偿装置在空载或轻载时将向系统倒送无功，造成母线电压升高，对机车工作不利，而在重载时无功补偿又不足。随着电力电子技术和柔性输配电技术的发展，静止无功补偿器(Static Var Compensator，SVC)和静止同步补偿器(Static Synchronous Compensator，STATCOM)开始应用于电气化铁路的电能质量治理。目前用于电气化铁路补偿的SVC通常采用单相晶闸管控制电抗器(Thyristor Controlled Reactor，TCR)加FC安装于牵引侧的方式。这种方式能够跟随牵引负荷频繁的变化，主要补偿低次谐波和无功功率。但是这种方式的缺点是：TCR本身也产生谐波，对负序的补偿作用有限。针对电气化铁路的单相、非线性和波动特性，日本提出了基于自关断器件的大容量铁路功率调节器(Railway Static Power Conditioner，RPC)，利用背靠背的两个大容量变流器对有功、无功及谐波进行控制，使两供电臂的负荷时刻处于平衡状态，从而实现对负序和谐波的综合补偿，是一种综合性能较好的补偿方式。

由于电铁为高压大容量负荷，因此对RPC装置也具有大容量的需求，一般为几MVA到十几MVA之间。为了满足RPC装置大容量、输出波形质量要求高等特点，需要对RPC的变流器选择合适的拓扑结构。为实现上述目标，一方面，可采用电力电子器件串、并联的方式，另一方面也可采用链式、多电平变流技术和基于变压器的多重化技术等。日本的新——沼宫内牵引站采用的是基于IGCT构成的三电平H桥结构，交流侧采用了变压器串联的两重化技术降低输出电压谐波。新——八户牵引站采用的是基于IGBT(绝缘门极双极型晶体管)构成的两电平H桥结构，交流侧采用变压器串联的四重化方式进行消谐。上述结构在装置两侧均采用多绕组变压器实现电压、容量的匹配以及电气隔离，使装置存在占地面积大、成本高、损耗也较大的缺点。因此申请号为200710175253.2，名称为“用于电气化铁路供电的单相统一电能质量控制器”的专利提出采用单相多绕组变压器和链式结构变流器对上述结构的缺点进行改进，该结构仅在一侧使用了单相多绕组变压器，另一侧采用链式结构变流器通过电抗器直接接入牵引网。由于牵引站牵引母线额定电压为27.5kV，AT供电方式时为55kV，受到目前全控功率器件耐压水平的限制，链式结构变流器通过电抗器直接接入牵引网的方式将导致变流器链节数量过多，如果采用目前应用较成熟的3300V等级IGBT器件，在27.5kV电压等级下，模块级联数量将达到30个，AT供电方式下，数量更将超过一倍，造成控制上的复杂性；同时也将导致与其背靠背的另一侧大容量单相多绕组变压器的绕组数过多，造成变压器工艺复杂、设计困难、占地面积大等问题，实际应用时难度大。

发明内容：

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提出了一种基于单相变压器和链式结构的电气化铁路电能质量调节器，该装置可解决电铁牵引站存在的负序、无功、谐波超标等问题，并且具有装置占地面积小、损耗小、控制简单、造价低、可靠性高等优点。

本发明提供的一种电气化铁路电能质量调节器，其改进之处在于，所述调节器包括单相多绕组变压器、单相单绕组变压器、变流器(I、II)和电容；